李亮亮，沈　飛，屈可朋，肖　瑋，何　超

(西安近代化學研究所，陜西西安710065)

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炸藥裝藥在不同應變率響應條件下的安全性研究進展

李亮亮，沈飛，屈可朋，肖瑋，何超

(西安近代化學研究所，陜西西安710065)

摘要：綜述了不同應變率響應條件下炸藥裝藥安全性最新研究進展。通過對炸藥裝藥應用中常用的應變率范圍為1~106s-1的大型落錘實驗技術、分離式霍普金森壓桿(SHPB)實驗技術、一級輕氣炮實驗技術等進行了評述。分析了不同應變率響應條件下炸藥裝藥安全性實驗中存在的問題。根據(jù)炸藥裝藥安全性研究的趨勢，認為應加強中高應變率響應實驗技術的發(fā)展，重點完善落錘-霍普金森壓桿實驗系統(tǒng)的理論及試驗體系，提高一級輕氣炮實驗技術的可控性及重復性。附參考文獻61篇。

關鍵詞：炸藥裝藥；應變率；裝藥安全性；霍普金森壓桿實驗；一級輕氣炮

引言

戰(zhàn)斗部裝藥是戰(zhàn)斗部的核心之一，其性能的優(yōu)劣直接關系到毀傷的效果。在發(fā)射、穿甲、鉆地等攻擊目標的正常使用時要承受加載速率較高的動態(tài)載荷作用。一般認為，在外界因素刺激下炸藥材料的力學行為決定了炸藥裝藥的易損性，而炸藥裝藥的安全性決定了武器的安全性和生存能力。因此，考慮復雜加載條件對武器可靠性和安全性的影響就必須研究炸藥材料在復雜應力條件下的力學響應[1]。

國內(nèi)外采用落錘實驗(drop hammer)、霍普金森壓桿(SHPB)實驗、一級輕氣炮(One-stage light-gas gun)實驗等動態(tài)力學響應技術，在中高應變率加載條件下對炸藥裝藥不同區(qū)域的安全性進行了研究，并取得了一些成果，但依然存在不足，本文主要對不同應變率(應變率范圍為1~106s-1)加載條件下炸藥裝藥安全性研究存在的問題及未來的研究方向進行了論述。

1大型落錘模擬加載實驗技術

1.1實驗原理及方法

大型落錘模擬加載裝置主要由落錘、試樣及約束裝置、測試裝置等構成。實驗彈材料簡化為一個彈簧振子[2]。實驗時直接對樣品進行沖擊。

實驗時，某一質量落錘被提升到一定高度，以自由落體方式下降并撞擊試樣。壓力傳感器捕獲落錘給予受試樣彈的應力加載波形。此模擬裝置最大加載應力達1.5GPa，上升前沿約為2~3ms，加載周期為毫秒量級，其典型的輸出曲線見圖1。

圖1　落錘實驗典型輸出曲線Fig.1　The output curve of drop hammer experiment

1.2針對炸藥裝藥安全性開展的工作

實驗時研究者可根據(jù)不同的目的對裝藥狀態(tài)進行試驗，研究裝藥缺陷、外界加載等條件下不同應變率時炸藥裝藥的安全性。

王世英等[3-5]利用大落錘模擬加載裝置，建立了炸藥裝藥在落錘撞擊下的應力測試方法,模擬了榴彈發(fā)射時炸藥裝藥所受的主要應力特性，研究了炸藥裝藥工藝對裝藥發(fā)射安全性的影響。結果表明，影響B(tài)炸藥裝藥發(fā)射安全性的主要因素是其裝藥質量，同時，在其他條件相同時，壓裝藥的安全性略優(yōu)于鑄裝藥。

肖瑋等[6-7]采用大落錘模擬加載裝置研究了熱和撞擊復合加載對炸藥裝藥點火性能的影響以及缺陷位置及裝藥尺寸對發(fā)射安全性的影響，結果表明，底隙體積和溫度均影響TNT的點火性能，但溫度的影響大于底隙體積，而缺陷位于墊塊內(nèi)時對點火性能的影響更大；樣品尺寸增大，點火時的落錘高度增加，但超過臨界值后，點火應力峰值不再增大。

趙省向等[8]從熱爆炸理論出發(fā)，推導了炸藥臨界熱點參數(shù)的計算公式，并采用10kg落錘和400kg大落錘對幾種炸藥的撞擊感度進行了排序，結果顯示計算公式與落錘的安全性排序吻合。屈可朋等[9]采用400kg大型落錘模擬裝置研究了RDX基PBX炸藥在不同應力率下的撞擊安全性，結果表明，在中等應變率加載條件下，炸藥的變形集中在塑性較大的蠟狀添加物內(nèi)，RDX顆粒變形所導致的熱量被蠟狀添加物吸收，RDX顆粒溫度降低，難以形成熱點，安全性提高。

何超等[10]采用ANSYS/LS-DYNA軟件對分步壓裝含鋁炸藥大型落錘沖擊加載過程進行了數(shù)值模擬，得到了不同密度分布狀態(tài)的試樣在沖擊作用下的應力分布及形變特征，并與實驗結果進行對比，探討了密度差對裝藥安全性的影響。結果表明，由于徑向密度差的存在，沖擊作用下試樣受力分布不均，炸藥顆粒由中心向邊緣流動，增加了“熱點”形成幾率。高大元等[11]采用落錘撞擊實驗獲得了改性B炸藥的感度。結果表明，MB-1和MB-2的Φ20mm×10mm藥片爆炸反應的閾值高度分別為3.5~4m和6~6.5m，表明MB-1的落錘撞擊感度高于MB-2。Radford[12]、Pope[13]及Swallowe[14]等對落錘的原理進行論述。Mortlock[15]、Heavens[16]、Field[17-18]、Walley[19]等采用落錘沖擊裝置研究了炸藥的安全性，同時，F(xiàn)ield[17-18]、Walley[19]還將試樣置于透明玻璃砧中觀測了試樣的動態(tài)損傷，炸藥的力學性能決定安全性，因此動態(tài)損傷的觀測對炸藥的安全性評估具有很大的指導意義。

Mary等[20]采用一定質量的落錘對炸藥進行沖擊，獲得了炸藥材料的安全性。Barry Fishburn[21]采用Picatinny activatour(一種改進的雙峰加載落錘裝置)裝置模擬了含底隙的炸藥在過載條件下的響應情況。結果表明，應力-時間曲線上有兩個峰(分別記為P1和P2)，P1峰上升很快，一般為1~2μs，P2峰上升較緩慢，整個加載過程可持續(xù)100μs?？諝獾膲嚎s程度(底隙中空氣的溫度)與P1峰有關，P2峰對溫度的上升影響不大。

以上實驗中炸藥裝藥置于約束裝置(套筒)內(nèi)，無法布置攝影裝置直接觀測樣品的變形情況。Walley等[22]設計了一種新的裝置(見圖2)，對試樣在動態(tài)高壓及剪切作用下的響應情況進行了觀測，點火情況見圖3。

從圖3可以看出，此裝置加入了高速攝影，實時拍攝含能材料承受沖擊載荷時樣品尺寸變化、樣品中的裂紋發(fā)展及點火情況，可用來研究含能材料的動態(tài)響應及評價炸藥裝藥的安全性[23]，對炸藥裝藥中等應變率下的安全性實驗研究具有一定的指導作用。

圖2　大型落錘-高速攝像裝置示意圖Fig.2　Schematic diagram of large drop hammer-highspeed photography

圖3　沖擊加載下炸藥的點火情況Fig.3　The ignition situation of explosive underimpact loading

綜上可以看出，大落錘模擬加載裝置主要用于評估炸藥裝藥的安全性及抗過載能力，但依然存在以下問題：首先，未給出炸藥裝藥實際工況下的應變率，這也是測試中的難點；其次，實驗過程中炸藥裝藥均在套筒中，動態(tài)響應情況無法觀測；最后，如何將實驗與數(shù)值模擬技術相結合，節(jié)約成本，并快速優(yōu)化實驗方案，將成為未來實驗的重點和難點。

2霍普金森壓桿(SHPB)實驗技術

1914 年 B. Hopkinson[24]測量了彈性長桿在動態(tài)碰撞過程中的壓力脈沖，并用應力波的傳播進行表征，研究了炸藥爆炸產(chǎn)生的壓力-時間關系，初步建立了 Hopkinson 桿試驗系統(tǒng)。1949 年，Kolsky[25]將試樣置于兩根鋼桿之間，采用雷管引爆所產(chǎn)生的壓力脈沖對桿進行加載，用電容器測量到達試樣的壓力脈沖值及輸出桿的位移，獲得試樣的應力-應變曲線。目前已開發(fā)了一系列不同功能的SHPB技術，并采用溫度變化、CT、高速攝影、DIC(數(shù)字圖像相關)等技術，使SHPB壓桿技術從材料的表面觀察向內(nèi)部拓展，用以研究炸藥裝藥的動態(tài)拉伸、壓縮、剪切、圍壓等性能，以及動態(tài)斷裂韌度的測試。國內(nèi)也廣泛開展了SHPB技術研究，現(xiàn)已掌握單脈沖、可控多脈沖、不同溫度環(huán)境下的SHPB實驗等技術，研究出多種測試技術，如石英、鈮酸鋰壓電晶體應力測試、激光光通量、同步高速攝影結合數(shù)字圖像相關等技術，獲得了一些有指導性的研究成果。

2.1工作原理及裝置

分離式霍普金森壓桿裝置組成如圖4所示。高壓氣室的壓力改變子彈速度，對試樣進行不同應變率的加載；輸入桿及輸出桿上的應變片采集應力波信息，通過公式(1)~(3)即可計算應變率、應變及應力[26]。

(1)

(2)

(3)

式中：c為鋁桿中的彈性縱波波速；l0為試樣的初始長度；A為鋁桿截面積；A0為試樣初始截面積；E為鋁桿彈性模量；εr為試樣兩端面上的反射波；εt為試樣兩端面上的透射波。

圖4　分離式霍普金森壓桿原理圖Fig.4　Principle chart of SHPB

2.2針對炸藥裝藥安全性開展的工作

盧芳云等[27-28]采用SHPB實驗研究了3種含能材料的高應變率響應，結果表明：摩擦效應會對應力-應變曲線產(chǎn)生影響，加入潤滑劑可減小摩擦。通過加載波波形的控制實現(xiàn)了軟材料的應力平衡和常應變率加載。吳會民[29]、李克武[30]、陶俊林[31]、張鵬[32]等采用SHPB實驗分別研究了PBX、B炸藥、JOB-9003等炸藥裝藥在高應變率下的力學響應、損傷模式及本構模型等，并指出104s-1應變率下SHPB系統(tǒng)實驗中試件的絕熱溫升效應對測試數(shù)據(jù)的影響不可忽略。

Williamson等[33]采用SHPB實驗對RDX基炸藥進行了固定應力加載，研究炸藥的微結構對機械損壞的響應影響。屈可朋等[34]采用SHPB實驗研究了RDX基PBX炸藥在被動圍壓下的力學性能，并與非圍壓狀態(tài)進行了對比，結果表明，圍壓狀態(tài)下RDX基PBX炸藥承受的極限壓力遠高于無圍壓狀態(tài)。

SHPB實驗中所設計的加載裝置及調(diào)整波形的方法等措施是否合理、所測數(shù)據(jù)是否有效等問題需要證實，因此需采用數(shù)值仿真的方法進行模擬，并進行實驗驗證，如趙鵬鐸[35]、張智峰[36]等采用數(shù)值模擬研究了透射桿中所測壓縮信號的有效性及動態(tài)斷裂試驗，確保了數(shù)據(jù)的有效性，也為材料的斷裂機理研究提供依據(jù);吳賽等[37]采用有限元ANSYS/LS-DYNA建立了數(shù)值模型，對材料在不同圍壓、不同應變率下的動態(tài)力學性能進行了研究，結果表明，隨著應變率的增加，破壞機制由劈裂破壞變?yōu)閴核槠茐摹?/p>

Goudrean[38]采用SHPB研究了PBXW-113炸藥在高應變率(103~104s-1)下的動態(tài)性能，獲得了壓縮實驗和拉伸動態(tài)應力-應變曲線。Drodge[39]、Hoffman[40]等采用SHPB研究了含能材料在中、高應變率下的力學響應，獲得相應的本構方程。Blumenthal等[41]采用SHPB研究了PBXN-10炸藥在高應變率下的動態(tài)壓縮性能。結果表明，應變率和溫度對壓縮應力峰值影響很大，隨著溫度的降低和應變率的增加，炸藥的壓縮強度和加載模量會有所增加。Quidot等[42-43]用SHPB對澆注PBX炸藥的動態(tài)力學行為進行了研究，并與數(shù)值模擬結果進行了對比。Grantham等[44]利于SHPB研究了PBS9501炸藥在高應變率下的動態(tài)響應，建立了本構關系。Rae等[45]采用數(shù)字圖像相關技術對PBX炸藥試樣在溫度老化前后的力學性能進行對比，發(fā)現(xiàn)破壞應力和破壞應變都降低，認為基體內(nèi)硝化纖維素分子的變形是導致PBX炸藥試樣力學性能降低的主要原因。

Wiegand[46]采用SHPB實驗研究了PBX炸藥在準一維應變條件下的動態(tài)力學響應。結果表明，在不同圍壓條件下，炸藥材料在單軸加載下為脆性斷裂，圍壓條件下為塑性破壞。對PBX炸藥，屈服強度和塑性模量均隨著圍壓應力的增加而增大。Balzer等[47]采用SHPB壓桿對PBX炸藥的動態(tài)力學行為進行了研究。結果表明，低溫時AP顆粒的尺寸效應才會顯現(xiàn)；顆粒尺寸與流動應力為線性關系。

SHPB實驗技術獲得的應變率可達到5000s-1，但實驗樣品是裸露狀態(tài)，且壓桿尺寸較小，即使做圍壓實驗，也不一定能夠在高速攝影裝置中觀察到炸藥裝藥的點火現(xiàn)象，無法表征炸藥裝藥的安全性。Joshi等[48]用SHPB壓桿技術研究了PBXN-110炸藥的性能，發(fā)現(xiàn)即使減小樣品尺寸也觀察不到點火現(xiàn)象。鑒于此，他們發(fā)明了一種兼有落錘和SHPB功能的裝置落錘-霍普金森桿，如圖5所示。

圖5　落錘-霍普金森桿實驗系統(tǒng)Fig.5　Drop hammer- Hopkinson bar experimental system

與傳統(tǒng)SHPB實驗系統(tǒng)相比，落錘-霍普金森桿實驗系統(tǒng)中只有子彈、入射桿和阻尼器，無透射桿和吸收桿，樣品置于入射桿和砧骨之間。實驗時入射桿動能傳入到試樣中，試樣處于高應變和高應變率加載下，炸藥是否點火由沉積于試樣中的能量和能量隨時間的變化率共同決定。高速相機記錄試樣變形，砧骨上安裝壓力傳感器，記錄試樣的受力情況，高速紅外相機記錄試樣底面的溫度場變化，紅外探測器記錄點火情況。通過公式(4)和(5)計算沉積于試樣中的能量及能量率：

(4)

(5)

每次試驗可以得到能量-能量率坐標平面的一個點，以及炸藥是否點火的信息。改變加載條件反復進行多次試驗，即可獲得炸藥的點火極限，見圖6。圖6中紅色虛線為該炸藥的點火極限，當炸藥中沉積的能量和能量率落在虛線右上部位，則一般發(fā)生點火。故落錘-霍普金森桿實驗系統(tǒng)適合于測試/表征含能材料的點火極限。目前的SHPB桿實驗條件單純測試材料力學響應，文獻研究可同時獲得含能材料力學性能及其安全性(爆或不爆)，對含能材料動態(tài)力學性能與安全性關系研究具有重要的意義。

圖6　PBXN-110炸藥的點火極限曲線Fig.6　Threshold curve for PBXN-110

材料動態(tài)力學行為研究的目的是為了了解含能材料的動態(tài)破壞機制，因此需要在SHPB實驗后對樣品進行回收分析，如張子敏等[49]對回收試樣細觀損傷模式進行了SEM觀測。結果表明，JH-14C傳爆藥壓制成型后，顆粒存在初始損傷，在高應變率加載下初始損傷進行擴展，表現(xiàn)為穿晶斷裂，隨著應變率的增加，破碎程度增加，并出現(xiàn)沿晶斷裂。

綜上文獻可知，SHPB僅僅是一種實驗加載手段，除落錘-霍普金森桿實驗系統(tǒng)外尚未見到在SHPB壓桿上觀察到炸藥的點火現(xiàn)象。因此，面對具體炸藥的常規(guī)動態(tài)力學性能試驗時，首先需要了解物化性能，針對不同的材料設計不同的裝置，獲得需要的加載曲線；其次進行摸底實驗，采用數(shù)值仿真的手段進行過程模擬，對實驗進行優(yōu)化；最后研究材料的動態(tài)力學行為，并采用SEM、高速攝影技術、CT技術、DIC技術等研究含能材料的損傷模式及破壞機制。建議實驗時做完一發(fā)實驗，待數(shù)據(jù)分析后再進行第二發(fā)實驗，確保數(shù)據(jù)的有效性及實驗的目的性。觀察高應變率響應下炸藥的點火現(xiàn)象需采用落錘-霍普金森桿實驗系統(tǒng)，或者一級輕氣炮實驗系統(tǒng)。

3一級輕氣炮實驗技術

3.1工作原理及裝置

一級輕氣炮加載裝置示意圖見圖7。

實驗時，把高壓氣室充到預定彈速需要的氣壓，炮管中抽真空。自勵式快開錐閥迅速開啟(毫秒級)，高壓氣體推動彈丸前進，實現(xiàn)發(fā)射。彈丸經(jīng)炮管的導向和不斷加速后，在出口時達到最高速度，進入靶室與安裝在靶箱內(nèi)的實驗靶標(樣品)相碰撞，達到高速碰撞加載目的，然后在靶室的回收艙中進行回收，完成實驗過程。此試驗裝置碰撞時的加載速率為微秒量級。一級輕氣炮對無鈷合金鋼[50]、鋼筋混凝土材料[51]加載的應變率可分別達到104~106s-1、104~105s-1。一級輕氣炮加載炸藥裝藥的應變率還未見報道，但預計可以達到104~106s-1。

圖7　一級輕氣炮實驗裝置原理示意圖Fig.7　Schematic diagram of one-stage light-gasgun accelerator

3.2針對炸藥裝藥安全性開展的工作

一級輕氣炮是目前通用的高速發(fā)射和高壓加載工具，它能發(fā)射各種裝藥缺陷的模擬彈丸，而且彈丸的質量、尺寸和材料范圍廣泛。一級輕氣炮實驗技術作為一種高速碰撞手段，已被廣泛應用于材料的沖擊損傷研究。國外已采用此技術研究了炸藥的損傷問題，但國內(nèi)主要研究巖石、混凝土等[50-54]非含能材料的沖擊損傷問題，有關含能材料損傷問題的公開報道較少。

Anderson[55]采用一級輕氣炮研究了PBXN-5炸藥的損傷問題，對破壞-點火-反應壓縮模型做了補充優(yōu)化，結果表明，炸藥起爆機理與輸入的能量脈沖和材料損壞有關。Robin等[56]建立了一種新型的超高速氣炮實驗裝置，氣室對彈丸提供單次、加長的壓力脈沖。數(shù)值模擬結果表明，與典型的二級輕氣炮裝置相比，此裝置對氣炮本身最大的壓力加載脈沖可降低約30%。Justin等[57]建立的爆炸驅動輕氣炮可將0.36g的目標加速到10.4km/s，突破了常用氣炮的加載極限8km/s，對超高速碰撞研究具有重大意義。Gustavsen等[58]將一根非常光潔的鋼棒連接到PBX 9501炸藥試樣上，采用一級輕氣炮對其進行碰撞，實現(xiàn)可重復的沖擊速度(約0.744km/s)，獲得炸藥的沖擊應力可達到4.5GPa。ZHAO Shi-cao等[59]采用炸藥作為輕氣炮的加載源，其氣體混合物推動彈丸前進而無破壞。數(shù)值模擬結果表明，1.03g球形合金(代號2024)可被加速到9.6km/s，無大范圍變形及損傷。

傳統(tǒng)的二級輕氣炮依靠彈丸速度對目標進行加載，但需要非常高的彈丸初速時，傳統(tǒng)裝置表現(xiàn)出極限壓力，F(xiàn)rancesconi等[60]介紹了一種基于氣體動力學的新方法，采用此方法不需要提高膛內(nèi)壓力即可提高碰撞時的最終速度。

瑞睿等[61]論述了一級輕氣炮加載試驗系統(tǒng)用于研究微秒量級炸藥安全性的可行性，并以某炸藥為例進行了驗證，結果表明此試驗系統(tǒng)可用以評價炸藥安全性。

一級輕氣炮實驗技術用于炸藥裝藥安全性的研究，需要注意以下問題：(1)一級輕氣炮實驗技術的加載時間為微秒量級，試樣的安裝狀態(tài)和應變率響應參數(shù)的測試方法需進行改進甚至重新設計；(2)準靜態(tài)或低速撞擊下的數(shù)據(jù)獲取技術將不再適用，因此高速碰撞下的數(shù)據(jù)獲取技術將成為重點和難點；(3)實驗過程炸藥裝藥響應情況的表征將成為重點和難點；(4)采用此技術研究戰(zhàn)斗部用炸藥裝藥的侵徹安定性時，加載條件的等效性問題將成為重點和難點。

一級輕氣炮能完整地記錄彈丸對炸藥裝藥快速壓縮的整個過程中應力隨時間的變化情況，是研究炸藥裝藥高應變率響應下發(fā)射安全性及侵徹安定性的較好手段。同時，隨著目前工藝技術的改善，炸藥裝藥的質量提高以及炸藥裝藥長脈寬加載條件下的安全性逐漸得到解決，未來短脈寬加載條件下的安全性研究將成為重點，因此，一級輕氣炮實驗技術將成為炸藥裝藥安全性研究領域的熱點。

4結束語

從文獻資料看，關于炸藥的中高應變率，落錘及SHPB實驗技術已發(fā)展成熟，但中等應變率研究存在不足；氣炮實驗技術在高應變率時的可控性依然值得深入研究，今后的研究重點是：

(1)力學響應參量與安全性表征參量的關聯(lián)技術將成為重點，目前的研究均將力學響應與安全性分開研究，研究的結果具有片面性，因此應加大中等應變率的落錘-霍普金森桿實驗系統(tǒng)研究，同時研究炸藥裝藥動態(tài)力學性能及安全性。同時，該系統(tǒng)是改進的SHPB系統(tǒng)，其基礎理論還需要進一步完善。

(2)一級輕氣炮實驗系統(tǒng)及數(shù)據(jù)獲取手段已經(jīng)建立，要作為評價炸藥裝藥安全性的標準裝置，需解決應變率可控技術、數(shù)據(jù)重復性問題和實驗可視化問題，這將成為今后研究的重點和難點。

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Progress of Study on the Safety of Explosive Charge under Different Strain-rate Conditions

LI Liang-liang, SHEN Fei, QU Ke-peng, XIAO Wei, HE Chao

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065,China)

Abstract:The latest research progress on the safety of explosive charge under different strain-rate response conditions was summarized. The experimental techniques of large drop hammer, separating Hopkinson pressure bar (SHPB) and one-stage light-gas gun with strain rate range from 1 to 106s-1commonly used in application of explosive charge were reviewed. The problems existed in the safety experiment of explosive charge under different strain-rate response were analyzed. According to the trends of safety of explosive charge, considering that the development of experimental techniques of response under middle-high strain-rate should be strengthened, theory and experimental system for drop hammer-Hopkinson bar should be emphatically improved, the controllability and repeatability of experimental techniques of one-stage light-gas gun should be highlighted. With 61 references.

Keywords:explosive charge; strain-rate; safety of explosive charge; Hopkinson pressure bar experiment; one-stage light-gas gun

中圖分類號：TJ55; V512+.2

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7812(2016)01-0014-09

作者簡介:李亮亮(1983-)，男，工程師，從事火炸藥動態(tài)力學性能及安全性研究。E-mail: pep2968@163.com

基金項目:國家安全重大專項資助(00401030201)

收稿日期:2014-12-05；修回日期:2015-08-22

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.01.002