Steven 試驗(yàn)中含TNT 類炸藥的響應(yīng)特性

代曉淦,文玉史,李敬明

(中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所,四川 綿陽(yáng)621900)

引 言

炸藥柱撞擊感度是評(píng)價(jià)炸藥安全性能的主要指標(biāo)之一,目前主要采用蘇珊試驗(yàn)、Steven 試驗(yàn)等方法進(jìn)行表征。蘇珊試驗(yàn)方法[1]對(duì)炸藥受到刺激時(shí)內(nèi)部的壓力、應(yīng)變變化情況缺乏數(shù)據(jù),難以進(jìn)行定量分析;Steven 試驗(yàn)可獲得撞擊條件下更多的炸藥反應(yīng)歷程信息,使其測(cè)試結(jié)果便于數(shù)值模擬計(jì)算,預(yù)估炸藥在撞擊情況下的安全性能。

國(guó)外Idar 等人[2-3]采用Steven 試驗(yàn)方法研究了HMX 基炸藥,如LX-04、PBX9404、PBX9501 等的反應(yīng)程度,并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,通過(guò)對(duì)比錳銅壓力計(jì)、碳?jí)毫τ?jì)和PVDF 計(jì)等測(cè)得的壓力曲線,獲得了炸藥的反應(yīng)速率方程參數(shù)。國(guó)內(nèi)研究者[4]也采用S teven 試驗(yàn)研究了老化前后HMX 基PBX-2 炸藥撞擊感度的變化。

目前,在安全性試驗(yàn)中均是針對(duì)特定尺寸,與實(shí)際應(yīng)用中的裝藥相差甚遠(yuǎn)。因此,需要在安全性試驗(yàn)中研究不同尺寸炸藥的響應(yīng)規(guī)律,然而,對(duì)于TNT 類炸藥在撞擊作用下不同尺寸裝藥的響應(yīng)規(guī)律研究報(bào)道較少,難以評(píng)估此類實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下的安全性能。為了獲得Steven 試驗(yàn)中含TNT 類炸藥的響應(yīng)特性,本研究開(kāi)展了不同尺寸下含TN T 類炸藥的安全性能研究,獲得了其撞擊響應(yīng)規(guī)律。

1 實(shí) 驗(yàn)

試樣樣品盒試件結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1,由炸藥試樣、樣品盒、鋼蓋板、聚四氟乙烯環(huán)、壓力計(jì)等組成。對(duì)TNT 炸藥和B 炸藥(m(TNT):m(RDX)=40 ∶60)進(jìn)行試驗(yàn),TNT 藥柱尺寸Ф98 mm ×13mm,裝藥量160g 。B 炸藥藥柱采用兩種尺寸:Ф98 mm ×13 mm,裝藥量155.8 g;Ф98 mm ×39 mm,裝藥量494 g。樣品盒底厚度為 19 mm ,蓋板厚度為3.5 mm,材料為Q235 鋼。2 kg 試驗(yàn)彈結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2,彈體材料為2A12 鋁,彈頭材料為Q235 鋼,球面半徑SR31mm。

用高速攝像記錄試驗(yàn)彈的撞靶速度以及撞靶至點(diǎn)火爆炸的過(guò)程;通過(guò)壓力測(cè)試,獲得試樣受撞擊過(guò)程的受力變化;用空氣沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量試樣發(fā)生爆炸時(shí)產(chǎn)生的空氣沖擊波超壓。

2 結(jié)果與分析

2.1 撞擊速度對(duì)炸藥反應(yīng)程度的影響

圖3是彈丸撞擊不同尺寸B 炸藥過(guò)程的高速攝像照片。從圖3可以看出,對(duì)于Ф98 mm ×13mm樣品,彈丸撞擊到樣品盒試件后繼續(xù)運(yùn)動(dòng),在延遲一段時(shí)間后高速攝像記錄有發(fā)光現(xiàn)象,表明此時(shí)B炸藥已發(fā)生反應(yīng),隨著彈丸繼續(xù)運(yùn)動(dòng),點(diǎn)火逐漸熄滅,未能增長(zhǎng)。對(duì)于Ф98 mm ×39mm 樣品,彈丸撞擊到樣品盒試件后繼續(xù)運(yùn)動(dòng),在延遲一段時(shí)間后高速攝像記錄有發(fā)光現(xiàn)象,表明此時(shí)B 炸藥已發(fā)生反應(yīng);隨著彈丸的繼續(xù)運(yùn)動(dòng),點(diǎn)火逐漸增長(zhǎng)。

圖4是回收的TNT 炸藥殘骸照片。當(dāng)彈丸分別以43.55、88.31、195.64 和215.54 m/s 速度撞擊樣品盒時(shí),試驗(yàn)中均沒(méi)有出現(xiàn)反應(yīng),除樣品盒中心被撞擊出現(xiàn)凹坑、蓋板變形外,樣品盒上的螺釘完好均未被拉斷,且在215.54 m/s撞擊速度下TNT 炸藥發(fā)生了較大流動(dòng)。對(duì)于Ф98mm×13 mm 的TN T 炸藥,在以上撞擊速度下均未測(cè)到?jīng)_擊波超壓,表明TNT炸藥均未發(fā)生反應(yīng)。

圖5是不同尺寸B 炸藥試驗(yàn)的殘骸照片。對(duì)于Ф98 mm×13 mm 樣品,當(dāng)彈丸以64.1 m/s 的速度撞擊時(shí),炸藥被撞出一個(gè)凹坑,并未發(fā)生反應(yīng);當(dāng)彈速為163.3 m/s 時(shí),炸藥表面有凹坑,并有明顯的發(fā)黑痕跡,表明炸藥發(fā)生了燃燒反應(yīng);當(dāng)彈速為229.6 m/s 時(shí),無(wú)剩余炸藥,螺釘被拉斷,表明炸藥發(fā)生了爆燃反應(yīng);當(dāng)彈丸以66m/s 的速度撞擊時(shí),炸藥僅有一個(gè)凹坑,炸藥發(fā)生較大塑性流動(dòng),未發(fā)生反應(yīng);當(dāng)彈速為76.9 m/s 時(shí),炸藥有反應(yīng)痕跡;當(dāng)彈速為93.2 m/s 時(shí),無(wú)剩余樣品,螺釘被拉斷,但樣品盒完整,說(shuō)明炸藥發(fā)生反應(yīng)的程度比較溫和。

圖5 不同尺寸B 炸藥試驗(yàn)殘骸照片F(xiàn)ig.5 Photographs of recovered sample for composite B in Steven test

表1 為不同尺寸B 炸藥Steven 撞擊試驗(yàn)結(jié)果。從表1可看出,對(duì)于Ф98 mm ×13 mm 炸藥,反應(yīng)超壓(Δp)穩(wěn)定在4 ～6 kPa,且在撞擊速度229.6 m/s后才發(fā)生爆燃反應(yīng)。對(duì)于Ф98 mm ×39 mm 炸藥,在撞擊速度約76 m/s 后開(kāi)始發(fā)生反應(yīng),且反應(yīng)超壓明顯高于13 mm 厚炸藥。

表2 不同B 炸藥S teven 撞擊試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The results of different size Com posite B in Steven test

2.2 炸藥尺寸對(duì)射彈起爆速度閾值的影響

由表1可知,B 炸藥的厚度對(duì)射彈速度閾值影響很大。Ф98mm ×13 mm 和Ф98 mm ×39 mm 炸藥的射彈起爆速度閾值分別為184.2 ～229.6 m/s和66 ～76.9 m/s?？梢?jiàn),隨著B(niǎo) 炸藥厚度的增加,其射彈起爆速度閾值有所降低。

國(guó)外學(xué)者對(duì)Susan 試驗(yàn)和Steven 試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬[5],認(rèn)為炸藥的起爆是由于碰撞所產(chǎn)生塑性流和絕熱剪切帶局部熱效應(yīng)所引起,同時(shí)國(guó)外研究表明[6]:摩擦、剪切、塑性流動(dòng)(大變形)是Steven試驗(yàn)的主要點(diǎn)火反應(yīng)機(jī)制。因而,對(duì)于13 mm 厚的TNT 和B 炸藥,由于TN T 的熔點(diǎn)僅為80.9 ℃,當(dāng)受到撞擊作用時(shí),摩擦、剪切等作用產(chǎn)生的高溫可導(dǎo)致TN T 熔化,使得材料具有較強(qiáng)的流動(dòng)性,從圖4 和圖5 也發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。熔化吸收了撞擊過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱能,同時(shí)由于樣品只有13 mm 厚度,塑性流動(dòng)產(chǎn)生的熱能小于39 mm 厚的樣品,使得13 mm 厚TN T 、B 炸藥的撞擊起爆速度閾值在180 m/s 以上。而對(duì)于39mm 的厚B 炸藥,撞擊下塑性流動(dòng)較13 mm 樣品更大,產(chǎn)生的熱能也更多,因此其撞擊起爆速度閾值比13 mm 厚樣品的低。

2.3 壓力測(cè)試分析

圖6 為Steven 試驗(yàn)中B 炸藥底部的壓力-時(shí)間曲線。從圖6 中可以看出,對(duì)于Ф98 mm ×13mm B 炸藥,當(dāng)彈速為184.2 m/s 時(shí),炸藥底部受力在17μs 時(shí)達(dá)到約0.30 GPa;當(dāng)彈速為229.6 m/s 時(shí),炸藥底部受力在15 μs 時(shí)達(dá)到約0.40GPa。對(duì)于Ф98 mm×39 mm B 炸藥,當(dāng)彈速為93.2 m/s 時(shí),炸藥底部受力最大約0.14GPa,壓力持續(xù)作用時(shí)間達(dá)到600μs,在630 μs 時(shí) 跳變 至0.4 GPa;當(dāng) 彈速 為229.6 m/s 時(shí),炸藥底部受力在30 μs 時(shí)才開(kāi)始發(fā)生變化,45 μs 時(shí)達(dá)到約0.17 GPa,隨后持續(xù)增長(zhǎng)至0.5GPa。因此,對(duì)于B 炸藥,炸藥厚度變化對(duì)炸藥底部受力有顯著的影響。

圖6 Steven 試驗(yàn)中B 炸藥底部的壓力-時(shí)間曲線Fig.6 The pressure vs.time curves for composite B in Steven test

3 結(jié) 論

(1)Steven 試驗(yàn)中,由于撞擊產(chǎn)生高溫可導(dǎo)致TN T 熔化,使其具有較強(qiáng)的流動(dòng)性,因此TNT 炸藥在射彈速度200m/s 左右撞擊下沒(méi)有發(fā)生反應(yīng)。對(duì)于Ф98 mm×13 mm 的B 炸藥,射彈起爆速度閾值為184.2 ～229.6 m/s,Ф98 mm ×39 mm 的B 炸藥,射彈起爆速度閾值約為66 ～76.9 m/s。

(2)隨著B(niǎo) 炸藥厚度的增加,射彈起爆速度閾值逐漸降低,反應(yīng)超壓增加,且炸藥厚度變化對(duì)炸藥底部壓力有顯著影響。

[1]GJB772A-1997.炸藥試驗(yàn)方法[S].北京:國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì),1997.

[2]Idar D J ,Lucht R A ,S traight J W ,et al.Low amplitude insult project:PBX9501 high explosive violent reaction experiments[C]//11th International Detonation Symposium.Snow mass:[s.n.],1998,101-110.

[3]Vandersall K S,Chidester S K,Forbes J W ,et al.Experimental and modeling studies of crush,puncture,and perforation scenarios in the Steven test[C]//12th International Detonation Symposium.San Diego:[s.n.],2002.

[4]代曉淦,向永.兩種塑料粘結(jié)炸藥的Steven 試驗(yàn)及撞擊感度研究[J].含能材料,2006,14(1):10-13.

DAI Xiao-gan,XIANG Yong.Study of steven test and impact sensitivity for two explosives[J].Energetic M aterial,2006,14(1):10-13.

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[6]董海山,周芬芬.高能炸藥及相關(guān)物性能[M].北京:科學(xué)出版社,1989.