射流撞擊下發(fā)射裝藥的易損性響應(yīng)特性

楊麗俠，張玉成，張鄒鄒，趙 瑛，張 衡，宋長文

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引 言

易損性是指火炸藥由于事故（碰撞）、嚴酷環(huán)境（火災(zāi)）或敵方的攻擊（沖擊波或高速破片）而發(fā)生意外的敏感程度和產(chǎn)生爆炸作用劇烈程度的綜合［1］。因刺激源不同，發(fā)射裝藥的易損性響應(yīng)也不同。為了評判其易損性響應(yīng)，世界各國建立了不同的模擬試驗裝置和方法［2-7］。美軍標(biāo)［2］規(guī)定使用快速烤燃、慢速烤燃、子彈撞擊、破片撞擊、殉爆試驗、空心裝藥射流和熱破片撞擊共7種刺激源試驗，來評判戰(zhàn)場環(huán)境下彈藥的易損性。英美等國研究認為［8-9］，在眾多危險性刺激中，最嚴厲的刺激是空心裝藥射流撞擊，并將這種刺激作為一種篩選工具用來篩選評價發(fā)射藥配方。

為了建立我國發(fā)射藥易損性試驗方法和判據(jù)，本試驗研究了4種典型發(fā)射裝藥在射流撞擊下的響應(yīng)特性，通過測量沖擊波壓力值，觀察底見證板及反應(yīng)現(xiàn)象等表征發(fā)射裝藥的易損特性，分析裝藥約束條件、尺度效應(yīng)等對響應(yīng)的影響規(guī)律，并對現(xiàn)役發(fā)射藥射流撞擊響應(yīng)評價和排序。為篩選現(xiàn)役發(fā)射藥、促進低敏感發(fā)射藥的研究提供技術(shù)依據(jù)。

1 實 驗

空心裝藥射流源為西安近代化學(xué)研究所研制的Φ50mm 標(biāo)準(zhǔn)射流源，主裝藥為聚黑-16；密度1.73g／cm3；爆速約8 390m／s，能量為360m3／μs2，藥型罩直徑50mm，錐角60°。4種發(fā)射藥配方組分及火藥力見表1。

表1 4種發(fā)射藥配方組分及火藥力Table 1 Ingredient and impetus of the four gun propellants

發(fā)射裝藥樣彈主要模擬我國中小口徑火炮彈藥的設(shè)計結(jié)構(gòu)、藥室容積、裝填密度、殼體材料和厚度等，因此，試驗采用兩種約束條件，強約束條件模擬金屬藥筒結(jié)構(gòu)，45 號鋼密閉圓柱桶，Φ82mm×281mm，厚度為3mm，上蓋設(shè)計有薄弱處，可模擬制式彈的拔斷力；弱約束為可燃藥筒結(jié)構(gòu)，密封圓柱桶，殼體材料為NC，厚度約2mm，裝藥量為1kg和2.5kg兩種。試驗時，將藥型罩置于被試樣品側(cè)面，距離為100mm（2 倍射流源直徑），底面放置1塊300mm×300mm×12mm 的鋼質(zhì)見證板。兩支壁面壓力傳感器（瑞士Kistler公司生產(chǎn)）布置在距離樣品中心3.8m 處，用于測量沖擊波壓力曲線，由雷管引爆空心裝藥，產(chǎn)生射流撞擊發(fā)射裝藥樣彈。

2 結(jié)果及分析

2.1 不同配方發(fā)射藥的響應(yīng)特性

將4種發(fā)射藥裝于可燃殼體（弱約束），射流撞擊試驗結(jié)果見圖1。由圖1可看出，單基藥（1kg）在金屬射流粒子的沖擊下底見證板發(fā)生了半球形彎曲變形，其中部凹坑拱高約為9cm，可燃殼體被炸成碎片，沖擊波峰壓值為68.5kPa；太根藥（1kg）反應(yīng)后其見證板也發(fā)生了彎曲變形，凹坑拱高約7cm，殼體炸成碎片，沖擊波峰壓值為61.5kPa；硝基胍藥（1kg）在射流粒子沖擊后，試驗現(xiàn)場反應(yīng)明顯，底見證板嚴重彎曲，并形成剪切孔，孔的周圍有大面積灼燒痕跡，現(xiàn)場有碎末狀殼體殘骸，沖擊波峰壓值為92.5kPa；硝胺藥（1kg）受射流沖擊后，現(xiàn)場振動明顯加劇，底見證板整體卷曲，樣彈底部剪切穿出圓形孔，周圍有撕裂狀，試驗現(xiàn)場有碎末狀藥筒殘骸，沖擊波峰壓為117.5kPa，4種發(fā)射藥樣彈射流撞擊后均未發(fā)現(xiàn)殘藥。根據(jù)沖擊波峰壓、見證板及試驗現(xiàn)場綜合分析，發(fā)射裝藥射流反應(yīng)的劇烈程度取決于發(fā)射藥配方，響應(yīng)由弱到強的排序為太根藥、單基藥、硝基胍藥和硝胺藥，在太根藥配方中低敏感的太根可降低發(fā)射藥射流撞擊的易損性。

圖1 弱約束裝藥射流撞擊后底見證板Fig.1 Witness plates in feeble restrict condition under shaped charge jet impact

2.2 約束條件對發(fā)射裝藥響應(yīng)的影響

將藥粒置于45號鋼殼體內(nèi)（強約束），射流撞擊試驗結(jié)果見圖2。單基藥（1kg）射流沖擊后，底見證板半球形彎曲，中部凹坑深度約為6～7cm，距爆心1.5m 范圍內(nèi)見到多個小鋼片，端蓋位于爆心1m處，5m 處撿到較大鋼碎片，沖擊波峰壓值為56kPa，試驗現(xiàn)場未見到殘藥；太根藥的底見證板凹坑為4～5cm，距爆心2.5m 處見到碎鋼片，6m 處撿到剪切的頂端蓋，并發(fā)現(xiàn)了殘藥藥粒，沖擊波峰壓值為50.5kPa；硝基胍藥的底見證板剪切穿出不規(guī)則圓孔，有大面積灼燒痕跡，現(xiàn)場見2cm2左右碎鐵片，碎片最遠飛至50m 處，未見殘藥，沖擊波峰壓值為78kPa；硝胺藥的底見證板穿孔直徑約為12cm，呈撕裂狀，鐵片多個，約1.2×2.0cm，沖擊波峰壓值為94kPa，無殘藥。綜合分析強約束下的沖擊波峰壓、見證板的凹坑深度、穿孔及變形、金屬殼體碎片大小等，約束條件對發(fā)射裝藥射流刺激有影響，射流穿透金屬殼體后會衰減其撞擊速度，減弱對裝藥的沖擊，如強約束下4種發(fā)射藥的沖擊波峰壓均比弱約束下減少10～20kPa，但不影響其射流撞擊響應(yīng)由弱到強的排序。

參照美軍標(biāo)MIL-STD-2105C 危險性評估試驗判據(jù)［2］，受到射流撞擊后金屬殼體破裂成碎片，見證板明顯凹坑變形，但未穿孔，為爆炸反應(yīng)；樣品受到射流撞擊后金屬殼體破碎成小碎片，見證板塑性穿孔變形，可能有殘藥，為部分爆轟反應(yīng)類型。因此，根據(jù)弱、強約束下發(fā)射裝藥射流撞擊的試驗結(jié)果，單基藥和太根藥發(fā)生了爆炸反應(yīng)；硝基胍藥和硝胺藥的反應(yīng)類型為部分爆轟；4種發(fā)射裝藥在強弱約束下的反應(yīng)類型一致，無論模擬金屬藥筒裝藥的強約束，還是可燃藥筒裝藥的弱約束，均不影響對發(fā)射藥易損性反應(yīng)類型的評價。

圖2 強約束裝藥射流撞擊后底見證板Fig.2 Witness plates in strong restrict condition under shaped charge jet impact

2.3 尺度效應(yīng)分析

以中小口徑和海軍艦炮為背景，選用裝藥量為1kg的試驗樣彈，為擴大應(yīng)用范圍，將2.5kg單基藥和太根藥分別裝于可燃殼體內(nèi)，射流撞擊試驗結(jié)果見圖1。圖1結(jié)果表明，單基藥受射流撞擊后底見證板嚴重變形，凹坑深度為9～11cm，有明顯灼燒痕跡，現(xiàn)場見到碎末狀藥殼殘骸，呈扇形分布于6m 范圍內(nèi)，未見殘藥，沖擊波峰壓值為60kPa；太根藥見證板中部凹坑深度約為7cm，殼體粉碎，8m處撿到有破碎的藥粒，殘藥內(nèi)孔徑變大，呈部分燃燒。在1kg和2.5kg條件下，兩種發(fā)射藥的易損性響應(yīng)劇烈程度相當(dāng)，同屬爆炸反應(yīng)類型，分析說明該射流源撞擊可使1kg單基藥發(fā)生爆炸反應(yīng)，增加裝藥量未使反應(yīng)機理改變從而導(dǎo)致反應(yīng)速率劇增，也未改變反應(yīng)類型，因此在公斤級藥量下，尺度效應(yīng)對射流撞擊下發(fā)射裝藥反應(yīng)類型的影響不明顯。

3 結(jié) 論

（1）在特定的空心裝藥射流刺激下，4種典型發(fā)射裝藥均發(fā)生較為強烈的反應(yīng)，由弱到強的排序為太根藥、單基藥、硝基胍藥和硝胺藥。其反應(yīng)類型依次為爆炸、爆炸、部分爆轟和部分爆轟。

（2）約束條件對發(fā)射裝藥射流刺激有影響，射流穿透金屬殼體后衰減其撞擊速度，會減弱對裝藥的沖擊，但不改變反應(yīng)類型；試驗評價發(fā)射藥的易損性響應(yīng)，起主導(dǎo)作用的仍然是發(fā)射藥配方本身。

（3）在公斤級藥量下，尺度效應(yīng)未改變發(fā)射藥反應(yīng)機理使反應(yīng)速率劇增，也未改變反應(yīng)類型。

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