肖 瑋, 李亮亮, 屈可朋, 付改俠

(西安近代化學(xué)研究所, 陜西 西安 710065)

1 引 言

炸藥裝藥的發(fā)射安全性是指,在發(fā)射過(guò)程中,炸藥裝藥不會(huì)因發(fā)生自燃、自爆而導(dǎo)致膛炸、早炸的性能。隨著炸藥裝藥能量、裝填密度的提高,感度也在提高,因此炸藥裝藥的發(fā)射安全性越來(lái)越突出,在一定程度上制約著炸藥的合理應(yīng)用[1]。

針對(duì)炸藥裝藥的發(fā)射安全性,國(guó)外的研究手段主要有: 氣體炮沖擊實(shí)驗(yàn)器[2]、高速液壓伺服裝置[3]、落錘[4]、155 mm短管榴彈炮射擊實(shí)驗(yàn)器[5]。大型落錘裝置的加載參數(shù)(應(yīng)力、時(shí)間)能覆蓋榴彈炮發(fā)射時(shí)的膛內(nèi)加載參數(shù),因此國(guó)內(nèi)主要采用大型落錘裝置[6]進(jìn)行炸藥發(fā)射安全性的評(píng)估(加載時(shí)間為毫秒量級(jí))。一級(jí)輕氣炮能夠完整記錄彈丸碰撞裝藥過(guò)程中,炸藥裝藥上加載的應(yīng)力隨時(shí)間變化的整個(gè)過(guò)程,且加載時(shí)間為微秒量級(jí),能夠模擬微秒量級(jí)炸藥裝藥的發(fā)射安全性。

王豪[1]采用理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對(duì)彈丸膛內(nèi)發(fā)射過(guò)程中炸藥裝藥的應(yīng)力和溫度變化進(jìn)行了計(jì)算研究,陳銳[7]從炸藥損傷的角度研究了裝藥缺陷對(duì)發(fā)射安全性的影響,滕婉婷[8]從粘結(jié)鈍感體系、助劑、裝藥密度、鋁粉含量和鋁粉粒度等方面對(duì)溫壓炸藥的機(jī)械感度、成型性能、靜態(tài)力學(xué)性能、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了研究,通過(guò)發(fā)射安全性實(shí)驗(yàn)對(duì)溫壓炸藥配方進(jìn)行了驗(yàn)證。關(guān)于RDX基含鋁炸藥(R-Al炸藥)的研究主要集中在沖擊波感度[9]、爆炸能量預(yù)估[10]、壓縮本構(gòu)[11]等方面,有關(guān)R-Al炸藥發(fā)射安全性方面的研究報(bào)道很少,因此,有必要對(duì)R-Al炸藥的發(fā)射安全性進(jìn)行研究,為其應(yīng)用于戰(zhàn)斗部奠定基礎(chǔ)。

本實(shí)驗(yàn)采用400 kg大型落錘研究了R-Al炸藥在毫秒量級(jí)的發(fā)射安全性,并與文獻(xiàn)[6]所報(bào)道的鑄裝B炸藥大型落錘實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,采用一級(jí)輕氣炮裝置研究了鑄裝B炸藥、R-Al炸藥在微秒量級(jí)的發(fā)射安全性,對(duì)R-Al炸藥進(jìn)行安全性評(píng)估,為炸藥的篩選提供參考。

2 理論基礎(chǔ)及實(shí)驗(yàn)原理

2.1 理論基礎(chǔ)

炸藥裝藥在膛內(nèi)發(fā)射時(shí)的主要加載參數(shù)為應(yīng)力(σ)及應(yīng)力加載時(shí)間(t),這就要求進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的裝置所獲取的σ、t必須覆蓋其范圍(σ為50～400 MPa,t為3～5 ms),才可模擬炮彈發(fā)射時(shí)的應(yīng)力變化過(guò)程。

王世英[6]已驗(yàn)證了大型落錘模擬裝置的加載參數(shù)與炸藥在火炮內(nèi)實(shí)際發(fā)射時(shí)的主要力學(xué)特征參數(shù)基本相當(dāng),可完全用該裝置模擬炸藥在高膛壓火炮內(nèi)的實(shí)際發(fā)射加載環(huán)境,同時(shí),考慮到炸藥裝藥在膛內(nèi)發(fā)射時(shí),炸藥的底部受力最大,故該處的炸藥最易于因高膛壓作用而點(diǎn)火起爆,采用大型落錘模擬裝置模擬此處受力條件,即可評(píng)價(jià)炸藥裝藥的發(fā)射安全性,大落錘的加載參數(shù)與實(shí)際(122,130,155 mm榴彈)發(fā)射加載參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 大型落錘的加載參數(shù)與實(shí)際發(fā)射時(shí)的參數(shù)

Table 1 Loading parameters of large drop hammer and the actual parameters at launch

methodloadingtime／msloadingstress／ＭＰacurvewidth／msdrophammer≤531．2～10003～5actualparametersatlaunch≤550～4003～5

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

大型落錘模擬加載裝置組成及受試樣彈示意圖如圖1所示。

圖1 落錘裝置組成及受試樣彈示意圖

Fig.1 Diagrammatic sketch of drop hammer device and bomb sample

大型落錘模擬加載裝置由落錘、軌道、爆炸室、樣彈、防護(hù)掩體、壓力傳感器、控制系統(tǒng)、信號(hào)放大器及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。實(shí)驗(yàn)時(shí),某一重量落錘被提升到一定高度,以自由落體方式下降并撞擊樣彈,壓力傳感器捕獲落錘給予受試樣彈的應(yīng)力加載波形,通過(guò)信號(hào)放大器放大后,從數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中可直接讀出應(yīng)力數(shù)值及加載時(shí)間。此模擬裝置最大加載應(yīng)力達(dá)1.5 GPa,上升前沿約為2～3 ms,加載速率為毫秒量級(jí)。一級(jí)輕氣炮模擬加載裝置組成如圖2所示。

輕氣炮是目前特別通用的高速發(fā)射和高壓加載工具,它能發(fā)射各種形狀的彈丸,而且彈丸的質(zhì)量、尺寸和材料范圍廣泛。輕氣炮的優(yōu)點(diǎn)是,彈丸在承受較低的加速度和較小應(yīng)力的情況下,能獲得較高的速度。

把高壓氣室充到預(yù)定彈速需要的氣壓,自勵(lì)式快開(kāi)錐閥迅速開(kāi)啟(毫秒級(jí)),高壓氣體推動(dòng)彈丸前進(jìn),彈丸經(jīng)炮管的導(dǎo)向和不斷加速后,在出口時(shí)達(dá)到最高速度并與事先安裝在靶箱內(nèi)的實(shí)驗(yàn)靶碰撞后完成實(shí)驗(yàn)。碰撞時(shí)彈丸對(duì)炸藥裝藥加載應(yīng)力波,通過(guò)信號(hào)放大器(揚(yáng)州無(wú)線電二廠YE1940)放大后,從數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(四川拓普測(cè)控科技有限公司 Topview2000軟件)中可直接讀出應(yīng)力數(shù)值及加載時(shí)間。此試驗(yàn)裝置加載速率為微秒量級(jí)。輕氣炮能完整地記錄彈丸對(duì)炸藥裝藥快速壓縮的整個(gè)過(guò)程中,應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況,是非常具有優(yōu)勢(shì)的研究微妙量級(jí)炸藥裝藥高過(guò)載發(fā)射安全性的試驗(yàn)手段。

圖2 一級(jí)輕氣炮結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.2 Diagrammatic sketch of one-stage light-gas gun structure

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 樣品制備

大型落錘實(shí)驗(yàn)中使用R-Al炸藥,樣品尺寸Φ40 mm×40 mm,約80～90 g; 一級(jí)輕氣炮實(shí)驗(yàn)使用鑄裝B炸藥和R-Al炸藥兩種炸藥裝藥,所用樣品尺寸Φ30 mm×30 mm,約36～40 g,鑄裝B炸藥成分為: RDX 60%,TNT 40%,蠟 1%,密度為1.71 g·cm-3; R-Al炸藥是以RDX為基的含鋁炸藥,密度為1.80 g·cm-3。實(shí)驗(yàn)用樣品如圖3所示。

3.2 樣彈組成

兩種實(shí)驗(yàn)樣彈壁厚均為40 mm,用上下兩個(gè)擊柱將炸藥夾緊,炸藥與上下?lián)糁g設(shè)置調(diào)整器(聚四氟乙烯材質(zhì),Φ40 mm×5 mm)。考慮到一級(jí)輕氣炮實(shí)驗(yàn)時(shí),高速壓縮過(guò)程中炸藥裝藥與樣彈內(nèi)壁可能存在摩擦作用,為消除此種因素對(duì)炸藥安全性的影響,在炸藥與內(nèi)壁之間設(shè)置緩沖層(聚四氟乙烯,Φ40 mm,壁厚5 mm)。兩種實(shí)驗(yàn)樣彈分別如圖3b、圖3c所示。

3.3 儀器及實(shí)驗(yàn)條件

大型落錘模擬加載實(shí)驗(yàn): 大落錘模擬加載裝置,錘重400 kg,落高0～4.00 m,可以模擬的應(yīng)變率加載范圍: 1～102s-1,常溫條件。

輕氣炮加載實(shí)驗(yàn): 一級(jí)輕氣炮裝置,鋁質(zhì)彈丸,質(zhì)量2.1 kg,輕氣炮氣室壓力可調(diào),可以模擬的應(yīng)變率加載范圍大于105s-1,常溫條件,對(duì)稱碰撞。

a. R-Al explsive b. bullet for large drop hammer c. bullet for one-stage light-gas gun

圖3 實(shí)驗(yàn)樣品及樣彈

1—?dú)んw, 2—上擊柱, 3—調(diào)整器, 4—炸藥, 5—下?lián)糁? 6—緩沖層

Fig.3 Sample and bullet of experiment

1—projectile body, 2—long piston, 3—seal, 4—explosive, 5—short piston, 6—buffer

4 結(jié)果與討論

4.1 大型落錘實(shí)驗(yàn)

將所制備的R-Al炸藥裝配于樣彈中,實(shí)驗(yàn)所用樣品及樣彈照片如圖3所示。鑒于鑄裝B炸藥在1.75 m落高[6]即發(fā)生點(diǎn)火(ignition),其落錘實(shí)驗(yàn)曲線如圖4a[6]所示,故R-Al炸藥的起始落錘高度H從1.70 m開(kāi)始,大型落錘模擬加載實(shí)驗(yàn)應(yīng)力-時(shí)間(σ-t)曲線見(jiàn)圖4b,以高度H=3.00 m為例說(shuō)明(未爆,no-ignition),其他高度下的曲線類似,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

a. casting Comp.B

b. R-Al explosive

圖4 鑄裝B炸藥及R-Al炸藥大落錘實(shí)驗(yàn)曲線

Fig.4 Curves of large drop hammer experiment for casting Comp. B and R-Al explosive

表2 R-Al炸藥及鑄裝B炸藥大落錘實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

Table 2 Data of large drop hammer experiment for R-Al explosive and casting Comp.B

Ｎo．explosiveＨ／mσ／ＧＰat／msignition／no?ignition123456Ｒ?Ａl1．700．893．081．900．922．522．100．983．123．001．142．203．801．223．044．001．473．04no?ignition7castingＣomp．Ｂ［6］1．750．842．10ignition

Note:His the height for drop hammer,σis loading stress,tis loading time.

從表2可看出,鑄裝B炸藥在落錘高度H=1.75 m即發(fā)生點(diǎn)火,而R-Al炸藥在H=4.00 m時(shí)依舊安全,可見(jiàn),R-Al炸藥發(fā)射安全性明顯優(yōu)于鑄裝B炸藥。

鑄裝B炸藥,在TNT中添加了較敏感的RDX,一方面提高了敏感度,另一方面,增加了炸藥結(jié)構(gòu)的脆性,因此增加了微裂紋或裂縫,導(dǎo)致部分氣體的泄露,引起炸藥拒爆,這就需要對(duì)剩下的氣體形成較高的壓力,炸藥才可能發(fā)生點(diǎn)火。鑄裝B炸藥點(diǎn)火是這兩方面共同作用的結(jié)果。落錘高度較低時(shí),載荷較小,且作用時(shí)間較長(zhǎng),故微裂紋等泄露空氣的可能性增加; 而落錘高度較高時(shí),載荷較大,且作用時(shí)間非常短,微裂紋沒(méi)有足夠的時(shí)間泄露空氣,相當(dāng)于空氣腔的絕熱壓縮,熱點(diǎn)處熱量累積,拒爆可能性降低。因此,某一高度后,這兩方面作用都將有利于點(diǎn)火,故鑄裝B炸藥的點(diǎn)火閾值將不會(huì)很高。

R-Al炸藥,在RDX中添加了非爆炸性的Al,由于金屬Al的傳熱性能比較好,因此增加了整個(gè)炸藥的熱傳導(dǎo)性,可及時(shí)將熱點(diǎn)處的熱量傳遞出去,避免了熱點(diǎn)處的熱量累積,因此可以降低系統(tǒng)的敏感度。同時(shí)由于配方中少量低分子鈍感劑的作用,炸藥的塑性提高,避免了脆性強(qiáng)度斷裂,炸藥內(nèi)部應(yīng)力集中點(diǎn)減少,故而安全性大大提高。

大型落錘實(shí)驗(yàn)可以模擬炸藥在高膛壓火炮內(nèi)的實(shí)際發(fā)射加載環(huán)境(應(yīng)力、時(shí)間),并能對(duì)炸藥裝藥受力薄弱處進(jìn)行強(qiáng)化加載,但其應(yīng)力加載時(shí)間為毫秒量級(jí)。而B(niǎo)arry Fishburn[12]認(rèn)為發(fā)射過(guò)程中炸藥裝藥可能的點(diǎn)火時(shí)間范圍為10 μs～10 ms,包含毫秒和微秒兩個(gè)量級(jí),此時(shí)需借助一級(jí)輕氣炮對(duì)微妙量級(jí)的發(fā)射安全性進(jìn)行評(píng)估。

4.2 一級(jí)輕氣炮實(shí)驗(yàn)

所獲得的鑄裝B炸藥及R-Al炸藥的一級(jí)輕氣炮實(shí)驗(yàn)σ-t曲線如圖5所示。

圖5 鑄裝B炸藥及R-Al炸藥的輕氣炮實(shí)驗(yàn)曲線

Fig.5 Curves of one-stage light-gas gun experiment for casting Comp. B and R-Al explosive

從圖5可以看出,R-Al炸藥σ為660 MPa,t為41 μs,結(jié)果未發(fā)生點(diǎn)火,鑄裝B炸藥σ為394 MPa,t為40 μs,結(jié)果發(fā)生點(diǎn)火?？梢?jiàn)應(yīng)力加載時(shí)間在微秒量級(jí)內(nèi),R-Al炸藥的發(fā)射安全性優(yōu)于鑄裝B炸藥。這從另一方面說(shuō)明一級(jí)輕氣炮實(shí)驗(yàn)裝置可以模擬微秒量級(jí)的炸藥裝藥發(fā)射安全性。

對(duì)比大型落錘實(shí)驗(yàn)及一級(jí)輕氣炮實(shí)驗(yàn)曲線(圖4、圖5)可以看出,圖4b和圖5曲線上有兩個(gè)峰,為方便討論,分別記為σ1和σ2,Barry Fishburn[12]認(rèn)為σ1峰是加載載荷對(duì)炸藥缺陷的快速壓縮,這種作用導(dǎo)致熱點(diǎn)處的溫度升高,σ2峰是加載載荷對(duì)炸藥的再次壓縮,第二次壓縮對(duì)熱點(diǎn)處溫度的升高沒(méi)有貢獻(xiàn)?？梢?jiàn),由于添加了導(dǎo)熱性良好的Al粉,R-Al炸藥在經(jīng)過(guò)第一次壓縮后,Al粉有效地將熱量導(dǎo)出,避免了熱量的積累,而鑄裝B炸藥經(jīng)過(guò)第一次加載后,熱點(diǎn)處的熱量累積,溫度升高,超過(guò)了炸藥允許的溫度后,引起了炸藥的點(diǎn)火,這從另一方面解釋了R-Al炸藥的大型落錘及一級(jí)輕氣炮實(shí)驗(yàn)曲線均有兩個(gè)峰,且未點(diǎn)火,而鑄裝B炸藥(圖4a)只有一個(gè)峰(σ1),且在第二個(gè)峰之前發(fā)生點(diǎn)火。

R-Al炸藥在毫秒和微秒兩種加載應(yīng)力時(shí)間段內(nèi),加載應(yīng)力峰值均超過(guò)660 MPa,考慮到155 mm底凹彈全裝藥常溫下的膛壓最大值330 MPa[13],說(shuō)明R-Al炸藥在模擬實(shí)驗(yàn)條件下具有良好的發(fā)射安全性。

5 結(jié) 論

(1) 分別采用大型落錘裝置和一級(jí)輕氣炮模擬了毫秒量級(jí)和微秒量級(jí)鑄裝B炸藥及R-Al炸藥的發(fā)射安全性,結(jié)果顯示鑄裝B炸藥在毫秒(2～3 ms)及微妙(40 μs)量級(jí)均發(fā)生點(diǎn)火,而R-Al炸藥在毫秒(2～3 ms)和微秒(41 μs)兩種加載時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行加載應(yīng)力的強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)(應(yīng)力約660 MPa)時(shí),均不發(fā)生點(diǎn)火。

(2) 在微秒量級(jí)時(shí)間段,一級(jí)輕氣炮能很好地模擬炸藥發(fā)射藥安全性,可采用此手段對(duì)炸藥微妙量級(jí)的發(fā)射安全性進(jìn)行篩選。

(3) 在承受載荷作用時(shí),R-Al炸藥中添加的Al粉有效地降低了熱點(diǎn)處的溫度,提高了發(fā)射安全性。

參考文獻(xiàn):

[1] 王豪.炸藥裝藥發(fā)射安全性計(jì)算研究[D].南京:南京理工大學(xué),2010.

WANG Hao. Calculation on launching safety of explosive[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology,2010.

[2] Lieb R J. Impact-generated surface area in gun propellants[R]. AD-A200 468/7/GAR,1988:1-12.

[3] Lieb R J. Correlation of the failure modulus to fracture-generated surface area in uniaxially compressed M43 gun propellant[R]. AD-A302 379/3/HDM, 1995: 1-19.

[4] Gazanas G A. Mechanical response of M30, XM39 and JA2 propellant at strain rate from 10-2to 250 s-1[R]. AD-A231 435/9/GAR, 1991: 1-15.

[5] Gazanas G A, Juhasz A, Ford J C. Strain rate insensitivity of damage-induced surface area in M30 and JA2 gun propellants[R].AD-A238 666/1/GAR,1991: 1-6.

[6] 王世英, 胡煥性. 炸藥裝藥工藝對(duì)發(fā)射安全性的影響[J].火炸藥學(xué)報(bào), 2003, 26(1): 20-22.

WANG Shi-ying, HU Huan-xing. The effect of different charging processes on the launch safety[J].ChineseJournalofExplosivesandPropellants,2003, 26(1): 20-22.

[7] 陳銳. 裝藥缺陷對(duì)發(fā)射安全性的影響[D]. 北京: 北京理工大學(xué),2006.

CHEN Rui. Influence of charge flaws on launch safety[D]. Beijing: Beijing University of Science and Technology, 2006.

[8] 滕婉婷. 溫壓炸藥發(fā)射安全性相關(guān)研究[D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2013.

TENG Wan-ting. Study on launch safety of thermobaric explosive[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2013.

[9] 曾代朋, 譚多望, 李尚斌, 等.含鋁炸藥沖擊波感度的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算研究[J]. 含能材料, 2010, 18(2): 148-151.

ZENG Dai-peng, TAN Duo-wang, LI Shang-bin, et al. Experimental and numerical calculation study on shock sensitivity of aluminum explosive[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao),2010, 18(2): 148-151.

[10] 常艷, 張奇. 含鋁炸藥爆炸能量預(yù)估[J]. 含能材料, 2012, 20(6): 770-774.

CHANG Yan, ZHANG Qi. Explosion energy prediction of aluminized explosive[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2012, 20(6): 770-774.

[11] 陳榮, 盧芳云, 林玉亮, 等.一種含鋁炸藥壓縮力學(xué)性能和本構(gòu)關(guān)系研究[J]. 含能材料, 2007, 15(5): 460-463.

CHEN Rong, LU Fang-yun, LIN Yu-liang, et al. Mechanical behavior and constitutive model of pressed aluminized explosive[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2007, 15(5): 460-463.

[12] Barry Fishburn. Design modification and calibration of the picatiinny activator for setback safety testing of sadarm[R]. AD-251858, 1992.

[13] 王世英, 李向東. 新型壓裝含鋁炸藥應(yīng)用于大口徑榴彈發(fā)射安全性模擬研究[J]. 計(jì)測(cè)技術(shù), 2013, 33(Suppl.): 37-40.

WANG Shi-ying, LI Xiang-dong. Simulation study on launch safety of application of a new aluminized explosive in the large calibers HE shells[J].MetrologyandMeasurementTechnology, 2013, 33(Suppl.): 37-40.