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)射過程中,炸藥裝藥不會因發(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)射安全性越來越突出,在一定程度上制約著炸藥的合理應(yīng)用[1]。

針對炸藥裝藥的發(fā)射安全性,國外的研究手段主要有: 氣體炮沖擊實驗器[2]、高速液壓伺服裝置[3]、落錘[4]、155 mm短管榴彈炮射擊實驗器[5]。大型落錘裝置的加載參數(shù)(應(yīng)力、時間)能覆蓋榴彈炮發(fā)射時的膛內(nèi)加載參數(shù),因此國內(nèi)主要采用大型落錘裝置[6]進行炸藥發(fā)射安全性的評估(加載時間為毫秒量級)。一級輕氣炮能夠完整記錄彈丸碰撞裝藥過程中,炸藥裝藥上加載的應(yīng)力隨時間變化的整個過程,且加載時間為微秒量級,能夠模擬微秒量級炸藥裝藥的發(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,對彈丸膛內(nèi)發(fā)射過程中炸藥裝藥的應(yīng)力和溫度變化進行了計算研究,陳銳[7]從炸藥損傷的角度研究了裝藥缺陷對發(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溫壓炸藥的機械感度、成型性能、靜態(tài)力學(xué)性能、動態(tài)力學(xué)性能進行了研究,通過發(fā)射安全性實驗對溫壓炸藥配方進行了驗證。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道很少,因此,有必要對R-Al炸藥的發(fā)射安全性進行研究,為其應(yīng)用于戰(zhàn)斗部奠定基礎(chǔ)。

本實驗采用400 kg大型落錘研究了R-Al炸藥在毫秒量級的發(fā)射安全性,并與文獻[6]所報道的鑄裝B炸藥大型落錘實驗結(jié)果進行了對比,采用一級輕氣炮裝置研究了鑄裝B炸藥、R-Al炸藥在微秒量級的發(fā)射安全性,對R-Al炸藥進行安全性評估,為炸藥的篩選提供參考。

2 理論基礎(chǔ)及實驗原理

2.1 理論基礎(chǔ)

炸藥裝藥在膛內(nèi)發(fā)射時的主要加載參數(shù)為應(yīng)力(σ)及應(yīng)力加載時間(t),這就要求進行模擬實驗的裝置所獲取的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)射時的應(yīng)力變化過程。

王世英[6]已驗證了大型落錘模擬裝置的加載參數(shù)與炸藥在火炮內(nèi)實際發(fā)射時的主要力學(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)的實際發(fā)射加載環(huán)境,同時,考慮到炸藥裝藥在膛內(nèi)發(fā)射時,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火起爆,采用大型落錘模擬裝置模擬此處受力條件,即可評價炸藥裝藥的發(fā)射安全性,大落錘的加載參數(shù)與實際(122,130,155 mm榴彈)發(fā)射加載參數(shù)見表1。

表1 大型落錘的加載參數(shù)與實際發(fā)射時的參數(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 實驗原理

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、防護掩體、壓力傳感器、控制系統(tǒng)、信號放大器及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。實驗時,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,通過信號放大器放大后,從數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中可直接讀出應(yīng)力數(shù)值及加載時間。此模擬裝置最大加載應(yīng)力達1.5 GPa,上升前沿約為2～3 ms,加載速率為毫秒量級。一級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,自勵式快開錐閥迅速開啟(毫秒級),高壓氣體推動彈丸前進,彈丸經(jīng)炮管的導(dǎo)向和不斷加速后,在出口時達到最高速度并與事先安裝在靶箱內(nèi)的實驗靶碰撞后完成實驗。碰撞時彈丸對炸藥裝藥加載應(yīng)力波,通過信號放大器(揚州無線電二廠YE1940)放大后,從數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(四川拓普測控科技有限公司 Topview2000軟件)中可直接讀出應(yīng)力數(shù)值及加載時間。此試驗裝置加載速率為微秒量級。輕氣炮能完整地記錄彈丸對炸藥裝藥快速壓縮的整個過程中,應(yīng)力隨時間的變化情況,是非常具有優(yōu)勢的研究微妙量級炸藥裝藥高過載發(fā)射安全性的試驗手段。

圖2 一級輕氣炮結(jié)構(gòu)示意圖

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

3 實驗

3.1 樣品制備

大型落錘實驗中使用R-Al炸藥,樣品尺寸Φ40 mm×40 mm,約80～90 g; 一級輕氣炮實驗使用鑄裝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。實驗用樣品如圖3所示。

3.2 樣彈組成

兩種實驗樣彈壁厚均為40 mm,用上下兩個擊柱將炸藥夾緊,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)。考慮到一級輕氣炮實驗時,高速壓縮過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)。兩種實驗樣彈分別如圖3b、圖3c所示。

3.3 儀器及實驗條件

大型落錘模擬加載實驗: 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。

輕氣炮加載實驗: 一級輕氣炮裝置,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,對稱碰撞。

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

圖3 實驗樣品及樣彈

1—殼體, 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 大型落錘實驗

將所制備的R-Al炸藥裝配于樣彈中,實驗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)生點火(ignition),其落錘實驗曲線如圖4a[6]所示,故R-Al炸藥的起始落錘高度H從1.70 m開始,大型落錘模擬加載實驗應(yīng)力-時間(σ-t)曲線見圖4b,以高度H=3.00 m為例說明(未爆,no-ignition),其他高度下的曲線類似,實驗結(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炸藥大落錘實驗曲線

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炸藥大落錘實驗數(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)生點火,而R-Al炸藥在H=4.00 m時依舊安全,可見,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,這就需要對剩下的氣體形成較高的壓力,炸藥才可能發(fā)生點火。鑄裝B炸藥點火是這兩方面共同作用的結(jié)果。落錘高度較低時,載荷較小,且作用時間較長,故微裂紋等泄露空氣的可能性增加; 而落錘高度較高時,載荷較大,且作用時間非常短,微裂紋沒有足夠的時間泄露空氣,相當(dāng)于空氣腔的絕熱壓縮,熱點處熱量累積,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火,故鑄裝B炸藥的點火閾值將不會很高。

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,因此增加了整個炸藥的熱傳導(dǎo)性,可及時將熱點處的熱量傳遞出去,避免了熱點處的熱量累積,因此可以降低系統(tǒng)的敏感度。同時由于配方中少量低分子鈍感劑的作用,炸藥的塑性提高,避免了脆性強度斷裂,炸藥內(nèi)部應(yīng)力集中點減少,故而安全性大大提高。

大型落錘實驗可以模擬炸藥在高膛壓火炮內(nèi)的實際發(fā)射加載環(huán)境(應(yīng)力、時間),并能對炸藥裝藥受力薄弱處進行強化加載,但其應(yīng)力加載時間為毫秒量級。而Barry Fishburn[12]認為發(fā)射過程中炸藥裝藥可能的點火時間范圍為10 μs～10 ms,包含毫秒和微秒兩個量級,此時需借助一級輕氣炮對微妙量級的發(fā)射安全性進行評估。

4.2 一級輕氣炮實驗

所獲得的鑄裝B炸藥及R-Al炸藥的一級輕氣炮實驗σ-t曲線如圖5所示。

圖5 鑄裝B炸藥及R-Al炸藥的輕氣炮實驗曲線

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)生點火,鑄裝B炸藥σ為394 MPa,t為40 μs,結(jié)果發(fā)生點火?？梢姂?yīng)力加載時間在微秒量級內(nèi),R-Al炸藥的發(fā)射安全性優(yōu)于鑄裝B炸藥。這從另一方面說明一級輕氣炮實驗裝置可以模擬微秒量級的炸藥裝藥發(fā)射安全性。

對比大型落錘實驗及一級輕氣炮實驗曲線(圖4、圖5)可以看出,圖4b和圖5曲線上有兩個峰,為方便討論,分別記為σ1和σ2,Barry Fishburn[12]認為σ1峰是加載載荷對炸藥缺陷的快速壓縮,這種作用導(dǎo)致熱點處的溫度升高,σ2峰是加載載荷對炸藥的再次壓縮,第二次壓縮對熱點處溫度的升高沒有貢獻?？梢?由于添加了導(dǎo)熱性良好的Al粉,R-Al炸藥在經(jīng)過第一次壓縮后,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)過第一次加載后,熱點處的熱量累積,溫度升高,超過了炸藥允許的溫度后,引起了炸藥的點火,這從另一方面解釋了R-Al炸藥的大型落錘及一級輕氣炮實驗曲線均有兩個峰,且未點火,而鑄裝B炸藥(圖4a)只有一個峰(σ1),且在第二個峰之前發(fā)生點火。

R-Al炸藥在毫秒和微秒兩種加載應(yīng)力時間段內(nèi),加載應(yīng)力峰值均超過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],說明R-Al炸藥在模擬實驗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輕氣炮模擬了毫秒量級和微秒量級鑄裝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)量級均發(fā)生點火,而R-Al炸藥在毫秒(2～3 ms)和微秒(41 μs)兩種加載時間范圍內(nèi)進行加載應(yīng)力的強化實驗(應(yīng)力約660 MPa)時,均不發(fā)生點火。

(2) 在微秒量級時間段,一級輕氣炮能很好地模擬炸藥發(fā)射藥安全性,可采用此手段對炸藥微妙量級的發(fā)射安全性進行篩選。

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

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