焦綱領(lǐng),陳鵬萬,王志浩,張丁雄,劉 睿,陳 軼

(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;2.海軍研究院,北京 100072)

引 言

隨著武器彈藥的不斷發(fā)展,在追求高能量、高威力的同時(shí),彈藥安全問題也備受關(guān)注[1],其中高速破片作為戰(zhàn)場上較常見的威脅場景,相關(guān)考核標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)納入到美國和北約等彈藥不敏感測試項(xiàng)目中[2-3]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于高速破片撞擊已經(jīng)進(jìn)行了大量研究,并且通過數(shù)值模擬計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證等方法形成了較為成熟的理論。其中楊洋等[4]通過LS-DYNA數(shù)值模擬軟件計(jì)算了雙鎢球同時(shí)沖擊帶殼裝藥的情況,分析了雙破片較單破片的沖擊起爆臨界速度更低的原因;孫寶平等[5]研究了破片撞擊受沖擊波損失裝藥點(diǎn)火機(jī)理,通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到破片撞擊點(diǎn)火的臨界撞擊速度;劉鵬飛等[6]研究了六棱柱和圓柱鎢合金破片沖擊起爆屏蔽B炸藥的比動(dòng)能閾值,得到了長徑比和比動(dòng)能對(duì)起爆屏蔽B炸藥的影響;屈可朋等[7]開展了高速破片撞擊帶殼裝藥下防護(hù)試驗(yàn)研究,分析了裝藥的反應(yīng)狀態(tài),并且采用數(shù)值模擬進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算,提出了帶殼裝藥的防護(hù)結(jié)構(gòu);文雯等[8]通過高速破片撞擊試驗(yàn)現(xiàn)象,研究了撞擊速度、傳爆藥以及高溫等條件下對(duì)TATB基PBX及其與HNS復(fù)合裝藥的高速破片撞擊安全性,驗(yàn)證了加入傳爆藥和高溫環(huán)境可惡化裝藥的高速撞擊安全性;吳亞琛等[9]研究了澆注CL-20基混合炸藥的驅(qū)動(dòng)性能,并且對(duì)炸藥的快速烤燃、慢速烤燃和槍彈撞擊試驗(yàn)進(jìn)行了測試,均發(fā)生了燃燒反應(yīng),證明了澆注CL-20基混合炸藥的不敏感性能較好。

六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)作為目前能量最高的單質(zhì)炸藥,在混合炸藥方面應(yīng)用前景廣泛,目前國內(nèi)外已經(jīng)開展了多項(xiàng)CL-20混合炸藥的應(yīng)用[10-11],但關(guān)于其在安全方面的相關(guān)研究和報(bào)道較少。本研究聚焦CL-20基混合炸藥的高速破片撞擊安全性,通過制備一種CL-20基混合炸藥(簡稱為GW),設(shè)計(jì)并開展了靜爆試驗(yàn)和高速破片撞擊試驗(yàn);通過分析對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果,研究在不同速度和不同質(zhì)量破片的高速撞擊下CL-20基混合炸藥的反應(yīng)等級(jí),以期為后續(xù)CL-20炸藥的應(yīng)用和安全性研究提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品

GW炸藥由重慶紅宇精密工業(yè)有限責(zé)任公司提供,配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為87%的CL-20和13%的HTPB黏結(jié)劑體系,其中CL-20采用高品質(zhì)ε-CL-20,經(jīng)過重結(jié)晶、球形化處理(如圖1所示);黏結(jié)劑體系為HTPB和PLAH(一種由酯類和烴類組成的復(fù)合增塑劑),自制。裝藥尺寸為Ф82mm×240mm,裝藥密度為1.75g/cm3,裝藥質(zhì)量為2.24kg。

圖1 高品質(zhì)ε-CL-20Fig.1 High quality ε-CL-20

試驗(yàn)樣品由前后端蓋和殼體組成,前后端蓋采用螺紋連接,材料采用45號(hào)鋼,殼體厚度為3mm。炸藥樣品尺寸及實(shí)物如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)樣品尺寸和實(shí)物圖Fig.2 Dimensions and physical photograph of test sample

1.2 試驗(yàn)裝置

此次試驗(yàn)破片形狀采用MIL-STD-2105D標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),材料為10號(hào)鋼,破片質(zhì)量為16g和50g,尺寸分別為Ф13.6mm×15.6mm和Ф19.9mm×22.8mm,如圖3(a)所示。將破片放入驅(qū)動(dòng)裝置加速達(dá)到規(guī)定的速度,進(jìn)而產(chǎn)生高速破片撞擊炸藥裝藥。其中爆轟驅(qū)動(dòng)裝置的彈托采用尼龍材料,發(fā)射管和發(fā)射殼體采用45號(hào)鋼,具體尺寸可以根據(jù)發(fā)射破片的質(zhì)量和速度進(jìn)行調(diào)節(jié),發(fā)射藥柱采用鈍化黑索今,可以控制發(fā)射藥質(zhì)量、調(diào)節(jié)破片速度,實(shí)物如圖3(b)所示。

圖3 破片及其驅(qū)動(dòng)裝置Fig.3 The fragment and fragment driving device

1.3 試驗(yàn)測試系統(tǒng)搭建與方案設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步準(zhǔn)確判斷高速破片撞擊試驗(yàn)的反應(yīng)等級(jí),需要在炸藥完全爆轟狀態(tài)下收集超壓、殼體破片速度數(shù)據(jù)和見證板的破壞情況,因此,在開展破片撞擊試驗(yàn)前安排一發(fā)靜爆試驗(yàn)。靜爆試驗(yàn)平面布局如圖4所示。試驗(yàn)裝置中心高度為1.2m;超壓測試布置高度為1.2m,布放距離超壓計(jì)算值為0.1MPa,確定在4m處布放。測速網(wǎng)靶采用斷靶網(wǎng),數(shù)量為3個(gè),距離試驗(yàn)彈1m,斷靶網(wǎng)之間的距離為1m;見證板采用2塊Q235鋼板,厚度為5mm,高度為1.5m,寬度為1m,布放在距離試驗(yàn)樣品4m處位置;利用攝像機(jī)觀察試驗(yàn)反應(yīng)過程。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖5所示。

圖4 靜爆試驗(yàn)俯視平面圖Fig.4 Top view of static explosive experiment

圖5 靜爆試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.5 The static explosive experiment site

高速破片撞擊試驗(yàn)采用破片驅(qū)動(dòng)裝置將破片加載到預(yù)期試驗(yàn)速度,當(dāng)破片撞擊試驗(yàn)件后,通過收集超壓、殼體破片速度數(shù)據(jù)和見證板的破壞情況,將試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)數(shù)據(jù)與爆轟狀態(tài)下的靜爆試驗(yàn)數(shù)據(jù)作對(duì)比,綜合判斷分析試驗(yàn)的反應(yīng)等級(jí)。

高速破片撞擊試驗(yàn)平面布局如圖6所示。試驗(yàn)裝置中心高度為1.2m;破片驅(qū)動(dòng)裝置沿軸線水平放置在托架上,距試驗(yàn)裝置為3m,在破片發(fā)射裝置約0.5m處布置過濾板,其中心孔洞與破片發(fā)射裝置軸線齊平。超壓測試裝置、測速網(wǎng)靶以及見證板的布置情況與靜爆試驗(yàn)相同。高速破片撞擊試驗(yàn)現(xiàn)場如圖7所示。

圖6 高速破片撞擊試驗(yàn)俯視平面圖Fig.6 Top view of the fragment impact experiment

圖7 高速破片撞擊試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.7 The fragment impact experiment site

使用破片驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)不同質(zhì)量的破片到不同的速度,觀察破片撞擊試驗(yàn)裝置后的超壓數(shù)據(jù)、影像資料和見證板破壞情況,分析炸藥裝藥的反應(yīng)等級(jí),試驗(yàn)工況如表1所示。

表1 高速破片撞擊試驗(yàn)條件Table 1 Test conditions of high-speed fragment impact

1.4 反應(yīng)等級(jí)評(píng)估

目前,國外標(biāo)準(zhǔn)[2]通常將反映等級(jí)劃分為爆轟(Ⅰ級(jí))、部分爆轟(Ⅱ級(jí))、爆炸(Ⅲ級(jí))、爆燃(Ⅳ級(jí))、燃燒(Ⅴ級(jí))、無反應(yīng)(Ⅵ級(jí))6個(gè)等級(jí)。通常根據(jù)殼體破裂程度和破片速度、沖擊波超壓、見證板、含能材料殘余和地面炸坑、影像和聲音等進(jìn)行綜合評(píng)估。其中,爆轟反應(yīng)等級(jí)與靜爆試驗(yàn)現(xiàn)象相似,超壓測試結(jié)果和殼體破片速度相近,無剩余炸藥。部分爆轟與爆炸試驗(yàn)現(xiàn)象較為接近,和爆轟反應(yīng)相比,超壓測試結(jié)果和殼體破片速度低于靜爆試驗(yàn)結(jié)果。爆燃與燃燒反應(yīng)相近,區(qū)別在于爆燃反應(yīng)通常認(rèn)為會(huì)測到超壓結(jié)果,而燃燒反應(yīng)無超壓測試結(jié)果。無反應(yīng)指在遭受外部刺激時(shí)含能材料不反應(yīng)或無持續(xù)外部刺激時(shí)反應(yīng)立即熄滅,無爆炸火團(tuán)和燃燒火焰。

本研究通過分析與對(duì)比靜爆試驗(yàn)與高速破片撞擊試驗(yàn)的殼體破裂程度和破片速度、沖擊波超壓、見證板、含能材料殘余等進(jìn)行綜合評(píng)估。

2 結(jié)果與討論

2.1 靜爆試驗(yàn)結(jié)果

靜爆試驗(yàn)現(xiàn)場見證板情況及攝像影像如圖8所示。由圖8可知,爆炸產(chǎn)生了巨大的火球和煙塵,無剩余殼體和含能材料,見證板上產(chǎn)生兩個(gè)破片穿孔。

圖8 靜爆試驗(yàn)后現(xiàn)場情況Fig.8 Damage after static explosive experiment

靜爆試驗(yàn)獲得了4m處的超壓數(shù)據(jù)分別為0.101和0.0806MPa,另外一個(gè)測點(diǎn)數(shù)據(jù)線被打斷,無超壓數(shù)據(jù),平均超壓值為0.0908MPa,超壓測試曲線如圖9所示,與布放超壓傳感器距離的理論超壓計(jì)算值相當(dāng),證明GW炸藥完全爆轟。

圖9 超壓測試曲線Fig.9 Overpressure curves of tests

爆轟產(chǎn)生殼體破片速度為1435m/s,與文獻(xiàn)[12]中HMX基的JO-8炸藥破片驅(qū)動(dòng)速度提高30.1%,4m處見證板上有兩處破片穿孔,證明GW炸藥具有良好的破片驅(qū)動(dòng)性能。

2.2 高速破片撞擊試驗(yàn)結(jié)果

高速破片撞擊試驗(yàn)現(xiàn)場情況及攝像影像如圖10所示。從圖10(a)中可以看出,破片質(zhì)量為16g,速度為1818m/s時(shí),試驗(yàn)樣品殼體正面發(fā)生剪切和撕裂,背面無穿孔,裝藥殼體有過火痕跡,炸藥在殼體內(nèi)較為完整且發(fā)生黑化炭化,通過錄像視頻截圖可知現(xiàn)場發(fā)生燃燒反應(yīng),試驗(yàn)支架和見證板完好無損,未檢測到超壓信號(hào);在圖10(b)中,當(dāng)破片質(zhì)量為16g、速度為2167m/s時(shí),試驗(yàn)樣品殼體發(fā)生破碎,斷裂成兩截,殼體發(fā)生大面積撕裂,有明顯燒蝕過火痕跡,剩余炸藥較少且發(fā)生黑化炭化,見證板無穿孔,試驗(yàn)支架被燃燒完全,未檢測到超壓信號(hào);從圖10(c)中可以看出,當(dāng)破片質(zhì)量為50g,速度為1412m/s時(shí),現(xiàn)場無剩余殼體和炸藥殘骸,試驗(yàn)樣品下方有明顯凹坑和燃燒痕跡,支架被折斷,見證板上產(chǎn)生38處穿孔,79處凹坑,超壓信號(hào)線被殼體產(chǎn)生的破片打斷,未獲得超壓數(shù)據(jù)。

2.3 反應(yīng)等級(jí)評(píng)估及分析

通過對(duì)比破片撞擊試驗(yàn)現(xiàn)場破片情況與靜爆試驗(yàn)現(xiàn)場情況,分析見證板上破片穿孔情況,將試驗(yàn)反應(yīng)現(xiàn)象與反應(yīng)等級(jí)評(píng)估進(jìn)行對(duì)照,得到GW炸藥的反應(yīng)等級(jí),見表2。

表2 高速破片撞擊反應(yīng)等級(jí)Table 2 Reaction level of high-speed fragment impact

從圖10(a)中可以看出,當(dāng)破片質(zhì)量為16g、速度為1818m/s時(shí),殼體有一處撕裂開孔,上下端蓋較為完整,未見明顯膨脹,并未產(chǎn)生破片;炸藥發(fā)生燃燒反應(yīng),直至燃燒完全,表面黑炭化;見證板完整,無破片穿孔情況,綜合分析反應(yīng)等級(jí)為燃燒。從圖10(b)中可以看出,當(dāng)破片質(zhì)量為16g、速度為2167m/s時(shí),殼體大面積撕裂,大塊破片脫離殼體飛出,殼體撕裂,上蓋螺紋連接部分飛出;部分炸藥拋出彈體后燃燒,少量剩余炸藥在殼體內(nèi)完全燃燒,表面同樣黑炭化;見證鋼板上無破片穿孔,綜合分析反應(yīng)等級(jí)為燃燒。從圖10(c)中可以看出,當(dāng)破片質(zhì)量為50g、速度為1412m/s時(shí),現(xiàn)場破壞較為嚴(yán)重,殼體完全破碎,現(xiàn)場未發(fā)現(xiàn)較為完整的破片;無剩余炸藥;見證板上產(chǎn)生38處穿孔,79處凹坑。雖然試驗(yàn)超壓數(shù)據(jù)未采集到,但是通過現(xiàn)場現(xiàn)象和見證板破壞情況,對(duì)比靜爆試驗(yàn)結(jié)果,綜合分析反應(yīng)等級(jí)為爆轟。通過對(duì)比試驗(yàn)現(xiàn)象可知,隨著破片速度提高,GW炸藥反應(yīng)也更加劇烈,當(dāng)撞擊速度高達(dá)2167m/s時(shí),炸藥也只是發(fā)生了燃燒反應(yīng),證明該炸藥在16g破片撞擊下具有良好的安全性,與文獻(xiàn)[9]中澆注CL-20混合炸藥不敏感性能較好的結(jié)論一致;當(dāng)破片質(zhì)量增加到50g,在撞擊速度為1412m/s時(shí)發(fā)生了爆轟反應(yīng),證明GW炸藥在50g破片高速刺激下較16g破片高速刺激的響應(yīng)程度更為劇烈。

GW炸藥在破片撞擊下安全性提升是因?yàn)椴捎昧溯^高品質(zhì)的CL-20和HTPB黏結(jié)劑體系。重結(jié)晶、球形化的ε-CL-20較工業(yè)品的ε-CL-20形狀更加規(guī)則,接近球形,表面較光滑,晶體內(nèi)部裂紋較少,在澆注過程中可以通過顆粒級(jí)配降低炸藥之間的空隙,提高裝藥密度,達(dá)到降低炸藥感度的目的;HTPB黏結(jié)劑體系有較好的力學(xué)性能,可以產(chǎn)生大變形,起到較好地包覆和保護(hù)作用,避免在破片撞擊過程中產(chǎn)生更加劇烈的反應(yīng)。

3 結(jié) 論

(1)GW炸藥靜爆試驗(yàn)測得殼體破片速度為1435m/s,4m處的超壓均值為0.09MPa。試驗(yàn)結(jié)果表明該炸藥具有良好的破片驅(qū)動(dòng)能力。

(2)在破片質(zhì)量為16g時(shí),隨著破片速度提高至2167m/s時(shí),GW炸藥僅發(fā)生了燃燒反應(yīng),但是當(dāng)破片質(zhì)量增加到50g、速度為1412m/s時(shí),GW炸藥發(fā)生爆轟反應(yīng)。

(3)重結(jié)晶、球形化的ε-CL-20是影響CL-20基混合炸藥的關(guān)鍵因素;HTPB黏結(jié)劑體系是影響CL-20基混合炸藥的重要因素。