槍擊環境下帶空腔雙層裝藥的響應特性

聶少云，趙學峰，姚奎光，代曉淦，文玉史

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621900)

引 言

炸藥在貯存、運輸和使用等全壽命周期中，由于可能遭遇火災、意外槍擊、戰場作戰等各種環境，使得炸藥受到異常環境刺激作用，嚴重影響武器彈藥的安全性和使用可靠性，不但對作戰效能的正常發揮構成了極大威脅，同時還可能引發意外爆炸事故。槍擊試驗是用于評價彈藥在子彈或金屬破片意外撞擊環境下安全性能的重要方法[1]。

自20世紀70年代開始，國內外均建立了炸藥槍擊試驗標準，眾多學者采用標準的槍擊試驗方法研究了炸藥、推進劑等的槍擊安全性能[2-8]，如Kimura[2]和Lee等[3]采用槍擊試驗等方法研究了推進劑的安全性能；唐桂芳等[4]采用標準的槍擊試驗研究了澆注PBX炸藥以及引信爆炸系列的安全性能；魏祥庚等[5]對固體火箭發動機在槍擊作用下的響應進行了試驗研究；李小柱[6]分析了槍擊引起的損傷與殼體材料和推進劑性能的關系；Kent[7]針對不同形狀、結構的炸藥進行了槍擊試驗，研究了子彈撞擊過程中應力和損傷的演化規律，并分析了槍擊過程中爆炸的演化過程；代曉淦等[8]對不同尺寸藥柱響應規律進行了研究，發現槍擊試驗中隨著藥柱長度的增加，其反應程度也隨之增強；此外，代曉淦[9]針對PBX-2炸藥還建立了熱和槍擊復合環境下的試驗方法。在槍擊作用的數值模擬方面，向梅等[10]研究了槍擊試驗中炸藥結構的尺寸效應；伍俊英等[11]采用數值模擬方法對HL-10炸藥槍擊試驗進行了模擬計算，獲得了與試驗結果相符的計算結果。

目前，國內外的槍擊安全性研究主要針對單層藥柱，采用標準的槍擊試驗方法開展研究，而對于模擬一定彈藥結構，如帶一定空腔結構的多層裝藥結構，在子彈撞擊下的響應特性研究較少。為此，本研究基于帶空腔的雙層裝藥結構，針對PBX-3和PBX-9炸藥開展了12.7mm槍擊安全性研究，通過多參量測試，結合SEM和XPS結果，分析了帶空腔雙層裝藥結構的槍擊響應特性，為評估多層裝藥結構的槍擊安全性提供參考。

1 實 驗

1.1 試驗裝置

針對某典型裝藥結構，設計了雙層裝藥結構的槍擊試驗件，結構示意圖如圖1所示。雙層裝藥尺寸分別為Φ100mm×50mm、Φ100mm×20mm，殼體壁厚3.5mm，材料為2A12，在雙層藥柱之間由隔板隔開，鋼片厚3mm，材料為1Gr18Ni9Ti。為了減小殼體端蓋變形對藥柱的影響，在裝置中設計了一段空腔，尺寸略大于裝藥部分的尺寸，內徑為Φ140mm。

分別針對PBX-3炸藥(主要由HMX、TATB以及黏結劑組成)、PBX-9炸藥(主要由HMX和黏結劑組成)開展試驗研究，兩種炸藥密度均約為1.85g/cm3，試驗現場照片如圖2所示。

1.2 試驗方法

采用4支沖擊波超壓傳感器測量炸藥的反應超壓，超壓傳感器距離樣品2m。將應變計粘貼在殼體外表面空腔段和裝藥段中部位置，每個位置粘貼兩個應變計(結構示意圖見圖3)，分別測量各段殼體徑向和軸向兩個方向的變形，用來分析炸藥反應后殼體的變形情況。采用PVDF壓力計測試殼體底部表面的壓力變化(具體如圖1所示)，分析主炸藥發生反應后產生的壓力。在試驗件后端放置鋁見證板，用以分析炸藥反應后見證板的變化。

2 槍擊過程模擬計算分析

為了分析帶空腔雙層裝藥結構設計的合理性，并預估裝置在12.7mm子彈撞擊過程中的力學響應，對試驗裝置進行了數值模擬計算，其中子彈初速為850m/s。試驗件為軸對稱結構，為簡化計算，采用HyperWorks軟件建立了試驗結構四分之一模型。同時在計算中只分析結構的力學響應，不考慮炸藥材料的化學反應，具體有限元模型如圖4所示。

各材料均采用Johnson_Cook模型，其中主裝藥的應力-應變曲線采用試驗數據[12]。由HyperWorks軟件中的動力學計算模塊RADIOSS進行計算求解，獲得子彈撞擊過程中的力學響應，子彈的速度歷史和典型位置的應力如圖5所示。

由圖5(a)可知，子彈經過大約264μs后完全貫穿試驗裝置，其剩余速度約為766m/s。在子彈撞擊過程中，子彈路徑上的炸藥將受到極高的受力作用；徑向殼體在子彈撞擊過程中應變為零，裝置底部有較高的壓力，底部典型位置應力變化如圖5(b)所示。由圖5(b)可知，隨著偏離子彈路徑，應力峰值逐步降低，應力曲線呈正弦函數震蕩衰減。

3 試驗結果與討論

3.1 試驗裝置殘骸分析

PBX-3和PBX-9兩種裝藥槍擊試驗后回收的裝置殘骸照片如圖6所示。

從圖6可知，在PBX-3炸藥槍擊試驗中，子彈貫穿試驗裝置，裝藥發生反應。試驗裝置空腔段基本完整，正面被壓力沖開撕裂，裝藥段及殼體底部裂成大塊，鋁制見證板有明顯燒蝕痕跡，無凹坑或爆炸痕跡，同時試驗件周圍有大量殘藥。在PBX-9炸藥槍擊試驗中，也出現了上述相似現象。不同的是，試驗裝置殼體撕裂成更多的碎片，且試驗件周圍無殘藥。兩發試驗中鋼制隔板中心有明顯彈孔，說明子彈正中試驗裝置。

3.2 應力和應變分析

試驗采用位于殼體表面的探針觸發，通過殼體側面應變計獲得槍擊試驗中殼體的應變曲線，見圖7。由圖7可以看出，在PBX-3炸藥槍擊試驗中，約200μs后，裝藥段徑向表現為先拉伸后壓縮，而軸向應變表現為先壓縮后拉伸，在約430μs后發生突變，殼體破裂；空腔段徑向和軸線均表現為先壓縮后拉伸。結合數值計算結果，應變的產生是由于炸藥反應導致的，在約245μs時出現了第一個峰值，這說明炸藥在此刻之前發生了反應，且反應較弱未能對殼體造成破壞，在約430μs時，應變出現了突變，炸藥發生了較強的反應，殼體發生了破壞，同時回收的殼體殘骸也反映出裝藥段破裂、空腔段完整的特點。在PBX-9炸藥槍擊試驗中，殼體變形有類似的趨勢，但其幅值更大，而且空腔段應變也發生了突變，試驗殘骸均反映出殼體破裂，這也說明了PBX-9比PBX-3反應更劇烈。

針對試驗中獲得殼體應變曲線，分析其所受應力水平。參考文獻數據[13]，2A12鋁合金的Johnson-Cook模型參數為：A為370MPa，B為1798MPa，n為0.73，C為0.013，m為1.53，ε0為4.17×10-4s-1。

將圖7所示應變曲線進行微分，可獲得殼體變形過程中的應變率，最大約為1.2×104s-1，由J-C模型可得試驗中測試的應變對應的應力值如表1所示。

表1 槍擊試驗中應變對應的應力值Table 1 Stress value corresponding to test strain in bullet impact test

由表1可得，槍擊試驗中，在殼體破裂前，所受最大應力值均在500MPa以上。

根據圖1布置的PVDF壓力計，測試槍擊試驗中典型壓力曲線見圖8，在PBX-9炸藥的槍擊試驗中，PVDF壓力計測試底部殼體表面壓力在撞擊后約200μs時達到最大值，約為120MPa。在PBX-3炸藥的槍擊試驗中，PVDF壓力計測試底部殼體表面壓力在撞擊后約240μs時達到第一個峰值，約為80MPa，隨后在約340μs時達到第二個峰值，約為110MPa。對比數值計算結果可以發現，PVDF壓力計測試所得為炸藥反應所致。

3.3 沖擊波超壓分析

表2為槍擊試驗中沖擊波超壓測試結果。

表2 沖擊波超壓測試結果Table 2 Testing results of shock wave overpressure

從表2可以看出，槍擊試驗中兩種炸藥的能量釋放率均較低。且PBX-9反應超壓顯著高于PBX-3，與圖6的回收殘骸結果一致。結合回收的試驗殘骸、壓力測試以及沖擊波超壓結果可見，槍擊試驗中兩種炸藥的反應程度基本一致，均為爆燃。

3.4 回收殘余炸藥分析

將試驗后的殘藥進行回收，其中PBX-9炸藥未見殘余炸藥，未能進行回收，PBX-3炸藥則回收到較多殘藥，將回收的炸藥進行SEM、XPS分析，研究殘余炸藥的狀況。SEM電鏡掃描結果如圖9所示。

由圖9可知，試驗回收的PBX-3樣品與其初始裝藥對比發現，試驗后的樣品表面出現空洞，并且伴有明顯的熔化現象，主要由于在炸藥中產生高溫導致熔化。但是否是黏結劑還是炸藥的分解還需要進一步分析。

采用X-射線光電子能譜儀[14](XPS)可以獲得材料的元素組成及化學態，經典的X射線光電子能譜儀能提供分析區500μm×500μm×10nm內元素組成和原子價態的平均信息，可作為材料成分是否發生變化的依據。

在PBX-3黏結劑炸藥中，HMX炸藥中的N元素主要來源于硝基中的-N-O以及環上的-N-，兩種化學環境比例為1∶1，TATB炸藥中的N元素主要來源于硝基中的-N-O以及氨基中的-N-H，兩種化學環境比例也為1∶1。而環上的-N-與氨基中的-N-H由于N元素電價位接近，所表現出的N元素的結合能相近。因此，PBX-3中N元素主要有兩個峰，分別對應于硝基與氨基(含環上的N)，通過分子結構中元素的比例分析可知，HMX和TATB中所含N元素的兩個峰值面積相等。根據此原理，對N元素的峰進行了擬合，并計算了對應的-N-O和N-H的相對含量，獲得子彈撞擊前后炸藥內部-N-O和N-H的含量變化，從而判斷子彈撞擊過程中炸藥的反應情況。圖10為PBX-3炸藥N元素譜圖。

由圖10可以看出，第一個峰(-N-O)明顯比第二個峰(N-H)低，測得-N-O環境和-N-H環境分別占整個N元素的32.2%和67.8%，這表明樣品中HMX的-N-O大量減少，由初始狀態的1∶1變成為1.0∶2.1，這是由于N-O鍵結合能較弱，首先斷裂所致，表明回收的殘余炸藥中有部分炸藥發生反應現象，這一現象也說明，在槍擊試驗中，樣品發生的反應較弱，只有子彈撞擊小區域的炸藥才發生了明顯反應，其他位置炸藥沒有出現明顯的反應增長。

4 結 論

(1)建立了帶空腔雙層裝藥的槍擊試驗方法，試驗結果表明能有效地應用于帶空腔雙層裝藥的安全性研究。

(2)槍擊作用下，3.5mm厚鋁殼的Φ100mm雙層裝藥PBX-3和PBX-9炸藥能量釋放率均較低，都發生爆燃反應，且PBX-9反應程度略高于PBX-3。

(3)通過對回收的炸藥樣品進行XPS和SEM測試，獲得了回收樣品的微觀結構變化及反應情況。炸藥表面出現明顯的熔化現象，且有反應現象，但反應較弱，沒有發生明顯的反應增長。