屈可朋，沈 飛，王世英，肖 瑋，李亮亮

（西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065）

引 言

近年來，高速侵徹彈已經(jīng)成為武器裝備研究的熱點(diǎn)之一［1］。隨著侵徹彈撞擊速度的不斷提高，其炸藥裝藥會在慣性作用下受到強(qiáng)烈的壓縮載荷作用，這可能會破壞炸藥裝藥的結(jié)構(gòu)完整性甚至出現(xiàn)早炸。因此，侵徹彈炸藥裝藥在撞擊條件下的安全性研究尤為重要。

炸藥裝藥在撞擊條件下的安全性研究主要通過觀測炸藥裝藥在沖擊壓縮作用下炸藥的內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率、應(yīng)力率等力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律以及反應(yīng)程度，從而研究炸藥裝藥在撞擊壓縮狀態(tài)下的安全性及點(diǎn)火機(jī)理。目前研究炸藥裝藥撞擊安全性的方法主要有落錘加載試驗(yàn)［2］、小型后坐沖擊模擬試驗(yàn)［3］、霍普金森桿試驗(yàn)［4－5］等，這些實(shí)驗(yàn)均以最大應(yīng)力或最大應(yīng)變率作為炸藥反應(yīng)判據(jù)的參數(shù)。一般來說，當(dāng)應(yīng)力快速上升時，會導(dǎo)致炸藥局部熱量迅速聚集，從而影響裝藥的安全性。然而，關(guān)于應(yīng)力上升速率對裝藥撞擊安全性影響的研究卻鮮有報道。

本研究以侵徹戰(zhàn)斗部用典型RDX 基PBX炸藥為對象，用大型落錘以及輕氣炮加載裝置進(jìn)行不同應(yīng)力率的加載試驗(yàn)，探討了應(yīng)力率對炸藥撞擊安全性的影響，以期為其可靠應(yīng)用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1．1 材料、儀器及試驗(yàn)彈

RDX 基PBX炸藥，西安近代化學(xué)研究所，配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：65%RDX、30%鋁粉和5%黏結(jié)劑，藥柱采用模具壓制成型，密度為1．80g／cm3，尺寸為Φ40mm×40mm。

應(yīng)力率試驗(yàn)采用西安近代化學(xué)研究所的大型落錘加載裝置和一級輕氣炮；大型落錘加載裝置所用撞擊體為重錘，質(zhì)量為400kg，一級輕氣炮所用撞擊體為Φ130mm 的圓柱形彈丸，分別采用硬鋁或塑料制成。應(yīng)力測試采用應(yīng)變式傳感器［6］，瞬態(tài)波形存儲采用Tektronix公司的DPO4104型示波器。

試驗(yàn)彈殼體采用熱處理后的T10A 鋼加工而成，套筒內(nèi)徑為40mm。緩沖墊為聚乙烯材料，尺寸為Φ40mm×5mm。試驗(yàn)彈裝配時，各組件須依次裝入套筒，以防止各組件之間殘留氣體留存，試樣兩端的緩沖墊用于防止炸藥受沖擊時擠入炸藥與彈壁之間而引起摩擦點(diǎn)火。

1．2 實(shí)驗(yàn)方法

低撞擊加載試驗(yàn)在大型落錘加載裝置上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖1所示。通過自由落體的重錘撞擊試驗(yàn)彈，實(shí)現(xiàn)對炸藥裝藥的模擬應(yīng)力加載（應(yīng)力率為0．1～0．5GPa／ms），利用試驗(yàn)彈底端的傳感器記錄應(yīng)力波形，可通過調(diào)節(jié)落錘質(zhì)量和高度來改變刺激量。

圖1 落錘實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig．1 Schematic diagram of drop hammer experiment device

在一級輕氣炮上進(jìn)行高應(yīng)力率加載試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖2所示。通過高速彈丸撞擊試驗(yàn)彈，實(shí)現(xiàn)對炸藥裝藥的模擬應(yīng)力加載（應(yīng)力率為1～30GPa／ms），輕氣炮試驗(yàn)彈與大型落錘加載裝置的試驗(yàn)彈保持一致，可通過調(diào)節(jié)彈丸材質(zhì)、質(zhì)量及速度來改變刺激量。

圖2 一級輕氣炮加載實(shí)驗(yàn)布局示意圖Fig．2 Layout diagram of one－stage light gas gun loading experiment

加載速度用應(yīng)力對時間的變化率，即應(yīng)力率來表征。由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)本身性能的影響，實(shí)驗(yàn)記錄到的p－t曲線并非完全線性，故計(jì)算中取其平均應(yīng)力率：

2 結(jié)果與討論

2．1 低應(yīng)力率加載下RDX 基PBX 的撞擊安全性

用400kg落錘加載試驗(yàn)彈，得到的典型應(yīng)力曲線見圖3，不同落高下RDX 基PBX炸藥的力學(xué)響應(yīng)結(jié)果見表1。

圖3 試驗(yàn)彈的典型低應(yīng)力率加載應(yīng)力變化曲線Fig．3 Typical curve of loading stress at low stress rate

表1 低應(yīng)力率加載條件下試驗(yàn)彈響應(yīng)特性Table 1 Response characteristics of sample cartridge under the low stress rate loading condition

由表1可知，隨著落錘高度的增加，峰值應(yīng)力不斷升高，由0．980GPa增至1．223GPa，但峰值應(yīng)力上升時間基本保持在2～3ms，應(yīng)力率約為0．3～0．47GPa／ms，試樣均未燃未爆。

2．2 高應(yīng)力率加載下RDX 基PBX 的撞擊安全性

以一級輕氣炮作加載源，采用塑料或硬鋁彈丸，以245～350m／s的速度撞擊試驗(yàn)彈，獲取的典型應(yīng)力曲線見圖4，RDX 基PBX炸藥的力學(xué)響應(yīng)結(jié)果見表2，試驗(yàn)彈殼體破壞情況見圖5。

圖4 典型高應(yīng)力率加載應(yīng)力變化曲線Fig．4 Typical curves of loading stress at high stress rate

由表2、圖4和圖5可知，當(dāng)彈丸高速撞擊試驗(yàn)彈時，試驗(yàn)彈所受應(yīng)力均低于落錘加載時所受的應(yīng)力，但應(yīng)力上升時間卻大幅減少，從毫秒量級降低為微秒量級。當(dāng)試驗(yàn)彈所受應(yīng)力率小于5．38GPa／ms時，試驗(yàn)彈在撞擊過程中均未爆未燃，而當(dāng)應(yīng)力率增加到8．75GPa／ms時，試驗(yàn)彈發(fā)生完全燃燒，但結(jié)構(gòu)完整；當(dāng)應(yīng)力率增加至9．63GPa／ms時，試驗(yàn)彈在撞擊作用下發(fā)生爆炸，破碎為尺寸不均的碎塊。

圖5 不同應(yīng)力率加載后的試驗(yàn)彈殼體破壞情況Fig．5 Casing damage situation of experiment sample cartridge after loading at different stress rate

表2 高應(yīng)力率加載條件下試驗(yàn)彈響應(yīng)特性Table 2 Response characteristics of sample under the high stress rate loading condition

2．3 應(yīng)力率對撞擊安全性的影響機(jī)理

壓裝成型的RDX 基PBX炸藥是一種損傷材料，由于其顆粒含量很高，在壓裝過程中，顆粒間相互擠壓，已經(jīng)出現(xiàn)初始缺陷［7］。從撞擊起爆的機(jī)理來說，藥柱點(diǎn)火是由應(yīng)力和應(yīng)力作用時間共同作用的結(jié)果，由于初始缺陷的存在，試驗(yàn)彈受到撞擊加載作用后，可能產(chǎn)生點(diǎn)火的機(jī)理是黏塑性流動、絕熱壓縮等，炸藥顆粒相互擠壓、剪切、摩擦，使局部溫度上升，達(dá)到點(diǎn)火溫度后發(fā)生點(diǎn)火，甚至爆炸。為提高裝藥的安全性，降低其撞擊感度，通常在混合炸藥中加入低熔點(diǎn)物質(zhì)（如蠟狀添加物），以降低裝藥的熔化溫度［8］。在RDX 基PBX炸藥中由于蠟狀添加物首先沉積于反應(yīng)能力較高的晶體表面缺陷之中，能夠緩解缺陷處的擠壓、剪切、摩擦等作用，使熱點(diǎn)難以形成，從而提高炸藥的撞擊安全性。

400kg落錘加載時，應(yīng)力上升時間主要取決于落錘質(zhì)量及試驗(yàn)彈的尺寸，故在試驗(yàn)彈尺寸不變的情況下，最大應(yīng)力上升時間基本保持在2～3ms［6］。此時，PBX炸藥的變形速率較低，變形將集中在炸藥中塑性較大的成分（蠟狀添加物）內(nèi)，RDX 顆粒的變形較??；RDX 顆粒變形引發(fā)的溫升速率較慢，熱量可以通過熱傳導(dǎo)被蠟狀添加物吸收，從而使RDX顆粒溫度降低，難以引發(fā)其形成熱點(diǎn)，因此，即使在很高的壓力（大于1GPa）作用下，RDX 基PBX炸藥仍不發(fā)生反應(yīng)。如大落錘加載下RDX 基PBX炸藥的應(yīng)力率處于0．3～0．5GPa／ms時，即使應(yīng)力峰值達(dá)到1．0～1．2GPa，炸藥仍未發(fā)生燃燒或爆炸。

輕氣炮高應(yīng)力率加載時，RDX 顆粒與包覆其周圍的蠟狀添加物一起發(fā)生快速彈塑性變形，由于藥柱內(nèi)部應(yīng)力急劇增加，蠟狀添加物不足以完全緩解RDX 顆粒的變形，引起藥柱初始裂紋的擴(kuò)展、匯聚及貫通而出現(xiàn)了新的裂紋，甚至裂紋區(qū)［9］，新裂紋區(qū)的出現(xiàn)以及RDX 顆?？焖僮冃萎a(chǎn)生的熱量無法被蠟狀添加物在短時間內(nèi)吸收，使RDX 顆粒溫度迅速上升，增加了熱點(diǎn)產(chǎn)生的幾率，PBX炸藥裝藥的撞擊安全性降低。如輕氣炮加載條件下裝藥的應(yīng)力峰值雖然只有0．2～0．4GPa左右，但當(dāng)應(yīng)力率超過8．75GPa／ms后發(fā)生了燃燒或爆炸反應(yīng)。

3 結(jié) 論

（1）RDX 基PBX炸藥起爆是由應(yīng)力和應(yīng) 力 率共同作用的結(jié)果。當(dāng)應(yīng)力率為0．3～0．5GPa／ms時，應(yīng)力峰值達(dá)到1．0～1．2GPa，藥柱均未發(fā)生反應(yīng)；當(dāng)應(yīng)力率超過8．75GPa／ms時，應(yīng)力峰值達(dá)到350MPa，即發(fā)生了燃燒反應(yīng)。

（2）蠟狀添加物有利于提高RDX 基PBX炸藥的撞擊安全性。隨著應(yīng)力率的增加，蠟狀添加物緩解RDX 顆粒變形及吸收熱量的作用逐漸降低，從而使RDX 基PBX炸藥的撞擊安全性下降。

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