高低溫循環(huán)及對(duì)稱沖擊耦合加載下炸藥的安全性研究?

屈可朋 李亮亮 肖 瑋

西安近代化學(xué)研究所(陜西西安，710065)

引言

侵徹戰(zhàn)斗部在使用過程中承受多種載荷作用，如沖擊載荷、剪切載荷、熱載荷等。在多種載荷作用下，炸藥裝藥的安全性已成為研究的重點(diǎn)，尤其隨著防御工事性能的提高，加載到戰(zhàn)斗部的載荷更加苛刻，迫切需要對(duì)多種載荷耦合作用下的炸藥裝藥安全性進(jìn)行研究。目前，炸藥在沖擊載荷或熱載荷作用下的安全性問題已得到較多關(guān)注，如田勇等[1]研究了炸藥在熱作用下的損傷問題；梁增友等[2]對(duì)損傷炸藥的沖擊起爆進(jìn)行了數(shù)值模擬，建立了基于KIM彈黏塑性球殼塌縮熱點(diǎn)模型原理的三項(xiàng)式整體化學(xué)反應(yīng)速率方程模型，該模型與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好；李德聰?shù)萚3]基于炸藥的熱爆炸理論，研究了炸藥裝藥-彈體在侵徹混凝土厚靶過程中的炸藥安全性，結(jié)果表明，炸藥裝藥與彈殼接觸面間的強(qiáng)摩擦形成熱點(diǎn)，導(dǎo)致炸藥早炸；林聰妹等[4]研究了PBX炸藥的抗熱沖擊性能；向梅等[5]研究了炸藥在烤燃環(huán)境中的熱反應(yīng)規(guī)律；王晨等[6]研究了炸藥在低強(qiáng)度沖擊作用下的反應(yīng)特性；李銀成[7]研究了均勻炸藥沖擊起爆和起爆后的行為。但此類研究?jī)H關(guān)注單一載荷作用，對(duì)沖擊載荷-熱載荷耦合作用下的炸藥安全性研究較少。

本研究中，擬基于一級(jí)輕氣炮設(shè)備，對(duì)高低溫循環(huán)后的某黑索今(RDX)基含Al炸藥試樣進(jìn)行對(duì)稱沖擊，研究炸藥在沖擊載荷-熱載荷耦合作用下的安全性，為沖擊載荷-熱載荷耦合作用下炸藥安全性研究提供技術(shù)支撐，為其他炸藥在復(fù)雜應(yīng)力作用下的安全性研究提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 樣品及儀器

試樣為 RDX基含 Al炸藥(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：RDX 70%、Al 20%、其他(低分子鈍感劑、高能黏合劑)10%，采用直接壓裝工藝制成，密度為1.80 g/cm3，尺寸?30 mm×30 mm，約38 g。

1.2 高低溫循環(huán)試驗(yàn)

交變濕熱試驗(yàn)箱：型號(hào)PCH(r10)-800ITUH，上海晟泰試驗(yàn)設(shè)備有限公司，溫度范圍：-70～150℃，溫度升降速率不大于1℃/min，精度±1℃，1個(gè)循環(huán)24 h。

依據(jù)西安近代化學(xué)研究所企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/AY250—1996《炸藥環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)：高低溫溫度循環(huán)試驗(yàn)方法》進(jìn)行高低溫循環(huán)試驗(yàn)，高低溫循環(huán)范圍：-54～71℃，共進(jìn)行7個(gè)循環(huán)，循環(huán)程序見圖1。

圖1 高低溫循環(huán)試驗(yàn)一周期程序示意圖Fig.1 Schematic diagram of one periodic process of high-low temperature cyclic test

1.3 對(duì)稱碰撞試驗(yàn)

對(duì)稱碰撞試驗(yàn)在西安近代化學(xué)研究所的一級(jí)輕氣炮上進(jìn)行加載，氣炮直徑130 mm。裝置主要包括增壓裝置、氣室、錐閥、彈丸、發(fā)射管、測(cè)試室、靶室、靶及緩沖器等部分，彈丸速度范圍300～600 m/s，對(duì)稱碰撞目標(biāo)，加載應(yīng)力可達(dá)1 GPa，加載時(shí)間為毫秒量級(jí)。此裝置中，彈丸(模擬靶體)運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)彈(內(nèi)含炸藥)固定，故可以模擬研究侵徹過程中的炸藥裝藥安全性。

比較同種炸藥在不同高低溫循環(huán)條件(本試驗(yàn)中為經(jīng)高低溫循環(huán)試驗(yàn)及未經(jīng)高低溫循環(huán)試驗(yàn))下的安全性。常用的方法是固定彈丸的質(zhì)量、材質(zhì)及加載速度。因此，本試驗(yàn)中固定的彈丸參數(shù)為：材質(zhì)，聚乙烯；質(zhì)量，2.5 kg；加載速度，400 m/s。 彈丸與裝藥處于同一軸線，采用紅外水平儀進(jìn)行確認(rèn)；高低溫循環(huán)后試樣在30℃保溫，試驗(yàn)前取出進(jìn)行裝配，試驗(yàn)彈從裝配、安裝到進(jìn)行試驗(yàn)，時(shí)間可控制在5 min內(nèi)，各組試驗(yàn)進(jìn)行3次，取重復(fù)率較高的試驗(yàn)結(jié)果作為最終數(shù)據(jù)。

裝置示意圖如圖2所示，試驗(yàn)原理及方法可參照文獻(xiàn)[8]，沖擊速度的確認(rèn)(采用光電測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量)、傳感器的標(biāo)定等方法參考文獻(xiàn)[9]。

圖2 一級(jí)輕氣炮試驗(yàn)裝置原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of one-stage light-gas gun

2 結(jié)果與討論

2.1 高低溫循環(huán)試驗(yàn)

高低溫循環(huán)試驗(yàn)前、后的試樣照片如圖3所示。

圖3 高低溫循環(huán)前、后的試樣表面Fig.3 Surface of sample before or after high-low temperature cycle

從圖3可以看出，高低溫循環(huán)前藥柱表面表觀上無肉眼可見的裂紋，但高低溫循環(huán)后的藥柱表面存在較多孔隙(凹坑)，且分布不均勻。分析原因可能是因?yàn)椋涸诟叩蜏匮h(huán)后試驗(yàn)的低溫階段(-54℃)，藥柱溫度降低，體積縮小，因固體組分(RDX、Al)、低分子鈍感劑及黏合劑組分的體積縮小程度不同，藥柱會(huì)產(chǎn)生各種缺陷，如微孔；高溫階段(71℃)，藥柱受熱膨脹，各組分的熱膨脹系數(shù)不同，各組分的熱膨脹量存在差異；在收縮-膨脹過程中，各固體組分的顆粒位置發(fā)生改變，微孔等缺陷的數(shù)量及大小可能增加，而液化或軟化后的低分子鈍感劑通過微孔發(fā)生流動(dòng)遷移，因表面張力的作用而富集于藥柱表面處，進(jìn)而流失，在流失處產(chǎn)生表觀上可見的孔隙。這些孔隙中含有空氣，在沖擊過程中，將影響裝藥安全性。

2.2 對(duì)稱碰撞試驗(yàn)

對(duì)稱碰撞試驗(yàn)在一級(jí)輕氣炮上進(jìn)行。對(duì)稱碰撞試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。所獲得的對(duì)稱碰撞試驗(yàn)σ-t曲線見圖4。

表1 對(duì)稱碰撞試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Symmetrical impact experiment test

圖4 對(duì)稱碰撞試驗(yàn)曲線Fig.4 Curves of symmetrical impact experiment

從表1及圖4可以看出，未經(jīng)高低溫循環(huán)的試樣未發(fā)生點(diǎn)火，而經(jīng)高低溫循環(huán)的試樣發(fā)生點(diǎn)火。其中，未經(jīng)高低溫循環(huán)試樣的σ-t曲線上有兩個(gè)峰，為方便討論，分別記為σ1和σ2，第一個(gè)峰值出現(xiàn)在13 s，σ1為 273 MPa，第二個(gè)峰值出現(xiàn)在 35 s，σ2為835 MPa。文獻(xiàn)[10]認(rèn)為，σ1加載載荷對(duì)炸藥進(jìn)行快速壓縮，產(chǎn)生熱點(diǎn)，并引起熱點(diǎn)處的溫度上升，最終導(dǎo)致熱點(diǎn)(細(xì)微缺陷或裂紋)處閉合，繼續(xù)加載產(chǎn)生σ2峰；經(jīng)高低溫循環(huán)的試樣在加載到11 s即發(fā)生點(diǎn)火，點(diǎn)火前應(yīng)力值為242 MPa。同時(shí)，從圖4可以看出，σ-t曲線在0～11 s間，即第一個(gè)應(yīng)力峰σ1之前，經(jīng)高低溫循環(huán)試樣的應(yīng)力低于未經(jīng)高低溫循環(huán)試樣。分析原因可能為，試樣經(jīng)過沖擊被壓縮，孔隙周圍的炸藥坍塌，表現(xiàn)出應(yīng)力逐漸上升的趨勢(shì)，又由于經(jīng)過高低溫循環(huán)后，試樣內(nèi)部及表面的孔隙中存在空氣，即經(jīng)高低溫循環(huán)試驗(yàn)后試樣內(nèi)部及表面的孔隙，其體積、數(shù)量均大于未經(jīng)高低溫循環(huán)的試樣，達(dá)到相同的應(yīng)力值，經(jīng)高低溫循環(huán)的試樣所需的時(shí)間長(zhǎng)于未經(jīng)高低溫循環(huán)的試樣，故經(jīng)高低溫循環(huán)的試樣，其應(yīng)力值增長(zhǎng)低于未經(jīng)高低溫循環(huán)的試樣。而經(jīng)高低溫循環(huán)的試樣在對(duì)缺陷壓縮過程中，缺陷處的氣體受到快速壓縮，內(nèi)能增加，溫度升高，因缺陷內(nèi)空氣及炸藥的導(dǎo)熱系數(shù)小，炸藥熱分解所產(chǎn)生的熱量無法釋放，對(duì)壓縮后的空氣及炸藥進(jìn)行了二次加熱，如此反復(fù)，熱量積累到一定程度，炸藥點(diǎn)火。

不同高低溫循環(huán)條件下，對(duì)稱碰撞試驗(yàn)后的試驗(yàn)彈狀態(tài)如圖5所示。圖5表明，未經(jīng)高低溫循環(huán)的試樣在對(duì)稱碰撞時(shí)，彈裂后碎片數(shù)量少，體積大，試驗(yàn)彈的內(nèi)壁未見黑色燒蝕痕跡，僅有試樣壓縮痕跡，現(xiàn)場(chǎng)可見散落的炸藥試樣，此為炸藥未反應(yīng)的表現(xiàn)，這說明400 m/s的速度是所選炸藥進(jìn)行沖擊壓縮時(shí)的臨界速度，提高速度，炸藥將發(fā)生反應(yīng)。而經(jīng)高低溫循環(huán)的試樣在對(duì)稱碰撞時(shí)，殘片數(shù)量多，體積小，試驗(yàn)彈的內(nèi)壁可見黑色燒蝕痕跡，此為點(diǎn)火反應(yīng)的表現(xiàn)。可見，經(jīng)高低溫循環(huán)炸藥的安全性低于未經(jīng)高低溫循環(huán)的炸藥。

為定量分析經(jīng)高低溫循環(huán)的炸藥表面孔隙對(duì)炸藥點(diǎn)火的影響，將孔隙中的空氣假定為理想氣體，由熱力學(xué)[11]知識(shí)可知，理想氣體絕熱可逆過程有：

圖5 試驗(yàn)后試驗(yàn)彈狀態(tài)Fig.5 Test projectile after symmetrical impact experiment

式中：T1、T2分別為開始和壓縮結(jié)束時(shí)的溫度，K；V1、V2分別為開始和壓縮結(jié)束時(shí)體積，mm3；γ為空氣的絕熱指數(shù)，近似為常數(shù)，γ＝1.4。

將炸藥表面孔隙做球形處理，采用精度0.05 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)得孔隙表面的最大直徑為1.70 mm，則半徑R1＝0.85 mm，結(jié)合T1＝298 K(25 ℃)、球體體積計(jì)算公式及式(1)，可得缺陷處溫度-半徑的計(jì)算公式：

郝志堅(jiān)等[12]認(rèn)為，熱點(diǎn)成長(zhǎng)為爆炸時(shí)，熱點(diǎn)溫度為300～600℃(573～873 K)，代入式(2)，得到缺陷壓縮至半徑為0.353～0.501 mm時(shí)即可達(dá)到熱點(diǎn)形成溫度，此時(shí)缺陷(孔隙)半徑約為初始半徑的41% ～59%，實(shí)際加載條件下，孔隙壓縮后的半徑遠(yuǎn)小于此值，即缺陷處溫度將高于600℃[13]，此溫度也遠(yuǎn)超過了單質(zhì)RDX的熔點(diǎn)(204℃)[14]。

同時(shí)，若將孔隙中的氣體作為理想氣體處理，則內(nèi)能(△E)由公式計(jì)算可得：

式中：m為氣體的實(shí)際質(zhì)量，g；M為氣體的摩爾質(zhì)量，g/mol；i為氣體的自由度，因空氣主要由 N2及O2組成，對(duì)于雙原子分子，i＝5；R為摩爾氣體常數(shù)，定值，8.314 J/(K/mol)；T1為孔隙中空氣壓縮前的溫度，K；T2為孔隙中空氣壓縮后的溫度，K。其中，空氣密度ρ＝1.29 g/L，壓縮后缺陷半徑R2取0.501 mm。

由式(3)可得，壓縮后的缺陷氣體內(nèi)能約為4.3×10-8J，若壓縮后半徑進(jìn)一步減小，缺陷處能量將持續(xù)增加，這些能量將會(huì)傳播給炸藥，使得壁面處點(diǎn)燃、發(fā)火、爆炸。因此，缺陷處空氣壓縮產(chǎn)生的高溫和內(nèi)能的增加是引起缺陷附近炸藥發(fā)生點(diǎn)火的重要原因。

3 結(jié)論

1)在2.5 kg塑料彈、400 m/s速度沖擊條件下，未經(jīng)高低溫循環(huán)的試樣可承受的應(yīng)力峰值為835 MPa、應(yīng)力作用時(shí)間為35 μs的沖擊載荷，炸藥不發(fā)生反應(yīng)；而經(jīng)高低溫循環(huán)的試樣在應(yīng)力達(dá)到242 MPa、應(yīng)力作用時(shí)間11 μs時(shí)即發(fā)生爆炸反應(yīng)。

2)經(jīng)高低溫循環(huán)的藥柱表面出現(xiàn)較多孔隙，且分布不均勻，在沖擊載荷下，缺陷處因發(fā)生絕熱壓縮而引發(fā)局部?jī)?nèi)能增加，溫度升高，導(dǎo)致炸藥在低應(yīng)力下便可發(fā)生劇烈反應(yīng)。