聶少云，趙學(xué)峰，姚奎光，代曉淦，文玉史

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621900)

引 言

炸藥在貯存、運(yùn)輸和使用等全壽命周期中，由于可能遭遇火災(zāi)、意外槍擊、戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)等各種環(huán)境，使得炸藥受到異常環(huán)境刺激作用，嚴(yán)重影響武器彈藥的安全性和使用可靠性，不但對(duì)作戰(zhàn)效能的正常發(fā)揮構(gòu)成了極大威脅，同時(shí)還可能引發(fā)意外爆炸事故。槍擊試驗(yàn)是用于評(píng)價(jià)彈藥在子彈或金屬破片意外撞擊環(huán)境下安全性能的重要方法[1]。

自20世紀(jì)70年代開始，國內(nèi)外均建立了炸藥槍擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，眾多學(xué)者采用標(biāo)準(zhǔn)的槍擊試驗(yàn)方法研究了炸藥、推進(jìn)劑等的槍擊安全性能[2-8]，如Kimura[2]和Lee等[3]采用槍擊試驗(yàn)等方法研究了推進(jìn)劑的安全性能；唐桂芳等[4]采用標(biāo)準(zhǔn)的槍擊試驗(yàn)研究了澆注PBX炸藥以及引信爆炸系列的安全性能；魏祥庚等[5]對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在槍擊作用下的響應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究；李小柱[6]分析了槍擊引起的損傷與殼體材料和推進(jìn)劑性能的關(guān)系；Kent[7]針對(duì)不同形狀、結(jié)構(gòu)的炸藥進(jìn)行了槍擊試驗(yàn)，研究了子彈撞擊過程中應(yīng)力和損傷的演化規(guī)律，并分析了槍擊過程中爆炸的演化過程；代曉淦等[8]對(duì)不同尺寸藥柱響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)槍擊試驗(yàn)中隨著藥柱長度的增加，其反應(yīng)程度也隨之增強(qiáng)；此外，代曉淦[9]針對(duì)PBX-2炸藥還建立了熱和槍擊復(fù)合環(huán)境下的試驗(yàn)方法。在槍擊作用的數(shù)值模擬方面，向梅等[10]研究了槍擊試驗(yàn)中炸藥結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)；伍俊英等[11]采用數(shù)值模擬方法對(duì)HL-10炸藥槍擊試驗(yàn)進(jìn)行了模擬計(jì)算，獲得了與試驗(yàn)結(jié)果相符的計(jì)算結(jié)果。

目前，國內(nèi)外的槍擊安全性研究主要針對(duì)單層藥柱，采用標(biāo)準(zhǔn)的槍擊試驗(yàn)方法開展研究，而對(duì)于模擬一定彈藥結(jié)構(gòu)，如帶一定空腔結(jié)構(gòu)的多層裝藥結(jié)構(gòu)，在子彈撞擊下的響應(yīng)特性研究較少。為此，本研究基于帶空腔的雙層裝藥結(jié)構(gòu)，針對(duì)PBX-3和PBX-9炸藥開展了12.7mm槍擊安全性研究，通過多參量測(cè)試，結(jié)合SEM和XPS結(jié)果，分析了帶空腔雙層裝藥結(jié)構(gòu)的槍擊響應(yīng)特性，為評(píng)估多層裝藥結(jié)構(gòu)的槍擊安全性提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

針對(duì)某典型裝藥結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了雙層裝藥結(jié)構(gòu)的槍擊試驗(yàn)件，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。雙層裝藥尺寸分別為Φ100mm×50mm、Φ100mm×20mm，殼體壁厚3.5mm，材料為2A12，在雙層藥柱之間由隔板隔開，鋼片厚3mm，材料為1Gr18Ni9Ti。為了減小殼體端蓋變形對(duì)藥柱的影響，在裝置中設(shè)計(jì)了一段空腔，尺寸略大于裝藥部分的尺寸，內(nèi)徑為Φ140mm。

分別針對(duì)PBX-3炸藥(主要由HMX、TATB以及黏結(jié)劑組成)、PBX-9炸藥(主要由HMX和黏結(jié)劑組成)開展試驗(yàn)研究，兩種炸藥密度均約為1.85g/cm3，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖2所示。

1.2 試驗(yàn)方法

采用4支沖擊波超壓傳感器測(cè)量炸藥的反應(yīng)超壓，超壓傳感器距離樣品2m。將應(yīng)變計(jì)粘貼在殼體外表面空腔段和裝藥段中部位置，每個(gè)位置粘貼兩個(gè)應(yīng)變計(jì)(結(jié)構(gòu)示意圖見圖3)，分別測(cè)量各段殼體徑向和軸向兩個(gè)方向的變形，用來分析炸藥反應(yīng)后殼體的變形情況。采用PVDF壓力計(jì)測(cè)試殼體底部表面的壓力變化(具體如圖1所示)，分析主炸藥發(fā)生反應(yīng)后產(chǎn)生的壓力。在試驗(yàn)件后端放置鋁見證板，用以分析炸藥反應(yīng)后見證板的變化。

2 槍擊過程模擬計(jì)算分析

為了分析帶空腔雙層裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，并預(yù)估裝置在12.7mm子彈撞擊過程中的力學(xué)響應(yīng)，對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，其中子彈初速為850m/s。試驗(yàn)件為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為簡化計(jì)算，采用HyperWorks軟件建立了試驗(yàn)結(jié)構(gòu)四分之一模型。同時(shí)在計(jì)算中只分析結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，不考慮炸藥材料的化學(xué)反應(yīng)，具體有限元模型如圖4所示。

各材料均采用Johnson_Cook模型，其中主裝藥的應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)[12]。由HyperWorks軟件中的動(dòng)力學(xué)計(jì)算模塊RADIOSS進(jìn)行計(jì)算求解，獲得子彈撞擊過程中的力學(xué)響應(yīng)，子彈的速度歷史和典型位置的應(yīng)力如圖5所示。

由圖5(a)可知，子彈經(jīng)過大約264μs后完全貫穿試驗(yàn)裝置，其剩余速度約為766m/s。在子彈撞擊過程中，子彈路徑上的炸藥將受到極高的受力作用；徑向殼體在子彈撞擊過程中應(yīng)變?yōu)榱?，裝置底部有較高的壓力，底部典型位置應(yīng)力變化如圖5(b)所示。由圖5(b)可知，隨著偏離子彈路徑，應(yīng)力峰值逐步降低，應(yīng)力曲線呈正弦函數(shù)震蕩衰減。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)裝置殘骸分析

PBX-3和PBX-9兩種裝藥槍擊試驗(yàn)后回收的裝置殘骸照片如圖6所示。

從圖6可知，在PBX-3炸藥槍擊試驗(yàn)中，子彈貫穿試驗(yàn)裝置，裝藥發(fā)生反應(yīng)。試驗(yàn)裝置空腔段基本完整，正面被壓力沖開撕裂，裝藥段及殼體底部裂成大塊，鋁制見證板有明顯燒蝕痕跡，無凹坑或爆炸痕跡，同時(shí)試驗(yàn)件周圍有大量殘藥。在PBX-9炸藥槍擊試驗(yàn)中，也出現(xiàn)了上述相似現(xiàn)象。不同的是，試驗(yàn)裝置殼體撕裂成更多的碎片，且試驗(yàn)件周圍無殘藥。兩發(fā)試驗(yàn)中鋼制隔板中心有明顯彈孔，說明子彈正中試驗(yàn)裝置。

3.2 應(yīng)力和應(yīng)變分析

試驗(yàn)采用位于殼體表面的探針觸發(fā)，通過殼體側(cè)面應(yīng)變計(jì)獲得槍擊試驗(yàn)中殼體的應(yīng)變曲線，見圖7。由圖7可以看出，在PBX-3炸藥槍擊試驗(yàn)中，約200μs后，裝藥段徑向表現(xiàn)為先拉伸后壓縮，而軸向應(yīng)變表現(xiàn)為先壓縮后拉伸，在約430μs后發(fā)生突變，殼體破裂；空腔段徑向和軸線均表現(xiàn)為先壓縮后拉伸。結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果，應(yīng)變的產(chǎn)生是由于炸藥反應(yīng)導(dǎo)致的，在約245μs時(shí)出現(xiàn)了第一個(gè)峰值，這說明炸藥在此刻之前發(fā)生了反應(yīng)，且反應(yīng)較弱未能對(duì)殼體造成破壞，在約430μs時(shí)，應(yīng)變出現(xiàn)了突變，炸藥發(fā)生了較強(qiáng)的反應(yīng)，殼體發(fā)生了破壞，同時(shí)回收的殼體殘骸也反映出裝藥段破裂、空腔段完整的特點(diǎn)。在PBX-9炸藥槍擊試驗(yàn)中，殼體變形有類似的趨勢(shì)，但其幅值更大，而且空腔段應(yīng)變也發(fā)生了突變，試驗(yàn)殘骸均反映出殼體破裂，這也說明了PBX-9比PBX-3反應(yīng)更劇烈。

針對(duì)試驗(yàn)中獲得殼體應(yīng)變曲線，分析其所受應(yīng)力水平。參考文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[13]，2A12鋁合金的Johnson-Cook模型參數(shù)為：A為370MPa，B為1798MPa，n為0.73，C為0.013，m為1.53，ε0為4.17×10-4s-1。

將圖7所示應(yīng)變曲線進(jìn)行微分，可獲得殼體變形過程中的應(yīng)變率，最大約為1.2×104s-1，由J-C模型可得試驗(yàn)中測(cè)試的應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值如表1所示。

表1 槍擊試驗(yàn)中應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值Table 1 Stress value corresponding to test strain in bullet impact test

由表1可得，槍擊試驗(yàn)中，在殼體破裂前，所受最大應(yīng)力值均在500MPa以上。

根據(jù)圖1布置的PVDF壓力計(jì)，測(cè)試槍擊試驗(yàn)中典型壓力曲線見圖8，在PBX-9炸藥的槍擊試驗(yàn)中，PVDF壓力計(jì)測(cè)試底部殼體表面壓力在撞擊后約200μs時(shí)達(dá)到最大值，約為120MPa。在PBX-3炸藥的槍擊試驗(yàn)中，PVDF壓力計(jì)測(cè)試底部殼體表面壓力在撞擊后約240μs時(shí)達(dá)到第一個(gè)峰值，約為80MPa，隨后在約340μs時(shí)達(dá)到第二個(gè)峰值，約為110MPa。對(duì)比數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，PVDF壓力計(jì)測(cè)試所得為炸藥反應(yīng)所致。

3.3 沖擊波超壓分析

表2為槍擊試驗(yàn)中沖擊波超壓測(cè)試結(jié)果。

表2 沖擊波超壓測(cè)試結(jié)果Table 2 Testing results of shock wave overpressure

從表2可以看出，槍擊試驗(yàn)中兩種炸藥的能量釋放率均較低。且PBX-9反應(yīng)超壓顯著高于PBX-3，與圖6的回收殘骸結(jié)果一致。結(jié)合回收的試驗(yàn)殘骸、壓力測(cè)試以及沖擊波超壓結(jié)果可見，槍擊試驗(yàn)中兩種炸藥的反應(yīng)程度基本一致，均為爆燃。

3.4 回收殘余炸藥分析

將試驗(yàn)后的殘藥進(jìn)行回收，其中PBX-9炸藥未見殘余炸藥，未能進(jìn)行回收，PBX-3炸藥則回收到較多殘藥，將回收的炸藥進(jìn)行SEM、XPS分析，研究殘余炸藥的狀況。SEM電鏡掃描結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，試驗(yàn)回收的PBX-3樣品與其初始裝藥對(duì)比發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)后的樣品表面出現(xiàn)空洞，并且伴有明顯的熔化現(xiàn)象，主要由于在炸藥中產(chǎn)生高溫導(dǎo)致熔化。但是否是黏結(jié)劑還是炸藥的分解還需要進(jìn)一步分析。

采用X-射線光電子能譜儀[14](XPS)可以獲得材料的元素組成及化學(xué)態(tài)，經(jīng)典的X射線光電子能譜儀能提供分析區(qū)500μm×500μm×10nm內(nèi)元素組成和原子價(jià)態(tài)的平均信息，可作為材料成分是否發(fā)生變化的依據(jù)。

在PBX-3黏結(jié)劑炸藥中，HMX炸藥中的N元素主要來源于硝基中的-N-O以及環(huán)上的-N-，兩種化學(xué)環(huán)境比例為1∶1，TATB炸藥中的N元素主要來源于硝基中的-N-O以及氨基中的-N-H，兩種化學(xué)環(huán)境比例也為1∶1。而環(huán)上的-N-與氨基中的-N-H由于N元素電價(jià)位接近，所表現(xiàn)出的N元素的結(jié)合能相近。因此，PBX-3中N元素主要有兩個(gè)峰，分別對(duì)應(yīng)于硝基與氨基(含環(huán)上的N)，通過分子結(jié)構(gòu)中元素的比例分析可知，HMX和TATB中所含N元素的兩個(gè)峰值面積相等。根據(jù)此原理，對(duì)N元素的峰進(jìn)行了擬合，并計(jì)算了對(duì)應(yīng)的-N-O和N-H的相對(duì)含量，獲得子彈撞擊前后炸藥內(nèi)部-N-O和N-H的含量變化，從而判斷子彈撞擊過程中炸藥的反應(yīng)情況。圖10為PBX-3炸藥N元素譜圖。

由圖10可以看出，第一個(gè)峰(-N-O)明顯比第二個(gè)峰(N-H)低，測(cè)得-N-O環(huán)境和-N-H環(huán)境分別占整個(gè)N元素的32.2%和67.8%，這表明樣品中HMX的-N-O大量減少，由初始狀態(tài)的1∶1變成為1.0∶2.1，這是由于N-O鍵結(jié)合能較弱，首先斷裂所致，表明回收的殘余炸藥中有部分炸藥發(fā)生反應(yīng)現(xiàn)象，這一現(xiàn)象也說明，在槍擊試驗(yàn)中，樣品發(fā)生的反應(yīng)較弱，只有子彈撞擊小區(qū)域的炸藥才發(fā)生了明顯反應(yīng)，其他位置炸藥沒有出現(xiàn)明顯的反應(yīng)增長。

4 結(jié) 論

(1)建立了帶空腔雙層裝藥的槍擊試驗(yàn)方法，試驗(yàn)結(jié)果表明能有效地應(yīng)用于帶空腔雙層裝藥的安全性研究。

(2)槍擊作用下，3.5mm厚鋁殼的Φ100mm雙層裝藥PBX-3和PBX-9炸藥能量釋放率均較低，都發(fā)生爆燃反應(yīng)，且PBX-9反應(yīng)程度略高于PBX-3。

(3)通過對(duì)回收的炸藥樣品進(jìn)行XPS和SEM測(cè)試，獲得了回收樣品的微觀結(jié)構(gòu)變化及反應(yīng)情況。炸藥表面出現(xiàn)明顯的熔化現(xiàn)象，且有反應(yīng)現(xiàn)象，但反應(yīng)較弱，沒有發(fā)生明顯的反應(yīng)增長。