張鄒鄒，張 衡，楊麗俠，趙寶明，靳建偉

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引 言

我國(guó)現(xiàn)役彈藥在研發(fā)裝備過程中主要考慮戰(zhàn)技指標(biāo)和發(fā)射安全性能，未進(jìn)行不敏感化設(shè)計(jì)。在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上，為了保證火力的持續(xù)性，往往攜帶的彈藥基數(shù)都很大，受到敵方攻擊時(shí)可能發(fā)生劇烈的燃爆乃至爆炸等響應(yīng)。為了提高武器平臺(tái)在戰(zhàn)場(chǎng)上的生存能力，避免因自身裝備彈藥受刺激發(fā)生劇烈響應(yīng)而損毀，國(guó)內(nèi)外特別重視中大口徑火炮彈藥用高能不敏感發(fā)射藥與裝藥的研發(fā)，子彈撞擊、破片撞擊和高速射流撞擊試驗(yàn)涵蓋了彈藥受到不同口徑型武器和破片類彈藥攻擊時(shí)評(píng)估和檢驗(yàn)彈藥敏感特性的重要實(shí)驗(yàn)[1]。國(guó)內(nèi)首次結(jié)合型號(hào)對(duì)155mm火炮用模塊裝藥的易損性評(píng)估通過“射流撞擊”和“子彈撞擊”兩項(xiàng)試驗(yàn)，對(duì)大口徑火炮用發(fā)射藥進(jìn)行了不敏感性能試驗(yàn)和研究[2]；孫寶平等[3]研究了破片撞擊速度對(duì)裝藥點(diǎn)火的影響；熊冉等[4]研究了破片沖擊金屬殼體引爆炸藥的臨界條件；楊建等[2,5]對(duì)不同配方和藥型發(fā)射藥進(jìn)行子彈撞擊特性研究；楊麗俠等[6]進(jìn)行了射流撞擊下發(fā)射裝藥的易損性響應(yīng)特性研究；韓博等[7]對(duì)某發(fā)射裝藥進(jìn)行了子彈撞擊和空心裝藥射流等實(shí)驗(yàn)。

本實(shí)驗(yàn)研究了約束條件對(duì)發(fā)射藥在機(jī)械沖擊作用下敏感特性響應(yīng)劇烈程度的影響，為現(xiàn)役彈藥不敏感性改進(jìn)及新型不敏感彈藥設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品及構(gòu)件

實(shí)驗(yàn)樣品為粒狀單基藥、粒狀太根藥，均為制式發(fā)射藥。

構(gòu)件A：殼體材料為45號(hào)鋼，壁厚為3mm±0.04mm，采用兩端帶螺紋的端蓋(端蓋厚3mm±0.04mm)與圓柱部密封連接；

構(gòu)件B：殼體材料為主要成分是NC的可燃藥筒，殼體厚度為2mm。

發(fā)射裝藥樣品構(gòu)件主要模擬我國(guó)中小口徑火炮彈藥的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、藥室體積、裝填密度、殼體材料和厚度等，因此，試驗(yàn)樣品與構(gòu)件A組成的樣品構(gòu)件模擬發(fā)射裝藥的強(qiáng)約束條件，試驗(yàn)樣品與構(gòu)件B組成的樣品構(gòu)件模擬發(fā)射裝藥的弱約束條件。

1.2 子彈撞擊試驗(yàn)

子彈為制式12.7mm穿甲標(biāo)準(zhǔn)燃燒彈，槍口距離樣品構(gòu)件30m，子彈撞擊速度為(850±20)m/s；見證板為5mm厚的L型45號(hào)鋼板；根據(jù)試樣發(fā)生反應(yīng)后的破片數(shù)量、大小等狀況判別反應(yīng)的劇烈程度。試驗(yàn)裝置布局見圖1。

圖1 子彈撞擊試驗(yàn)裝置布局圖Fig.1 Layout map of the bullet impact test device

1.3 破片撞擊試驗(yàn)

試驗(yàn)發(fā)射裝置為海30制式火炮的藥室結(jié)構(gòu)和25mm口徑身管組裝的發(fā)射模擬裝置，發(fā)射Φ12.7mm的錐形破片撞擊樣品構(gòu)件，破片撞擊速度為(1580±50)m/s，發(fā)射藥受到刺激產(chǎn)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，根據(jù)樣品構(gòu)件響應(yīng)后的見證板狀態(tài)、破片大小和數(shù)量等分析反應(yīng)類型。試驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the test device

1.4 空心裝藥射流撞擊試驗(yàn)

采用Φ50mm射流感度用的標(biāo)準(zhǔn)射流源撞擊樣品構(gòu)件，在樣品構(gòu)件底面放置一塊12mm×300mm×300mm的底見證板(45號(hào)鋼板)，兩支壓力傳感器布置在距離樣品中心3.8m處，根據(jù)試樣響應(yīng)后的見證板狀態(tài)、破片大小和數(shù)量等數(shù)據(jù)分析反應(yīng)類型。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布局如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布局圖Fig.3 Layout map of testing site

2 結(jié)果與討論

2.1 子彈撞擊試驗(yàn)中約束條件對(duì)發(fā)射裝藥敏感特性的影響

子彈撞擊試驗(yàn)?zāi)M發(fā)射藥在受到口徑5.56～20mm的小型武器攻擊時(shí)發(fā)生意外的敏感程度和產(chǎn)生爆炸作用的劇烈程度，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 典型發(fā)射裝藥子彈撞擊試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Testing results of bullet impact tests for the typical propellant gun charges

由圖4可以看出，單基藥與構(gòu)件A組成的強(qiáng)約束條件在受到子彈撞擊時(shí)，殼體大塊撕裂，藥粒四散，收集到極少量殘藥，藥粒大部分燃燒，發(fā)生了爆炸響應(yīng)；單基藥與構(gòu)件B組成的弱約束條件在受到子彈撞擊時(shí)殼體大塊撕裂，藥粒四散，藥粒表面完好，無燃燒反應(yīng)；太根藥與構(gòu)件A組成的強(qiáng)約束條件受到子彈撞擊時(shí)，殼體從子彈撞擊處撕裂，大量殘藥四散，大部分藥粒表面燃燒，發(fā)生了燃燒響應(yīng)；太根藥與構(gòu)件B組成的弱約束條件在受到子彈撞擊時(shí)，殼體撕裂，藥粒四散，無燃燒反應(yīng)。

約束條件對(duì)發(fā)射藥在子彈撞擊下的敏感特性響應(yīng)影響明顯，發(fā)射裝藥在強(qiáng)約束條件下發(fā)生爆炸或燃燒響應(yīng)；而在弱約束條件下無燃燒反應(yīng)。在強(qiáng)約束條件下構(gòu)件A受到子彈撞擊的破裂瞬間，發(fā)射藥粒受到較高的溫度流場(chǎng)和初始?jí)毫ο碌臎_擊和摩擦，形成熱點(diǎn)，迅速分解燃燒，在殼體內(nèi)形成一定壓力，發(fā)生氣固相反應(yīng)，壓力上升，發(fā)生劇烈反應(yīng)，由于不同典型配方的發(fā)射藥對(duì)機(jī)械沖擊感度不同，在受到子彈撞擊時(shí)發(fā)生了不同的化學(xué)物理反應(yīng)——燃燒或更劇烈的爆炸響應(yīng)，而在弱約束條件下構(gòu)件B受到子彈高速撞擊殼體破裂，藥粒四散，造成熱點(diǎn)無法集中，不能形成高溫高壓的局部環(huán)境，無燃燒反應(yīng)發(fā)生。

對(duì)構(gòu)件A的上端蓋設(shè)計(jì)一處厚0.5mm、直徑50mm的容易泄壓的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行子彈撞擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 發(fā)射裝藥殼體設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)對(duì)子彈撞擊試驗(yàn)結(jié)果的影響Fig.5 Effect of weak link designed on the shell of gun propellants on the results of bullet impact test

由圖5可知，在強(qiáng)約束的鋼密封構(gòu)件上設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，有利于殼體內(nèi)迅速聚集的壓力沖破薄弱環(huán)節(jié)，降低反應(yīng)劇烈程度。

2.2 破片撞擊試驗(yàn)中約束條件對(duì)發(fā)射裝藥敏感特性的影響

破片撞擊試驗(yàn)主要模擬受到破片類彈藥攻擊時(shí)發(fā)生意外的敏感程度和產(chǎn)生爆炸作用的劇烈程度，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 典型發(fā)射裝藥破片撞擊試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Testing results of fragment impact tests for the typical propellant gun charges

由圖6可知，單基藥與構(gòu)件A組成的強(qiáng)約束條件受到破片撞擊時(shí)殼體炸飛，撕裂成多個(gè)大小不一的碎片，少量殘藥四散，發(fā)生爆炸響應(yīng)；單基藥與構(gòu)件B組成的弱約束條件，殼體破裂燃燒完全，有少量殘藥噴射燃燒，發(fā)生了燃燒響應(yīng)；太根粒狀藥與構(gòu)件A組成的強(qiáng)約束條件，殼體撕裂，大量殘藥四散，僅燃燒表面發(fā)生了爆炸響應(yīng)；在構(gòu)件A上增加薄弱環(huán)節(jié)，薄弱環(huán)節(jié)沖斷，殼體破裂成碎片、收集到少量表面燃燒的殘藥，發(fā)生爆炸響應(yīng)；太根粒狀藥與構(gòu)件B組成的弱約束條件大片殼體殘留，大量殘藥四散，部分燃燒，發(fā)生了燃燒響應(yīng)。

在受到12.7mm錐形高速破片撞擊時(shí)，約束條件對(duì)發(fā)射藥在破片撞擊下的敏感特性響應(yīng)影響明顯。構(gòu)件B的弱約束條件受到高速破片撞擊，以NC為主要成分的殼體與發(fā)射藥粒受到高速摩擦著火，同時(shí)，NC殼體破裂，破裂的NC殼體和藥粒四散繼續(xù)燃燒，不發(fā)生比燃燒更劇烈的反應(yīng)；在構(gòu)件A的強(qiáng)約束條件下，發(fā)射藥粒受到高速破片的沖擊和摩擦，形成熱點(diǎn)并發(fā)生分解燃燒反應(yīng)，由于受到的機(jī)械刺激強(qiáng)度更高，殼體內(nèi)的反應(yīng)壓力迅速聚集上升，發(fā)生劇烈反應(yīng)——爆炸響應(yīng)。在強(qiáng)約束條件下，盡管在端蓋設(shè)計(jì)了0.5mm厚的薄弱環(huán)節(jié)，仍沒有改變?cè)嚇拥捻憫?yīng)劇烈程度，這是因?yàn)槭艿阶矒羲俣燃s1580m/s的12.7mm錐形破片高速撞擊摩擦，發(fā)射藥粒迅速分解燃燒釋放大量氣體，殼體內(nèi)壓力急劇上升，瞬間撕裂殼體發(fā)生了劇烈反應(yīng)，0.5mm的薄弱環(huán)節(jié)作用失效。

2.3 空心裝藥射流撞擊試驗(yàn)中約束條件對(duì)發(fā)射裝藥敏感特性的影響

射流撞擊試驗(yàn)主要是模擬發(fā)射藥在受到口徑40mm以上的重型武器攻擊時(shí)，發(fā)生意外的敏感程度和產(chǎn)生爆炸作用的劇烈程度，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，在空心裝藥射流撞擊的最強(qiáng)機(jī)械沖擊作用下，單基藥與構(gòu)件A組成的強(qiáng)約束條件下殼體炸成小碎片，底部見證板彎曲變形，3.8m處的沖擊波峰壓值為56.5kPa，無殘藥，發(fā)生了爆炸響應(yīng)；單基藥與構(gòu)件B組成的弱約束條件下殼體底部見證板彎曲變形，沖擊波峰壓值為68.5kPa，無殘藥，發(fā)生了爆炸響應(yīng)；太根粒狀藥與構(gòu)件A組成的強(qiáng)約束條件下殼體炸成碎片，見證板微變形，藥粒表面燃燒，殘藥有的完整，也有破碎的藥粒，發(fā)生了爆炸響應(yīng)；太根粒狀藥與構(gòu)件B組成的弱約束條件下殼體炸成碎片，未見殘藥，見證板變形，發(fā)生了爆炸響應(yīng)。

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)破壞情況和爆轟波壓力結(jié)果可知，在機(jī)械沖擊刺激源更強(qiáng)的空心裝藥射流撞擊下，約束條件對(duì)發(fā)射藥敏感特性響應(yīng)類型沒有明顯影響，這是因?yàn)樵诿芗母咚俳饘倭Ｗ拥臋C(jī)械沖擊作用下，大量發(fā)射藥粒同時(shí)燃燒，瞬間生成大量燃?xì)?，殼體內(nèi)壓力增加且大量燃?xì)庀蛭慈紵l(fā)射藥粒滲透產(chǎn)生壓縮波，加速了發(fā)射藥粒燃燒，使得壓力累積形成更強(qiáng)壓縮波，發(fā)生劇烈反應(yīng)。

3 結(jié) 論

(1)發(fā)射裝藥的約束條件對(duì)機(jī)械沖擊作用下的敏感特性影響與沖擊作用的類型有關(guān)，在子彈撞擊和破片撞擊的高速機(jī)械沖擊作用下，約束條件對(duì)敏感特性影響明顯，弱約束條件下發(fā)射裝藥不會(huì)發(fā)生比強(qiáng)約束條件更劇烈的反應(yīng)。在空心裝藥射流的最強(qiáng)機(jī)械沖擊作用下，約束條件對(duì)發(fā)射裝藥的敏感特性響應(yīng)沒有明顯影響。

(2)在不影響發(fā)射裝藥彈道性能指標(biāo)的前提下，適當(dāng)降低約束強(qiáng)度或設(shè)計(jì)容易泄壓的薄弱環(huán)節(jié)，有利于減弱發(fā)射裝藥受到意外機(jī)械沖擊作用的反應(yīng)劇烈程度。

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