沖擊載荷作用下導彈戰斗部裝藥起爆特性研究

蔡宣明， 張 偉， 高玉波， 范志強

(1. 中北大學 地下目標毀傷技術國防重點學科實驗室，太原 030051； 2. 哈爾濱工業大學 高速撞擊研究中心，哈爾濱 150080)

導彈戰斗部裝藥(PBX炸藥)是高能鈍感炸藥，具有密度低、力學性能較為穩定、極易加工成不同的結構形式等特性，因此，在導彈戰斗部及大型攻擊性武器中的應用尤為廣泛[1-5]。在導彈戰斗部攻擊地下目標過程當中，時常因對戰斗部PBX炸藥裝藥在高過載沖擊載荷作用下起爆特性估計不足，從而極大削弱對攻擊目標的毀傷作用，甚至因暴露導彈軌跡而自身安全受到威脅，攻防兩端將引起一連串不可預估的后果。因此，對導彈戰斗部PBX炸藥裝藥在高過載下的起爆特性研究將為國防防御技術研究提供重要的參考依據。

PBX炸藥起爆特性研究是當前國際熱點和難點問題，近年來，國內外學者對導彈戰斗部PBX炸藥裝藥研究報道主要集中在對起爆現象的描述，以及起爆后對周圍結構毀傷效應分析[6-7]。趙娟等[8]通過沖擊波感度試驗和沖擊起爆試驗對FOX-7和RDX基含鋁炸藥的沖擊起爆特性進行了研究，確定了FOX-7和RDX基含鋁炸藥的臨界隔板值和臨界起爆壓力，并給出了起爆壓力時間歷時曲線。王桂吉等[9]應用短脈沖加載技術對TATB/HMX為基的高聚物黏結炸藥起爆特性進行了研究，獲得了50%起爆概率條件下的沖擊起爆閾值和100%起爆的最小起爆閾值。Tarver等[10]對壓制固體高爆炸藥沖擊熱點起爆問題進行了研究，探索周圍溫度條件對其熱點起爆的影響，采用對起爆反應時間及所需溫度進行估計的方式，進而評估分析壓制固體高爆炸藥的熱點起爆機制。Zeman等[11]探索了特定速率常數與PBX炸藥的試驗爆轟速度、沖擊壓力和摩擦敏感性之間的相互關系，研究結果表明，其相互關系同樣適用于含能材料起爆反應特性研究。綜合分析國內外對PBX炸藥裝藥起爆特性研究報道，主要報道的是不同起爆方式下的毀傷效應，而且是從主觀唯象思想理論分析結構毀傷作用，然而對PBX炸藥裝藥在高過載下的沖擊載荷壓力與其能量釋放行為之間的聯系機制的研究亟少。

本研究基于二級輕氣炮裝置，對導彈戰斗部PBX炸藥裝藥在高過載沖擊載荷作用下的起爆特性進行試驗研究，探索導彈戰斗部PBX炸藥裝藥能量釋放行為與沖擊載荷壓力之間的聯系機制，并建立相互聯系規律模型。

1 試 驗

1.1 試驗材料

文中研究的PBX炸藥材料由40%質量分數的RDX晶體顆粒、24%質量分數的Al粉、以及36%質量分數的端羥基聚丁二烯配比而成，并應用模具澆注成試驗研究所需要的尺寸，本試驗研究PBX炸藥試件尺寸為Φ10×5 mm，密度為1.65 g/cm3，具有低密度鈍感高能特性，且力學性能較為穩定性。圖1是該PBX炸藥細觀結構形貌，由圖可知，PBX炸藥晶體顆粒端面清晰，其與黏結劑無空隙連接；黏結劑光滑且無初始損傷微裂紋，晶體顆粒大小各有差異，其直徑尺寸主要在50～300 μm之間，呈多層狀，不規則分布于聚合物中。

圖1 PBX炸藥細觀結構形貌

1.2 試驗裝置

導彈戰斗部裝藥沖擊起爆響應特性試驗研究在哈爾濱工業大學二級輕氣炮上進行，圖2是試驗裝置示意圖，通過哈爾濱工業大學自行研制的磁測速系統監測裝藥彈速度，裝藥彈結構如圖3所示，裝藥彈穿透高壓測試艙前端密封板后，撞擊GY4高強裝甲鋼砧，當沖擊壓力達到PBX炸藥臨界起爆壓力值時，起爆發生，由QSY8109 壓力傳感器、電荷放大器和TDS5054B Digital Phosphor Oscilloscope采集高壓測試艙中的爆炸波，并應用ultima APX-RS高速相機拍攝PBX炸藥起爆及能量釋放過程。

圖2 試驗裝置示意圖

高壓測試艙是由高強度裝甲鋼材料設計而成，內部直徑約為180 mm，長度為260 mm左右，其內部體積約為6.62 L。高壓測試艙的前端由0.5 mm厚的薄板、塑料膜、橡膠墊以及鋼環通過8個螺栓來密封；沖擊砧是由GY4高強裝甲鋼材料組成的，尺寸為Φ90×22 mm，通過內六角螺栓與圓柱體鋼相連接，最后由O型圈及金屬套環通過8個螺栓密封高壓測試艙的尾部。尺寸為Φ135×30 mm的聚碳酸酯材料及O型圈通過8個螺栓來密封高壓測試艙的窗口，高速相機可通過其窗口拍攝整個試驗現象。為確保試驗安全性及可控性，高壓測試艙安裝在高壓防護艙中，圖4是試驗現場。

圖3 裝藥彈體結構

2 結果與分析

2.1 試驗結果

為了能夠較為系統研究該PBX炸藥的起爆特性，正確認識裝藥彈的臨界起爆速度、以及不同沖擊速度對PBX炸藥起爆響應及能量釋放行為的影響，裝藥彈速度從217 m/s逐漸增加至裝藥彈速度為910 m/s，進行了一系列試驗研究。試驗研究結果如表1所示，當裝藥彈速度≤264 m/s時，該PBX炸藥沒有發生起爆現象；當裝藥彈體速度為272 m/s時，PBX炸藥首次發生起爆，高壓測試艙中產生爆炸波，隨著裝藥彈沖擊速度的增大，高壓測試艙中的爆炸波能量亦逐漸增大，直至裝藥彈速度增至631 m/s時，安置于高壓測試艙中的壓力傳感器監測到的爆炸波趨于穩定狀態。

圖4 試驗現場

2.2 裝藥彈沖擊壓力的計算

裝藥彈沖擊壓力是研究PBX炸藥沖擊起爆響應特性的一個重要影響因素。試驗中測量裝藥彈的沖擊壓力較為困難，因此，可通過仿真計算出裝藥彈的沖擊壓力，仿真的正確性及可靠度需建立在準確本構關系以及失效模式，作者前期研究工作已完成該PBX炸藥本構關系的建立及失效準則的定義[12]，且已通過試驗驗證其準確性及可行性，該PBX炸藥本構模型表達如下

(a) T=-0.95 ms

(b) T=-0.45 ms

(c) T=0

(d) T=0.2 ms

(e) T=0.6 ms

(f) T=6.25 ms

(g) T=12.25 ms

(h) T=25.9 ms

(i) T=51.45 ms

圖5 PBX炸藥起爆過程

(1)

表2 PBX炸藥材料數值模擬仿真參數

PBX炸藥材料采用Grüneisen狀態方程，其相關參數如表2所示；定義Grady Spall 模式為失效準則，其相關參數如表2所示。本試驗研究中，GY4高強裝甲鋼作為沖擊砧，其涉及到的塑性變形較小，不涉及其失效，因此，數值模擬中不考慮其失效模型。采用J-C本構模型，模型中的參數A，B，n來源于文獻[13]，其值分別為A=1 325.6 MPa，B=377.7 MPa，n=0.263，其詳細的模型參數見表3所示。

表3 GY4裝甲鋼模型參數

銅作為裝藥子彈材料，其采用Shock狀態方程及Piecewise JC強度模型，所有模型參數如表4所示。起初的損傷基本形式定義如下[14]

(2)

式中：Δe為等效塑性增量，ef為在當前應變率，溫度，壓力及等效應力下的致使失效發生的等效應變，并且D=1.0時開始產生失效，其與應變相關的失效表達式一般表達如下

εf=[D1+D2exp(D3σ*)](1+

(3)

式中的D1～D5是模型參數(見表4)。

表4 銅模型參數

依據試驗工況建立PBX炸藥沖擊起爆仿真三維模型，在PBX炸藥內部布置壓力監測點，對應試驗中裝藥彈速度進行數值模擬仿真研究，計算得到的裝藥彈沖擊壓力如試驗結果的表1所示。

2.3 沖擊壓力對PBX炸藥能量釋放行為的影響

由試驗研究結果表1分析可知，當裝藥彈沖擊壓力增大至5.34 GPa，相對應的沖擊速度為272 m/s時，起爆現象首次發生，這一行為表明，當裝藥彈沖擊壓力達到PBX炸藥局部 “熱點”臨界起爆壓力時，裝藥彈中PBX炸藥局部發生反應，起爆現象開始發生，因此，將5.34 GPa沖擊壓力作為臨界起爆壓力，272 m/s沖擊速度定義為臨界起爆速度。隨著裝藥彈沖擊壓力增大，PBX炸藥反應質量亦增大；當裝藥彈沖擊壓力達到12.39 GPa，相對應的沖擊速度為631 m/s時，高壓測試艙中壓力達到最大值，此時，繼續增大裝藥彈沖擊壓力對高壓測試艙中的壓力值變化幾乎沒有影響，認為裝藥彈沖擊壓力達到12.39 GPa時，PBX炸藥完全起爆，全部發生反應，反應率η為100%。文中將產生起爆反應的PBX炸藥質量m與PBX炸藥總質量M之間的比率定義為PBX炸藥反應率η。試驗之前，已對高壓測試艙作了較好的密封工作，可認為高壓測試艙在裝藥彈侵徹之前為完全密閉狀態，則，高壓測試艙內的壓力峰值與高壓測試艙中存儲的能量之間相互關系可描述為[15]

(4)

式中:E為高壓測試艙中爆炸氣體的內能，Q為存儲在爆炸氣體中的能量，V為高壓測試艙體積，γ為爆炸氣體比熱比，ΔP為高壓測試艙中壓力傳感器監測到的壓力時間歷時曲線中的壓力峰值。

圖6 沖擊壓力與起爆壓強峰值關系

忽略PBX炸藥在極短(約2～3 ms)爆燃時間內的熱損失，則，PBX炸藥的反應率表達式為

(5)

式中：m為反應質量，M為總質量，q為每單位質量反應材料釋放的熱量，ΔPmax為理論計算得到的最大壓力峰值。由表1試驗結果研究分析，建立高壓測試艙中壓力傳感器監測到的壓力時間歷時曲線中的壓力峰值ΔP與裝藥彈體沖擊壓力P之間對數關系，其表達式為

ΔP=α-βlnP

(6)

式中：α和β為積分常數。圖6為應用式(6)對表1中的試驗數據進行擬合，相關系數R=0.901，由圖可知，其擬合曲線與試驗數據基本吻合，并求出積分常數α=-0.176，以及β=-0.177。

圖7是PBX炸藥能量釋放量和相對反應率與裝藥彈沖擊壓力之間的內在關系，圖中實線表示能量釋放量Q與裝藥彈沖擊壓力P之間的擬合關系，其表達式如下

Q=6.95-5.43exp[-(P-4.99)/2.46]

(7)

式中：Q單位為kJ，P單位為GPa，Q與P之間擬合關系的Adj.R-Square值為0.933，由圖可知，其擬合關系式能較好描述試驗數據中Q與P之間的相互關系。圖中的虛線表示相對反應率η與裝藥彈沖擊壓力P之間的擬合關系，其表達式如下

η=1-0.78exp[-(P-4.99)/2.46]

(8)

式中：η與P之間擬合關系的Adj.R-Square值為0.933 5，結合圖7可知，PBX炸藥相對反應率η與裝藥彈沖擊壓力P之間的擬合關系與試驗數據基本吻合。PBX炸藥相對反應率隨著裝藥彈沖擊壓力增大而增大，當裝藥彈沖擊壓力達到12.39 GPa，相對應的沖擊速度為631 m/s時，高壓測試艙中壓力時間歷時曲線峰值點值達到最大，此時，繼續增大裝藥彈沖擊壓力對高壓測試艙中的壓力值變化幾乎沒有影響，認為裝藥彈沖擊壓力達到12.39 GPa，相對沖擊速度為631 m/s時，PBX炸藥完全起爆，所有質量全部發生反應，反應率η為100%。

圖7 能量釋放量和相對反應率與沖擊壓力內在關系

3 結 論

(1) 獲得了該導彈戰斗部PBX炸藥裝藥的臨界起爆壓力為5.34 GPa，相對應的裝藥彈體臨界起爆速度為272 m/s；相對反應率η值近似100%，PBX炸藥裝藥完全起爆時，裝藥彈體沖擊壓力為12.39 GPa。

(2) 導彈戰斗部PBX炸藥裝藥能量釋放量Q和相對反應率η與裝藥彈體沖擊壓力P之間的擬合關系與試驗數據基本吻合，揭示了該PBX炸藥裝藥能量釋放量和相對反應率與沖擊壓力之間的內在關聯。

(3) 建立了密閉高壓測試艙中爆炸壓力峰值ΔP與裝藥彈體沖擊壓力P之間對數關系，揭示了密閉空間爆炸壓力與沖擊載荷壓力之間的聯系規律。