模擬破片撞擊下 PBX-2炸藥的響應(yīng)規(guī)律

代曉淦,文玉史,申春迎

(中國工程物理研究院化工材料研究所,四川 綿陽 621900)

引 言

槍擊試驗(yàn)是用來模擬炸藥對子彈或金屬破片撞擊敏感性的方法。在20世紀(jì)70～ 80年代國內(nèi)外均建立了炸藥槍擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),研究者采用標(biāo)準(zhǔn)的槍擊試驗(yàn)研究了炸藥、推進(jìn)劑等的槍擊安全性能,如Kimura、Lee等[1-2]采用槍擊試驗(yàn)等方法研究推進(jìn)劑的安全性能;唐桂芳、王凱民等[3-4]通過采用標(biāo)準(zhǔn)的槍擊試驗(yàn)研究澆注 PBX炸藥以及引信爆炸序列的安全性能。現(xiàn)有的槍擊試驗(yàn)雖然能從一定程度上模擬炸藥在受到子彈、破片撞擊時(shí)的安全性能,但由于子彈速度比較固定,難以改變,因而無法模擬不同速度破片撞擊下炸藥的安全性能。

為了研究不同速度破片撞擊下炸藥的安全性能,對比分析其與槍擊試驗(yàn)結(jié)果的差異,本研究設(shè)計(jì)了模擬破片撞擊試驗(yàn)裝置,分析了不同速度破片撞擊下炸藥的響應(yīng)規(guī)律。

1 試驗(yàn)裝置

圖1為模擬破片撞擊試驗(yàn)示意圖,試驗(yàn)時(shí)將炸藥裝入殼體內(nèi),模擬破片以一定速度垂直撞擊試驗(yàn)件,使炸藥樣品受到?jīng)_擊、擠壓、剪切等多種刺激的綜合作用,導(dǎo)致炸藥樣品發(fā)生不同程度的反應(yīng)。根據(jù)高速攝像圖像、壓力變化過程、空氣沖擊波超壓、試驗(yàn)件殘骸,綜合分析、評價(jià)炸藥的撞擊感度。

模擬破片撞擊試驗(yàn)裝藥殼體結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。PBX-2炸藥尺寸為Ф50 mm×50 mm,藥量約為181.6 g,壓蓋材料為 Q235鋼,厚度為 3.5mm,采用Φ20mm×20mm規(guī)格的小彈丸模擬破片形狀,小彈丸質(zhì)量約為48.8g,材料為Q235鋼。

圖1 模擬破片撞擊試驗(yàn)示意圖Fig.1 Diagram of simulated fragment impact test

圖2 模擬破片撞擊試驗(yàn)裝藥殼體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of shell configuration in simulated fragment impact test

用高速錄像系統(tǒng)測量記錄試驗(yàn)彈撞靶至點(diǎn)火爆炸的過程,用錳銅壓力計(jì)測試試件上表面(見圖 1錳銅壓力計(jì)Ⅱ )以及試件背面(見圖 1錳銅壓力計(jì)Ⅰ )在撞擊過程中的受力變化過程,用空氣沖擊波超壓測試系統(tǒng)測量炸藥發(fā)生爆炸時(shí)產(chǎn)生的空氣沖擊波超壓。

2 結(jié)果與討論

2.1 高速錄像分析

圖 3是模擬破片(小彈丸)撞擊 PBX-2炸藥過程的高速錄像照片。從圖3可以看出,彈丸撞擊到裝藥殼體后繼續(xù)運(yùn)動(dòng),在延遲一段時(shí)間后高速錄像記錄樣品盒有發(fā)光現(xiàn)象,表明 PBX-2炸藥已發(fā)生反應(yīng)。

圖 3 模擬破片撞擊 PBX-2炸藥的高速錄像照片F(xiàn)ig.3 Photographs of simulated fragment impacting PBX-2 explosive

圖 4為模擬破片撞擊 PBX-2炸藥的速度與點(diǎn)火發(fā)光延遲時(shí)間的關(guān)系。從圖4可以看出,當(dāng)撞擊速度為 237～ 263.5m/s時(shí),未發(fā)現(xiàn)炸藥點(diǎn)火;當(dāng)速度為 269.9～321.2m/s時(shí),炸藥撞擊點(diǎn)火延遲時(shí)間隨撞擊速度的增加而逐漸降低。

圖4 模擬破片撞擊 PBX-2炸藥的速度與點(diǎn)火發(fā)光延遲時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.4 Curves of ignition delay timeversus projectile velocity for PBX-2 explosive

圖 5是模擬破片撞擊 PBX-2炸藥試驗(yàn)結(jié)果照片。從圖 5可以看出,當(dāng)速度為237.0m/s時(shí),PBX-2炸藥表面僅有一凹坑,周圍出現(xiàn)大量裂紋,殼體完好,螺釘未被拉斷,壓蓋未被擊穿,表明此時(shí) PBX-2炸藥沒有發(fā)生反應(yīng);當(dāng)速度約為 263.5m/s時(shí),PBX-2炸藥發(fā)生斷裂,殼體完好;當(dāng)速度為269.9m/s時(shí),殼內(nèi)無剩余樣品,螺釘拉斷,殼體完好,表明此時(shí) PBX-2炸藥發(fā)生反應(yīng);當(dāng)速度為321.2m/s時(shí),殼體被撕離底板,在底板上有爆炸波痕跡,表明 PBX-2炸藥發(fā)生強(qiáng)烈的反應(yīng)。同時(shí)從壓蓋形成與小彈丸直徑一致的圓孔,表明在此處受到較強(qiáng)的剪切作用。

圖5 模擬破片撞擊 PBX-2炸藥試驗(yàn)結(jié)果照片F(xiàn)ig.5 Photographs of recovered sample for PBX-2 under simulated fragment impact

2.2 壓力測試分析

圖6為模擬破片撞擊PBX-2炸藥時(shí)錳銅壓力計(jì)測試的受力歷程曲線,圖中 0時(shí)的尖峰信號為彈丸接觸裝藥殼體時(shí)的觸發(fā)信號。

從圖 6可以看出,在撞擊過程中,當(dāng)速度為237.0m/s時(shí),撞擊 42.2μs后撞擊壓力達(dá)到約0.15GPa,隨后持續(xù)一段時(shí)間,在 85μs后斷開,結(jié)合高速錄像表明此時(shí)錳銅壓力計(jì)已損壞;當(dāng)速度為305.6m/s時(shí),錳銅壓力計(jì)測試表明在撞擊約 28μs后撞擊壓力達(dá)到約 0.9GPa,隨后斷開,結(jié)合高速錄像表明此時(shí)由于速度過高導(dǎo)致錳銅壓力計(jì)損壞,在撞擊約 65μs后背板處壓力開始發(fā)生變化,達(dá)到約0.3GPa,在持續(xù)作用約50μs后發(fā)生跳變斷開。

圖 6 模擬破片撞擊試驗(yàn)中測試的受力歷程曲線Fig.6 Curves of pressureversus time under simulated fragment impact

圖7 模擬破片撞擊 PBX-2炸藥時(shí)破片速度-超壓關(guān)系曲線Fig.7 Curves of projectile velocity versus overpressure for PBX-2

圖7為模擬破片撞擊PBX-2炸藥試驗(yàn)中破片速度與超壓的關(guān)系曲線。當(dāng)撞擊速度為 237.0、247.2和263.5m/s時(shí),PBX-2炸藥沒有發(fā)生反應(yīng),當(dāng)速度為269.9、305.6和 321.2m/s時(shí) PBX-2炸藥均發(fā)生反應(yīng) ,相對釋放能分別達(dá)到 22.4%、24.2%和59.5%。從圖 7可以看出,當(dāng)模擬破片以 321.2m/s撞擊時(shí),PBX-2炸藥的反應(yīng)超壓比雷管起爆 PBX-2炸藥產(chǎn)生的超壓低 5k Pa左右,而 12.7mm子彈(速度約 850m/s)撞擊時(shí) PBX-2炸藥產(chǎn)生的超壓約8 k Pa,相對釋放能僅約為 5%,反應(yīng)程度遠(yuǎn)低于模擬破片撞擊作用結(jié)果。

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果照片可初步推斷,當(dāng) PBX-2炸藥受到模擬破片撞擊時(shí),在 269.9和305.6m/s撞擊速度下均發(fā)生爆炸反應(yīng),在 321.2m/s時(shí) PBX-2發(fā)生部分爆轟反應(yīng),在這種情形下 PBX-2炸藥撞擊反應(yīng)速度閾值為 263.5～ 269.9m/s。

2.3 對比分析

在彈靶碰撞過程中,靶板會出現(xiàn)多種形式的破壞,其基本形式為:脆性穿孔、延性擴(kuò)孔、瓣裂穿孔、沖塞以及破碎穿孔。當(dāng)用子彈撞擊(屬于尖頭彈體撞擊)時(shí),炸藥中形成脆性穿孔;當(dāng)用小彈丸撞擊(平面彈頭作用)時(shí),炸藥中形成沖塞作用,即靶板被剪切一塊與彈徑相當(dāng)?shù)陌袎K。

子彈(質(zhì)量約 46g,速度固定約 850m/s)的作用過程[5-6]為:子彈撞擊炸藥樣品過程中摩擦產(chǎn)生的熱量作用于試驗(yàn)樣品,以及子彈在撞擊樣品時(shí)會在樣品內(nèi)部形成應(yīng)力波;樣品前后穿孔,導(dǎo)致反應(yīng)壓力提前釋放,不易積累引發(fā)炸藥發(fā)生高級反應(yīng),難以模擬破片撞擊時(shí)炸藥的安全性。

小彈丸(質(zhì)量約48g,速度100～400m/s)撞擊作用過程為:殼內(nèi)試樣受到?jīng)_擊、擠壓、剪切等因素的綜合作用;在蓋板上可能形成剪切片(由強(qiáng)烈的剪切作用形成);當(dāng)小彈丸撞擊速度達(dá)到320m/s后,炸藥由于受到強(qiáng)剪切作用,發(fā)生反應(yīng)的程度較高,接近雷管直接引爆炸藥時(shí)的超壓(見圖 7)。

3 結(jié) 論

(1)PBX-2炸藥在受到Φ20mm×20mm的模擬破片(小彈丸)撞擊時(shí),其撞擊反應(yīng)速度閾值為263.5～ 269.9m/s。

(2)在小彈丸撞擊條件下,PBX-2炸藥的反應(yīng)程度明顯高于 12.7mm槍擊作用條件,因此撞擊作用形式對炸藥的反應(yīng)程度有著顯著的影響。

(3)模擬破片撞擊試驗(yàn)速度可調(diào),能獲得其撞擊反應(yīng)閾值以及不同撞擊速度下炸藥的反應(yīng)效應(yīng);今后,通過設(shè)計(jì)不同形狀的小彈丸,能有效模擬不同形狀破片撞擊刺激下炸藥的響應(yīng)過程。

[1] Kimura E,Oyumi Y.Sensitivity of azide polymer propellants in fast cook-off,card GAP and bullet impact tests[J].Journal of Energetic Material,1997,15:163-178.

[2] Lee J H,Lee J C.Interior Ballistic Properties of RDX-Based Solid Propellant[C]∥36th International Annual Conference of ICT.Karlsruhe:ICT,2005:104-112.

[3] 唐桂芳,王曉峰,李巍.澆注 PBX的低易損性能研究[J].含能材料,2003(3):163-165.TANG Gui-fang,WANG Xiao-feng,LI Wei.Study on low vulnerability of cast PBX [J]. Energetic Materials,2003(3):163-165.

[4] 王凱民,符綠化.引信爆炸序列鈍感化發(fā)展研究[J].現(xiàn)代引信,1995(3):42-49.WANG Kai-min,FU Lǜ-hua.Study on the development of declining sensitivity for fuse detonating series[J].Modern Fuses,1995(3):42-49.

[5] 代曉淦,申春迎,呂子劍,等.槍擊試驗(yàn)中不同尺寸PBX-2炸藥響應(yīng)規(guī)律研究 [J].含能材料,2008,16(4):432-435.DAI Xiao-gan,SHEN Chun-ying,Lǜ Zi-jian,et al.Study of reaction law for different size PBX-2 explosives in bullet impact test[J]. Energetic Materials,2008,16(4):432-435.

[6] 代曉淦,文玉史,申春迎,等.熱和槍擊復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)中PBX-2炸藥的響應(yīng)特性[J].火炸藥學(xué)報(bào),2009,32(4):41-44.DAI Xiao-gan,WEN Yu-shi,SHEN Chun-ying,et al.Reaction Characteristics of PBX-2 under heat and bullet impacting multiple test[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,2009,32(4):41-44.