屈可朋，趙志江，沈 飛，王 輝，肖 瑋，李亮亮，張 帆

(1.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2.陸軍裝備部航空軍代局，北京 100036)

引 言

近年來，隨著武器彈藥使用環(huán)境的日益苛刻和高價(jià)值武器彈藥在戰(zhàn)場上的大量應(yīng)用，對武器彈藥在戰(zhàn)場上生存能力的要求越來越高，武器彈藥在意外刺激下的不敏感性已引起各國武器彈藥研制人員的廣泛關(guān)注[1]。美國、北約相繼建立了彈藥不敏感性測試項(xiàng)目和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[2-3]，其中破片撞擊實(shí)驗(yàn)是相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的重要考核項(xiàng)目之一，其涉及應(yīng)力波傳播與衰減、武器彈藥殼體破壞模式以及炸藥裝藥點(diǎn)火機(jī)理等多學(xué)科問題，破片撞擊條件下彈藥動態(tài)響應(yīng)特性、裝藥點(diǎn)火機(jī)理及點(diǎn)火增長抑制技術(shù)已成為研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。

國內(nèi)外對于破片撞擊帶殼裝藥已開展了大量研究，主要集中在破片沖擊帶殼裝藥的起爆判據(jù)[4-5]、臨界起爆速度[6]、殼體材料[7]、破片形狀[8]、撞擊角度[9]及溫度效應(yīng)[10]等方面，能夠用于指導(dǎo)相關(guān)炸藥的不敏感性設(shè)計(jì)以及防空反導(dǎo)殺傷戰(zhàn)斗部研制，但對于MIL-STD-2015D《非核彈藥危險(xiǎn)性評估標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)破片(18.6g)撞擊下帶殼裝藥動態(tài)響應(yīng)特性的研究卻鮮有報(bào)道。因此，深入開展帶殼裝藥在標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊下的動態(tài)響應(yīng)特性及防護(hù)技術(shù)研究，對于開展不敏感彈藥設(shè)計(jì)具有重要意義。

本研究以25mm口徑滑膛炮為加載裝置，采用18.6g標(biāo)準(zhǔn)破片，在(1830±30)m/s速度下對帶殼裝藥進(jìn)行了高速撞擊實(shí)驗(yàn)，獲取了帶殼裝藥的反應(yīng)情況，揭示了標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊不同厚度護(hù)板后的形態(tài)及對裝藥點(diǎn)火的影響，提出了帶殼裝藥的防護(hù)結(jié)構(gòu)，以期為不敏感彈藥設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料及帶殼裝藥

實(shí)驗(yàn)所用炸藥由西安近代化學(xué)研究所提供，配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：HMX，63%；鋁粉，30%；黏結(jié)劑，7%。試樣采用模具壓制成型，藥柱尺寸為Φ97mm×100mm，裝藥密度為1.85g/cm3。

標(biāo)準(zhǔn)破片采用45號鋼加工而成，質(zhì)量為18.6g，尺寸如圖1所示；帶殼裝藥結(jié)構(gòu)由前護(hù)板、套筒、裝藥及后護(hù)板組成，前、后護(hù)板通過螺栓連接，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，護(hù)板均采用熱處理后的35CrMnSiA鋼加工而成，屈服強(qiáng)度為1500MPa，護(hù)板厚度取10mm和16mm，每發(fā)實(shí)驗(yàn)中前、后護(hù)板厚度相同；套筒采用熱處理后35CrMnSiA鋼加工而成，內(nèi)徑為97mm，高度為300mm，厚度為5mm。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)破片示意圖Fig.1 Schematic diagram of standard fragment

圖2 帶殼裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of charge structure with shell

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用25mm口徑滑膛炮驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊帶殼裝藥，觀測帶殼裝藥反應(yīng)情況及回收護(hù)板的形態(tài)變化。實(shí)驗(yàn)前，通過內(nèi)彈道計(jì)算及摸底實(shí)驗(yàn)，使18.6g標(biāo)準(zhǔn)破片的撞擊速度能夠穩(wěn)定在(1825±5)m/s速度范圍內(nèi)，然后方可開展正式實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，帶殼裝藥置于木質(zhì)彈架上，利用25mm口徑滑膛炮驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊帶殼裝藥前護(hù)板，進(jìn)而進(jìn)入裝藥內(nèi)部，利用高速攝影觀測裝藥反應(yīng)情況，高速攝影拍攝速度為10000f/s。在距離前護(hù)板2m處設(shè)置間隔為1m的斷通靶用于測量破片撞擊速度，高速攝影位于帶殼裝藥的側(cè)向，用于記錄高速撞擊過程中帶殼裝藥的反應(yīng)狀態(tài)。

為深入分析帶殼裝藥的點(diǎn)火機(jī)理，同時(shí)開展了標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊無裝藥的帶殼裝藥結(jié)構(gòu)，通過觀測前護(hù)板穿孔情況及后護(hù)板上的殘骸，獲取標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊不同厚度前護(hù)板后破片與前護(hù)板的破壞形態(tài)變化規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 帶殼裝藥受破片撞擊后的反應(yīng)狀態(tài)分析

標(biāo)準(zhǔn)破片以1820～1830m/s速度撞擊帶殼裝藥后裝藥的反應(yīng)情況如圖3所示。

由圖3(a)可知，當(dāng)前護(hù)板厚度(δ)為10mm時(shí)，帶殼裝藥整體結(jié)構(gòu)基本完整，可見明顯的燃燒痕跡，現(xiàn)場回收少量未完全燃燒的殘藥；由圖3(b)和(c)可知，破片撞擊帶殼裝藥0.8ms后(以破片接觸帶殼裝藥瞬間為0ms時(shí)刻)帶殼裝藥被火球完全包圍，綜合判定帶殼裝藥發(fā)生了快速燃燒反應(yīng)；由圖3(d)可知，當(dāng)前護(hù)板厚度為16mm時(shí)，帶殼裝藥完全解體，前護(hù)板被拋出后未能回收，連接螺栓被拉斷或產(chǎn)生彎曲變形，現(xiàn)場回收大量破碎的殘藥；由圖3(e)和(f)可知，破片撞擊帶殼裝藥0.4ms后(以破片接觸帶殼裝藥瞬間為0ms時(shí)刻)帶殼裝藥被火球完全包圍，綜合判定帶殼裝藥發(fā)生了局部爆燃反應(yīng)。分析認(rèn)為，帶殼裝藥的反應(yīng)情況與標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊前護(hù)板后破片和前護(hù)板的破壞形態(tài)有關(guān)，深入開展相同速度下，標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊不同厚度前護(hù)板后，破片與前護(hù)板的破壞形態(tài)研究有助于帶殼裝藥點(diǎn)火機(jī)理分析及防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.2 撞擊后破片和護(hù)板形態(tài)及對裝藥點(diǎn)火的影響

標(biāo)準(zhǔn)破片以1820～1830m/s速度分別撞擊前護(hù)板厚度為10mm和16mm的無裝藥帶殼裝藥結(jié)構(gòu)，通過觀測前護(hù)板穿孔情況及后護(hù)板上的凹坑，分析標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊不同厚度前護(hù)板后破片與前護(hù)板的破壞形態(tài)。撞擊后，套筒內(nèi)未發(fā)現(xiàn)破片殘骸，判斷為破片在貫穿前護(hù)板過程中發(fā)生了解體，前、后護(hù)板破壞情況如圖4所示。

圖4 不同厚度護(hù)板的破壞情況Fig.4 Failure states of guard plate with different thicknesses

由圖4可知，在該速度下標(biāo)準(zhǔn)破片能夠貫穿前護(hù)板，但均無法貫穿后護(hù)板，兩種厚度前護(hù)板的破壞形態(tài)不同；由圖4(a)和(b)可知，前護(hù)板厚度為10mm時(shí)，破片呈現(xiàn)明顯的剪切穿孔，前護(hù)板迎彈面及其背面的穿孔直徑均為28mm左右；由圖4(c)可知，在后護(hù)板上可見若干大尺寸凹坑；由圖4(d)和(e)可知，當(dāng)前護(hù)板厚度為16mm時(shí)，前護(hù)板迎彈面穿孔直徑約為28mm，而在其背面形成了直徑約為37mm的剝落層；由圖4(f)可知，后護(hù)板上可見大量小凹坑，未發(fā)現(xiàn)大尺寸凹坑。分析認(rèn)為，隨前護(hù)板厚度增加，標(biāo)準(zhǔn)破片和前護(hù)板的破碎程度增大，形成的碎塊質(zhì)量減小，數(shù)量增加，進(jìn)而在后護(hù)板上形成了不同的凹坑形貌。

為進(jìn)一步分析標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊后前護(hù)板及破片形態(tài)對裝藥點(diǎn)火的影響，采用數(shù)值模擬方法獲取了標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊不同厚度前護(hù)板后碎塊的速度及分布情況。

圖5 數(shù)值模擬計(jì)算模型Fig.5 Numerical simulation model

表1 Johnson-cook塑性模型及shock狀態(tài)方程參數(shù)Table 1 Johnson-cook plastic model and shock equation of state parameters

標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊不同厚度殼體后速度矢量云圖如圖6所示。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊不同厚度護(hù)板后的速度矢量云圖Fig.6 Velocity vector nephograms of standard fragments impacting on guard plates with different thicknesses

設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊速度為1825m/s，模擬計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)前護(hù)板厚度為10mm時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)破片解體，前護(hù)板破壞以局部的剪切失效為主，由其材料的狀態(tài)可以判斷撞擊形成了若干大質(zhì)量碎塊，大質(zhì)量碎塊前沿的速度約為1000m/s(圖6(a))；前護(hù)板厚度為16mm時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊前護(hù)板后，標(biāo)準(zhǔn)破片解體，在應(yīng)力波的作用下前護(hù)板背面發(fā)生了明顯的層裂，形成密集分布的小質(zhì)量碎片群，碎片群前沿的速度約為900m/s(圖6(b))。

分析認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊不同厚度前護(hù)板后，破片和前護(hù)板的破壞形態(tài)可能是導(dǎo)致裝藥反應(yīng)等級不同的重要原因。當(dāng)前護(hù)板厚度為10mm時(shí)，破片貫穿前護(hù)板后形成若干大質(zhì)量的金屬碎塊，這些金屬碎塊同時(shí)以約1000m/s的速度撞擊裝藥，進(jìn)入裝藥后由于壓縮、剪切、摩擦等綜合作用，使得裝藥發(fā)生了快速燃燒，產(chǎn)生的壓力通過破壞帶殼裝藥的薄弱環(huán)節(jié)(套筒與前、后護(hù)板連接處)而得以釋放，由于壓力的快速釋放，裝藥燃燒速率降低，難以形成更為劇烈的反應(yīng)。而當(dāng)前護(hù)板厚度為16mm時(shí)，由于破片破碎及前護(hù)板背面剝落，產(chǎn)生了密集的小質(zhì)量金屬碎片，大量小質(zhì)量碎片可以視為高密度的碎片群，當(dāng)其以約900m/s速度同時(shí)作用于裝藥時(shí)，產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力波將相互疊加并增強(qiáng)，同時(shí)還有熱效應(yīng)的綜合作用，使得裝藥內(nèi)部易于形成多個(gè)“熱點(diǎn)”，進(jìn)而直接發(fā)生爆燃反應(yīng)。

2.3 帶殼裝藥防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊帶殼裝藥過程中，裝藥將受到兩種類型的刺激：一種為破片撞擊前護(hù)板后產(chǎn)生的應(yīng)力波傳播至裝藥內(nèi)部，在裝藥內(nèi)形成強(qiáng)的應(yīng)力波，可能引發(fā)裝藥點(diǎn)火；另一種為破片貫穿前護(hù)板后進(jìn)入裝藥內(nèi)部，產(chǎn)生壓縮、剪切、摩擦等復(fù)合作用，導(dǎo)致熱積累，進(jìn)而引發(fā)炸藥點(diǎn)火[11]。因此，帶殼裝藥防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要從衰減應(yīng)力波峰值和降低破片貫穿前護(hù)板后的能量兩個(gè)方面考慮。

在應(yīng)力波峰值衰減方面，依據(jù)前期研究結(jié)果[12]，采用雙層阻抗順序組合方式可有效衰減傳入裝藥內(nèi)部的應(yīng)力波峰值，故防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可采用順序阻抗結(jié)構(gòu)用于衰減破片撞擊前護(hù)板時(shí)傳入裝藥內(nèi)的應(yīng)力峰值。在降低破片貫穿前護(hù)板后的能量方面，因破片撞擊16mm厚前護(hù)板時(shí)形成的小質(zhì)量碎片群更易使裝藥發(fā)生劇烈反應(yīng)，故應(yīng)盡可能降低碎片群進(jìn)入裝藥時(shí)所攜帶的能量。研究表明[13]，破片撞擊金屬薄板后破片的剩余速度在0～0.01ms內(nèi)急劇衰減，可大幅降低破片的動能，故防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可采用金屬薄板用于降低碎片群的能量。

考慮到戰(zhàn)斗部裝藥的實(shí)際工況，防護(hù)結(jié)構(gòu)不能太厚，以保證戰(zhàn)斗部的裝填比，故本研究設(shè)計(jì)了由低阻抗橡膠與高阻抗金屬薄板構(gòu)成的復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)，其中，低阻抗橡膠的厚度為1mm，高阻抗金屬薄板的厚度為0.5mm，兩者直徑與套筒內(nèi)徑相等，均為97mm。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，在前護(hù)板背彈面與裝藥之間依次安裝低阻抗橡膠和高阻抗金屬薄板，其余結(jié)構(gòu)均保持不變。采用標(biāo)準(zhǔn)破片以1820m/s的速度撞擊前護(hù)板厚度為16mm的帶殼裝藥，帶殼裝藥反應(yīng)情況如圖7所示。

圖7 含防護(hù)結(jié)構(gòu)帶殼裝藥的撞擊反應(yīng)情況Fig.7 Reaction states of charge with protective structure and shell after impact

由圖7(a)可知，撞擊后帶殼裝藥整體結(jié)構(gòu)完整，僅發(fā)生了燃燒反應(yīng)。由圖7(b)和(c)可知，標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊后帶殼裝藥被火球完全包圍的時(shí)間由無防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)的0.4ms延長至1.2ms。分析認(rèn)為，復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)一方面降低了破片撞擊前護(hù)板時(shí)傳入裝藥中的應(yīng)力波幅值，更重要的是，高阻抗的金屬薄板可阻擋部分碎片群的運(yùn)動，降低碎片群能量，進(jìn)而對裝藥起到良好的防護(hù)作用。

3 結(jié) 論

(1)18.6g標(biāo)準(zhǔn)破片以1820～1830m/s速度撞擊不同厚度前護(hù)板時(shí)，破片均發(fā)生解體；隨前護(hù)板厚度由10mm增加至16mm，貫穿前護(hù)板后的破片形態(tài)由若干大質(zhì)量碎塊演變?yōu)槊芗男≠|(zhì)量碎片。

(2)撞擊后標(biāo)準(zhǔn)破片及前護(hù)板形態(tài)的差異是導(dǎo)致裝藥反應(yīng)程度不同的重要原因，相比大質(zhì)量碎塊，小質(zhì)量碎片群易使裝藥發(fā)生更為劇烈的反應(yīng)；通過設(shè)計(jì)合理的防護(hù)結(jié)構(gòu)可有效降低帶殼裝藥反應(yīng)等級，延長反應(yīng)時(shí)間；但對于碎片群的形成機(jī)制及其裝藥的相互作用過程還需要進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。