代曉淦, 于劭鈞, 黃風雷, 文玉史, 鄭 雪, 姚奎光

(1. 中國工程物理研究院化工材料研究所, 四川 綿陽 621999; 2. 北京理工大學機電學院, 北京 100081)

1 引 言

炸藥在異常環(huán)境下的安全性一直是含能材料領域研究的重點,異常環(huán)境包括力、熱耦合刺激,如高溫撞擊。在低沖擊載荷下,炸藥會發(fā)生嚴重的機械損傷、失效、變形及流動,導致點火,更復雜的是損傷(熱、機械損傷)導致炸藥性能變化,以致影響炸藥點火及之后的反應發(fā)展過程,使得炸藥的點火閾值及反應程度發(fā)生變化。因此,研究炸藥在撞擊載荷下的點火閾值及響應特性對炸藥使用及運輸過程中的安全性評估具有重要的意義。

目前,國外主要針對高溫下炸藥的撞擊/沖擊安全性變化開展了大量的研究,主要集中在受熱炸藥的沖擊起爆方面(即輸入壓力大于2 GPa)。如Dallman等[1]研究了PBX-9502和LX-17炸藥在常溫、75 ℃和252 ℃下到爆轟距離與引爆壓力關系; Urtiew等[2-5]以及Tarver等[6]廣泛開展了三氨基三硝基苯(TATB)基以及奧克托今(HMX)基高聚物粘結炸藥(PBX)受熱沖擊起爆,獲得了炸藥熱損傷后的沖擊起爆響應特性。對于輸入壓力小于2 GPa受熱炸藥非沖擊點火安全性問題,國內(nèi),代曉淦等[7-8]設計了射彈撞擊試驗開展了初步的研究,發(fā)現(xiàn)HMX高溫相變顯著影響PBX炸藥撞擊安全性; 李金河等[9]采用火炮飛片加載以及電磁粒子測速技術研究了HMX基炸藥常溫下的反應閾值,獲得了炸藥的化學反應以及點火反應閾值,但未考慮力、熱耦合作用以及炸藥狀態(tài)對反應閾值的影響。由于高溫和撞擊耦合加載作用實驗比較困難,同時受熱炸藥撞擊作用機制更復雜,涉及力、溫度等多種因素的相互影響,不確定性較大。因此,不同輸入壓力下加熱炸藥的撞擊安全性問題研究相對較少。

為此,本研究在常溫和75 ℃下,以射彈撞擊加載方式,研究不同撞擊速度時PBX-2炸藥射彈的響應特性,分析了不同輸入壓力對常溫和75 ℃ PBX-2炸藥射彈撞擊響應的影響,為評估力、熱耦合作用下炸藥的安全性提供參考。

2 試驗原理與裝置

2.1 試驗原理

采用的高溫下PBX炸藥射彈撞擊試驗(簡稱為高溫撞擊試驗)裝置如圖1所示[7-8]。試驗時,將炸藥柱放入裝置殼體內(nèi),首先利用加熱裝置以一定的升溫速率加熱裝置殼體,熱量通過熱傳導方式從殼體傳入炸藥柱內(nèi),將炸藥加熱。當炸藥加熱至預定溫度時發(fā)射射彈,撞擊裝有炸藥的殼體,使炸藥樣品受到熱、撞擊、剪切等多種刺激的綜合作用,導致炸藥樣品發(fā)生不同程度的反應。根據(jù)高速攝像圖像、空氣沖擊波超壓、試驗件殘骸,進行綜合分析,評價加熱前后炸藥的撞擊安全性變化。

圖1高溫射彈撞擊試驗示意圖

1—金屬擋板, 2—電加熱帶, 3—炸藥, 4—射彈, 5—發(fā)射裝置, 6—沖擊波超壓傳感器, 7—支撐架, 8—熱電偶

Fig.1Schematic diagram of projectile impact test at high temperature

1—metal baffle, 2—electric heating device, 3—explosive, 4—projectile, 5—launch device, 6—shock-wave overpressure sensor, 7—underprop, 8—thermocouple

試驗過程中主要采用MEMRECAM GX-1高速錄像機,觀測射彈撞擊炸藥點火反應情況; 在距離撞擊點3 m位置處用沖擊波超壓測試系統(tǒng)(沖擊波超壓傳感器、YE6600電荷放大器以及泰克示波器組成)測量炸藥反應超壓; 采用K型熱電偶監(jiān)測炸藥邊緣的溫度。

2.2 試驗裝置

高溫撞擊試驗中裝藥殼體結構示意圖見圖2所示,由炸藥試樣、殼體、壓蓋等組成。炸藥尺寸Φ50 mm×50 mm,壓蓋厚度為4 mm,材料為Q235鋼;壓環(huán)、殼體材料均為Q235鋼。試驗時在裝藥殼體外套上電加熱帶,實現(xiàn)對裝置加熱,具體見圖3所示。對常溫和75 ℃兩種狀態(tài)下的PBX-2炸藥(主要由HMX、TATB和粘結劑組成)開展試驗研究。射彈尺寸為Φ20 mm×20 mm,材料為Q235鋼,加載速度可達1000 m·s-1。

圖2高溫射彈撞擊試驗中裝藥殼體結構示意圖

1—螺釘, 2—壓蓋, 3—壓環(huán), 4—炸藥試樣, 5—殼體, 6—熱電偶

Fig.2Schematic diagram of charge shell configuration of projectile impact test at high temperature

1—cover plate, 2—bolt, 3—retaining ring, 4—explosive sample, 5—shell, 6—thermocouple

圖3PBX炸藥高溫射彈撞擊試驗裝置照片

Fig.3The photograph of projectile impact test for PBX device at high temperature

3 計算分析

由于試驗中壓力測試困難,故采用計算方法模擬分析PBX-2炸藥受力過程,為此,建立了射彈撞擊計算模型,如圖4所示,圖中標注點A位于壓蓋與炸藥接觸面,計算網(wǎng)格尺寸為1 mm×1 mm。對炸藥采用PLASTIC_KINEMATIC模型計算射彈撞擊過程中炸藥受力,鋼殼體材料模型為JOHNSON_COOK,常溫和75 ℃兩種溫度下炸藥力學參數(shù)見表1[10]。

圖4射彈撞擊計算模型

Fig.4Model of calculating the projectile impact

采用有限元程序LS-DYNA對該撞擊試驗進行了數(shù)值計算,給出了常溫400 m·s-1射彈撞擊下計算的典型應力云圖,如圖5所示; 計算了常溫和75 ℃條件下不同速度撞擊時A點的受力曲線,結果如圖6所示。由圖5a可見,在400 m·s-1射彈速度撞擊下,在撞擊后23 μs時壓蓋已發(fā)生較大變形,此時射彈未擊穿壓蓋; 從圖5b可知,在撞擊后42 μs時射彈已擊穿壓蓋,并剪切形成圓片,可見撞擊過程中射彈邊緣接觸處有明顯的剪切作用,該射彈撞擊試驗中對炸藥作用的主導機制是強剪切作用。

表1PBX-2炸藥力學參數(shù)

Table1Mechanical parameters of PBX-2 explosive

materialstestconditiondensity/g·cm-3compressivemodule/GPacompressivestrength/MPaPBX?2ambienttemperature1．84910．144．975℃1．8351．96．3

a. 23 μs

b. 42 μs

圖5計算得到的常溫400 m·s-1撞擊下典型應力云圖

Fig.5Typical stress distribution at ambient temperature and 400 m·s-1obtained by calculation

從圖6可看出,對于常溫PBX-2炸藥,在200 m·s-1撞擊速度下,撞擊峰值壓力約為0.52 GPa; 在800 m·s-1速度下,撞擊峰值壓力約為2.6 GPa。對于75 ℃ PBX-2炸藥,在200 m·s-1撞擊速度下,撞擊峰值壓力約0.33 GPa,在800 m·s-1撞擊速度下,撞擊峰值壓力達到約為1.54 GPa。由此可見,由于75 ℃時PBX-2炸藥的力學性能改變,導致在相同速度撞擊下PBX-2炸藥受力均遠低于常溫條件。因此,相比于常溫,要使加熱至75 ℃時PBX-2炸藥發(fā)生點火反應,就需要更高的撞擊速度。

a. ambient temperature

b. 75 ℃

圖6計算的常溫和75 ℃時不同撞擊速度下A點受力曲線

Fig.6Stress curves of the pointAunder various projectile velocities at ambient temperature and 75 ℃

4 試驗結果

4.1 試驗裝置殘骸分析

圖7是回收的射彈撞擊常溫以及75 ℃ PBX-2炸藥的試驗裝置殘骸照片。從圖7a中可以看出[7],對于常溫炸藥,當速度在237 m·s-1時,PBX-2炸藥表面有一凹坑,裝置完好,表明此時炸藥沒有發(fā)生反應; 當速度在269.9, 321.2 m·s-1時,殼內(nèi)無剩余樣品,表明此時炸藥發(fā)生了反應; 以786.3 m·s-1速度撞擊,壓蓋被擊穿,約束殼體裂為兩塊; 以844 m·s-1速度撞擊,未回收有殼體殘骸,見證板上留有殼體高速撞擊的凹坑,連接件上有明顯反應導致的痕跡,表明此時炸藥發(fā)生了高烈度反應; 1033 m·s-1撞擊下的結果與844 m·s-1速度撞擊結果基本一致。

炸藥被加熱至75 ℃時,在射彈速度為276,294 m·s-1時,PBX-2炸藥表面有一凹坑,殼體完好,高速錄像測試發(fā)現(xiàn)未有點火出光現(xiàn)象,表明炸藥未反應; 當速度在367 m·s-1左右時,殼內(nèi)未有剩余樣品,撞擊過程中有點火出光現(xiàn)象,表明此時炸藥發(fā)生了反應; 在553 m·s-1速度撞擊下,約束殼體裂為兩塊,底板未被擊穿; 在786 m·s-1撞擊下,約束殼體裂為三塊,底板被擊穿,表明炸藥未發(fā)生劇烈反應; 在830 m·s-1撞擊下,反應形成了小破片,表明此時炸藥發(fā)生了高烈度反應。

a. ambient temperature

b. 75℃

圖7回收的常溫和75 ℃時試驗裝置殘骸照片

Fig.7Photographs of recover wreckages of test device at ambient temperature and 75 ℃

4.2 常溫和75 ℃ PBX-2炸藥撞擊點火反應速度閾值分析

圖8為射彈撞擊常溫和75 ℃下PBX-2炸藥超壓與彈速曲線,結合圖7結果照片綜合分析,對于常溫PBX-2樣品,在237, 247.2, 263.5 m·s-1時PBX-2炸藥沒有發(fā)生反應; 而在速度為269.9, 305.6 m·s-1時反應超壓在15 kPa附近,表明炸藥發(fā)生了爆燃反應; 在321.2 m·s-1時PBX-2炸藥反應超壓達到了約22 kPa,僅比同等條件下雷管起爆PBX-2炸藥(即射彈撞擊試驗裝置中PBX-2炸藥完全爆轟時產(chǎn)生的超壓)產(chǎn)生的超壓差5 kPa左右,表明PBX-2炸藥發(fā)生的反應接近爆轟; 在700～800 m·s-1時,反應超壓在15 kPa附近,表明炸藥發(fā)生了爆燃反應; 在844,879,1033 m·s-1時,反應超壓為22～24 kPa,接近同等條件下雷管起爆PBX-2炸藥產(chǎn)生的超壓。加熱至75 ℃時,射彈以276,294,316 m·s-1的速度撞擊PBX-2,炸藥均未發(fā)生反應; 速度為367 m·s-1時反應超壓約4 kPa,發(fā)生了爆燃反應; 在553,786 m·s-1速度撞擊下反應超壓均小于10 kPa,顯著低于常溫樣品,而在速度830, 879 m·s-1時,反應超壓約為25 kPa,均高于同等條件下常溫樣品。

圖8常溫和75 ℃下射彈撞擊PBX-2炸藥超壓與彈速曲線

Fig.8Curves of impact velocity-overpressure of PBX-2 explosive at ambient temperature and 75 ℃

試驗結果表明,常溫PBX-2炸藥撞擊點火反應速度閾值為263.5～269.9 m·s-1; 加熱至75 ℃時,PBX-2炸藥撞擊點火反應速度閾值為316～367 m·s-1。相比常溫條件,75 ℃下 PBX-2炸藥的力學性能顯著降低,其撞擊點火反應速度閾值顯著升高。在非沖擊點火條件下[11],75 ℃時 PBX-2炸藥反應超壓明顯低于常溫狀態(tài),主要原因[12-13]是炸藥被加熱至75 ℃后,粘結劑明顯發(fā)生了流動,填補了原有孔隙,相比常溫炸藥,加熱后炸藥柱中缺乏孔隙而不易形成對流燃燒,炸藥燃燒面積相對較小,氣體生成速率和能量釋放速率都受到很大的限制,使得炸藥反應超壓低于常溫狀態(tài)。

由圖6壓力計算結果和圖8超壓結果可知,相比常溫狀態(tài),射彈以大于800 m·s-1的速度撞擊75 ℃ PBX-2炸藥需要較低的輸入壓力,就能使其產(chǎn)生更為劇烈的反應。

5 小 結

加熱至75 ℃時,PBX-2炸藥的力學性能顯著降低,導致受力明顯低于常溫條件。

高溫撞擊試驗中,當射彈速度小于800 m·s-1時,常溫PBX-2炸藥撞擊點火反應速度閾值為263.5～269.9 m·s-1之間; 加熱至75 ℃時,PBX-2炸藥撞擊點火反應速度閾值為316～367 m·s-1。相比于常溫條件,在射彈撞擊速度高于800 m·s-1時,約1.54 GPa的輸入壓力就能使75 ℃下的 PBX-2炸藥產(chǎn)生更為劇烈的反應。

溫度和力學性能耦合作用導致加熱前后PBX-2炸藥撞擊響應特性變化,相比溫度敏化效應,加熱導致的力學性能變化是影響75 ℃下PBX-2炸藥的撞擊響應特性(點火反應速度閾值、反應程度)的主導因素,75 ℃時PBX-2炸藥撞擊點火速度閾值顯著提升,反應程度明顯下降。

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