澆注CL-20基混合炸藥的高速破片撞擊安全性

焦綱領,陳鵬萬,王志浩,張丁雄,劉 睿,陳 軼

(1.北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室,北京 100081;2.海軍研究院,北京 100072)

引 言

隨著武器彈藥的不斷發展,在追求高能量、高威力的同時,彈藥安全問題也備受關注[1],其中高速破片作為戰場上較常見的威脅場景,相關考核標準已經納入到美國和北約等彈藥不敏感測試項目中[2-3]。

國內外學者對于高速破片撞擊已經進行了大量研究,并且通過數值模擬計算和試驗驗證等方法形成了較為成熟的理論。其中楊洋等[4]通過LS-DYNA數值模擬軟件計算了雙鎢球同時沖擊帶殼裝藥的情況,分析了雙破片較單破片的沖擊起爆臨界速度更低的原因;孫寶平等[5]研究了破片撞擊受沖擊波損失裝藥點火機理,通過數值模擬和實驗驗證得到破片撞擊點火的臨界撞擊速度;劉鵬飛等[6]研究了六棱柱和圓柱鎢合金破片沖擊起爆屏蔽B炸藥的比動能閾值,得到了長徑比和比動能對起爆屏蔽B炸藥的影響;屈可朋等[7]開展了高速破片撞擊帶殼裝藥下防護試驗研究,分析了裝藥的反應狀態,并且采用數值模擬進行了驗證計算,提出了帶殼裝藥的防護結構;文雯等[8]通過高速破片撞擊試驗現象,研究了撞擊速度、傳爆藥以及高溫等條件下對TATB基PBX及其與HNS復合裝藥的高速破片撞擊安全性,驗證了加入傳爆藥和高溫環境可惡化裝藥的高速撞擊安全性;吳亞琛等[9]研究了澆注CL-20基混合炸藥的驅動性能,并且對炸藥的快速烤燃、慢速烤燃和槍彈撞擊試驗進行了測試,均發生了燃燒反應,證明了澆注CL-20基混合炸藥的不敏感性能較好。

六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)作為目前能量最高的單質炸藥,在混合炸藥方面應用前景廣泛,目前國內外已經開展了多項CL-20混合炸藥的應用[10-11],但關于其在安全方面的相關研究和報道較少。本研究聚焦CL-20基混合炸藥的高速破片撞擊安全性,通過制備一種CL-20基混合炸藥(簡稱為GW),設計并開展了靜爆試驗和高速破片撞擊試驗;通過分析對比試驗結果,研究在不同速度和不同質量破片的高速撞擊下CL-20基混合炸藥的反應等級,以期為后續CL-20炸藥的應用和安全性研究提供參考。

1 試 驗

1.1 試驗樣品

GW炸藥由重慶紅宇精密工業有限責任公司提供,配方(質量分數)為87%的CL-20和13%的HTPB黏結劑體系,其中CL-20采用高品質ε-CL-20,經過重結晶、球形化處理(如圖1所示);黏結劑體系為HTPB和PLAH(一種由酯類和烴類組成的復合增塑劑),自制。裝藥尺寸為Ф82mm×240mm,裝藥密度為1.75g/cm3,裝藥質量為2.24kg。

圖1 高品質ε-CL-20Fig.1 High quality ε-CL-20

試驗樣品由前后端蓋和殼體組成,前后端蓋采用螺紋連接,材料采用45號鋼,殼體厚度為3mm。炸藥樣品尺寸及實物如圖2所示。

圖2 試驗樣品尺寸和實物圖Fig.2 Dimensions and physical photograph of test sample

1.2 試驗裝置

此次試驗破片形狀采用MIL-STD-2105D標準進行設計,材料為10號鋼,破片質量為16g和50g,尺寸分別為Ф13.6mm×15.6mm和Ф19.9mm×22.8mm,如圖3(a)所示。將破片放入驅動裝置加速達到規定的速度,進而產生高速破片撞擊炸藥裝藥。其中爆轟驅動裝置的彈托采用尼龍材料,發射管和發射殼體采用45號鋼,具體尺寸可以根據發射破片的質量和速度進行調節,發射藥柱采用鈍化黑索今,可以控制發射藥質量、調節破片速度,實物如圖3(b)所示。

圖3 破片及其驅動裝置Fig.3 The fragment and fragment driving device

1.3 試驗測試系統搭建與方案設計

為進一步準確判斷高速破片撞擊試驗的反應等級,需要在炸藥完全爆轟狀態下收集超壓、殼體破片速度數據和見證板的破壞情況,因此,在開展破片撞擊試驗前安排一發靜爆試驗。靜爆試驗平面布局如圖4所示。試驗裝置中心高度為1.2m;超壓測試布置高度為1.2m,布放距離超壓計算值為0.1MPa,確定在4m處布放。測速網靶采用斷靶網,數量為3個,距離試驗彈1m,斷靶網之間的距離為1m;見證板采用2塊Q235鋼板,厚度為5mm,高度為1.5m,寬度為1m,布放在距離試驗樣品4m處位置;利用攝像機觀察試驗反應過程。試驗現場如圖5所示。

圖4 靜爆試驗俯視平面圖Fig.4 Top view of static explosive experiment

圖5 靜爆試驗現場Fig.5 The static explosive experiment site

高速破片撞擊試驗采用破片驅動裝置將破片加載到預期試驗速度,當破片撞擊試驗件后,通過收集超壓、殼體破片速度數據和見證板的破壞情況,將試驗現象和試驗數據與爆轟狀態下的靜爆試驗數據作對比,綜合判斷分析試驗的反應等級。

高速破片撞擊試驗平面布局如圖6所示。試驗裝置中心高度為1.2m;破片驅動裝置沿軸線水平放置在托架上,距試驗裝置為3m,在破片發射裝置約0.5m處布置過濾板,其中心孔洞與破片發射裝置軸線齊平。超壓測試裝置、測速網靶以及見證板的布置情況與靜爆試驗相同。高速破片撞擊試驗現場如圖7所示。

圖6 高速破片撞擊試驗俯視平面圖Fig.6 Top view of the fragment impact experiment

圖7 高速破片撞擊試驗現場Fig.7 The fragment impact experiment site

使用破片驅動裝置驅動不同質量的破片到不同的速度,觀察破片撞擊試驗裝置后的超壓數據、影像資料和見證板破壞情況,分析炸藥裝藥的反應等級,試驗工況如表1所示。

表1 高速破片撞擊試驗條件Table 1 Test conditions of high-speed fragment impact

1.4 反應等級評估

目前,國外標準[2]通常將反映等級劃分為爆轟(Ⅰ級)、部分爆轟(Ⅱ級)、爆炸(Ⅲ級)、爆燃(Ⅳ級)、燃燒(Ⅴ級)、無反應(Ⅵ級)6個等級。通常根據殼體破裂程度和破片速度、沖擊波超壓、見證板、含能材料殘余和地面炸坑、影像和聲音等進行綜合評估。其中,爆轟反應等級與靜爆試驗現象相似,超壓測試結果和殼體破片速度相近,無剩余炸藥。部分爆轟與爆炸試驗現象較為接近,和爆轟反應相比,超壓測試結果和殼體破片速度低于靜爆試驗結果。爆燃與燃燒反應相近,區別在于爆燃反應通常認為會測到超壓結果,而燃燒反應無超壓測試結果。無反應指在遭受外部刺激時含能材料不反應或無持續外部刺激時反應立即熄滅,無爆炸火團和燃燒火焰。

本研究通過分析與對比靜爆試驗與高速破片撞擊試驗的殼體破裂程度和破片速度、沖擊波超壓、見證板、含能材料殘余等進行綜合評估。

2 結果與討論

2.1 靜爆試驗結果

靜爆試驗現場見證板情況及攝像影像如圖8所示。由圖8可知,爆炸產生了巨大的火球和煙塵,無剩余殼體和含能材料,見證板上產生兩個破片穿孔。

圖8 靜爆試驗后現場情況Fig.8 Damage after static explosive experiment

靜爆試驗獲得了4m處的超壓數據分別為0.101和0.0806MPa,另外一個測點數據線被打斷,無超壓數據,平均超壓值為0.0908MPa,超壓測試曲線如圖9所示,與布放超壓傳感器距離的理論超壓計算值相當,證明GW炸藥完全爆轟。

圖9 超壓測試曲線Fig.9 Overpressure curves of tests

爆轟產生殼體破片速度為1435m/s,與文獻[12]中HMX基的JO-8炸藥破片驅動速度提高30.1%,4m處見證板上有兩處破片穿孔,證明GW炸藥具有良好的破片驅動性能。

2.2 高速破片撞擊試驗結果

高速破片撞擊試驗現場情況及攝像影像如圖10所示。從圖10(a)中可以看出,破片質量為16g,速度為1818m/s時,試驗樣品殼體正面發生剪切和撕裂,背面無穿孔,裝藥殼體有過火痕跡,炸藥在殼體內較為完整且發生黑化炭化,通過錄像視頻截圖可知現場發生燃燒反應,試驗支架和見證板完好無損,未檢測到超壓信號;在圖10(b)中,當破片質量為16g、速度為2167m/s時,試驗樣品殼體發生破碎,斷裂成兩截,殼體發生大面積撕裂,有明顯燒蝕過火痕跡,剩余炸藥較少且發生黑化炭化,見證板無穿孔,試驗支架被燃燒完全,未檢測到超壓信號;從圖10(c)中可以看出,當破片質量為50g,速度為1412m/s時,現場無剩余殼體和炸藥殘骸,試驗樣品下方有明顯凹坑和燃燒痕跡,支架被折斷,見證板上產生38處穿孔,79處凹坑,超壓信號線被殼體產生的破片打斷,未獲得超壓數據。

2.3 反應等級評估及分析

通過對比破片撞擊試驗現場破片情況與靜爆試驗現場情況,分析見證板上破片穿孔情況,將試驗反應現象與反應等級評估進行對照,得到GW炸藥的反應等級,見表2。

表2 高速破片撞擊反應等級Table 2 Reaction level of high-speed fragment impact

從圖10(a)中可以看出,當破片質量為16g、速度為1818m/s時,殼體有一處撕裂開孔,上下端蓋較為完整,未見明顯膨脹,并未產生破片;炸藥發生燃燒反應,直至燃燒完全,表面黑炭化;見證板完整,無破片穿孔情況,綜合分析反應等級為燃燒。從圖10(b)中可以看出,當破片質量為16g、速度為2167m/s時,殼體大面積撕裂,大塊破片脫離殼體飛出,殼體撕裂,上蓋螺紋連接部分飛出;部分炸藥拋出彈體后燃燒,少量剩余炸藥在殼體內完全燃燒,表面同樣黑炭化;見證鋼板上無破片穿孔,綜合分析反應等級為燃燒。從圖10(c)中可以看出,當破片質量為50g、速度為1412m/s時,現場破壞較為嚴重,殼體完全破碎,現場未發現較為完整的破片;無剩余炸藥;見證板上產生38處穿孔,79處凹坑。雖然試驗超壓數據未采集到,但是通過現場現象和見證板破壞情況,對比靜爆試驗結果,綜合分析反應等級為爆轟。通過對比試驗現象可知,隨著破片速度提高,GW炸藥反應也更加劇烈,當撞擊速度高達2167m/s時,炸藥也只是發生了燃燒反應,證明該炸藥在16g破片撞擊下具有良好的安全性,與文獻[9]中澆注CL-20混合炸藥不敏感性能較好的結論一致;當破片質量增加到50g,在撞擊速度為1412m/s時發生了爆轟反應,證明GW炸藥在50g破片高速刺激下較16g破片高速刺激的響應程度更為劇烈。

GW炸藥在破片撞擊下安全性提升是因為采用了較高品質的CL-20和HTPB黏結劑體系。重結晶、球形化的ε-CL-20較工業品的ε-CL-20形狀更加規則,接近球形,表面較光滑,晶體內部裂紋較少,在澆注過程中可以通過顆粒級配降低炸藥之間的空隙,提高裝藥密度,達到降低炸藥感度的目的;HTPB黏結劑體系有較好的力學性能,可以產生大變形,起到較好地包覆和保護作用,避免在破片撞擊過程中產生更加劇烈的反應。

3 結 論

(1)GW炸藥靜爆試驗測得殼體破片速度為1435m/s,4m處的超壓均值為0.09MPa。試驗結果表明該炸藥具有良好的破片驅動能力。

(2)在破片質量為16g時,隨著破片速度提高至2167m/s時,GW炸藥僅發生了燃燒反應,但是當破片質量增加到50g、速度為1412m/s時,GW炸藥發生爆轟反應。

(3)重結晶、球形化的ε-CL-20是影響CL-20基混合炸藥的關鍵因素;HTPB黏結劑體系是影響CL-20基混合炸藥的重要因素。