盛滌倫，楊 斌，李釗鑫，陳利魁，李 俊，朱雅紅

(陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安 710061)

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幾種典型起爆藥的混凝土侵徹過載

盛滌倫，楊 斌，李釗鑫，陳利魁，李 俊，朱雅紅

(陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安 710061)

為考核戰(zhàn)斗部引信用火工品中起爆藥的抗過載性能及適應(yīng)性，通過火炮實彈射擊的混凝土靶侵徹過載模擬實驗，分析了典型起爆藥在模擬彈中真實的力學(xué)環(huán)境、失效特性及承載能力。測試與計算結(jié)果表明：實驗彈丸過載8.7×104g、脈寬持續(xù)時間約2 ms、最大速度708 m/s、侵徹深度0.57 m、起爆藥慣性載荷最大瞬態(tài)作用力為85.34 N、沖量70.17 mN·s、最大瞬態(tài)作用能為0.466 8 J、總能量18.656 1 J。在此力學(xué)環(huán)境下，由于起爆藥質(zhì)量較小，實際承受加速度引起的作用力較小，與靜態(tài)撞擊感度測試作用勢能數(shù)量級相當(dāng)，起爆藥在實驗彈中未發(fā)現(xiàn)損傷。

爆炸力學(xué)；損傷與失效特性；侵徹過載；起爆藥

現(xiàn)代戰(zhàn)爭要求常規(guī)鉆地彈具有較大的侵徹深度，要求戰(zhàn)斗部引信和裝藥的安定性必須滿足高過載要求，其中引信中火工品的過載特性最重要[1-3]。而火工品能否承受高過載首先是建立在對侵徹過程中火工品中起爆藥過載特性的準(zhǔn)確認識基礎(chǔ)上。

目前，我國侵徹彈藥與國外比較穿透深度淺，毀傷效果弱，著靶時偶爾會發(fā)生表面爆炸與提前爆炸或啞彈的現(xiàn)象。其重要原因之一是火工品及藥劑抗過載能力弱，具體現(xiàn)象有：火工品中藥劑與換能元及藥劑層面之間界面分離、敏感藥劑慣性沖擊下意外起爆與點火，裝藥密度發(fā)生變化，裝藥藥柱松散開裂變型等等。存在的本質(zhì)問題是火工藥劑力學(xué)環(huán)境下?lián)p傷特性與響應(yīng)機理沒有得到解決，導(dǎo)致抗過載火工品用藥劑的設(shè)計缺乏理論依據(jù)。

文獻[4-7]報道了混凝土靶中樣品侵徹與貫穿的過載估算方法以及起爆藥化學(xué)結(jié)構(gòu)與感度的關(guān)系，對起爆藥抗力學(xué)過載性能的研究報道很少，文獻[8-10]報道了延期元件和幾種典型起爆藥的抗過載特性、能力及受力模型。本文中進行幾種典型起爆藥著靶侵徹過載實驗研究，分析混凝土著靶的力學(xué)環(huán)境數(shù)據(jù)，考核與驗證幾種常用起爆藥在混凝土高過載著靶侵徹實驗中抵御高過載的能力，為抗力學(xué)沖擊環(huán)境下火工藥劑的設(shè)計與研制提供基礎(chǔ)支撐。

1 火炮實彈射擊的混凝土靶侵徹過載實驗

改進的大口徑57炮發(fā)射實驗彈，炮口與靶板距離約10 m。混凝土靶標(biāo)尺寸為?2 000 mm×1 000 mm，混凝土靶板抗壓強度為40 MPa，實驗彈理論初速為650 m/s。彈載存儲記錄器安裝在實驗彈上，當(dāng)實驗彈著靶時實時記錄彈丸著靶過程的侵徹過載，并能良好回收。彈丸參數(shù)為?62 mm×218 mm，質(zhì)量3.2 kg，材料為35CrMn5。

起爆藥驗證樣品：按照典型軍用雷管的尺寸與質(zhì)量，設(shè)計管殼為?5.08 mm×7.50 mm，內(nèi)徑4.65 mm，裝藥量100 mg，裝藥條件見表1。表中BNCP表示高氯酸·四氨·雙(5-硝基四唑)合鈷(Ⅲ)，LA表示疊氮化鉛，LTNR表示斯蒂芬酸鉛，p為壓藥壓力。

6個實驗樣品安裝在1個測試彈上，包括彈載記錄器，彈載記錄器裝有加速度傳感器,如圖1所示。

測試彈回收良好，測試數(shù)據(jù)有效。加速度傳感器測試得到實驗件承受的最大過載峰值為8.7×104g，脈寬持續(xù)時間約2 ms，如圖2所示。

表1 火炮過載實驗起爆藥樣品裝藥條件

圖1 火炮過載實驗樣品與工裝Fig.1 Overloading experiment samples and device of primary explosives in artillery

圖2 火炮混凝土過載實驗侵徹圖片及記錄曲線Fig.2 Intruding photograph and recording curve of overloading experiment

2 測試結(jié)果分析與討論

從測試彈上取出起爆藥樣品，進行損傷程度與功能失效的鑒定檢查與測試，如圖3～4所示。

從X光照片和CT照片可以看出，過載前后起爆藥殼體及藥柱尺寸沒有發(fā)生變形。從視頻顯微系統(tǒng)的形貌觀察，起爆藥微觀結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，如圖5所示。

通過數(shù)據(jù)處理，可以獲得整個實驗彈的著靶速度-時間曲線和位移-時間曲線，如圖6所示。從速度圖上可以讀出著靶的最大速度為708 m/s，從位移圖可以看出炮彈侵徹深度為0.57 m。

根據(jù)F=ma、I=Fs、E=FD，可以獲得加載在起爆藥上的實際慣性瞬態(tài)作用力F、沖量I、能量E，如圖7所示。從圖7可知：起爆藥的慣性載荷最大瞬態(tài)作用力為85.34 N,平均作用力為32.73 N,沖量I=70.17 mN·s,最大慣性載荷瞬態(tài)作用能E=0.466 8 J,著靶時程內(nèi)平均作用能E平=0.133 0 J,累計總能量E總=18.656 1 J。

圖3 火炮過載起爆藥X光照片F(xiàn)ig.3 X-ray photographs of primary explosives before and after overloading experiment

圖4 火炮過載起爆藥CT圖像Fig.4 CT photographs of primary explosives before and after overloading experiment

圖5 起爆藥動態(tài)過載后的微觀形貌Fig.5 Microscopical photographs of primary explosives after overloading experiment

圖6 火炮混凝土過載實驗分析曲線Fig.6 Experiment analytic curve of overloading experiment

圖7 起爆藥的力學(xué)參數(shù)分析圖Fig.7 Mechanical parameters analytic curve of the primary explosives

高過載主要分為慣性載荷、沖擊載荷以及交變載荷。實驗中測試工裝件和實驗彈體給予起爆藥以強大的約束保護，幾乎沒有受到?jīng)_擊與擠壓。如果僅考慮起爆藥的慣性載荷，則起爆藥在最大瞬態(tài)作用力85.34 N、沖量70.17 mN·s；最大瞬態(tài)作用能0.466 8 J、累計總能量18.656 1 J下未受到損傷。

對比靜態(tài)環(huán)境下火工藥劑的力學(xué)性能，撞擊感度是主要臨界特征參數(shù)值之一。撞擊感度的落錘質(zhì)量、重力加速度與高度的乘積是樣品接受的最大能量臨界值。表2是起爆藥與對比典型炸藥撞擊感度的力學(xué)性能參數(shù)值，表中H50表示50%落高，m為落錘質(zhì)量，E為作用勢能。

表2 起爆藥的撞擊感度的力學(xué)性能參數(shù)

對比著靶侵徹實驗，起爆藥承受的最大瞬態(tài)作用能與靜態(tài)撞擊感度在同一數(shù)量級，并小于撞擊感度的作用勢能，而實際著靶時程內(nèi)累計的總能量比作用勢能高一個數(shù)量級，在這種條件下起爆藥沒有發(fā)現(xiàn)損傷和失效。

3 結(jié) 論

對侵徹彈引信火工品中典型起爆藥裝藥進行了混凝土著靶侵徹過載實驗，對彈丸的過載過程力學(xué)環(huán)境進行了實驗測試和數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明：實驗彈丸最大過載峰值為8.7×104g，脈寬持續(xù)時間約2 ms，最大速度為708 m/s，侵徹深度為0.57 m。

通過計算獲得：起爆藥慣性載荷最大瞬態(tài)作用力為85.34 N,平均作用力為32.73 N,沖量I=70.17 mN·s,最大瞬態(tài)作用能E= 0.466 8 J,著靶時程內(nèi)平均作用能E平=0.133 0 J,累計總能量E總=18.656 1 J。在此力學(xué)環(huán)境下，由于起爆藥質(zhì)量較小，實際承受加速度引起的質(zhì)點作用力較小，與靜態(tài)撞擊感度測試的作用勢能數(shù)量級相當(dāng)，因此起爆藥在實驗彈中未發(fā)現(xiàn)損傷。

[1] 楊英,葛濤,李杰.錐形彈體侵徹過載分析[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2006,7(4):356-359. Yang Ying, Ge Tao, Li Jie. Deceleration-time of penetration of cone-shaped projectile[J]. Journal of PLA University of Science and Technology: Natural Science Edition, 2006,7(4):356-359.

[2] 周寧,任輝啟,沈兆武,等.侵徹鋼筋混凝土過程中彈丸過載特性的實驗研究[J].實驗力學(xué),2006,21(5):572-578. Zhou Ning, Ren Hui-qi, Shen Zhao-wu, et al. Experimental study on overload characteristics of projectile penetrating rerfored concrete[J]. Journal of Experimental Mechanics, 2006,21(5):572-578.

[3] 高金霞,趙衛(wèi)剛,鄭騰.侵徹戰(zhàn)斗部裝藥抗過載技術(shù)研究[J].火工品,2008(4):4-7． Gao Jin-xia, Zhao Wei-gang, Zheng Teng. Study on the anti-overloading technique for penetrating warhead charge[J]. Initiators & Pyrotechnics, 2008(4):4-7.

[4] Frew D J, Hanchck S J, Green M L, et al. Penetration of concrete targets with ogive-nose steel rods[J]. International Journal of Impact Engineering, 1998,21(6):489-497.

[5] Forrestal M J, frew D J, Hickerson J P, et al. Penetration of concrete targets with deceleration-time measurements[J]. International Journal of Impact Engineering, 2003,28(6):479-497.

[6] Frew D J, Forrestal M J, Cargile J D. The effect of concrete target diameter on projectile deceleration and penetration depth[J]. International Journal of Impact Engineering, 2006,32(10):1584-1594.

[7] Cartwright M, Wilkinson J. Correlation of structure and sensitivity in inorganic azides[C]∥New Trends in Research of Energetic Material. Czech: Pardubice, 2008:99-112 [8] 蔡吉生，沈瑞琪，葉迎華，等.高加速度過載下延期元件的失效機理研究[J].火工品,2006(5):8-10. Cai Ji-sheng, Shen Rui-qi, Ye Ying-hua, et al. Failure mechanism of delay element loaded with high acceleration[J]. Initiators & Pyrotechnics, 2006(5):8-10.

[9] 李釗鑫，盛滌倫，朱雅紅，等.三種起爆藥抗高加速度過載能力及受力模型研究[J].含能材料,2012,20(4):423-436. Li Zhao-xin, Sheng Di-lun, Zhu Ya-hong, et al. Studies on the anti-overload capability and menchanical failure model of three primary explosives by SHPB[J]. Chinese Journal of Energetic Materals, 2012,20(4):423-436.

[10] 李釗鑫，盛滌倫，楊斌,等.疊氮化鉛動態(tài)過載下的響應(yīng)特性研究[J].火工品,2011(1):26-30. Li Zhao-xin, Sheng Di-lun, Yang Bin, et al. The mechanical responses of lead azide under dynamic loading[J]. Initiators & Pyrotechnics, 2011(1):26-30.

(責(zé)任編輯 曾月蓉)

Penetration overloading to concrete target for several typical primary explosives

Sheng Di-lun, Yang Bing, Li Zhao-xin, Cheng Li-kui, Li Jun, Zhu Ya-hong

(ShaanxiAppliedPhysicsChymistryResearchInstitute,xi’an710061,Shaanxi,China)

In order to examine the overloading resistance performance and adaptability of primary explosive in detonator used for fuse, several typical primary explosives’ mechanical conditions, failure character and overloading resistance capability in the simulating bomb was analyzed by the penetration experiment on concrete target. Results from test and calculation showed: The overloading value of tested bullet is 8.7×104g, time is 2 ms, the maximal velocity is 708 m/s, penetrating depth is 0.57 m; The maximal transient acting force of primary explosives in inertial load is 85.34 N; Impulse is 70.17 mN·s; The maximal transient action energy is 0.466 8 J; The total energy is 18.656 1 J. Under this mechanical condition, the actual acting force aroused for acceleration is less due to primary explosive’ less mass, and it is comparative to impact sensitivity potential energy at static state of primary explosive. No damage and failure of the primary explosive were found in the tested bullet.

mechanics of explosion; damage and failure character; penetration overloading; primary explosives

10.11883/1001-1455(2015)01-0140-05

2013-06-03；

2013-09-22

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(預(yù)2010939)

盛滌倫(1956— )，男，碩士，研究員,shdl1998@sina.com。

O389 國標(biāo)學(xué)科代碼： 13035

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