PBX炸藥剪切流動點火性能的實驗研究

陳 鵬，屈可朋，李亮亮，肖 瑋，陳 榮，暢 博，袁寶慧

(1.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065；2.國防科技大學，湖南 長沙410073)

引 言

PBX炸藥作為侵徹戰斗部等武器系統的重要能源物質，對于毀傷效果具有決定性作用。然而，戰斗部在侵徹過程中，會產生較大的沖擊過載，由于沖擊過載作用，戰斗部裝藥在殼體內部經歷壓縮、剪切及流動等復合應力狀態，在復合應力作用下，裝藥內部易形成熱點，導致炸藥意外起爆。所謂的剪切和流動是由于裝藥在過載作用下非均勻變形而引起的，因此，研究裝藥在壓縮、剪切及流動作用下的安全性具有重要意義。

目前，關于炸藥在拉伸、壓縮、摩擦等單一加載方式下的點火研究方法較多，同時，在復合應力加載下的研究方法也得到了較大發展。LANL實驗室和Cavendish實驗室使用透明落錘砧骨加載無約束炸藥材料[1-4]，研究了炸藥材料在落錘加載下軸向壓縮和徑向流動點火情況；Dickson[5]使用斜碰撞實驗和滑道實驗研究了炸藥撞擊摩擦的點火過程；Joshi[6-8]將SHPB裝置能夠實現高應變率優點與落錘裝置中能量沉積優點相結合，使用SHPB-砧骨實驗研究PBX炸藥受剪切作用下的點火；LRL實驗室建立了Susan實驗[9-10]，用于研究炸藥在低速撞擊下的點火，得到炸藥徑向剪切流動，易發生點火；Jones[11]和申春迎[12]對炸藥進行了Spigot的沖塞實驗，研究炸藥在剪切和摩擦作用下的點火；Chidester[13-14]設計了Steven實驗用于研究炸藥裝藥受低速沖擊下的點火。上述研究都是基于低速沖擊作用下PBX炸藥的點火研究，而關于PBX炸藥在高速沖擊作用下的剪切流動研究報道較少。

本研究為了對比炸藥在完全約束加載和剪切流動作用下的點火反應特性，使用一級輕氣炮進行加載，同時使用高速攝影觀察加載過程中炸藥是否發生反應，使用壓力傳感器測量加載過程中的壓力，并且結合數值模擬計算，對炸藥的點火反應特性進行研究。

1 實 驗

1.1 樣品制備

HMX基PBX炸藥由西安近代化學研究所提供，主要成分為HMX/Al/黏結劑，其配方(質量分數)為：HMX, 53%;Al粉,35%;黏結劑,12%。

樣品制備過程：將3種組分按比例均勻混合，在外徑40mm、內徑30mm、高度30mm的聚乙烯塑料套筒內澆注成型，成型藥柱尺寸為Φ30mm×30mm，密度為1.84g/cm3，保持藥柱端面平整，無肉眼可見缺陷，最后用兩個直徑40mm、高度5mm的聚乙烯塑料墊片分別密封藥柱的兩個端面。

1.2 儀器

實驗在130mm口徑的一級輕氣炮上完成，如圖1所示。測速系統由激光測速儀和Tektronic示波器組成，示波器采樣率為5M/s；裝藥加載壓力變化由北京理工大學研制的50Ω錳銅壓力傳感器測得；使用Photron高速攝影記錄加載過程中樣彈是否發生反應。

圖1 實驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

1.3 實驗原理

一級輕氣炮加載實驗原理是通過高壓氣室內部的氣體驅動炮管中的2.5kg塑料彈丸，彈丸加速至400m/s的速度撞擊靶箱內部的裝藥樣彈，實現對裝藥的壓縮加載。使用下擊柱底部的壓力傳感器測試加載過程中的壓力變化，通過增減實驗樣彈上端蓋板的剪切厚度調整加載強度，蓋板直徑D1為Φ100mm，蓋板的厚度h1變化為10～23mm，蓋板材料為45號鋼；上下擊柱直徑d1為Φ40mm，上擊柱長度L1為115mm，下擊柱長度L2為40mm，套筒內徑和擊柱直徑相同，外徑d3為Φ60mm，套筒長度L3為140mm，砧骨直徑D2為Φ120mm，厚度h2為20mm，材料均為T10鋼；通過高速攝影記錄裝藥是否發生反應。

實驗中模擬完全約束加載方式如圖2(a)和(b)所示，剪切流動加載方式和受力示意圖如圖2(c)和(d)所示，剪切流動加載不同于完全約束加載,區別為藥柱下端面的聚乙烯塑料墊中心開有直徑為2mm或3mm的圓形通孔，下擊柱中心開有直徑為6mm的圓形通孔，且兩個圓孔同軸心，便于空氣的快速排出。當裝藥上端受壓力加載，裝藥受擠壓從下端小孔流出，裝藥在流出小孔位置與孔壁面進行剪切摩擦，當壓力較大時，裝藥就會形成快速流動。

圖2 加載示意圖和裝配圖Fig.2 Loading schematic and assembly of experiment

2 結果與討論

2.1 剪切流動作用理論分析

PBX炸藥在剪切流動加載過程中，基于兩個假設：(1)PBX炸藥在剪切流動過程密度不發生變化；(2)加載開始瞬間擠壓流出速度最大。

氣炮發射時，加速炮管內部的塑料彈丸運動，彈丸撞擊蓋板，當加載作用力大于蓋板的剪切強度τ1時，蓋板被剪斷，加載結束。此時加載在蓋板上作用力為：

f=πd1h1τ1

(1)

式中：d1為擊柱直徑，mm；h1為蓋板厚度，mm。

作用在上擊柱上的作用力F1為：

F1=f

(2)

此時，墊片下端開孔中層流的黏性阻力F2為：

F2=τ2πd2l

(3)

式中：τ2為炸藥與管壁的摩擦應力，不超過炸藥材料的剪切強度，MPa；d2為聚乙烯塑料墊片下端面開孔直徑，mm；l為墊片下端開孔中炸藥的不同位置，mm。

假設認為聚乙烯塑料與炸藥同時受壓且應力均勻，忽略其強度差異帶來的應力分布不均勻。記開孔中距離初始炸藥為l處炸藥的平均流速為v1，根據伯努利方程：

(4)

式中：ρ為藥柱初始密度，g/cm3；v1為PBX藥柱壓縮速度，m/s；v2為藥柱壓縮擠出流動速度，m/s。

藥柱在加載流動過程中，由質量守恒定律可得：

v2=(d1/d2)2·v1

(5)

聯立公式(4)和(5)得到：

(6)

公式(6)給出了管中不同位置的流速，結果表明，蓋板的剪切強度τ1越大、流速越大，下端面聚乙烯塑料墊片孔直徑d2越大、流速越小，忽略炸藥與孔壁的摩擦時，可以得到更為簡化的形式：

(7)

2.2 實驗結果分析

實驗在輕氣炮上完成，結果如表1所示。實驗中樣彈不同厚度的蓋板都被剪斷，并對典型工況進行重復實驗，從實驗結果可以看出，藥柱下端墊片未開孔實驗在加載過程中均未發生反應，開孔之后的加載材料發生反應，材料是否發生反應與下端墊片開孔直徑大小有關。

表1 PBX炸藥加載實驗結果

蓋板厚度為23mm時加載后回收樣彈如圖3所示，從高速攝影和回收樣彈可以看出,蓋板厚度從10mm增加到23mm的加載過程中，藥柱均未發生反應，回收樣彈完整，藥柱有擠出的跡象。

圖3 完全約束PBX炸藥實驗結果Fig.3 Fully constrained results of PBX explosives

藥柱下端墊片開孔2mm實驗結果表明，蓋板厚度從12mm增加到17mm的加載過程中，回收樣彈可以明顯看到炸藥被擠出現象，未見炸藥發生燃燒或反應；當藥柱下端墊片開孔3mm，蓋板厚度為17mm時，炸藥發生劇烈反應。未反應和反應回收樣彈套筒如圖4所示，發生反應的樣彈可以明顯看到有燒黑跡象，同時可以從高速攝影觀察到加載過程中有火光從套筒外壁噴出，如圖5所示。

圖4 開孔PBX炸藥實驗結果Fig.4 Experiment results of PBX explosives with hole

圖5 PBX炸藥在剪切流動狀態時的反應情況Fig.5 PBX explosives react in shear-flow process

通過放置在下擊柱底部壓力傳感器測得底部未開孔加載過程中應力的變化如圖6所示，對于相同速度彈丸沖擊樣彈蓋板，10mm和12mm厚度蓋板的樣彈達到峰值應力的時間分別為45μs和58μs，由于不同厚度蓋板的剪切力作用不同，12mm蓋板作用力比10mm蓋板作用力大130MPa。

圖6 完全約束樣彈加載過程中應力隨時間的變化曲線Fig.6 Stress versus time curve during full-constrained loading

樣彈下端開孔裝藥發生反應，而未開孔裝藥沒有發生反應，分析主要原因可能是在加載過程中，未開孔樣彈裝藥雖然受力較大，但在約束狀態下變形較小，較難產生熱點；樣彈下端開孔裝藥，在加載過程中，裝藥在開孔處發生了剪切流動，產生了溫升，形成了熱點，引起炸藥發生反應。然而，2mm開孔直徑的炸藥未發生反應，3mm開孔直徑的炸藥發生反應，對比2mm開孔和3mm開孔樣彈，可以得到相同流速情況下3mm開孔樣彈的流量是2mm開孔樣彈的2.25倍，因此可以得到炸藥能否發生反應，還和炸藥的流量有關。

3 數值模擬

3.1 有限元模型的建立

實驗中由于條件限制，未能通過高速攝影觀察樣彈裝藥在加載時的剪切流動過程，然而，樣彈下端墊片開孔大小對裝藥的剪切流動速度影響較大，因此采用有限元數值模擬對加載過程進行計算。

使用LS-DYNA軟件對氣炮加載過程中彈丸沖擊樣彈進行數值模擬計算，分別計算了樣彈下端墊片未開孔和開孔的兩種情況，實驗加載彈丸和樣彈用四分之一模型建模，如圖7所示，裝藥試樣使用均勻歐拉網格，大小為1mm，其他選用拉格朗日網格。

圖7 數值模擬計算模型圖Fig. 7 The simulation model

計算中通過在彈丸上加載速度作為初始加載邊界，樣彈下端使用固定邊界，計算使用材料參數如表2所示[15]。

表2 數值模擬計算材料模型參數

3.2 數值模擬結果分析

通過計算樣彈墊片下端未開孔和蓋板厚度為10mm時，實驗測得擊柱下端應力變化和數值模擬計算結果對比如圖8所示。

圖8 下擊柱應力數值模擬計算和實驗測定值對比Fig. 8 Comparison of the simulation and experimental stress of lower strike

從圖8中可以看出，數值模擬計算得到壓力—時程曲線和實驗結果吻合較好。

使用以上參數分別計算樣彈墊片下端開孔直徑為2mm和3mm的加載過程情況，如圖9所示。計算結果表明，2mm直徑開孔的炸藥平均剪切流動速率為250m/s，3mm直徑開孔的炸藥平均剪切流動速率為180m/s，3mm直徑開孔的單位時間流量比2mm直徑開孔的單位時間炸藥流量增加62%，因此分析可得炸藥是否發生反應不僅與流動速率有關，還與炸藥單位時間擠出量有關。

圖9 炸藥加載剪切流動過程Fig. 9 Shear-flow process of explosive

4 結 論

(1)通過氣炮直接加載帶約束和下端開孔具有剪切流動的HMX基PBX炸藥，直接加載帶約束的炸藥，蓋板從10mm增加到23mm都未發生反應，然而下端開孔，炸藥具有剪切流動的加載蓋板在17mm時發生反應。因此，炸藥在剪切流動加載過程中相比于直接約束的裝藥更容易發生反應。

(2)HMX基PBX炸藥在剪切流動作用下是否發生反應，不僅與流動速率有關，還和炸藥單位時間的擠出量有關，3mm開孔直徑單位時間流量比2mm開孔直徑流量增加62%。