核武器中的炸药件是引发核反应的初始作功能源,同时也是核武器安全的薄弱环节。由炸药件意外爆炸产生的化爆事故,可能导致放射性污染,甚至可能引起更严重的意外核爆。美国在这方面有许多惨痛的教训,曾出现过核武器空中跌落、飞机失事坠落燃烧等事故。核武器本质安全性的需求促使美国国会军事委员会于1978年提出在今后的核武器中要使用IHE(Slape, R.J. 1984, MHSMP-84-22.), IHE的概念由此得到了极大加强和迅速发展。
IHE概念首先由美国能源部炸药安全委员会针对核武器提出,指整体上能爆轰,但在非正常条件下产生意外引爆或从燃烧转变为爆轰的可能性几乎可以忽略不计的炸药。从IHE概念来看,IHE的表述非常严酷、极端,“非正常条件”、“可能性几乎可以忽略不计”的描述,使如何有效鉴定IHE成为一个重要的研究方向。美国后续提出的11项IHE鉴定试验方法及相应的判据能否有效完全表征IHE,也成为学术界讨论的热点。(Jon L. M. 15th International detonation symposium, Grand Hyatt San Francisco, San Francisco, California, July 13-18, 2014.)
在我国《爆轰术语》(GJB 5720-2006)中,钝感炸药的定义为:需要很强的外界刺激才能引起爆轰的猛炸药,其感度必须经过规定的方法检测、达到有关标准的钝感要求。中国工程物理研究院化工材料研究所已建立了相关的鉴定试验方法,目前正在进一步完善、发展和推广。
IHE及IHE部件鉴定试验方法1982年,美国首先颁布了比较全面的炸药安全性评价方法《炸药安全性和其它性能试验方法》(MIL-STD-1751 (USAF))和《危险货物运输分级标准》(TB-700-2)。1984年,美国能源部制定了IHE标准"钝感炸药试验方法测试规范"(MHSMP-84-22),规定了IHE的11项鉴定试验方法,用于考核炸药遭受意外刺激时的安全性,给出了鉴定被测炸药是否属于IHE的判据。随后,美国能源部将IHE的11项鉴定试验方法列入《炸药安全手册》(DOE M440-1)中,并补充列入了IHE部件(含炸药和传爆药的组件)的5项鉴定试验方法。
11项IHE鉴定试验方法所涉及的试样覆盖了整个炸药寿命周期的各种形态,从原材料到成型试件,如造型粉、成型药件;试验方法模拟性较强,几乎包含从一般生产、运输、使用可能遭遇的异常情况,也包括从基础试验到工程应用可能遇到的各种意外场景。按不同刺激分类,IHE鉴定试验方法主要有:撞击类,包括落锤撞击试验、大型跌落试验(冲塞试验)、苏珊试验、枪击试验;摩擦类,包括摩擦试验和滑道试验;热刺激类,包括一维热爆炸试验和点火及非限制燃烧试验;冲击波类,包括爆轰(雷管起爆)试验和卡片隔板试验;静电类,包括火花试验。按试样药量尺寸分类,IHE鉴定试验方法可分为小药量/小尺寸类和大药量/大尺寸类,其中小药量/小尺寸类包括落锤撞击试验、摩擦试验、一维热爆炸试验、爆轰试验、火花试验和卡片隔板试验,其它剩余项目为大药量/大尺寸类试验。虽然针对的场景和刺激量不同,但小药量/小尺寸的项目具有较强的代表性和较大覆盖面,试验成本、效率也有优势。在这11项IHE鉴定试验方法中,雷管起爆、卡片隔板、静电火花试验与刺激量关系紧密,与更大的试样尺度、场景没有紧密的关系,一种试验即说明问题。
5项IHE部件鉴定试验方法包括大型跌落试验、篝火试验、慢烤试验、多发子弹连击试验(三枪试验)和滑道试验。如果构成炸药部件的主药柱与传爆药柱都已经通过了11项IHE鉴定试验,则明确其部件的鉴定试验就不必进行。
随着对炸药安全性技术的深入研究,美国又发展了多种试验方法对IHE进行安全性评估,但至今并未引入到IHE鉴定试验方法中,说明现有的IHE鉴定试验方法仍然保持了很好的合理性和稳定性。我国针对热、力及热力耦合的异常刺激环境,建立了弹丸撞击试验方法、类STEVEN试验方法等。(代晓淦,申春迎,文玉史,向永. Steven试验中不同形状弹头撞击下炸药响应规律研究.含能材料,Vol.17 No.1,2009,50-54.)
IHE研制及应用IHE是核武器化爆安全本质保障,能够有力保证核武器的“一点安全”,提供了核武器最高安全等级。由于IHE标准非常严酷,1986年美国能源部已批准的IHE只有以TATB为基的配方PBX9502和LX-17。虽然这两种炸药的安全性能非常好,但是其爆轰能量偏低。为了提高武器综合性能,自20世纪70年代以来研究人员一直在寻找能量更高的IHE,但总体上难度极大、进展缓慢。美国相继实施了安全高能炸药(SHEE)和高能降感(HERS)计划,开发了RX-26系列炸药配方,配方的主体组成为TATB/HMX/粘结剂,相关性能得到了较好的改善。近年各国炸药研究人员致力于设计开发以LLM-105为基的配方,试图达到IHE标准。其中,美国设计了包括传爆药配方LX-21和具有IHE特性的主炸药配方LX-22(配方为LLM-105/Viton A=94/6)。(Vitello P., Fried L., Lorenz K. T., Souers P. C. 2015, LLNL-CONF-669912.)然而,RX-26系列配方和LLM-105基系列配方有无通过IHE鉴定试验均未见报道。
TATB与IHE关系的认识TATB与IHE的发展是相互交织、互相促进的。TATB于1889年合成出来,直到1960s才开始作为炸药使用,在1980s被认定为IHE,随后美国研制出TATB基炸药LX-17、PBX-9502,并迅速、大量装备核武库。而IHE概念是由美国能源部炸药安全委员会提出,并在1978年得到了美国国会军事委员会的政策支持。(Dobratz B.M. 1995, LA-13014-H.)由TATB和IHE发展的时间序列,可以推断,如果没有TATB,美国难以提出IHE的概念和迅速发展出IHE,因为当时根本就没有能满足IHE的其他单质炸药,直到现在也没有确认的新IHE,IHE起初基本是为TATB量身打造的,但从IHE鉴定试验方法的建立、判据的确定和TATB反应余量来看,IHE的发展并不仅针对TATB,如IHE鉴定试验方法中最为严酷的苏珊试验,模拟的是万米高空弹体跌落的情形,其判据为在最小333 m·s-1速度下,被测试炸药的相对释放能要求小于或等于TNT10%,而LX-17、PBX-9502在苏珊试验中,相对释放能仅为1%~3%,远低于指标要求,这两种炸药在其它IHE鉴定试验方法中也与指标要求具有类似情况。近些年来,FOX-7、LLM-105、DAAzF等候选钝感单质炸药的研制,RX-26系列炸药、LLM-105基炸药的研发等也表明了IHE并不是仅针对TATB。(Vitello P., Lorenz T., Fried L., Souers P. 2014, LLNL-CONF-656272.)
炸药分类的思考(HE、IHE和准IHE(特IHE))炸药可分为高能炸药(HE)和IHE。HE是指能量较高的炸药,一般而言,能量比TNT高,二代、三代炸药均可称为HE。如RDX、HMX、NTO、FOX-12、CL-20、DNTF、TKX-50等。IHE有严格的定义,如前所述,一般以美国能源部11项鉴定试验方法为标准。因此,HE和IHE之间的绝对划分即在于能否满足这11项鉴定试验方法的判据,能够满足即为IHE,不能满足则为HE。
除HE、IHE分类外,炸药还存在着低感炸药、不敏感炸药、敏感炸药等分类方式,但都没有严格的定义和评价标准。从已有文献报道看(Ian G. C., Richard T. Journal of Applied Mechanics, 2011, 78(5): 051012.),低感炸药和不敏感炸药(如AFX系列炸药、FOX-7基PBX、MTNI等)离IHE的标准有着相当大的距离或空间,从严格的定义来讲,他们都属于HE。因此,若单纯以IHE、HE来划分炸药,客观上将极大地限制新炸药的研究应用。然而目前,国内外尚无“准IHE”、“特IHE”的明确提法、概念标准,而这对实际应用来说,是十分必要的。比如:能否把满足11项IHE标准中的9或10项,另外1或2项基本满足,作为“准IHE”的分类尺度。以苏珊试验为例,其模拟的是机载条件下,弹体万米高空跌落的场景。而在其它可及异常场景,如飞机事故场景,撞击山体或坠机,撞击速度小于160 m·s-1;车载运输场景,火车对撞速度小于138.9 m·s-1,汽车对撞速度小于44.4 m·s-1。这些场景下,苏珊试验中撞击速度为不小于333 m·s-1的要求则显得过于苛刻。因此,若把除苏珊试验接近或基本满足要求之外10项都通过的炸药,作为“准IHE”或“特IHE”,这对于核武器装备是具有现实意义的。这样,TATB/HMX基及LLM-105基PBX有望作为“准IHE”或“"特IHE”得到应用推广,从而更好地支撑核武器化爆安全,又能实现小型化。
更进一步,可对核武器主炸药建立安全性分级体系。如分为A、B、C、D级,A级代表钝感炸药,其完全满足IHE所有指标要求,如LX-17、PBX-9502;B级代表准钝感炸药,其安全性指标中9-10项满足IHE指标要求,可能的如LLM-105基PBX;C级代表低感炸药,如PBX-9501炸药;D级代表高感炸药,如HMX基PBX-9404炸药。
与IHE标准相关的思考在11项IHE鉴定试验方法中,并未考虑火工品和化爆序列的安全性问题。目前,我国兵器有钝感火工品标准(钝感火工品中A类为含起爆药的桥丝雷管,B类为直列式火工品)和传爆药安全试验标准,美国有直列式引信火工品标准,但均没有核武器钝感火工品标准和核武器钝感化爆序列标准。由于火工品意外作用而引起化爆序列爆炸的情形也是可能发生的。因此,必须进行系统考虑,建立核武器用钝感火工品标准和核武器钝感化爆序列标准。该标准应涉及始发药、传爆药、主炸药及其应力环境相互作用、匹配问题,需要系统研究。
结束语(1) 美国IHE鉴定试验方法具有很强的系统性、科学性和规范性,保持着高度稳定,对IHE的概念、方法判据和体系需要更深入地理解认识,结合我国国情,建立我们自己的IHE标准及体系十分重要。
(2) 综合性能优异的IHE无疑是未来核武器主炸药的重点发展方向,虽然路途艰难,努力寻找和应用新的钝感高能炸药分子仍将是科学家们必然的追求。
(3) 立足有效供给和紧迫需求的实际,打开IHE和HE之间的巨大“准IHE”或“特IHE”空间,同时也可为建立核武器主炸药安全性分级体系提供支撑。
(4) 借鉴IHE的方法,融合其他安全标准,有必要深入研究核武器钝感火工品(包括始发药、传爆药)和钝感化爆序列的概念和评价体系问题。