王世英，李向東

(1. 西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安710065;2. 南京理工大學(xué)，江蘇 南京290014)

0 引言

長(zhǎng)久以來(lái)，大口徑榴彈裝填高能炸藥一直是各國(guó)提高壓制武器威力的主要途徑之一，但受發(fā)射安全性制約，高能炸藥未能實(shí)現(xiàn)在壓制武器上的廣泛應(yīng)用，這就使大口徑榴彈的威力受到限制。

新型高能壓裝含鋁炸藥作為一種非梯基 (不含TNT)高能炸藥，具有優(yōu)良的成型性、安全性及環(huán)境適應(yīng)性。俄羅斯已經(jīng)利用壓裝工藝將含鋁炸藥裝填于大口徑榴彈中，使大口徑榴彈的威力提高50%以上。為推動(dòng)自主研制的新型壓裝含鋁炸藥在我國(guó)壓制武器上的應(yīng)用，需要研究解決該型含鋁炸藥裝填大口徑榴彈的發(fā)射安全性問(wèn)題。

所謂榴彈發(fā)射時(shí)炸藥裝藥安全性，即榴彈裝藥在膛內(nèi)發(fā)射時(shí)，炸藥裝藥因承受高過(guò)載引起的內(nèi)應(yīng)力作用所引發(fā)的膛炸的可能性。

為了對(duì)榴彈炸藥裝藥在發(fā)射過(guò)程中的安全性做出評(píng)估，首先需了解炸藥裝藥時(shí)發(fā)生膛內(nèi)危險(xiǎn)的引發(fā)條件，即炸藥裝藥在膛內(nèi)發(fā)射時(shí)早炸的因素。榴彈在膛內(nèi)發(fā)射過(guò)程中，發(fā)射裝藥燃燒產(chǎn)生的高壓氣體［1］使炸藥裝藥的慣性后坐所形成的應(yīng)力，這對(duì)炸藥的作用，將對(duì)裝藥發(fā)射安全性產(chǎn)生重大影響。當(dāng)炸藥裝藥內(nèi)含有氣泡、裂紋、底部間隙(底隙)等疵病時(shí)，后坐所產(chǎn)生的應(yīng)力可能在這些缺陷處產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，引發(fā)炸藥的爆炸反應(yīng)，其起爆機(jī)制是熱點(diǎn)起爆［2］。當(dāng)裝藥無(wú)宏觀缺陷時(shí)，炸藥在發(fā)射過(guò)程中受到剪切作用或裝藥與殼體之間的摩擦，以及炸藥晶體的破碎等［3］，也可能形成局部熱點(diǎn)，引發(fā)炸藥裝藥的“點(diǎn)火”。

目前，大口徑榴彈裝藥更新?lián)Q代，新型含鋁炸藥是較理想的選擇方向。該炸藥采用從俄羅斯引進(jìn)的新型分步壓裝工藝，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)宏觀可見(jiàn)缺陷裝藥，可以大幅度提高其裝藥的安全性。

國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)炸藥裝藥的發(fā)射安全性主要主試是通過(guò)數(shù)值計(jì)算、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究和實(shí)彈射擊試驗(yàn)驗(yàn)證。三種數(shù)值計(jì)算可以對(duì)炸藥裝藥在膛內(nèi)發(fā)射時(shí)的響應(yīng)應(yīng)力進(jìn)行預(yù)估，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)是判定一種炸藥裝藥能否進(jìn)行最終實(shí)彈射擊試驗(yàn)驗(yàn)證的前提和基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)外較為成熟的試驗(yàn)手段有大落錘模擬試驗(yàn)和膛壓發(fā)生器試驗(yàn)。

本文就是通過(guò)對(duì)新型高能含鋁炸藥裝藥在155 mm火炮膛內(nèi)發(fā)射時(shí)響應(yīng)的主要應(yīng)力進(jìn)行預(yù)估，利用大落錘試驗(yàn)系統(tǒng)模擬主要的加載應(yīng)力，對(duì)新型高能壓裝含鋁炸藥在無(wú)宏觀裝藥缺陷下的安全性進(jìn)行預(yù)判，為其開(kāi)展實(shí)彈射擊試驗(yàn)驗(yàn)證提供依據(jù)。

1 影響安全性分析

通常情況下，炸藥裝藥的可見(jiàn)缺陷，如裝藥內(nèi)含有氣泡、裂紋、底部間隙(底隙)等是影響其發(fā)射安全性的主要因素，但新型高能含鋁炸藥采用分步壓裝工藝，可以從裝藥工藝上實(shí)現(xiàn)裝藥無(wú)宏觀缺陷，保證其安全性，可能影響其發(fā)射安全性的因素就是裝藥的密實(shí)度，分步壓裝工藝的特點(diǎn)使新型高能含鋁炸藥裝藥相對(duì)密可度控制在94% 以內(nèi)，另外，裝藥在長(zhǎng)期儲(chǔ)存后，在環(huán)境溫度的作用下，可能影響其安全性。

因此，利用大落錘實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)了不同密實(shí)度裝藥和裝藥在溫度循環(huán)后的模擬加載試驗(yàn)來(lái)考核其安全性能。

2 膛內(nèi)發(fā)射時(shí)力學(xué)響應(yīng)計(jì)算

2.1 計(jì)算參數(shù)的選擇

對(duì)新型高能壓裝含鋁高能炸藥RL －F 在155 mm火炮膛內(nèi)發(fā)射時(shí)的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，模擬計(jì)算時(shí)炸藥采用分段線性塑性模型(MAT_ PIECEWISE_ LINEAR_ PLASTICITY)，該模型可以向程序輸入材料真實(shí)應(yīng)力及真實(shí)應(yīng)變之間的關(guān)系曲線。實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，材料首先發(fā)生彈性變形，在材料應(yīng)力到達(dá)屈服應(yīng)力后，開(kāi)始沿輸入的材料應(yīng)力等效應(yīng)變曲線硬化。炸藥的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 炸藥的材料參數(shù)

2.2 計(jì)算結(jié)果

彈丸在發(fā)射過(guò)程中主要受到火藥氣體壓力、彈帶賦予彈丸的導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力、彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)由于不均衡因素引起的不均衡力、彈丸和火炮內(nèi)壁之間的摩擦力、旋轉(zhuǎn)離心力等作用，在計(jì)算彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中炸藥裝藥安全性時(shí)，主要考慮火藥氣體壓力和旋轉(zhuǎn)離心力，其它力對(duì)裝藥的安全性影響較小，在計(jì)算過(guò)程中不予考慮。

在常溫(20℃)、高溫(50℃)和低溫(－40℃)三種狀態(tài)，結(jié)合對(duì)應(yīng)的膛內(nèi)最大壓力作為輸入?yún)?shù)，對(duì)炸藥裝藥的應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。

彈底的壓力采用內(nèi)彈道的計(jì)算結(jié)果［4］，壓力載荷的變化曲線如圖1 所示，強(qiáng)加載彈底壓力為高溫彈底壓力的1.3 倍，最大膛壓接近480 MPa，最大彈底壓力達(dá)到430 MPa。

通過(guò)計(jì)算得到的常溫和高低溫發(fā)射環(huán)境下的響應(yīng)炸藥軸向應(yīng)力和mises 等效應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖2、圖3 和圖4。

從圖2，3，4 的計(jì)算結(jié)果可以看出，在常溫、高溫及低溫三種溫度環(huán)境條件下發(fā)射時(shí)，炸藥的軸向應(yīng)力最大值分別為159，181.1，139.1 MPa;mises 等效應(yīng)力最大值分別為55.07，62.13，48.75 MPa。

圖1 彈丸發(fā)射過(guò)程彈底壓力曲線

圖2 常溫發(fā)射時(shí)炸藥應(yīng)力響應(yīng)

圖3 高溫發(fā)射時(shí)炸藥應(yīng)力響應(yīng)

圖4 低溫發(fā)射時(shí)炸藥應(yīng)力響應(yīng)

3 落錘模擬試驗(yàn)研究

3.1 大口徑火炮發(fā)射載荷分析

膛內(nèi)發(fā)射條件下，通過(guò)155 mm 的膛壓常溫全裝藥實(shí)測(cè)p-t 曲線可以看出(見(jiàn)圖5)，其最大加載應(yīng)力為330 MPa，載荷前沿約6 ms。

圖5 155mm 底凹彈全裝藥常溫下的膛壓(p－t)曲線

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置及模擬實(shí)驗(yàn)彈

在參考國(guó)外類似研究的基礎(chǔ)上［5－6］，實(shí)驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的大型落錘式加載系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠模擬榴彈發(fā)射時(shí)膛內(nèi)軸向應(yīng)力狀態(tài)。利用該系統(tǒng)測(cè)得的加載應(yīng)力波形穩(wěn)定，重復(fù)性好。

實(shí)驗(yàn)中落錘錘重達(dá)400 ㎏，通過(guò)調(diào)節(jié)落錘落高實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)力加載。

模擬裝藥采用φ40 mm ×40 mm 的藥柱裝于套桶中［6］，藥柱兩端用密封墊密封，落錘釋放后通過(guò)活塞實(shí)現(xiàn)對(duì)炸藥裝藥的應(yīng)力加載，刺激量通過(guò)調(diào)整落錘的落高來(lái)實(shí)現(xiàn)。大落錘模擬實(shí)驗(yàn)裝置和模擬彈示意圖見(jiàn)圖6 和圖7 所示［7］。

根據(jù)對(duì)大型撞擊加載模擬裝置的設(shè)計(jì)要求，主要模擬火炮發(fā)射狀態(tài)下，炸藥裝藥的軸向加載的主要力學(xué)環(huán)境，要求加載裝置的加載應(yīng)力上升時(shí)間能夠與實(shí)際火炮發(fā)射時(shí)裝藥底部的應(yīng)力上升時(shí)間一致或者更短，這樣可以使對(duì)炸藥裝藥作用的應(yīng)力率大幅度提升。因?yàn)閼?yīng)力和應(yīng)力率與炸藥的安全性成正向關(guān)系，所以這樣做可以達(dá)到強(qiáng)化加載的目的，使刺激的載荷較實(shí)際發(fā)射時(shí)更強(qiáng)，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的安全裕度更高。

圖6 模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖7 模擬彈示意圖

為達(dá)到強(qiáng)化加載試驗(yàn)的目的，落錘加載曲線選擇2倍膛壓(660 MPa)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，加載的應(yīng)力率強(qiáng)化1 倍(加載時(shí)間為3 ms)。圖8 為落高為600 mm 時(shí)，落錘加載P-t 曲線。

圖7 落錘加載p-t 曲線

3.3 不同密實(shí)度裝藥模擬試驗(yàn)

按照?qǐng)D7 的刺激載荷，對(duì)含鋁炸藥在不同相對(duì)密度裝藥，各進(jìn)行了一組落錘安全性模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同密度RL－F 藥柱撞擊加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果顯示，隨著裝藥密度的提高，炸藥裝藥在同一加載條件下的響應(yīng)無(wú)顯著差異，且在落高為600 mm，即最大加載應(yīng)力達(dá)到2 倍火炮膛壓時(shí)，炸藥裝藥未發(fā)生點(diǎn)火起爆反應(yīng)，裝藥也是安全的。

3.4 裝藥經(jīng)溫度循環(huán)后的模擬試驗(yàn)

為了考核炸藥裝藥在經(jīng)過(guò)溫度循環(huán)后的發(fā)射安全性，對(duì)常溫和經(jīng)高低溫循環(huán)后的炸藥裝藥，開(kāi)展了大落錘實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用兩種裝藥密度各兩組，經(jīng)－50 ～70 ℃溫度循環(huán)7 天后，進(jìn)行大落錘撞擊試驗(yàn)。溫度循環(huán)后，裝藥溫度循環(huán)加載曲線如圖9 所示。

圖9 溫度循環(huán)曲線

落錘模擬試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 溫度循環(huán)試驗(yàn)前后的大落錘試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

通過(guò)溫度循環(huán)試驗(yàn)后樣品的大落錘試驗(yàn)結(jié)果與常溫試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，壓裝含鋁炸藥RL －F 在經(jīng)過(guò)高低溫循環(huán)后，其落錘模擬的安全性與常溫裝藥相比無(wú)顯著變化，且其炸藥裝藥響應(yīng)應(yīng)力在550 MPa是安全的。

4 結(jié)論

1)新型含鋁炸藥裝藥不同密度的試驗(yàn)結(jié)果表明，裝藥相對(duì)密度83% ～94%可以保證其2 倍膛壓載荷的安全性要求。

2)通過(guò)溫度循環(huán)試驗(yàn)后樣品的大落錘試驗(yàn)結(jié)果與常溫試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，新型壓裝含鋁炸藥RL－F 在經(jīng)過(guò)高低溫循環(huán)后，其落錘模擬的安全性與常溫裝藥相比無(wú)顯著變化。

3)新型高能壓裝含鋁炸藥在無(wú)宏觀缺陷裝藥的落錘模擬試驗(yàn)表明，炸藥裝藥試驗(yàn)?zāi)M彈在2 倍最大膛壓的軸向應(yīng)力加載時(shí)是安全的。根據(jù)榴彈裝藥發(fā)射時(shí)的膛內(nèi)響應(yīng)計(jì)算可知，落錘加載落高600 mm 時(shí)，炸藥裝藥的響應(yīng)應(yīng)力達(dá)到574 MPa 是安全的，說(shuō)明壓裝含鋁炸藥裝藥的抗載荷能力較火炮膛內(nèi)發(fā)射載荷有較大余量。

［1］芮筱亭，馮賓賓，王國(guó)平. 發(fā)射裝藥發(fā)射安全性評(píng)估方法［J］. 兵工自動(dòng)化，2011，30 (5):56 －60.

［2］章冠人，陳大年. 凝聚炸藥起爆動(dòng)力學(xué)［M］. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1991，89 －127.

［3］田軒，王曉峰，等. 撞擊加載下炸藥晶體的破碎特征［J］. 火炸藥學(xué)報(bào)，2012:35 (01)，27 －30.

［4］張柏生，李云蛾. 火炮與火箭內(nèi)彈道理論［M］. 北京:北京理工大學(xué)出版社，1996，81 －83.

［5］Myers T F，Hershkowitz J. The effect of base gap on setbackshock sensitivities of composition B and TNT as determined by the NSWC setback－shock simulator ［C］ // Proceeding of the Seventh Symposium (International)on Detonation.Annapolis:U.S Naval Academy，1981，914 －923.

［6］Belanger C. Study of explosive shell filling with defeats in simulated gun launch Conditions ［C］ // Short J M. The Ninth Symposium (International)on Detonation.Portland:Office of the Chief Naval Research，1989，623 －640.

［7］王世英，王淑萍，胡煥性. 榴彈炸藥裝藥發(fā)射早炸的模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究［J］. 兵工學(xué)報(bào)，2002，23 (4):541 －545.