馮賓賓，芮筱亭，徐 浩，陳 濤，王國平

（1.南京理工大學(xué)發(fā)射動力學(xué)研究所，江蘇 南京210094；2.南京理工大學(xué)力學(xué)實驗中心，江蘇 南京210094）

引 言

國內(nèi)外對發(fā)射裝藥引起膛炸等發(fā)射安全性事故的機理已逐步形成共識，即在相應(yīng)裝藥結(jié)構(gòu)下的發(fā)射裝藥破碎是導(dǎo)致膛內(nèi)超高壓力和膛炸的根本原因，發(fā)射裝藥膛內(nèi)破碎是藥粒的低溫脆性和彈底發(fā)射裝藥著火前受到擠壓作用的共同結(jié)果［1］。因此，考查發(fā)射裝藥在發(fā)射過程中的動態(tài)擠壓破碎情況變得極為重要。Lieb R J和Gazanas G A 等人曾用氣體炮［2］、高速液壓伺服裝置［3-4］等技術(shù)對多種發(fā)射藥及裝藥進行了動態(tài)擠壓破碎研究。堵平等［5-7］利用落錘、高低壓發(fā)射裝置、發(fā)射藥床擠壓破碎物理仿真裝置等試驗技術(shù)對發(fā)射藥及發(fā)射藥床進行了動態(tài)擠壓破碎研究。這些研究成果為指導(dǎo)發(fā)射藥和裝藥設(shè)計起到了積極的作用。

本研究用發(fā)射裝藥動態(tài)擠壓破碎裝置對不同溫度下某硝胺發(fā)射裝藥進行試驗，以模擬在真實發(fā)射環(huán)境下發(fā)射裝藥的動態(tài)擠壓破碎過程，獲得相應(yīng)的破碎發(fā)射藥，并利用起始動態(tài)活度比試驗方法確定破碎發(fā)射裝藥的破碎程度，建立了該裝藥破碎程度與最大擠壓應(yīng)力之間的定量關(guān)系。

1 實 驗

1.1 動態(tài)擠壓破碎試驗

用自制的發(fā)射裝藥動態(tài)擠壓破碎裝置（見圖1）對該發(fā)射裝藥分別進行低溫（-40℃）、常溫（20℃）、高溫（50℃）試驗。在燃燒室中加入點火藥，其燃燒生成的高壓氣體推動活塞運動，高速運動的活塞快速擠壓模擬藥室內(nèi)的發(fā)射裝藥，從而模擬火炮發(fā)射過程中彈底發(fā)射裝藥的擠壓破碎過程以及藥床所處的擠壓應(yīng)力環(huán)境［8］。

圖1 發(fā)射裝藥動態(tài)擠壓破碎裝置Fig.1 Dynamic compression fracture device of propellant charge

每種溫度下進行5 組試驗，發(fā)射藥裝藥量100g。試驗前將稱量好的發(fā)射裝藥放入保溫箱中保溫，保溫時間不少于12h。

1.2 起始動態(tài)活度比試驗

對破碎發(fā)射裝藥進行起始動態(tài)活度比試驗，用硝化棉作點火藥，裝填密度為0.2g／cm3，初溫為20℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同擠壓條件下藥粒的破壞情況

圖2（a）為低溫時破碎發(fā)射裝藥數(shù)碼照片，圖2（b）、圖2（c）分別為常溫、高溫試驗后發(fā)射裝藥的局部放大圖。表1為發(fā)射藥的實測擠壓條件和藥床底部最大擠壓應(yīng)力值，圖3為發(fā)射藥藥床底部擠壓應(yīng)力隨時間的變化曲線。由表1可見，在相近的擠壓條件下，不同溫度下發(fā)射藥床底部的最大擠壓應(yīng)力相差較大。由圖2可見，在低溫時藥粒大量破碎，產(chǎn)生很多碎末；常溫時部分藥粒出現(xiàn)裂紋，發(fā)生破碎的藥粒較少；而在高溫時部分藥粒存在裂紋，沒有出現(xiàn)明顯破碎的藥粒。

圖2 不同溫度下破碎發(fā)射藥的數(shù)碼照片F(xiàn)ig.2 Digital photos of fracture propellant at different temperatures

圖3 發(fā)射裝藥擠壓應(yīng)力隨時間的變化曲線Fig.3 Compression stress vs.time curves of propellant charge

表1 發(fā)射裝藥擠壓條件和最大擠壓應(yīng)力Table 1 Compression condition and maximum compression stress of propellant charge

從表觀狀態(tài)將試驗后的藥粒分為破碎、裂紋、完好三種狀態(tài)，試驗后裝藥各種狀態(tài)的藥粒數(shù)目統(tǒng)計結(jié)果見表2。由統(tǒng)計結(jié)果可初步獲知藥床的破碎程度，其中低溫時藥床的破碎嚴(yán)重，而常溫下藥粒的破碎個數(shù)較少，高溫下沒有出現(xiàn)明顯破碎的藥粒。

表2 破碎發(fā)射藥藥粒的統(tǒng)計結(jié)果Table 2 Statistical results of fracture propellant grains

2.2 起始動態(tài)活度比與裝藥破碎程度之間的關(guān)系

本研究使用起始動態(tài)活度比［9］來表征破碎發(fā)射裝藥的破碎程度。在相同試驗條件下，分別對破碎發(fā)射裝藥與同質(zhì)量完好的發(fā)射裝藥進行密閉爆發(fā)器試驗，獲得p-t曲線。根據(jù)動態(tài)活度定義分別得到破碎發(fā)射裝藥與完好發(fā)射裝藥的動態(tài)活度L和L0，由此獲得破碎發(fā)射裝藥相對于完好發(fā)射裝藥的動態(tài)活度比L／L0。在動態(tài)活度比曲線上，以步長0.1取p／pmax區(qū)間［0.2，0.8］上的多個數(shù)據(jù)點，用最小二乘法擬合一條直線，該直線的截距即為該破碎發(fā)射裝藥的起始動態(tài)活度比RL0，如圖4所示。

圖4 發(fā)射裝藥的起始動態(tài)活度比Fig.4 Initial dynamic vivacity ratio of propellant charge

圖5為不同溫度下破碎發(fā)射裝藥的密閉爆發(fā)器試驗測到的p-t曲線。表3為p-t曲線處理得到的起始動態(tài)活度比及每發(fā)試驗對應(yīng)的動態(tài)擠壓破碎試驗時藥床底部最大擠壓應(yīng)力。

圖5 不同溫度下破碎發(fā)射裝藥的p-t曲線Fig.5 The p-t curves of fracture propellant charge at different temperatures

表3 不同溫度試驗結(jié)果Table 3 Testing results at different temperatures

由表3可知，在三種溫度下發(fā)射裝藥的起始動態(tài)活度比隨藥床底部的最大擠壓應(yīng)力增大而增大，即隨著最大擠壓應(yīng)力的增大，發(fā)射裝藥的破碎程度增大。而在不同溫度下的力學(xué)性能差異較大，低溫時破碎發(fā)射裝藥的起始動態(tài)活度比明顯大于常溫、高溫時的起始動態(tài)活度比。低溫時，在一定的擠壓應(yīng)力下發(fā)射裝藥的破碎程度已接近30%，最大擠壓應(yīng)力僅為16.78MPa，而此時破碎發(fā)射裝藥的起始動態(tài)活度比達到1.770。在相似的擠壓應(yīng)力下，常溫和高溫試驗中破碎發(fā)射裝藥的起始動態(tài)活度比不超過1.1。當(dāng)常溫試驗藥床底部的最大擠壓應(yīng)力在14.88～27.98MPa內(nèi)逐步增大時，發(fā)射裝藥的起始動態(tài)活度比增加約16.51%。當(dāng)高溫試驗藥床底部最大擠壓應(yīng)力在16.54～25.33MPa內(nèi)逐步增大時，發(fā)射裝藥的起始動態(tài)活度比增加約為15.41%。

2.3 起始動態(tài)活度比與最大擠壓應(yīng)力之間的關(guān)系

在動態(tài)擠壓破碎試驗中，利用藥床底部擠壓應(yīng)力來模擬實際射擊過程中彈丸底部藥床受的擠壓應(yīng)力過程。藥床底部的擠壓應(yīng)力越大，藥床的破碎程度越嚴(yán)重。以最大擠壓應(yīng)力作為主要的特征參量，建立藥床底部最大擠壓應(yīng)力與藥床破碎程度之間的關(guān)系，來研究彈底藥床在實際膛內(nèi)受到不同擠壓應(yīng)力時的破碎情況。

根據(jù)表3中的試驗結(jié)果，建立上述發(fā)射裝藥在三種溫度下藥床底部最大擠壓應(yīng)力與起始動態(tài)活度比之間的關(guān)系，如圖6所示。由圖6可見，低溫發(fā)射裝藥的起始動態(tài)活度比隨藥床底部最大擠壓應(yīng)力的增大而迅速增大，在較小的擠壓應(yīng)力下起始動態(tài)活度比達到1.770；而在高溫和常溫下，發(fā)射裝藥的起始動態(tài)活度比變化趨勢緩慢，不存在“階躍”現(xiàn)象。這些現(xiàn)象說明低溫發(fā)射裝藥呈現(xiàn)嚴(yán)重的“冷脆”現(xiàn)象，容易發(fā)生大規(guī)模破碎。

圖6 不同溫度下起始動態(tài)活度比與最大擠壓應(yīng)力之間的關(guān)系Fig.6 Relationship of initial dynamic vivacity ratio and maximum compression stress at different temperatures

3 結(jié) 論

（1）不同溫度下，由于藥粒力學(xué)性能不同，相同的擠壓條件下發(fā)射裝藥的擠壓破碎過程不同。

（2）相同的擠壓應(yīng)力下，該發(fā)射裝藥低溫明顯比常溫和高溫破碎嚴(yán)重，說明該發(fā)射藥低溫“脆性”嚴(yán)重。

（3）在3種溫度條件下，該發(fā)射裝藥的破碎程度隨著最大擠壓應(yīng)力的增加而增大，低溫條件下增加速度較快；當(dāng)擠壓應(yīng)力繼續(xù)增大到一定值時，破碎程度可能出現(xiàn)“階躍”式增加，容易導(dǎo)致危險膛壓的出現(xiàn)；在較小的擠壓應(yīng)力下，破碎面積增加量便可達到70%以上，這一現(xiàn)象應(yīng)引起注意，使用該硝胺發(fā)射裝藥時需考查低溫藥床膛內(nèi)擠壓應(yīng)力情況，避免發(fā)射藥床發(fā)生大規(guī)模破碎導(dǎo)致膛炸。

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