發(fā)射裝藥老化對(duì)于跌落安全性的影響

米巧麗,盧明章,李本威,李云峰

(1.中國(guó)人民解放軍91049部隊(duì)，山東 青島 266100；2.海軍航空大學(xué)，山東 煙臺(tái) 264001)

1 引言

燃?xì)獍l(fā)生器是導(dǎo)彈發(fā)射動(dòng)力系統(tǒng)的核心部件，其在貯存、運(yùn)輸、維護(hù)以及使用過程中可能遇到各種機(jī)械撞擊刺激，比如：吊裝過程中意外跌落、運(yùn)輸過程中高速運(yùn)輸、因交通事故發(fā)生翻覆碰撞、發(fā)射初期因發(fā)射異常而跌落至發(fā)射架或地面等，燃?xì)獍l(fā)生器將受到劇烈機(jī)械撞擊載荷作用，導(dǎo)致其中的發(fā)射裝藥著火燃燒甚至爆炸。從安全性角度來看，燃?xì)獍l(fā)生器跌落響應(yīng)主要表現(xiàn)在裝藥受到撞擊載荷后的力學(xué)響應(yīng)以及裝藥內(nèi)部受力變形后產(chǎn)生相互摩擦。可見，發(fā)射裝藥跌落安全性與裝藥的力學(xué)性能與機(jī)械感度等性能具有一定的關(guān)聯(lián)性。而發(fā)射裝藥經(jīng)過長(zhǎng)期貯存后會(huì)出現(xiàn)物理和化學(xué)老化，使裝藥各方面性能發(fā)生不同程度的變化，這些變化對(duì)于裝藥的跌落安全性是否存在影響，會(huì)產(chǎn)生什么樣影響亟待研究。通過這個(gè)問題的研究，可以分析和評(píng)估不同貯存階段的發(fā)射裝藥跌落安全性及其變化，找出影響裝藥跌落安全性的關(guān)鍵因素，從而為提升裝藥的貯存安全性和新型發(fā)射裝藥的安全性設(shè)計(jì)提供理論與技術(shù)支撐。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)裝藥跌落安全性的研究主要集中在以下3個(gè)方面：一是針對(duì)某一類型或者某一型號(hào)的裝藥，通過跌落安全相關(guān)試驗(yàn)對(duì)裝藥的沖擊響應(yīng)特性和沖擊起爆影響因素等方面進(jìn)行研究。如文獻(xiàn)[1-2]對(duì)2,4二硝基苯甲醚(DNAN)基裝藥在不同跌落高度下的沖擊載荷進(jìn)行了試驗(yàn)分析與理論計(jì)算，結(jié)果表明沖擊載荷、撞擊響應(yīng)程度和裝藥升溫隨跌落高度的增加而增大。文獻(xiàn)[3-5]中分析了核反應(yīng)堆中的堆芯和燃料組件在跌落沖擊載荷作用下的加速度、應(yīng)變響應(yīng)、安全影響因素等，為跌落安全性評(píng)價(jià)提供了參考；二是通過采用有限元方法及動(dòng)力學(xué)分析軟件對(duì)裝藥的跌落沖擊過程進(jìn)行數(shù)值仿真，模擬沖擊過程中的力學(xué)響應(yīng)。如文獻(xiàn)[6-11]中運(yùn)用了AUTODYN、ABAQUS、ANSYS/LS-DYNA等仿真軟件模擬分析了不同類型的固體發(fā)動(dòng)機(jī)和戰(zhàn)斗部在各跌落工況下的應(yīng)力應(yīng)變、溫度、沖擊加速度過載等變化規(guī)律，預(yù)測(cè)了裝藥的跌落損壞程度及發(fā)生燃燒、爆炸的概率等；三是對(duì)跌落安全性試驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比分析，探索能夠更深入地研究裝藥跌落響應(yīng)的試驗(yàn)方法和安全性評(píng)估方法。如文獻(xiàn)[12]中從產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)、跌落高度、臺(tái)面、方位、環(huán)境應(yīng)力等綜合分析了國(guó)內(nèi)外戰(zhàn)斗部跌落安全性試驗(yàn)方法，文獻(xiàn)[13]建立了“3類試驗(yàn)+1種方法”的安全性評(píng)估方法，即通過整體級(jí)試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)、構(gòu)型試驗(yàn)等3類試驗(yàn)和基于統(tǒng)計(jì)模型的方法，實(shí)現(xiàn)了裝藥跌落/撞擊安全性定量評(píng)估，文獻(xiàn)[14]通過對(duì)某型固體發(fā)動(dòng)機(jī)在37.5 m高度進(jìn)行多角度的跌落試驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析得出在相同跌落高度下危險(xiǎn)角度為78°的結(jié)論。由上述分析可知，在現(xiàn)有的相關(guān)研究中，對(duì)于長(zhǎng)期貯存狀態(tài)下的裝藥跌落安全性及其與裝藥老化之間的關(guān)聯(lián)性的研究較少。因此，本文擬針對(duì)不同貯存年限的某型發(fā)射裝藥，采用性能試驗(yàn)與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，探討裝藥不同老化程度對(duì)于跌落安全性的影響。

2 裝藥加速老化及性能試驗(yàn)

2.1 裝藥加速老化試驗(yàn)

為探索不同貯存年限下的發(fā)射裝藥老化程度，參考GJB736.8—1990火工品試驗(yàn)方法71 ℃試驗(yàn)法，對(duì)某型發(fā)射裝藥進(jìn)行熱加速老化試驗(yàn)。在這個(gè)試驗(yàn)法中，取樣時(shí)間與貯存年限的關(guān)系滿足修正的阿累尼烏斯方程，即:

t0=γ(T1-T0)/At1

(1)

式(1)中:t0為常溫下的貯存時(shí)間，d；t1為高溫試驗(yàn)時(shí)間，d；γ為反應(yīng)速度溫度系數(shù)，取值為2.7；T0為常溫試驗(yàn)溫度，K；T1為高溫試驗(yàn)溫度，K；A為與反應(yīng)溫度系數(shù)相對(duì)應(yīng)的溫度變化，通常取值為10 K。

通過式(1),即可由71 ℃下的試驗(yàn)時(shí)間推算出某導(dǎo)彈發(fā)射裝藥常溫(25 ℃)下的貯存時(shí)間。綜合考慮某型發(fā)射裝藥的貯存使用期、試驗(yàn)精度與試驗(yàn)周期，試驗(yàn)取樣時(shí)間分別設(shè)定為19 d、30 d、45 d、60 d，記這4個(gè)取樣時(shí)間的試驗(yàn)樣品對(duì)應(yīng)的裝藥批次分別為批次1、批次2、批次3、批次4。由式(1)推算出對(duì)應(yīng)的貯存年限分別為5 a、8 a、12 a、16 a，這4個(gè)批次的裝藥試驗(yàn)樣品即代表了不同老化時(shí)間節(jié)點(diǎn)的發(fā)射裝藥。

試驗(yàn)設(shè)備采用上海實(shí)驗(yàn)儀器廠生產(chǎn)的DU-65型電熱油浴加速老化恒溫箱，主要由恒溫槽和控溫系統(tǒng)組成，溫度波動(dòng)度為±1 ℃。

試驗(yàn)基本步驟為：制作準(zhǔn)備尺寸規(guī)格為40 mm×40 mm(直徑×高度)的某型發(fā)射裝藥藥柱50個(gè)，每10個(gè)為1組(每個(gè)代表燃?xì)獍l(fā)生器中不同部位的藥柱)，其中1組作為參考試樣，密封常溫保存。其他4組分別放入潔凈干燥的防爆器中，并標(biāo)記樣品信息、試驗(yàn)溫度和取樣時(shí)間，放入老化恒溫箱中。

定期觀察并記錄試驗(yàn)溫度、時(shí)間和樣品情況，時(shí)間達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定天數(shù)時(shí)取出對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)樣品，由此得到代表貯存年限分別為5 a、8 a、12 a、16 a的4個(gè)批次發(fā)射裝藥樣品。

為研究不同老化節(jié)點(diǎn)的發(fā)射裝藥性能變化對(duì)于跌落安全性的影響，依據(jù)GJB770B—2005《火藥試驗(yàn)方法》，對(duì)4個(gè)批次的發(fā)射裝藥分別進(jìn)行力學(xué)性能和安全性能試驗(yàn)。

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

在試驗(yàn)溫度-30 ℃與30 ℃下，對(duì)4個(gè)批次的發(fā)射裝藥分別進(jìn)行不同拉伸/壓縮速率的單軸拉伸、單軸壓縮試驗(yàn)和抗沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)中使用WDW-100DIII微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)相應(yīng)的性能參數(shù)。在測(cè)試溫度分別為 -30 ℃與30 ℃時(shí)，對(duì)每個(gè)批次裝藥進(jìn)行多部位取樣測(cè)試，得到平均最大抗拉強(qiáng)度、平均最大抗壓強(qiáng)度和平均最大抗沖擊強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。表1中抗拉強(qiáng)度1和抗壓強(qiáng)度1代表拉伸/壓縮速率為5 mm/min下的抗拉/抗壓強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度2和抗壓強(qiáng)度2代表拉伸/壓縮速率為 50 mm/min下的抗拉/抗壓強(qiáng)度。

表1 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of charge mechanical properties

2.3 摩擦感度、撞擊感度、熱感度試驗(yàn)

因發(fā)射裝藥跌落過程中可能由于撞擊、摩擦、熱等激勵(lì)引發(fā)燃燒、爆炸，因此，對(duì)4個(gè)批次發(fā)射裝藥依次進(jìn)行摩擦感度、撞擊感度和熱感度試驗(yàn)。

摩擦感度試驗(yàn)中采用MGY-2B型摩擦感度儀，檢測(cè)計(jì)算恒定擠壓壓力與外力作用下滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生的爆炸概率；撞擊感度試驗(yàn)采用HGZ型19Z0991落錘式撞擊感度儀，測(cè)定規(guī)定試驗(yàn)參數(shù)下發(fā)生50%爆炸的特性落高；熱感度試驗(yàn)采用BDY-1A型爆發(fā)點(diǎn)測(cè)定儀，檢測(cè)5 s延滯期的爆發(fā)點(diǎn)。檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 摩擦感度、撞擊感度、熱感度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of friction,impact and thermal sensitivity

2.4 跌落安全性試驗(yàn)

對(duì)4個(gè)批次裝藥分別進(jìn)行含裝藥整機(jī)跌落試驗(yàn)，跌落高度為12 m，跌落介質(zhì)為鋼板。試驗(yàn)結(jié)果表明，燃?xì)獍l(fā)生器整機(jī)從12 m高處跌落后垂直撞擊到鋼板，略微彈起后倒在鋼板上，4個(gè)批次的參試藥柱均沒有發(fā)生燃燒或爆炸，藥柱無明顯破損，但靠近殼體內(nèi)壁的藥柱存在不同程度的結(jié)構(gòu)變形，通過對(duì)藥柱內(nèi)外徑與主軸方向最大位移的測(cè)量與對(duì)比，各批次藥柱的變形量如表3所示。

由表3可見，各批次裝藥在經(jīng)歷跌落沖擊后，藥柱的內(nèi)徑、外徑變形量和主軸方向最大位移的值均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

表3 藥柱最大變形量Table 3 Maximum deformation of charge columns

3 跌落安全性數(shù)值仿真

3.1 跌落過程力學(xué)響應(yīng)分析

燃?xì)獍l(fā)生器從高處跌落，以一定的速度撞擊地面，引起局部的應(yīng)力應(yīng)變變化，由此可能造成局部壓力升高，能量積聚，引起化學(xué)反應(yīng)，隨后引發(fā)爆炸。可知，燃?xì)獍l(fā)生器跌落機(jī)械撞擊的初始時(shí)刻為與地面接觸時(shí)刻。因此，進(jìn)行數(shù)值仿真時(shí)，根據(jù)燃?xì)獍l(fā)生器跌落的高度，計(jì)算燃?xì)獍l(fā)生器落地時(shí)刻的速度，以與地面開始接觸時(shí)刻,即仿真初始時(shí)刻將該速度賦予燃?xì)獍l(fā)生器整體，設(shè)置燃?xì)獍l(fā)生器的噴管與地面直接接觸。從燃?xì)獍l(fā)生器跌落至地面發(fā)生接觸，一直到藥柱反向彈起時(shí)刻，藥柱的力學(xué)響應(yīng)達(dá)到最大，因此，數(shù)值仿真的各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果均來源于藥柱開始具有彈起速度的時(shí)間點(diǎn)的仿真輸出數(shù)據(jù)。

σ=ERεR(1-D)

(2)

(3)

式(2)—(3)中：ER為無損傷時(shí)偽應(yīng)變斜率；E∞為平衡模量；ε為應(yīng)變；Ei為松弛模量prony級(jí)數(shù)第i項(xiàng)系數(shù)；τi為松弛特征參數(shù)。

3.2 參數(shù)與工況設(shè)置

為便于計(jì)算，假設(shè)發(fā)射裝藥各向同性、均勻，且為彈塑性材料；裝藥與殼體的泊松比均為常量。由整機(jī)跌落實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果可知，燃?xì)獍l(fā)生器內(nèi)藥柱的力學(xué)響應(yīng)非常短暫，無法體現(xiàn)藥柱粘性力學(xué)行為，因此在LS-DYNA軟件中材料屬性模型設(shè)置時(shí)，采用ELASTIC_PLASTIC_HYDRO彈塑性力學(xué)模型[16]。相關(guān)材料參數(shù)如表4所示。

表4 材料參數(shù)Table 4 Material parameters

由于藥柱跌落過程為受壓變形，且力學(xué)響應(yīng)時(shí)間非常短暫，應(yīng)變率基本保持不變，故認(rèn)為藥柱的彈性模量在計(jì)算過程中為常量。針對(duì)裝藥在受到?jīng)_擊可能引起的燃燒、爆炸過程，采用Lee-Tarver點(diǎn)火增長(zhǎng)模型[17]，點(diǎn)火增長(zhǎng)模型反應(yīng)率函數(shù)為：

dF/dt=I(1-F)b(ρ/ρ0-1-a)x+G1(1-F)cFdpy+

G2(1-F)eFgpz

(4)

式(4)中：F為炸藥反應(yīng)度；t為時(shí)間；ρ為密度；ρ0為初始密度；p為壓力；I,G1,G2,a,b,x,c,d,y,e,g和z是常數(shù)，具體參數(shù)如表5所示。

表5 點(diǎn)火增長(zhǎng)反應(yīng)速率函數(shù)參數(shù)Table 5 Ignition increase reaction rate function parameters

依據(jù)跌落試驗(yàn)，4個(gè)批次發(fā)射裝藥的試驗(yàn)工況均設(shè)置為：燃?xì)獍l(fā)生器在12 m高度以軸向垂直，前段頭部朝上的方向自由下落，后端尾部與靶板相撞后，數(shù)值模擬燃?xì)獍l(fā)生器經(jīng)歷的碰撞過程及在沖擊載荷作用下的安全性相關(guān)參數(shù)。

3.3 模型構(gòu)建

燃?xì)獍l(fā)生器跌落過程是在高速度下產(chǎn)生大位移和大變形的一種復(fù)雜非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下產(chǎn)生的響應(yīng)形式取決于結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、材料參數(shù)、初始缺陷、載荷峰值以及載荷持續(xù)時(shí)間等諸多因素，是個(gè)非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)問題。因此，采用有限元分析軟件中的非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析求解器對(duì)跌落過程進(jìn)行仿真模擬分析。

依據(jù)燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)尺寸，運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA對(duì)燃?xì)獍l(fā)生器整體進(jìn)行幾何建模，網(wǎng)格數(shù)量在8萬左右。建模過程中，由于三維模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，根據(jù)剖面幾何模型劃分平面網(wǎng)格，通過掃略等方式生成三維實(shí)體網(wǎng)格，再對(duì)實(shí)體網(wǎng)格進(jìn)行修正，從而得到較為精細(xì)的三維有限元網(wǎng)格。然后，設(shè)置材料參數(shù)，定義單元屬性并添加載荷和設(shè)置邊界約束條件。考慮有限元計(jì)算過程中的收斂問題，構(gòu)建的燃?xì)獍l(fā)生器有限元模型中簡(jiǎn)化了連接緊固結(jié)構(gòu)，省略了彈性墊圈，邊界條件設(shè)置時(shí)統(tǒng)一設(shè)置為接觸面綁定。構(gòu)建的燃?xì)獍l(fā)生器整體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 燃?xì)獍l(fā)生器整體結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Overall structure model of a gas generator

4 結(jié)果分析

通過模擬燃?xì)獍l(fā)生器跌落過程和有可能發(fā)生的點(diǎn)火過程，并對(duì)燃?xì)獍l(fā)生器及裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)損傷、裝藥變形、應(yīng)力應(yīng)變、壓力等數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，由此對(duì)不同老化時(shí)間節(jié)點(diǎn)下發(fā)射裝藥性能變化與跌落安全性的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 燃?xì)獍l(fā)生器結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

為探討裝藥性能老化的影響，數(shù)值仿真計(jì)算中，以藥柱的力學(xué)參數(shù)為變量，殼體的參數(shù)保持不變。通過仿真可知，燃?xì)獍l(fā)生器主軸垂直落在鋼板上，尾部導(dǎo)流管首先著地，發(fā)生較大的形變，靠近尾部的藥柱和殼體也產(chǎn)生較大的變形。燃?xì)獍l(fā)生器跌落至地面后，導(dǎo)流管應(yīng)力最大，發(fā)生變形量也最大，其中應(yīng)力最大區(qū)域、燃?xì)獍l(fā)生器整機(jī)最大主應(yīng)變與殼體的最大應(yīng)力應(yīng)變位置均集中在導(dǎo)流管與后封頭連接處，應(yīng)力最大達(dá)到3 107 MPa，應(yīng)變最大達(dá)到7.13%，軸向應(yīng)變最大達(dá)到5.52%，燃?xì)獍l(fā)生器存在結(jié)構(gòu)損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 裝藥跌落過程仿真結(jié)果

通過LS-DYNA軟件得到裝藥應(yīng)力、應(yīng)變、壓力與位移數(shù)值仿真云圖。對(duì)4個(gè)批次裝藥的仿真云圖進(jìn)行具體分析，發(fā)現(xiàn)藥柱中存在較大應(yīng)力集中的是靠近殼體內(nèi)壁的藥柱，圖2為應(yīng)力集中的其中1根藥柱的仿真云圖。

圖2 藥柱數(shù)值仿真云圖Fig.2 Charge numerical simulation nephogram

通過對(duì)圖2的云圖分析可知，其等效應(yīng)力主要集中在下端面外緣與擋藥板固定連接部位以及沿軸向向上的一小部分區(qū)域，藥柱上端其余部分應(yīng)力水平非常低，可忽略不計(jì)。但隨跌落過程的進(jìn)行，燃?xì)獍l(fā)生器將會(huì)往復(fù)彈起落下，直至燃?xì)獍l(fā)生器穩(wěn)定在地面上。在這個(gè)過程中，應(yīng)力應(yīng)變水平均會(huì)迅速降低，并逐漸趨向于0。跌落碰撞瞬間，燃?xì)獍l(fā)生器藥柱主軸方向的最大位移發(fā)生在中心藥柱的下端面，最大壓力發(fā)生在靠近殼體內(nèi)壁的藥柱下端面的外緣。4個(gè)批次裝藥的具體數(shù)值仿真結(jié)果如表6所示。

表6 藥柱數(shù)值仿真結(jié)果Table 6 Charge numerical simulation results

由整機(jī)跌落試驗(yàn)結(jié)果與表6所示的數(shù)值仿真結(jié)果對(duì)比分析可知，藥柱的主軸方向最大位移變化與試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果基本一致，最大誤差僅為0.4%。試驗(yàn)結(jié)果顯示4個(gè)批次藥柱沒有發(fā)生燃燒和爆炸，數(shù)值仿真結(jié)果表明：4個(gè)批次藥柱最大壓力均遠(yuǎn)小于該型發(fā)射裝藥的起爆臨界壓力1.1 GPa，因此不會(huì)發(fā)生由于跌落沖擊引起爆炸。試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果的一致性說明了基于有限元的建模與仿真的合理性。

4.3 裝藥老化與跌落安全性的關(guān)聯(lián)

由表1所示的發(fā)射裝藥力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果可知，裝藥抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度的變化與溫度具有極大的關(guān)聯(lián)性，在不同拉伸/壓縮速率下抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度的變化也不同。隨著貯存年限的增加，在相同測(cè)試溫度和相同拉伸/壓縮速率下，4個(gè)批次發(fā)射裝藥的抗拉強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及抗沖擊強(qiáng)度值逐漸降低，且相鄰2個(gè)批次的參數(shù)變化值逐漸增大。批次4裝藥相對(duì)于批次1來說，抗拉強(qiáng)度的最大變化量為2.83 MPa，降低約10.65%，抗壓強(qiáng)度的最大變化量為7.73 MPa，降低約6.14%，說明裝藥貯存老化使得裝藥在一定拉伸/壓縮條件下的最大承載能力明顯減弱。在相同測(cè)試溫度下，批次4裝藥的抗沖擊強(qiáng)度相對(duì)于批次1的最大變化量為2.76 kJ·m-2，降低約8.84%，說明老化后的裝藥抵抗外部沖擊激勵(lì)能力降低。由此可見，在相同的貯存條件下，發(fā)射裝藥的力學(xué)性能隨著貯存年限的增加整體呈現(xiàn)劣化趨勢(shì)，即裝藥老化程度越高力學(xué)性能越弱。

表2中發(fā)射裝藥摩擦感度、撞擊感度、熱感度檢測(cè)結(jié)果表明，隨著貯存年限的增加，裝藥由于滑動(dòng)摩擦引發(fā)爆炸的概率顯著升高，由58.27%上升到71.92%，批次4裝藥的摩擦感度相對(duì)于批次1升高了約23.43%，可見隨著貯存時(shí)間的增加，裝藥在一定滑動(dòng)摩擦激勵(lì)下發(fā)生爆炸的概率明顯增大,說明裝藥老化程度越高摩擦感度越高；裝藥受落錘撞擊刺激下爆炸概率為50%的最小落高值，隨著貯存年限的增加由15.35 cm降低到11.29 cm，批次4的撞擊感度相對(duì)于批次1變化量達(dá)到了26.45%，表明裝藥貯存老化使裝藥在一定高度下發(fā)生撞擊爆炸的概率增大，撞擊感度升高；4個(gè)批次裝藥的爆發(fā)點(diǎn)沒有明顯變化，說明該型發(fā)射裝藥的熱感度隨著貯存時(shí)間的推移變化較小。

依據(jù)表3中裝藥跌落安全性試驗(yàn)結(jié)果可見，4個(gè)批次的發(fā)射裝藥結(jié)構(gòu)變形相關(guān)參數(shù)的變化值逐漸增大，說明在相同跌落試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定下，裝藥遭到跌落沖擊后的變形量隨著貯存年限的增加而增加。通過表6發(fā)射裝藥跌落過程數(shù)值仿真結(jié)果分析可知，在相同的跌落高度、跌落方位、跌落介質(zhì)與仿真參數(shù)設(shè)置條件下，裝藥的最大主應(yīng)力隨著裝藥貯存年限的增加而降低，軸向最大壓縮應(yīng)變、徑向最大拉伸應(yīng)變、最大主應(yīng)變、主軸方向最大位移及藥柱最大壓力均隨之而升高。這些參數(shù)值的最大變化量均體現(xiàn)在批次4裝藥與批次1裝藥對(duì)應(yīng)參數(shù)的差值。批次4裝藥相對(duì)于批次1裝藥來說，最大主應(yīng)力降低約9.54%，說明裝藥貯存老化使得裝藥應(yīng)對(duì)外界激勵(lì)變形的能力變?nèi)酰蛔畲笾鲬?yīng)變、徑向最大拉伸應(yīng)變、軸向最大壓縮應(yīng)變與主軸方向最大位移分別增大15.22%、18.31%、9.16%、11.39%，這幾個(gè)參數(shù)值的增大說明了裝藥老化后遭受跌落沖擊后的結(jié)構(gòu)變形程度將更加嚴(yán)重；藥柱的最大壓力明顯升高，最大變化值達(dá)到36.12%，說明相同跌落工況對(duì)于老化程度越高的發(fā)射裝藥，其造成的沖擊和破壞越大。

通過發(fā)射裝藥跌落過程的力學(xué)響應(yīng)分析可知，燃?xì)獍l(fā)生器從高處跌落撞擊地面、反彈再到倒在鋼板的整個(gè)過程中，燃?xì)獍l(fā)生器殼體與藥柱為抵抗這個(gè)過程中的各種載荷發(fā)生了應(yīng)力應(yīng)變變化，而應(yīng)力應(yīng)變的變化是裝藥力學(xué)性能的直接體現(xiàn)。由不同貯存年限的力學(xué)性能變化可知，發(fā)射裝藥老化程度越大，力學(xué)性能越弱，即代表裝藥承受外界載荷的能力越低，從而使得裝藥在外界載荷沖擊下發(fā)生變形甚至破損，影響裝藥貯存使用的安全性。同時(shí)，發(fā)射裝藥發(fā)生意外跌落時(shí)，在撞擊、摩擦、熱等外部激勵(lì)下會(huì)造成藥柱局部壓力升高、能量積聚，如藥柱最大壓力超過起爆臨界壓力，則可能導(dǎo)致爆炸。依據(jù)表2與表6所示的數(shù)據(jù)，繪制藥柱最大壓力與摩擦感度、撞擊感度的雙坐標(biāo)軸折線圖，如圖3、圖4所示(圖中貯存年限單位a代表年)。

由圖3中折線變化的總體趨勢(shì)可見，裝藥的摩擦感度與跌落過程中藥柱最大壓力均隨著貯存年限的增加而顯著增大，2條折線的變化趨勢(shì)基本一致。圖4中的撞擊感度是由受落錘撞擊刺激下爆炸概率為50%的最小落高值衡量的，最小落高值隨著貯存年限的增加明顯降低，說明在某一高度上發(fā)生撞擊爆炸的概率升高，對(duì)應(yīng)的撞擊感度逐漸升高。因此撞擊感度與藥柱最大壓力均隨著貯存年限的增加而增大。同時(shí)，由圖3與圖4中的折線變化幅度可以看出，隨著X坐標(biāo)軸值的增大，相鄰2點(diǎn)間的變化值均是由小到大、再到小，說明發(fā)射裝藥的摩擦感度、撞擊感度與藥柱最大壓力在貯存年限為5～8 a年變化較小，在8～12 a變化較大，12～16 a變化量又減小。這個(gè)變化規(guī)律與不同貯存階段的某型發(fā)射裝藥內(nèi)部組分間的物理與化學(xué)反應(yīng)所導(dǎo)致的裝藥老化程度息息相關(guān)。系統(tǒng)學(xué)表明，在系統(tǒng)發(fā)展過程中，若2個(gè)因素變化的趨勢(shì)具有一致性，即同步變化程度較高，說明二者關(guān)聯(lián)程度較高[18]。由圖3和圖4可見，摩擦感度、撞擊感度與裝藥最大壓力具有較高的關(guān)聯(lián)程度。

圖3 藥柱最大壓力與摩擦感度的變化Fig.3 Changes of maximum pressure and friction sensitivity

圖4 藥柱最大壓力與撞擊感度的變化Fig.4 Changes of maximum pressure and impact sensitivity

通過上述分析可知，某型發(fā)射裝藥的貯存老化使得跌落過程中藥柱的變形程度和壓力明顯增大，當(dāng)壓力到達(dá)臨界起爆壓強(qiáng)1.1 GPa時(shí)，將導(dǎo)致發(fā)射裝藥發(fā)生爆炸。通過對(duì)不同貯存年限發(fā)射裝藥遭受跌落沖擊時(shí)的藥柱最大壓力值進(jìn)行數(shù)值擬合(置信帶設(shè)為95%)，如圖5所示,推算出藥柱最大壓力達(dá)到臨界起爆壓強(qiáng)的貯存時(shí)間。

由圖5可知，取95%置信下限，當(dāng)某型發(fā)射裝藥貯存年限達(dá)到27.57 a時(shí)，如發(fā)生跌落高度為12 m的垂直跌落，藥柱最大壓力可能達(dá)到臨界起爆壓強(qiáng)而引發(fā)裝藥爆炸。由此可見，發(fā)射裝藥老化與跌落安全性存在直接關(guān)聯(lián)性，裝藥老化所引起的力學(xué)性能減弱、摩擦感度與撞擊感度升高直接導(dǎo)致了裝藥跌落安全性降低。

圖5 藥柱最大壓力的數(shù)值擬合Fig.5 Numerical fitting of charge column maximum pressure

5 結(jié)論

通過對(duì)不同老化時(shí)間節(jié)點(diǎn)4個(gè)批次發(fā)射裝藥的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)與跌落安全性數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行綜合分析，結(jié)果表明：

1) 隨著裝藥貯存年限的增加，裝藥力學(xué)性能逐漸減弱，摩擦感度和撞擊感度明顯增高，熱感度相對(duì)穩(wěn)定，跌落安全性呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；

2) 在燃?xì)獍l(fā)生器主軸垂直，前端朝上的跌落試驗(yàn)工況下，4個(gè)批次的發(fā)射裝藥跌落后的應(yīng)力、應(yīng)變變化表明，藥柱結(jié)構(gòu)變形量增加，藥柱主軸方向的最大位移均發(fā)生在中心藥柱的下端面，最大壓力集中在靠近殼體內(nèi)壁的藥柱下端面的外緣；

3) 該型發(fā)射裝藥的貯存老化直接影響著跌落安全性，裝藥老化程度越大，對(duì)跌落安全性影響越大；

4) 裝藥的力學(xué)性能、摩擦感度及撞擊感度是影響裝藥的跌落安全性的主要影響因素。在下一步研究中將深入研究裝藥老化影響跌落安全性的具體關(guān)聯(lián)性和內(nèi)在機(jī)理，以及裝藥在不同試驗(yàn)工況下的跌落安全性。