Steven 試驗中含TNT 類炸藥的響應特性

代曉淦,文玉史,李敬明

(中國工程物理研究院化工材料研究所,四川 綿陽621900)

引 言

炸藥柱撞擊感度是評價炸藥安全性能的主要指標之一,目前主要采用蘇珊試驗、Steven 試驗等方法進行表征。蘇珊試驗方法[1]對炸藥受到刺激時內(nèi)部的壓力、應變變化情況缺乏數(shù)據(jù),難以進行定量分析;Steven 試驗可獲得撞擊條件下更多的炸藥反應歷程信息,使其測試結(jié)果便于數(shù)值模擬計算,預估炸藥在撞擊情況下的安全性能。

國外Idar 等人[2-3]采用Steven 試驗方法研究了HMX 基炸藥,如LX-04、PBX9404、PBX9501 等的反應程度,并進行了數(shù)值計算,通過對比錳銅壓力計、碳壓力計和PVDF 計等測得的壓力曲線,獲得了炸藥的反應速率方程參數(shù)。國內(nèi)研究者[4]也采用S teven 試驗研究了老化前后HMX 基PBX-2 炸藥撞擊感度的變化。

目前,在安全性試驗中均是針對特定尺寸,與實際應用中的裝藥相差甚遠。因此,需要在安全性試驗中研究不同尺寸炸藥的響應規(guī)律,然而,對于TNT 類炸藥在撞擊作用下不同尺寸裝藥的響應規(guī)律研究報道較少,難以評估此類實際應用環(huán)境下的安全性能。為了獲得Steven 試驗中含TNT 類炸藥的響應特性,本研究開展了不同尺寸下含TN T 類炸藥的安全性能研究,獲得了其撞擊響應規(guī)律。

1 實 驗

試樣樣品盒試件結(jié)構(gòu)示意圖見圖1,由炸藥試樣、樣品盒、鋼蓋板、聚四氟乙烯環(huán)、壓力計等組成。對TNT 炸藥和B 炸藥(m(TNT):m(RDX)=40 ∶60)進行試驗,TNT 藥柱尺寸Ф98 mm ×13mm,裝藥量160g 。B 炸藥藥柱采用兩種尺寸:Ф98 mm ×13 mm,裝藥量155.8 g;Ф98 mm ×39 mm,裝藥量494 g。樣品盒底厚度為 19 mm ,蓋板厚度為3.5 mm,材料為Q235 鋼。2 kg 試驗彈結(jié)構(gòu)示意圖見圖2,彈體材料為2A12 鋁,彈頭材料為Q235 鋼,球面半徑SR31mm。

用高速攝像記錄試驗彈的撞靶速度以及撞靶至點火爆炸的過程;通過壓力測試,獲得試樣受撞擊過程的受力變化;用空氣沖擊波超壓測試系統(tǒng)測量試樣發(fā)生爆炸時產(chǎn)生的空氣沖擊波超壓。

2 結(jié)果與分析

2.1 撞擊速度對炸藥反應程度的影響

圖3是彈丸撞擊不同尺寸B 炸藥過程的高速攝像照片。從圖3可以看出,對于Ф98 mm ×13mm樣品,彈丸撞擊到樣品盒試件后繼續(xù)運動,在延遲一段時間后高速攝像記錄有發(fā)光現(xiàn)象,表明此時B炸藥已發(fā)生反應,隨著彈丸繼續(xù)運動,點火逐漸熄滅,未能增長。對于Ф98 mm ×39mm 樣品,彈丸撞擊到樣品盒試件后繼續(xù)運動,在延遲一段時間后高速攝像記錄有發(fā)光現(xiàn)象,表明此時B 炸藥已發(fā)生反應;隨著彈丸的繼續(xù)運動,點火逐漸增長。

圖4是回收的TNT 炸藥殘骸照片。當彈丸分別以43.55、88.31、195.64 和215.54 m/s 速度撞擊樣品盒時,試驗中均沒有出現(xiàn)反應,除樣品盒中心被撞擊出現(xiàn)凹坑、蓋板變形外,樣品盒上的螺釘完好均未被拉斷,且在215.54 m/s撞擊速度下TNT 炸藥發(fā)生了較大流動。對于Ф98mm×13 mm 的TN T 炸藥,在以上撞擊速度下均未測到?jīng)_擊波超壓,表明TNT炸藥均未發(fā)生反應。

圖5是不同尺寸B 炸藥試驗的殘骸照片。對于Ф98 mm×13 mm 樣品,當彈丸以64.1 m/s 的速度撞擊時,炸藥被撞出一個凹坑,并未發(fā)生反應;當彈速為163.3 m/s 時,炸藥表面有凹坑,并有明顯的發(fā)黑痕跡,表明炸藥發(fā)生了燃燒反應;當彈速為229.6 m/s 時,無剩余炸藥,螺釘被拉斷,表明炸藥發(fā)生了爆燃反應;當彈丸以66m/s 的速度撞擊時,炸藥僅有一個凹坑,炸藥發(fā)生較大塑性流動,未發(fā)生反應;當彈速為76.9 m/s 時,炸藥有反應痕跡;當彈速為93.2 m/s 時,無剩余樣品,螺釘被拉斷,但樣品盒完整,說明炸藥發(fā)生反應的程度比較溫和。

圖5 不同尺寸B 炸藥試驗殘骸照片F(xiàn)ig.5 Photographs of recovered sample for composite B in Steven test

表1 為不同尺寸B 炸藥Steven 撞擊試驗結(jié)果。從表1可看出,對于Ф98 mm ×13 mm 炸藥,反應超壓(Δp)穩(wěn)定在4 ～6 kPa,且在撞擊速度229.6 m/s后才發(fā)生爆燃反應。對于Ф98 mm ×39 mm 炸藥,在撞擊速度約76 m/s 后開始發(fā)生反應,且反應超壓明顯高于13 mm 厚炸藥。

表2 不同B 炸藥S teven 撞擊試驗結(jié)果Table 2 The results of different size Com posite B in Steven test

2.2 炸藥尺寸對射彈起爆速度閾值的影響

由表1可知,B 炸藥的厚度對射彈速度閾值影響很大。Ф98mm ×13 mm 和Ф98 mm ×39 mm 炸藥的射彈起爆速度閾值分別為184.2 ～229.6 m/s和66 ～76.9 m/s。可見,隨著B 炸藥厚度的增加,其射彈起爆速度閾值有所降低。

國外學者對Susan 試驗和Steven 試驗進行了數(shù)值模擬[5],認為炸藥的起爆是由于碰撞所產(chǎn)生塑性流和絕熱剪切帶局部熱效應所引起,同時國外研究表明[6]:摩擦、剪切、塑性流動(大變形)是Steven試驗的主要點火反應機制。因而,對于13 mm 厚的TNT 和B 炸藥,由于TN T 的熔點僅為80.9 ℃,當受到撞擊作用時,摩擦、剪切等作用產(chǎn)生的高溫可導致TN T 熔化,使得材料具有較強的流動性,從圖4 和圖5 也發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。熔化吸收了撞擊過程中產(chǎn)生的大量熱能,同時由于樣品只有13 mm 厚度,塑性流動產(chǎn)生的熱能小于39 mm 厚的樣品,使得13 mm 厚TN T 、B 炸藥的撞擊起爆速度閾值在180 m/s 以上。而對于39mm 的厚B 炸藥,撞擊下塑性流動較13 mm 樣品更大,產(chǎn)生的熱能也更多,因此其撞擊起爆速度閾值比13 mm 厚樣品的低。

2.3 壓力測試分析

圖6 為Steven 試驗中B 炸藥底部的壓力-時間曲線。從圖6 中可以看出,對于Ф98 mm ×13mm B 炸藥,當彈速為184.2 m/s 時,炸藥底部受力在17μs 時達到約0.30 GPa;當彈速為229.6 m/s 時,炸藥底部受力在15 μs 時達到約0.40GPa。對于Ф98 mm×39 mm B 炸藥,當彈速為93.2 m/s 時,炸藥底部受力最大約0.14GPa,壓力持續(xù)作用時間達到600μs,在630 μs 時 跳變 至0.4 GPa;當 彈速 為229.6 m/s 時,炸藥底部受力在30 μs 時才開始發(fā)生變化,45 μs 時達到約0.17 GPa,隨后持續(xù)增長至0.5GPa。因此,對于B 炸藥,炸藥厚度變化對炸藥底部受力有顯著的影響。

圖6 Steven 試驗中B 炸藥底部的壓力-時間曲線Fig.6 The pressure vs.time curves for composite B in Steven test

3 結(jié) 論

(1)Steven 試驗中,由于撞擊產(chǎn)生高溫可導致TN T 熔化,使其具有較強的流動性,因此TNT 炸藥在射彈速度200m/s 左右撞擊下沒有發(fā)生反應。對于Ф98 mm×13 mm 的B 炸藥,射彈起爆速度閾值為184.2 ～229.6 m/s,Ф98 mm ×39 mm 的B 炸藥,射彈起爆速度閾值約為66 ～76.9 m/s。

(2)隨著B 炸藥厚度的增加,射彈起爆速度閾值逐漸降低,反應超壓增加,且炸藥厚度變化對炸藥底部壓力有顯著影響。

[1]GJB772A-1997.炸藥試驗方法[S].北京:國防科學技術(shù)工業(yè)委員會,1997.

[2]Idar D J ,Lucht R A ,S traight J W ,et al.Low amplitude insult project:PBX9501 high explosive violent reaction experiments[C]//11th International Detonation Symposium.Snow mass:[s.n.],1998,101-110.

[3]Vandersall K S,Chidester S K,Forbes J W ,et al.Experimental and modeling studies of crush,puncture,and perforation scenarios in the Steven test[C]//12th International Detonation Symposium.San Diego:[s.n.],2002.

[4]代曉淦,向永.兩種塑料粘結(jié)炸藥的Steven 試驗及撞擊感度研究[J].含能材料,2006,14(1):10-13.

DAI Xiao-gan,XIANG Yong.Study of steven test and impact sensitivity for two explosives[J].Energetic M aterial,2006,14(1):10-13.

[5]Partom Y.A threshold criterion for impact ignition[C]//12th International Detonation Symposium.San Diego:[s.n.]:2002.

[6]董海山,周芬芬.高能炸藥及相關物性能[M].北京:科學出版社,1989.