張廣華，沈 飛，屈可朋，王 輝

(西安近代化學(xué)研究所， 西安 710065)

隨著彈藥技術(shù)的發(fā)展，對(duì)彈藥在存儲(chǔ)、使用等過(guò)程中的安全性要求日益提高，不敏感彈藥設(shè)計(jì)受到越來(lái)越多的關(guān)注。破片高速撞擊是彈藥在全壽命周期內(nèi)受到的典型刺激之一，彈藥在破片撞擊下的響應(yīng)特性研究是不敏感彈藥設(shè)計(jì)的重要組成部分。彈藥在破片撞擊下的響應(yīng)過(guò)程是一個(gè)高溫、高壓、高應(yīng)變率的非定常反應(yīng)過(guò)程，在不敏感彈藥研究過(guò)程中，通常將其等效為標(biāo)準(zhǔn)破片以規(guī)定速度撞擊帶殼裝藥。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于破片撞擊帶殼裝藥問(wèn)題開(kāi)展過(guò)較多研究[1-7]，但多數(shù)以特定裝藥結(jié)構(gòu)下使裝藥發(fā)生反應(yīng)的速度閾值[8-9]，破片速度[10-11]、破片材質(zhì)[12]、殼體材質(zhì)[13-14]對(duì)裝藥響應(yīng)特性的影響等為主，關(guān)于殼體厚度對(duì)裝藥在破片撞擊下響應(yīng)特性的影響研究相對(duì)較少，且多數(shù)研究側(cè)重于破片對(duì)裝藥的毀傷效果，主要為反導(dǎo)殺傷元設(shè)計(jì)提供依據(jù)，基于彈藥安全性開(kāi)展的相關(guān)問(wèn)題研究也相對(duì)較少。因此，本研究開(kāi)展了18.6 g破片以1 830±30 m/s速度撞擊帶殼裝藥試驗(yàn)，獲得了不同殼體厚度下的裝藥響應(yīng)特性，并對(duì)影響裝藥響應(yīng)的主要因素進(jìn)行了探討，研究結(jié)果為不敏感彈藥設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 破片撞擊作用下帶殼裝藥的響應(yīng)過(guò)程分析

破片撞擊作用下，帶殼裝藥所受載荷主要包括經(jīng)殼體入射到炸藥的沖擊波對(duì)炸藥的沖擊效應(yīng)、破片貫穿殼體后產(chǎn)生的殘骸在裝藥內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)裝藥的剪切、摩擦等機(jī)械作用。一般認(rèn)為，殼體較薄時(shí)，沖擊效應(yīng)是裝藥響應(yīng)的主導(dǎo)因素；而當(dāng)殼體較厚時(shí)，裝藥響應(yīng)以機(jī)械刺激為主。無(wú)論沖擊效應(yīng)還是機(jī)械作用，炸藥的起爆從本質(zhì)上均屬于熱點(diǎn)起爆機(jī)理，即沖擊波或機(jī)械刺激作用下在炸藥內(nèi)產(chǎn)生熱點(diǎn)，并擴(kuò)展和成長(zhǎng)為整個(gè)炸藥的爆炸或燃燒。

1.1 沖擊波效應(yīng)

破片以一定速度撞擊帶殼裝藥時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩列波：向破片傳播的左行波和向殼體傳播的右行波，右行波透過(guò)殼體后會(huì)繼續(xù)向炸藥透射，根據(jù)撞擊時(shí)的動(dòng)量守恒定律及界面上的連續(xù)性條件，有：

(1)

(2)

ub+uf=v

(3)

pb=pf

(4)

式(1)～式(4)中：Pb、ub分別為作用在殼體上的沖擊波壓力、質(zhì)點(diǎn)速度；ρb為殼體材料的密度；ab、bb為殼體材料的沖擊雨貢紐參數(shù)；Pf、uf分別為作用于破片上的沖擊波壓力、質(zhì)點(diǎn)速度；ρf為破片材料的密度；af、bf為破片材料的沖擊雨貢紐參數(shù)；v為破片撞擊速度。

聯(lián)立式(1)～式(4)得到殼體上的質(zhì)點(diǎn)速度ub：

(5)

式(5)中：

【文化說(shuō)明】turkey shoot指19世紀(jì)的射火雞比賽，以火雞等活物為目標(biāo)，火雞系在原木后，射中的火雞就是給射手的獎(jiǎng)品。由于距離近，目標(biāo)大，這種射擊比賽并不困難。因此，turkey shoot轉(zhuǎn)喻“易如反掌”“所向披靡”等意思。

A=ρfbf-ρbbb

(6)

B=-ρfaf-2bfρfv-ρbab

(7)

C=ρfv(vbf+af)

(8)

將ub代入式(1)，可得作用在殼體上的沖擊波壓力Pb。沖擊波在殼體內(nèi)傳播時(shí)會(huì)發(fā)生衰減，其衰減規(guī)律如下：

ph=pb·e-αh

(9)

式(9)中：Ph為沖擊波傳播至h距離處的壓力值；α為殼體材料的沖擊波壓力衰減系數(shù)。沖擊壓力Ph與質(zhì)點(diǎn)速度uh之間存在如下關(guān)系：

(10)

通過(guò)式(10)可得沖擊波在殼體內(nèi)傳播至h距離時(shí)的質(zhì)點(diǎn)速度uh。

沖擊波傳播至殼體與炸藥的交界面后，由于殼體材料的阻抗大于炸藥阻抗，因此會(huì)在殼體內(nèi)反射稀疏波，并在炸藥內(nèi)產(chǎn)生透射沖擊波，記炸藥內(nèi)的沖擊波壓力為pe，質(zhì)點(diǎn)速度為ue，這兩個(gè)參量可通過(guò)下式獲得：

ρe(ae+beue)ue=ρb[ab+bb(2uh-ue)](2uh-ue)

(11)

pe=ρe(ae+beue)ue

(12)

式中：ae、be為炸藥的沖擊雨貢紐參數(shù)；ρe為炸藥的密度。

通過(guò)式(1)～式(12)可知，進(jìn)入炸藥的沖擊波壓力與彈藥殼體厚度及破片撞擊速度有關(guān)，當(dāng)殼體較薄或破片撞擊速度很高時(shí)，經(jīng)殼體衰減進(jìn)入炸藥的沖擊波壓力能夠直接引起裝藥反應(yīng)，這種情況下通常認(rèn)為沖擊波是炸藥發(fā)生反應(yīng)的主控機(jī)制。

1.2 機(jī)械作用

當(dāng)彈藥殼體較厚或破片速度較小時(shí)，沖擊波在殼體內(nèi)傳播時(shí)受到側(cè)向稀疏波的影響，會(huì)導(dǎo)致高壓區(qū)逐漸縮小，并最終演變?yōu)樗p速度很快的發(fā)散沖擊波，由此導(dǎo)致進(jìn)入炸藥的沖擊波壓力迅速降低。該條件下的沖擊波引爆裝藥的能力很低，難以直接將其引爆。

對(duì)于一定沖擊阻抗和強(qiáng)度的破片及殼體，破片撞擊殼體后會(huì)產(chǎn)生具有一定速度的碎片，由于碎片具有不規(guī)則邊緣，通過(guò)對(duì)裝藥的摩擦、剪切作用，極易在破片與裝藥接觸部位產(chǎn)生熱點(diǎn)，形成局部高溫，進(jìn)而引燃/引爆裝藥。因此，在這種情況下通常認(rèn)為機(jī)械刺激是裝藥發(fā)生反應(yīng)的主控機(jī)制。

2 破片撞擊帶殼裝藥試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)采用Φ25 mm彈道炮作為破片驅(qū)動(dòng)源；破片采用Φ14.3 mm×15.56 mm的標(biāo)準(zhǔn)破片，質(zhì)量為18.6 g，材料為45號(hào)鋼；試驗(yàn)用炸藥由西安近代化學(xué)研究所提供，配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：63%HMX、30%鋁粉及7%粘結(jié)劑，通過(guò)模具壓裝成型，密度為1.85 g/cm3，單節(jié)藥柱尺寸為Φ97 mm×100 mm，每發(fā)試驗(yàn)彈內(nèi)裝填3節(jié)藥柱；裝藥結(jié)構(gòu)由前、后端蓋、套筒及裝藥組成，套筒、前、后端蓋均采用經(jīng)過(guò)熱處理的35CrMnSiA鋼加工而成，厚度分別為5 mm、16 mm，用于模擬實(shí)際彈藥中的殼體厚度，每發(fā)試驗(yàn)中前、后端蓋的厚度相同，套筒內(nèi)徑為97 mm，壁厚5 mm，高度為300 mm，通過(guò)4根長(zhǎng)螺桿將套筒及裝藥固定在前、后端蓋之間。裝藥結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖1、圖2所示。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

端蓋厚度為5 mm時(shí)，裝藥直接發(fā)生爆轟，裝藥響應(yīng)如圖3所示。

端蓋厚度為16 mm時(shí)，裝藥響應(yīng)如圖4所示：前端蓋被拋出且未能回收，套筒結(jié)構(gòu)完整，內(nèi)壁未見(jiàn)明顯燃燒產(chǎn)生的發(fā)黑痕跡，連接前、后端蓋的螺栓被從螺桿的螺紋根部拉脫，現(xiàn)場(chǎng)回收到大量塊狀殘藥。高速攝影記錄的影像表明：破片撞擊前端蓋0.6 ms后裝藥結(jié)構(gòu)完全被火球包圍，綜合判定裝藥發(fā)生了局部爆燃反應(yīng)。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)

圖2 試驗(yàn)布局示意圖

圖3 端蓋厚度為5 mm時(shí)的裝藥響應(yīng)

圖4 端蓋厚度為16 mm時(shí)的裝藥響應(yīng)

3 結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，裝藥響應(yīng)烈度隨著端蓋厚度的增加而降低：端蓋厚度為5 mm時(shí)裝藥直接發(fā)生了爆轟，厚度為16 mm時(shí)發(fā)生了局部爆燃，但不同端蓋厚度下引起裝藥反應(yīng)的主控機(jī)制是不同的。

聯(lián)解式(1)～式(12)，得到本試驗(yàn)條件下沖擊波壓力隨端蓋厚度的變化規(guī)律如圖5所示，Ph為傳播至殼體與裝藥交界面處的壓力，Pe為進(jìn)入裝藥的壓力。

圖5 壓力-端蓋厚度關(guān)系曲線

端蓋厚度為5 mm、16 mm時(shí)，進(jìn)入裝藥的沖擊波壓力分別為8.78 GPa、3.62 GPa。隨著端蓋厚度的增加，進(jìn)入裝藥的沖擊波壓力逐漸減小。端蓋為5 mm時(shí)，由于厚度很薄，經(jīng)衰減后進(jìn)入裝藥的沖擊波壓力很大，由此推測(cè)，沖擊波是裝藥發(fā)生爆轟的主要因素。通過(guò)AUTODYN軟件對(duì)該條件下的響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6示：3.78 μs時(shí)裝藥內(nèi)已形成穩(wěn)定爆轟，但是10.2 μs時(shí)破片才將端蓋穿透，證明沖擊起爆是該條件下裝藥發(fā)生反應(yīng)的主控機(jī)制。

端蓋厚度為16 mm時(shí)，首先，沖擊波進(jìn)入裝藥，由于端蓋較厚，經(jīng)衰減后的沖擊波不足以使裝藥發(fā)生爆炸反應(yīng)，但會(huì)對(duì)裝藥造成結(jié)構(gòu)損傷，在其內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，將裝藥離散為若干藥塊，如圖4(a)所示；由于端蓋較厚，與破片長(zhǎng)度相當(dāng)，因此，沖擊波傳播至端蓋和裝藥分界面時(shí)會(huì)在端蓋背部產(chǎn)生拉伸破壞，出現(xiàn)層裂效應(yīng)[15]，進(jìn)而形成密集分布的碎片群，這些碎片雖然尺寸較小，但是數(shù)量多，以一定速度繼續(xù)在裝藥內(nèi)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)對(duì)裝藥的摩擦、剪切作用，在裝藥內(nèi)產(chǎn)生多個(gè)熱點(diǎn)，引起裝藥反應(yīng)；由于破片穿透殼體過(guò)程中速度衰減較快且單個(gè)破片質(zhì)量很小，導(dǎo)致作用于裝藥的破片動(dòng)能較小，所以該條件下裝藥僅發(fā)生了局部爆燃反應(yīng)。

為了對(duì)上述推測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證，開(kāi)展了破片撞擊無(wú)裝藥殼體試驗(yàn)，以觀察破片撞擊不同厚度端蓋后形成的碎片形態(tài)，試驗(yàn)布局、破片狀態(tài)及殼體結(jié)構(gòu)與上文中破片撞擊帶殼裝藥試驗(yàn)完全一致。圖7所示為破片撞擊不同厚度端蓋后形成的碎片群作用于后端蓋上留下的凹坑，通過(guò)該圖可以看出，5 mm條件下后端蓋上留下了大尺寸凹坑；16 mm條件下，后端蓋上分布有密集的小凹坑，證明破片撞擊端蓋后產(chǎn)生了密集碎片群。

圖7 破片撞擊不同厚度端蓋后留下的凹坑

綜上所述，端蓋厚度為16 mm時(shí)，裝藥響應(yīng)是在沖擊波、碎片群的耦合作用下發(fā)生的，其中，沖擊波的作用主要是將裝藥離散為若干藥塊，碎片群對(duì)裝藥的剪切、摩擦等機(jī)械刺激則是導(dǎo)致裝藥發(fā)生點(diǎn)火的主控機(jī)制。

4 結(jié)論

1) 殼體厚度為5 mm時(shí)裝藥發(fā)生了爆轟，該條件下的響應(yīng)機(jī)制以沖擊起爆為主；殼體厚度為16 mm時(shí)發(fā)生了局部爆燃，裝藥響應(yīng)是在沖擊波、碎片群的耦合作用下發(fā)生的，沖擊波的作用主要是將裝藥離散為了若干藥塊，碎片群對(duì)裝藥的剪切、摩擦等機(jī)械刺激是導(dǎo)致裝藥發(fā)生點(diǎn)火的主控機(jī)制。

2) 殼體較薄時(shí)，沖擊波是引發(fā)裝藥響應(yīng)的主控機(jī)制，該條件下的不敏感彈藥設(shè)計(jì)應(yīng)以弱化沖擊波效應(yīng)為主；隨著殼體厚度的增加，進(jìn)入裝藥的沖擊波壓力逐漸降低，沖擊起爆裝藥的能力也逐漸減弱，此時(shí)機(jī)械刺激對(duì)裝藥的影響愈發(fā)顯著，成為裝藥點(diǎn)火的主控機(jī)制，該條件下的不敏感彈藥設(shè)計(jì)應(yīng)以攔截碎片群為主。