常天笑，王雨時(shí)，聞 泉

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

軍事領(lǐng)域中的空投是指通過(guò)運(yùn)輸機(jī)或直升機(jī)，將相關(guān)人員、物資或者裝備投放至地面或水面預(yù)定區(qū)域的行動(dòng)。物資和裝備是提供后勤保障和持續(xù)支援的主要工具，用于空降兵或特種部隊(duì)遂行軍事行動(dòng)[1]，該作戰(zhàn)方式即空降作戰(zhàn)。由于機(jī)動(dòng)性和反應(yīng)性好，空降作戰(zhàn)自誕生以來(lái)一直是各類沖突和局部戰(zhàn)爭(zhēng)中的重要先遣力量；但空降作戰(zhàn)面臨很多問(wèn)題，其中彈藥補(bǔ)給是關(guān)鍵。隨著武器裝備的發(fā)展，空降作戰(zhàn)頻次將會(huì)大幅度增多，并且不少國(guó)家大量布置防空兵器等針對(duì)性裝備，今后空降作戰(zhàn)會(huì)非常激烈，彈藥消耗將大幅增加[2]。此外，由于作戰(zhàn)縱深廣、地形復(fù)雜、空間變化快，傳統(tǒng)的彈藥補(bǔ)給方式很難滿足要求[3]，只有空投彈藥能夠?qū)崿F(xiàn)部隊(duì)快速反應(yīng)和遠(yuǎn)程機(jī)動(dòng)[4]，因而彈藥空投得到重點(diǎn)關(guān)注。美軍開(kāi)發(fā)的制導(dǎo)空投系統(tǒng)是一種低成本、高可靠性、可部署的空投系統(tǒng)[5]，目前美軍彈藥保障的空投能力已十分強(qiáng)大。美軍空降師保障營(yíng)下轄的空投裝備補(bǔ)給連可及時(shí)將包括彈藥在內(nèi)的各種補(bǔ)給物資空投至己方傘降區(qū)域；另外，其運(yùn)輸直升機(jī)營(yíng)也可以緊急空運(yùn)彈藥[6-8]?？胀稄椝幒推渌淦餮b備需要解決許多問(wèn)題，如空投精確性、降低空投開(kāi)傘過(guò)載和空投落地沖擊過(guò)載等[9-11]。由于彈藥意外落地沖擊過(guò)大，有可能意外起爆而造成不可估量的損失，所以將空投彈藥不敏感化，使其能夠安全承受空投意外落地沖擊極為重要。彈藥投棄的關(guān)鍵問(wèn)題也是落地沖擊的安全性問(wèn)題，與彈藥空投類似。本文針對(duì)目前彈藥空投和投棄極限沖擊特性研究方法和落地沖擊特性結(jié)果都比較欠缺的問(wèn)題，研究了彈藥空投和投棄落地沖擊特性及其研究現(xiàn)狀。

1 空投試驗(yàn)

1.1 空投試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)

由于彈藥在空投作戰(zhàn)中的重要意義和可能存在的危險(xiǎn)性，相關(guān)彈藥在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須進(jìn)行空投試驗(yàn)驗(yàn)證。GJB 4403A—2018《常規(guī)兵器彈藥包裝定型試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)帶包裝的彈藥提出了明確的空投試驗(yàn)要求[12]。其中模擬低速降落傘墜落試驗(yàn)時(shí)將被試包裝內(nèi)單元升高到4.3 m的高塔墜落設(shè)施上，模擬9.1 m/s的墜落撞擊速度(未規(guī)定落地沖擊過(guò)載的最大值和脈寬范圍)。此外，該標(biāo)準(zhǔn)還包括了模擬空投失效試驗(yàn)，目的是保證彈藥在降落傘意外未打開(kāi)情況下的空投落地安全性。該試驗(yàn)以107 m高度自由跌落等效模擬46 m/s的撞擊速度，也可用加速裝置將空投單元加速至46 m/s，模擬開(kāi)傘失效情況下的著陸沖擊。該空投試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)并未要求給出具體空投落地沖擊特性如空投落地最大過(guò)載數(shù)值和空投落地過(guò)載曲線等。盡管缺乏空投落地沖擊特性數(shù)據(jù)并不會(huì)影響某次具體試驗(yàn)的結(jié)果和結(jié)論，但是不利于其后的理論與仿真研究以及相關(guān)產(chǎn)品如引信的安全性設(shè)計(jì)。

GJB 573B—2020《引信及引信零部件環(huán)境與性能試驗(yàn)方法》也對(duì)模擬降落傘空投試驗(yàn)有專門規(guī)定[13]。被試引信處于包裝狀態(tài)下，可單獨(dú)包裝，也可裝在配用彈上，按試驗(yàn)大綱規(guī)定捆扎成空投單元，如圖1所示。在低速空投模擬試驗(yàn)和高速空投模擬試驗(yàn)中，要求引信受到的撞擊速度分別為8.7 m/s和27.4 m/s。在降落傘失效空投試驗(yàn)中，要求引信受到的落地沖擊速度是45.7 m/s。失效空投試驗(yàn)還可采用無(wú)緩沖墊的空投單元，就是將未加任何穩(wěn)定且不帶緩沖墊的空投單元以24.4～30.5 m/s的速度，撞擊諸如鋼板和混凝土地面等硬目標(biāo)，要求空投單元最容易損壞的部位先著地。該標(biāo)準(zhǔn)同樣沒(méi)有明確過(guò)載要求，而是檢查引信是否解除保險(xiǎn)和作用，是否能保證裝卸和運(yùn)輸安全。

圖1 GJB 573B—2020規(guī)定的引信空投單元結(jié)構(gòu)Fig.1 The fuze airdrop unit provided in GJB 573B—2020

GJB 6854—2009《空降兵裝備空投要求》明確規(guī)定了空投件空投著陸時(shí)應(yīng)能承受的最大過(guò)載：30g(25 ms)[14]，但該標(biāo)準(zhǔn)并不僅是針對(duì)空降兵彈藥，而是適用于所有空降兵裝備。

空投緩沖裝置也有相應(yīng)的軍用標(biāo)準(zhǔn)，如GJB 3228—1998《固定在貨臺(tái)上的空投物資的加載環(huán)境的一般要求》[15]。標(biāo)準(zhǔn)空投方法是將空投物資裝在空投貨臺(tái)上，然后從飛機(jī)上投放[16]?？胀敦浥_(tái)與降落傘相連，主要起緩沖作用。緩沖材料有蜂窩結(jié)構(gòu)的紙板或可發(fā)性聚苯乙烯泡沫塑料板。蜂窩紙板或可發(fā)性聚苯乙烯泡沫塑料板相互膠合并粘貼在空投貨臺(tái)上。與彈藥空投有關(guān)的通用規(guī)范還有GJB 3104—1997《空投貨臺(tái)通用規(guī)范》[17]和 GJB 3229—1998《空投集裝用具規(guī)范》[18]等。

1.2 空投落地沖擊研究方法

飛行試驗(yàn)是研究空投落地沖擊最準(zhǔn)確、最符合實(shí)際的方法。根據(jù)空投飛機(jī)和空投系統(tǒng)的不同，我國(guó)規(guī)定空投時(shí)的機(jī)速范圍是260～400 km/h[14]，空投高度一般是500～1 000 m[19]。飛行試驗(yàn)也會(huì)根據(jù)實(shí)際情況選擇更高的高度。美軍Screamer空投系統(tǒng)的有效空投高度約5 333 m[20]。2004年，美軍使用C-17A運(yùn)輸機(jī)對(duì)Stryker機(jī)動(dòng)火炮系統(tǒng)進(jìn)行空投試驗(yàn)，空投高度3 000 m[21]。美軍也多次使用C-17運(yùn)輸機(jī)和C-130運(yùn)輸機(jī)在457 m高度空投攜帶有24發(fā)彈藥的M777牽引榴彈炮，隨炮空投的彈藥全部安全落地[22]。雖然飛行試驗(yàn)在各國(guó)的空投研究中都有運(yùn)用，但缺點(diǎn)也較為明顯：花費(fèi)時(shí)間、費(fèi)用和人力均較多[23-24]，另外空投試驗(yàn)還有失敗的風(fēng)險(xiǎn)。1998年，美軍在加利福尼亞州愛(ài)德華茲空軍基地對(duì)雙排空投系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，空投后因平臺(tái)過(guò)度旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致一些雙排空投系統(tǒng)毀壞[25]。而空投彈藥如果失敗，危險(xiǎn)性就更大，且在研究階段難以接受，因此模擬空投試驗(yàn)成了研究空投落地沖擊的重要方法。這種改變從軍用標(biāo)準(zhǔn)的更新中也有體現(xiàn)。GJB 573各版本均等效采用MIL-STD-331的某一相應(yīng)版本。在已被更新的GJB 573—1990《引信環(huán)境與性能試驗(yàn)方法》中，引信的空投試驗(yàn)是外場(chǎng)降落傘空投試驗(yàn)，要求飛機(jī)在460 m高度投放引信[26]，而其后的版本GJB 573A—1998《引信環(huán)境與性能試驗(yàn)方法》已經(jīng)變?yōu)槟M降落傘空投試驗(yàn)，只需模擬落地沖擊速度即可[27]?，F(xiàn)行版本GJB 573B—2020《引信及引信零部件環(huán)境與性能試驗(yàn)方法》與GJB 573A—1998的規(guī)定相同，仍然采用模擬降落傘空投試驗(yàn)方法。國(guó)外也有具體的模擬空投試驗(yàn)記錄[28]，將一輛重約3.2 t的卡車裝到安全氣囊平臺(tái)系統(tǒng)上，并從13 ft的高度墜落(自由降落)，以模擬空投著陸沖擊。模擬空投試驗(yàn)一般是使彈藥從一定高度墜落，模擬一定的落地沖擊速度，但即使是模擬試驗(yàn)，從準(zhǔn)備彈藥和試驗(yàn)設(shè)備到場(chǎng)地安排，仍然需要不菲的人力、物力和財(cái)力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和仿真技術(shù)的成熟，我國(guó)開(kāi)始仿真研究空投落地沖擊[29-35]。美國(guó)宇航局已經(jīng)開(kāi)發(fā)了能對(duì)降落傘進(jìn)行動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)能分析從帶降落傘的貨物離開(kāi)飛機(jī)(投出)到抵達(dá)地面期間整個(gè)系統(tǒng)的力和運(yùn)動(dòng)[36]。在仿真實(shí)驗(yàn)中，并非對(duì)空投物從墜落開(kāi)始進(jìn)行仿真，而是根據(jù)設(shè)定的沖擊速度僅模擬落地沖擊。文獻(xiàn)[37]在研究鋁合金空降車時(shí)總結(jié)出空投裝備落地沖擊的三種工況：1) 正常著陸：無(wú)橫風(fēng)，軟地面，著速6 m/s，氣囊全部工作，最大沖擊加速度小于7g，作用時(shí)間約200 ms；2) 惡劣著陸：不平硬土路地面, 著速6 m/s，部分氣囊工作，裝備受到動(dòng)態(tài)沖擊加速度最大值為11.76g，作用時(shí)間約200 ms；3) 極限工況：鋪面路, 著速8 m/s，部分氣囊工作，最大沖擊加速度接近20g，作用時(shí)間約200 ms。

此外，還可在彈藥的著陸仿真實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行彈藥的墜落仿真實(shí)驗(yàn)。針對(duì)研究的具體空投條件，如高度、風(fēng)速和地形等，仿真得出彈藥落地姿態(tài)和沖擊速度，接著根據(jù)這些落地沖擊條件進(jìn)行空投落地沖擊仿真。

1.3 彈藥空投的落地沖擊特性

文獻(xiàn)[38]使用LS-DYNA軟件對(duì)帶包裝炮彈進(jìn)行空投仿真試驗(yàn)以得到空投彈藥箱著陸響應(yīng)，彈藥箱與貨臺(tái)間采用氣囊緩沖，彈藥箱以6 m/s 的垂直速度著陸于軟地面。仿真得引信最大沖擊過(guò)載4.5g、脈寬0.16 ms，沖擊過(guò)載曲線如圖2所示。文獻(xiàn)[38]認(rèn)為4.5g的最大沖擊過(guò)載和0.16 ms的沖擊脈寬在引信的可承受范圍內(nèi)。

圖2 空投彈藥箱以6 m/s速度軟著陸時(shí)的引信沖擊過(guò)載仿真曲線Fig.2 The impact overload simulation curve of fuze in the airdrop ammunition box during soft landing at 6 m/s

同樣是針對(duì)彈藥空投問(wèn)題，文獻(xiàn)[39]使用ABAQUS軟件對(duì)帶火箭彈的空降火箭炮發(fā)射箱進(jìn)行空投仿真實(shí)驗(yàn)，用以評(píng)估其安全性和方案可行性。該發(fā)射箱外形尺寸3 010 mm×1 360 mm×536 mm，重2 010 kg，如圖3所示。選擇其中6個(gè)壁厚3 mm的定向管及所包含的彈藥進(jìn)行仿真研究，定向管位置如圖4所示?？胀稐l件為無(wú)緩沖材料，落地沖擊速度6 m/s。彈藥最大沖擊過(guò)載出現(xiàn)在5號(hào)管處，達(dá)972g，沖擊過(guò)載脈寬約0.012 5 s。圖5是箱內(nèi)火箭彈空投落地沖擊過(guò)載仿真曲線。沖擊作用使發(fā)射箱明顯變形，部分定向管的應(yīng)力超過(guò)強(qiáng)度極限，不滿足要求，應(yīng)添加緩沖材料。添加了400 mm厚可擠壓泡沫塑料緩沖材料后，再次進(jìn)行空投仿真，此時(shí)最大落地過(guò)載出現(xiàn)在2號(hào)管處，達(dá)23g，沖擊過(guò)載脈寬0.007 s。針對(duì)惡劣工況和極限工況也進(jìn)行了空投仿真實(shí)驗(yàn)。惡劣工況下空投條件為落地速度6 m/s[35]，著陸于硬地面，最大落地沖擊過(guò)載出現(xiàn)在2號(hào)彈處，達(dá)24.1g，沖擊過(guò)載脈寬0.007 s。相比于正常工況，最大過(guò)載略有增加。極限工況下空投條件為落地速度8 m/s[35]，著陸于硬地面，最大落地沖擊過(guò)載出現(xiàn)在2號(hào)彈處，達(dá)34g，沖擊過(guò)載脈寬0.01 s。圖6是箱內(nèi)2號(hào)彈空投正常著陸時(shí)、在惡劣工況下和在極限工況下的落地沖擊過(guò)載仿真曲線。

圖3 122 mm口徑空降火箭炮發(fā)射箱(帶火箭彈)Fig.3 The airborne multiple 122 mm rocket launcher canister (with rockets)

圖4 122 mm口徑空降火箭炮發(fā)射箱定向管位置分布Fig.4 The position distribution of directional tube in airborne multiple 122 mm rocket launcher canister

圖5 無(wú)緩沖材料下122 mm口徑空降火箭炮發(fā)射箱空投落地時(shí)火箭彈沖擊過(guò)載仿真曲線Fig.5 The impact overload simulation curve of the rockets in airborne multiple 122 mm rocket launcher canister when dropped to the ground without cushion material

圖6 添加緩沖材料后122 mm口徑空降火箭炮發(fā)射箱不同工況下空投時(shí)2號(hào)彈沖擊過(guò)載仿真曲線Fig.6 The impact overload simulation curve of rocket 2 in the airborne multiple 122 mm rocket launcher canister when airdropped with cushion material under various conditions

此外，文獻(xiàn)[39]還仿真研究了惡劣工況下傾斜著陸時(shí)的沖擊。發(fā)射箱前端、后端或側(cè)端先著陸分別稱為前傾、后傾或側(cè)傾。因發(fā)射箱重心不在幾何中心，故前傾著陸、后傾著陸和側(cè)傾著陸的結(jié)果不同。模擬前傾、后傾和側(cè)傾的傾斜角都選為15°。最大過(guò)載均出現(xiàn)在2號(hào)彈處，分別為110g、115g和121g，沖擊過(guò)載脈寬均約0.01 s。沖擊過(guò)載曲線如圖7所示。結(jié)果表明，發(fā)射箱采用緩沖材料后空投安全性大幅度提高。傾斜著陸情況下，發(fā)射箱一端接觸到地面時(shí)產(chǎn)生一次沖擊，發(fā)射箱整個(gè)底面接觸到地面時(shí)會(huì)有二次沖擊。二次沖擊會(huì)對(duì)發(fā)射箱內(nèi)彈藥安全性帶來(lái)不利影響。欲避免傾斜著陸，需提高傘降系統(tǒng)對(duì)著陸姿態(tài)的智能控制能力。

圖7 添加緩沖材料后122 mm口徑空降火箭炮發(fā)射箱空投傾斜著陸時(shí)火箭彈沖擊過(guò)載仿真曲線Fig.7 The impact overload simulation curve of the rockets in airborne multiple 122 mm rocket launcher canister when dropped to the ground obliquely with cushion material

為了考核改進(jìn)后某小口徑炮彈引信的空投安全性，文獻(xiàn)[40]使用ANSYS軟件對(duì)裝有該彈藥的包裝箱進(jìn)行空投仿真實(shí)驗(yàn)。包裝箱質(zhì)量25 kg，箱體尺寸47 cm×42 cm×25 cm，無(wú)貨臺(tái)和緩沖材料，地面為鋼板或混凝土，落地沖擊速度分別為9、25和45.5 m/s。地面材料為鋼時(shí)，對(duì)應(yīng)不同沖擊速度空投落地最大沖擊過(guò)載分別為42 500、140 000和220 000g，脈寬分別為0.20、0.12和0.20 ms；地面材料為混凝土?xí)r，空投落地最大沖擊過(guò)載分別為31 000、79 000和100 000g，脈寬分別為0.20、0.12和0.12 ms，沖擊過(guò)載曲線如圖8—圖10所示。在此得出的空投最大沖擊過(guò)載對(duì)應(yīng)于無(wú)貨臺(tái)和緩沖材料的情形，并且在仿真時(shí)將彈藥于彈藥箱建模成一個(gè)整體，比文獻(xiàn)[38—39]有貨臺(tái)和緩沖材料的高出2～4個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖8 某小口徑炮彈包裝箱落地沖擊速度為9 m/s時(shí)的沖擊加速度仿真曲線Fig.8 Simulation curve of impact acceleration of a small caliber projectile packing box when the landing impact velocity is 9 m/s

圖9 某小口徑炮彈包裝箱落地沖擊速度為25 m/s時(shí)的沖擊加速度仿真曲線Fig.9 Simulation curve of impact acceleration of a small caliber projectile packing box when the landing impact velocity is 25 m/s

圖10 某小口徑炮彈包裝箱落地沖擊速度為45.5 m/s時(shí)的沖擊加速度仿真曲線Fig.10 Simulation curve of impact acceleration of a small caliber projectile packing box when the landing impact velocity is 45.5 m/s

另外，實(shí)測(cè)表明，質(zhì)量為80～100 kg的包裝箱，空投高度400～500 m，對(duì)中等硬度的耕地和山石地，著陸時(shí)最大慣性過(guò)載為258g[40]。該沖擊過(guò)載低于發(fā)射過(guò)載，空投對(duì)所研究引信的安全性和可靠性沒(méi)有顯著影響。

除了彈藥包裝箱，空投系統(tǒng)中的緩沖氣囊也是關(guān)鍵。文獻(xiàn)[41]應(yīng)用LS-DYNA軟件對(duì)一種采用新型著陸緩沖氣囊的彈藥空投系統(tǒng)進(jìn)行了空投仿真。彈藥包裝尺寸2.4 m×1.2 m×0.6 m，質(zhì)量2 000 kg?？胀稐l件為彈藥垂直落地，速度7 m/s。整體簡(jiǎn)化模型如圖11所示，圖中上半部分是彈藥包裝箱，中間是緩沖氣囊，底部是地面。仿真所得落地沖擊過(guò)載曲線如圖12所示，其中最大過(guò)載8.65g，小于該彈藥空投著陸最大允許過(guò)載(15g)。

圖11 簡(jiǎn)化后的空投著陸緩沖系統(tǒng)仿真模型Fig.11 Simplified simulation model of airdrop landing cushion system

圖12 空投著陸緩沖系統(tǒng)中彈藥落地沖擊慣性過(guò)載仿真曲線Fig.12 The impact overload simulation curve of the ammunition in airdrop landing cushion system when dropped to the ground

文獻(xiàn)[42]和文獻(xiàn)[43]則分別研究某彈藥托盤集裝系統(tǒng)和一種新型空投系統(tǒng)的空投效果，均未采用仿真方法，也未披露彈藥落地時(shí)的沖擊過(guò)載數(shù)據(jù)。

目前大部分試驗(yàn)設(shè)計(jì)和空投仿真研究，都假設(shè)空投物與地面是絕對(duì)的面-面接觸碰撞。如果有傾斜角，碰撞過(guò)載就會(huì)發(fā)生變化，沖擊脈寬也會(huì)有所增大。匯總上述各類空投試驗(yàn)仿真和測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 空投試驗(yàn)仿真和測(cè)試數(shù)據(jù)匯總Tab.1 The data collection of airdrop simulation and test

續(xù)表1

目前彈藥引信空投和投棄安全性的標(biāo)準(zhǔn)考核方法，是用飛機(jī)投放彈藥，用地面發(fā)射架發(fā)射彈藥或者將彈藥以一定高度自由跌落。模擬仿真只是為了在飛行試驗(yàn)或等效模擬試驗(yàn)前得到落地沖擊加速度、速度和應(yīng)力等數(shù)據(jù)。彈藥空投的標(biāo)準(zhǔn)條件是帶包裝，配有貨臺(tái)和緩沖材料。空投著地目標(biāo)可粗略分為軟地面與硬地面，也可據(jù)實(shí)際情況具體設(shè)置， 如鋼，混凝土和耕地等?？胀稐l件中一般給出落地沖擊速度，可按文獻(xiàn)[35]設(shè)置為6或8 m/s，也可按GJB 573B的要求設(shè)置為8.7、27.4和45.7 m/s。少數(shù)彈藥空投試驗(yàn)條件會(huì)給出飛行高度與速度。不同彈藥的包裝尺寸最大相差近10倍，質(zhì)量甚至可相差100倍，尺寸和質(zhì)量的較大差別使得不同彈藥空投落地沖擊特性相差很大。緩沖材料與貨臺(tái)對(duì)空投沖擊過(guò)載影響最大。相同空投條件下，無(wú)緩沖材料的最大過(guò)載可達(dá)到有緩沖材料的40倍以上。而既無(wú)貨臺(tái)也無(wú)緩沖材料的空投物，落地沖擊過(guò)載可高達(dá)10 000g的量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)包含貨臺(tái)和緩沖材料的空投試驗(yàn)過(guò)載數(shù)值。傾斜姿態(tài)落地的最大沖擊過(guò)載與垂直落地的最大沖擊過(guò)載也有很大不同。此外，更硬的地面和更大的落地沖擊速度，都會(huì)提高沖擊過(guò)載，但是提高幅度最大不超過(guò)5倍。

2 投棄試驗(yàn)

在飛機(jī)或武器發(fā)生故障，戰(zhàn)斗任務(wù)取消或飛行員為了著陸安全而必須卸載時(shí)，可能要向我區(qū)或友區(qū)投棄載機(jī)所配裝彈藥。如果投棄的彈藥不安全，將會(huì)對(duì)我區(qū)和友區(qū)帶來(lái)很大的危害，因此在彈藥研制階段，就要進(jìn)行彈藥投棄安全性試驗(yàn)考核。GJB 573—1990對(duì)彈藥投棄試驗(yàn)有明確要求。GJB 573A—1998完善了投棄試驗(yàn)要求，而GJB 573B—2020則無(wú)變化。該部分內(nèi)容與MIL-STD-331C投棄試驗(yàn)部分大致相同[44]。GJB 573A—1998和GJB 573B—2020規(guī)定投棄試驗(yàn)通過(guò)適當(dāng)?shù)娘w機(jī)或地面發(fā)射架將處于保險(xiǎn)狀態(tài)的引信按規(guī)定條件投向或射向地面、水面或沙箱以考核其安全性。試驗(yàn)時(shí)引信安裝在裝有主裝藥的試驗(yàn)彈上，并將試驗(yàn)彈投擲到規(guī)定區(qū)域。投棄時(shí)落地沖擊速度達(dá)到極限速度(自由落下的物體所受空氣阻力與重力相等時(shí)的速度)。另外目標(biāo)可以是地面、水面和沙箱，其中沙箱用于地面發(fā)射模擬試驗(yàn)，而地面是可耕地或經(jīng)適當(dāng)灌溉的可耕地，水域則不小于6 m深，沙箱入射面木板厚51 mm且垂直于射擊方向。相對(duì)于GJB 573A—1998和GJB 573B—2020，GJB 573—1990規(guī)定的投棄高度是4 600 m或足以使彈藥能接近極限速度的高度(兩者取較低)。

落地沖擊特性是投棄試驗(yàn)中引信是否被起爆的關(guān)鍵。試驗(yàn)研究投棄落地沖擊規(guī)律，對(duì)引信安全性設(shè)計(jì)意義重大。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于引信投棄試驗(yàn)的研究處于空白，在中國(guó)知網(wǎng)上以彈藥投棄或引信投棄為主題詞或關(guān)鍵詞未查到相關(guān)文獻(xiàn)。投棄的外場(chǎng)試驗(yàn)與空投試驗(yàn)一樣，需要花費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，且有一定的危險(xiǎn)性。計(jì)算機(jī)仿真是比較適合的研究方法。

投棄試驗(yàn)與空投試驗(yàn)都是研究彈藥從某一高度落地的沖擊后效，因此可借鑒空投試驗(yàn)的研究方法完善投棄仿真研究，借鑒時(shí)要注意兩者建模的區(qū)別。投棄試驗(yàn)直接投棄彈藥，沒(méi)有貨臺(tái)和緩沖材料，甚至沒(méi)有包裝箱，仿真模型是簡(jiǎn)化的空投試驗(yàn)仿真模型，與文獻(xiàn)[45]中研究空投物資沖擊過(guò)程的模型類似。文獻(xiàn)[45]將貨物和貨臺(tái)視為一整體，把空投系統(tǒng)建模為一個(gè)長(zhǎng)方體。在落地沖擊速度方面，空投仿真時(shí)可據(jù)工況直接選擇沖擊速度，但投棄試驗(yàn)要求彈藥在落地前必須達(dá)到極限速度。因此投棄不同的彈藥，需根據(jù)具體空投條件先進(jìn)行墜落仿真，確認(rèn)極限速度，而不能僅根據(jù)工況選擇落地沖擊速度。投棄仿真與空投仿真相同點(diǎn)很多，可根據(jù)空投的研究方法展開(kāi)投棄仿真研究。彈藥投棄試驗(yàn)與空投試驗(yàn)的差異如表2所列。

表2 彈藥投棄試驗(yàn)與空投試驗(yàn)的差異Tab.2 The differences between airdrop test and jeffision test

3 與其他引信環(huán)境的對(duì)比

除了空投試驗(yàn)和投棄試驗(yàn)外，彈藥和引信低加速度試驗(yàn)還有振動(dòng)試驗(yàn)、震動(dòng)試驗(yàn)和跌落試驗(yàn)。對(duì)比這三項(xiàng)試驗(yàn)的方法和結(jié)果，對(duì)空投試驗(yàn)和投棄試驗(yàn)有借鑒作用。

振動(dòng)試驗(yàn)存在于各種軍用裝備的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)體系中。GJB 150.16A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法·第16部分：振動(dòng)試驗(yàn)》[46]對(duì)振動(dòng)環(huán)境做了具體分類。GJB 5389.20—2005《炮射導(dǎo)彈試驗(yàn)方法·第20部分：振動(dòng)試驗(yàn)》[47]規(guī)定使用振動(dòng)臺(tái)對(duì)炮射導(dǎo)彈進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。振動(dòng)臺(tái)施加的沖擊加速度達(dá)39.3 m/s，約4g，低于大部分彈藥正?？胀兜倪^(guò)載，與文獻(xiàn)[28]中帶彈藥包裝箱正常工況下的空投最大過(guò)載相近。但是振動(dòng)試驗(yàn)以高頻率、長(zhǎng)時(shí)間地持續(xù)施加加速度，而空投試驗(yàn)的過(guò)載曲線一般只有一個(gè)較大的脈沖，時(shí)間也是毫秒級(jí)，因此振動(dòng)試驗(yàn)的條件更嚴(yán)苛。類似的試驗(yàn)方法還出現(xiàn)于GJB 5491.18—2005《末制導(dǎo)炮彈試驗(yàn)方法·第18部分：振動(dòng)試驗(yàn)》[48]和 GJB 573B—2020《引信及引信零部件環(huán)境與性能試驗(yàn)方法》中。

國(guó)內(nèi)外也有許多針對(duì)彈藥和引信振動(dòng)的試驗(yàn)研究。1997年，美國(guó)人Hartman在從薩凡納陸軍基地到克雷恩陸軍彈藥庫(kù)的運(yùn)輸過(guò)程中，對(duì)兩輛裝載了30 mm口徑彈藥的軍用車輛進(jìn)行了監(jiān)控。第一輛軍用貨車用平板半掛車運(yùn)輸，運(yùn)輸?shù)拇蠖鄶?shù)沖擊/振動(dòng)小于0.5g，檢測(cè)到的最高水平為1.08g。第二輛使用鐵路運(yùn)輸，大多數(shù)沖擊/振動(dòng)小于1.25g，并且檢測(cè)到的最高水平為3.32g[49]，這樣的加速度一般小于空投試驗(yàn)中彈藥落地沖擊加速度。文獻(xiàn)[50]在Excalibur平臺(tái)上對(duì)彈藥進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)，模擬了地面車輛的運(yùn)輸，之后繼續(xù)通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)復(fù)現(xiàn)了此次振動(dòng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)降低彈丸振動(dòng)的有效方法是加緊固定帶、增大界面間摩擦和使用柔軟并且高阻尼的緩沖材料，但是這些改變可能使得彈丸的固有頻率變化，與輸入振動(dòng)更加接近?？胀对囼?yàn)中不存在持續(xù)振動(dòng)的情況，故使用柔軟且高阻尼的緩沖材料降低沖擊的效果可能更好。文獻(xiàn)[51]針對(duì)彈藥在鐵路運(yùn)輸中的振動(dòng)問(wèn)題，選擇具體的某型航空彈藥，建立彈藥系統(tǒng)的振動(dòng)力學(xué)模型，分析彈藥包裝對(duì)振動(dòng)的影響。由此得出彈體的最大加速度為0.36g，顯著小于空投試驗(yàn)的彈體加速度。文獻(xiàn)[52]設(shè)計(jì)了運(yùn)輸振動(dòng)模擬試驗(yàn)，測(cè)試某型彈體和關(guān)重件的振動(dòng)加速度響應(yīng)。文獻(xiàn)[53]為了解決報(bào)廢彈藥公路運(yùn)輸?shù)陌踩詥?wèn)題，對(duì)不同路面和速度下運(yùn)輸?shù)膹椝幭溥M(jìn)行仿真分析，得出車輛時(shí)速70 km/h，在縣道或鄉(xiāng)村公路行駛時(shí)，彈藥箱響應(yīng)加速度可達(dá)45.3 m/s2。文獻(xiàn)[54]分析了艦船行駛下引信的振動(dòng)環(huán)境，振動(dòng)沖擊加速度可達(dá)2g。以上研究中，振動(dòng)的加速度一般遠(yuǎn)小于空投加速度。

震動(dòng)試驗(yàn)的目的是考核引信或彈藥在惡劣運(yùn)輸條件的安全性。試驗(yàn)使用震動(dòng)臺(tái)對(duì)引信進(jìn)行三種方向的振動(dòng)。GJB 573B—2020規(guī)定震動(dòng)的沖擊加速度230g±34.5g，持續(xù)時(shí)間2.0 ms±0.2 ms。震動(dòng)試驗(yàn)的沖擊加速度與如下空投試驗(yàn)的落地沖擊加速度相近：質(zhì)量為80～100 kg的包裝箱，從400～500 m的高度空投到中等硬度的耕地和山石地時(shí)著陸時(shí)的最大加速度。震動(dòng)試驗(yàn)的沖擊加速度大于文獻(xiàn)[39]中122 mm口徑空降火箭炮發(fā)射箱在極限工況下的空投最大過(guò)載，脈沖寬度也與一些空投的脈沖寬度相近。震動(dòng)試驗(yàn)還會(huì)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)按照脈沖速率持續(xù)施加脈沖，這有可能使引信產(chǎn)生疲勞應(yīng)力，因此，震動(dòng)試驗(yàn)可能比空投試驗(yàn)的要求更難滿足。如果空投試驗(yàn)的緩沖材料和貨臺(tái)工作效果良好，那么部分落地沖擊過(guò)載較小的空投試驗(yàn)可以采用震動(dòng)試驗(yàn)的方法研究，但是需要注意，由于震動(dòng)試驗(yàn)僅要求處理安全而空投試驗(yàn)要求使用安全和可靠性，所以兩者的結(jié)論不能夠等效。GJB 797.8—1990《地雷爆破器材環(huán)境試驗(yàn)方法·震動(dòng)試驗(yàn)》[55]與GJB 3196.11A—2005《槍彈試驗(yàn)方法·第11部分：震動(dòng)試驗(yàn)》[56]也分別規(guī)定了地雷與槍彈的震動(dòng)試驗(yàn)方法，與引信震動(dòng)試驗(yàn)方法類似。

跌落試驗(yàn)是與空投試驗(yàn)最相似的試驗(yàn)，部分模擬空投試驗(yàn)就是等效跌落試驗(yàn)完成的。GJB 4403A—2018《常規(guī)兵器彈藥包裝定型試驗(yàn)規(guī)程》中，模擬低速降落傘墜落試驗(yàn)就是將被試包裝內(nèi)單元升高到4.3 m的高塔墜落設(shè)施上模擬9.1 m/s的撞擊速度。模擬空投失效的試驗(yàn)中以107 m高度自由跌落等效模擬46 m/s撞擊速度。在大部分的空投仿真試驗(yàn)當(dāng)中，都是在給定落地初速下的跌落仿真[19, 22-24, 29-33, 37, 57-58]。與空投試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)不同的是，跌落試驗(yàn)是給定高度而非落地速度，并且給定的高度與空投試驗(yàn)有所不同。GJB 5389—2005《炮射導(dǎo)彈試驗(yàn)方法》[59-62]和GJB 5491—2005《末制導(dǎo)炮彈試驗(yàn)方法》[63-66]包含的跌落高度有：0.5、1.5和3 m。引信方面則有GJB 573B—2020規(guī)定的1.5 m跌落試驗(yàn)和12 m跌落試驗(yàn)。這些跌落高度設(shè)置的目的是考核勤務(wù)處理中的意外跌落，但事實(shí)上有些已經(jīng)達(dá)到空投試驗(yàn)的等效跌落高度。一些跌落試驗(yàn)的結(jié)果也顯示，跌落的沖擊速度可以與空投試驗(yàn)相近。文獻(xiàn)[67]采用LS-DYNA軟件對(duì)箱裝彈藥跌落過(guò)程進(jìn)行仿真, 模擬跌落條件下作用于引信元器件和零部件處的沖擊加速度值。彈藥包裝箱尺寸為437 mm ×295 mm ×98 mm，跌落高度分別為0.5和1 m。跌落高度為0.5 m時(shí)，落地沖擊速度為3.13 m/s, 最大沖擊過(guò)載約為950g。跌落高度為1 m時(shí)，落地沖擊速度為4.43 m/s，最大沖擊過(guò)載約為1 100g，達(dá)到了空投試驗(yàn)的最大落地沖擊過(guò)載范圍。文獻(xiàn)[68]采用LS-DYNA軟件分別對(duì)35、100和130 mm口徑榴彈進(jìn)行裸態(tài)跌落仿真實(shí)驗(yàn)，選擇的跌落目標(biāo)包括鋼板、鑄鐵板、混凝土板、紅松板、土壤層，跌落高度分別為0.7、1.5、2.1和3 m，對(duì)應(yīng)落地沖擊速度分別為3.71、5.42、6.42和7.67 m/s。當(dāng)?shù)涓叨冗_(dá)3 m時(shí)，跌落時(shí)的最大沖擊速度高于空投時(shí)正常工況的落地沖擊速度。35 mm口徑榴彈從3 m高度跌落在混凝土地面上的最大過(guò)載可達(dá)23 480g。在跌落時(shí)落地沖擊速度小于或者接近空投落地沖擊速度的情況下，跌落的最大沖擊過(guò)載遠(yuǎn)大于正?？胀兜倪^(guò)載，這是因?yàn)橄啾扔诳胀对囼?yàn)，跌落試驗(yàn)時(shí)沒(méi)有緩沖裝置的緩沖。如果彈藥在超過(guò)3 m的高度的跌落試驗(yàn)后，仍然能確保運(yùn)輸、裝卸、貯藏和使用安全，那么一般也能滿足正?？胀对囼?yàn)的要求。另外在跌落仿真的基礎(chǔ)上加上緩沖結(jié)構(gòu)，仿真就近似于空投仿真，因此空投仿真實(shí)驗(yàn)可以借鑒各項(xiàng)跌落仿真的方法。與跌落試驗(yàn)類似，投棄試驗(yàn)時(shí)也沒(méi)有緩沖結(jié)構(gòu)，不同點(diǎn)在于投棄時(shí)彈藥處于極限速度，因此投棄的落地沖擊速度要大于跌落試驗(yàn)的落地速度。

4 分析與討論

目前空投彈藥試驗(yàn)方法逐漸從飛行試驗(yàn)向模擬空投試驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)方法轉(zhuǎn)變，研究緩沖材料、貨臺(tái)和落地姿態(tài)等的影響，測(cè)試不同彈藥和不同空投條件下的具體空投過(guò)載特性，但是空投試驗(yàn)的研究仍然太少?？胀稐l件不同，數(shù)據(jù)差異很大，空投最大過(guò)載從4.5～220 000g。文獻(xiàn)[38]中設(shè)計(jì)的空投彈藥箱，在落地沖擊速度6 m/s的情況下正?？胀?，仿真所得引信最大沖擊過(guò)載僅有4.5g。文獻(xiàn)[41]對(duì)采用新型著陸緩沖氣囊的彈藥包裝進(jìn)行了空投仿真，彈藥包裝重2 000 kg，落地沖擊速度7 m/s的情況下彈藥沖擊過(guò)載是文獻(xiàn)[38]中最大過(guò)載的2倍左右，達(dá)8.65g。針對(duì)122 mm空降火箭炮空投發(fā)射箱，文獻(xiàn)[39]設(shè)置落地沖擊速度6～8 m/s，正常空投垂直落地時(shí)火箭彈的沖擊過(guò)載達(dá)23g～32g, 而傾斜落地的過(guò)載則要高出幾倍，達(dá)110～121g。該發(fā)射箱非正?？胀肚闆r下火箭彈的最大沖擊過(guò)載更高達(dá)972g。文獻(xiàn)[40]針對(duì)25 kg彈藥包裝箱，進(jìn)行了無(wú)貨臺(tái)和緩沖材料的失效空投仿真，以46 m/s速度落在鋼板上，過(guò)載達(dá)220 000g。這些數(shù)據(jù)跨度太大，每個(gè)數(shù)據(jù)都僅有一篇或幾篇文獻(xiàn)支持，難以判斷其結(jié)論是否具有普適性，也無(wú)法得到其中的變化規(guī)律。許多空投試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)和研究?jī)H關(guān)注最后彈藥或引信是否能滿足安全性要求，而并未要求給出具體的空投過(guò)載特性。沒(méi)有具體的數(shù)據(jù)做支撐，空投過(guò)載響應(yīng)特性的研究就難以開(kāi)展。投棄試驗(yàn)更是只有試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有具體的仿真或模擬試驗(yàn)研究成果。目前同樣是考核沖擊過(guò)載的振動(dòng)、震動(dòng)和跌落試驗(yàn)成果豐碩，從中可以獲得借鑒，從而完善彈藥空投試驗(yàn)和投棄試驗(yàn)。例如如同規(guī)定振動(dòng)環(huán)境一樣規(guī)定空投試驗(yàn)的各項(xiàng)條件，確定完備的空投彈藥工況。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前彈藥空投和投棄試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)大多沒(méi)有規(guī)定得到落地沖擊特性，使得后續(xù)研究缺乏數(shù)據(jù)支撐?？胀杜c投棄的環(huán)境和工況沒(méi)有詳細(xì)的分類，不利于試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化。在試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)的制定中應(yīng)強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的重要性。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中可以增加對(duì)空投和投棄環(huán)境的總結(jié)與分類。

彈藥空投落地沖擊特性的研究，大部分針對(duì)的是垂直落地情況，但是實(shí)際上以傾斜姿態(tài)落地才是常態(tài)。文獻(xiàn)[39]火箭彈發(fā)射箱正?？胀秲A斜落地過(guò)載是垂直落地時(shí)的4～5倍。傾斜姿態(tài)落地時(shí)的最大沖擊過(guò)載和持續(xù)時(shí)間與垂直落地的均有很大不同。

振動(dòng)試驗(yàn)和震動(dòng)試驗(yàn)也得到彈藥的沖擊特性。振動(dòng)試驗(yàn)的沖擊加速度在4g左右，通常小于空投和投棄試驗(yàn)的沖擊加速度，不能以振動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果判斷空投和投棄試驗(yàn)的安全性。震動(dòng)試驗(yàn)的沖擊加速度為230g±34.5g，可以達(dá)到一些空投試驗(yàn)的沖擊過(guò)載范圍，震動(dòng)試驗(yàn)中彈藥還可能產(chǎn)生疲勞。震動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果可以對(duì)彈藥的一些空投試驗(yàn)結(jié)論做出預(yù)估。跌落試驗(yàn)可以等效空投試驗(yàn)和投棄試驗(yàn)。在一些試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)用跌落等效試驗(yàn)代替飛行試驗(yàn)。

彈藥空投試驗(yàn)對(duì)著速和地面都有要求。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定帶包裝彈藥正?？胀吨贋?.1 m/s, 空投異常(未開(kāi)傘)著速為46 m/s。引信正?？胀吨贋?.7和27.4 m/s，空投異常(未開(kāi)傘)著速為45.7 m/s，空投件沖擊特性不高于30g/25 ms。一些試驗(yàn)研究中還根據(jù)著速和地面的不同劃分了三種空投工況。不同彈藥空投試驗(yàn)的落地沖擊過(guò)載差別很大。有仿真結(jié)果表明25 kg彈藥箱空投異常撞擊鋼板和混凝土地面時(shí)，沖擊加速度峰值已達(dá)220 000g和100 000g?？胀兜桶l(fā)射過(guò)載引信的安全性設(shè)計(jì)和空投引信不敏感性設(shè)計(jì)要適應(yīng)上述極端環(huán)境。

彈藥投棄安全試驗(yàn)是專為航空彈藥引信設(shè)定的試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)將保險(xiǎn)狀態(tài)的引信配航空炸彈在極限速度條件下投向特定區(qū)域(可耕地或深度不小于6 m的水域)，要求投棄后的航空炸彈及其引信不得爆炸，引信應(yīng)能滿足爆炸物處理要求。估計(jì)引信在投棄落地時(shí)所受到的沖擊加速度與上述空投失效所受到的沖擊加速度相近。

空投作戰(zhàn)方式將成為未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)不可或缺的作戰(zhàn)模式，而空投彈藥作為空投作戰(zhàn)物資保障的關(guān)鍵一環(huán)更是重中之重。投棄彈藥作為空中作戰(zhàn)后安全的重要保障也是意義重大。目前我國(guó)在這兩方面研究還有所欠缺，得到落地沖擊的過(guò)載特性規(guī)律能夠使得這兩項(xiàng)研究前進(jìn)一大步，為不敏感彈藥和引信的極端環(huán)境研究打下基礎(chǔ)。