炸藥裝藥在不同應(yīng)變率響應(yīng)條件下的安全性研究進(jìn)展

李亮亮，沈　飛，屈可朋，肖　瑋，何　超

(西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065)

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炸藥裝藥在不同應(yīng)變率響應(yīng)條件下的安全性研究進(jìn)展

李亮亮，沈飛，屈可朋，肖瑋，何超

(西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065)

摘要：綜述了不同應(yīng)變率響應(yīng)條件下炸藥裝藥安全性最新研究進(jìn)展。通過(guò)對(duì)炸藥裝藥應(yīng)用中常用的應(yīng)變率范圍為1~106s-1的大型落錘實(shí)驗(yàn)技術(shù)、分離式霍普金森壓桿(SHPB)實(shí)驗(yàn)技術(shù)、一級(jí)輕氣炮實(shí)驗(yàn)技術(shù)等進(jìn)行了評(píng)述。分析了不同應(yīng)變率響應(yīng)條件下炸藥裝藥安全性實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題。根據(jù)炸藥裝藥安全性研究的趨勢(shì)，認(rèn)為應(yīng)加強(qiáng)中高應(yīng)變率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，重點(diǎn)完善落錘-霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的理論及試驗(yàn)體系，提高一級(jí)輕氣炮實(shí)驗(yàn)技術(shù)的可控性及重復(fù)性。附參考文獻(xiàn)61篇。

關(guān)鍵詞：炸藥裝藥；應(yīng)變率；裝藥安全性；霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)；一級(jí)輕氣炮

引言

戰(zhàn)斗部裝藥是戰(zhàn)斗部的核心之一，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到毀傷的效果。在發(fā)射、穿甲、鉆地等攻擊目標(biāo)的正常使用時(shí)要承受加載速率較高的動(dòng)態(tài)載荷作用。一般認(rèn)為，在外界因素刺激下炸藥材料的力學(xué)行為決定了炸藥裝藥的易損性，而炸藥裝藥的安全性決定了武器的安全性和生存能力。因此，考慮復(fù)雜加載條件對(duì)武器可靠性和安全性的影響就必須研究炸藥材料在復(fù)雜應(yīng)力條件下的力學(xué)響應(yīng)[1]。

國(guó)內(nèi)外采用落錘實(shí)驗(yàn)(drop hammer)、霍普金森壓桿(SHPB)實(shí)驗(yàn)、一級(jí)輕氣炮(One-stage light-gas gun)實(shí)驗(yàn)等動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)技術(shù)，在中高應(yīng)變率加載條件下對(duì)炸藥裝藥不同區(qū)域的安全性進(jìn)行了研究，并取得了一些成果，但依然存在不足，本文主要對(duì)不同應(yīng)變率(應(yīng)變率范圍為1~106s-1)加載條件下炸藥裝藥安全性研究存在的問(wèn)題及未來(lái)的研究方向進(jìn)行了論述。

1大型落錘模擬加載實(shí)驗(yàn)技術(shù)

1.1實(shí)驗(yàn)原理及方法

大型落錘模擬加載裝置主要由落錘、試樣及約束裝置、測(cè)試裝置等構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)彈材料簡(jiǎn)化為一個(gè)彈簧振子[2]。實(shí)驗(yàn)時(shí)直接對(duì)樣品進(jìn)行沖擊。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，某一質(zhì)量落錘被提升到一定高度，以自由落體方式下降并撞擊試樣。壓力傳感器捕獲落錘給予受試樣彈的應(yīng)力加載波形。此模擬裝置最大加載應(yīng)力達(dá)1.5GPa，上升前沿約為2~3ms，加載周期為毫秒量級(jí)，其典型的輸出曲線見(jiàn)圖1。

圖1　落錘實(shí)驗(yàn)典型輸出曲線Fig.1　The output curve of drop hammer experiment

1.2針對(duì)炸藥裝藥安全性開(kāi)展的工作

實(shí)驗(yàn)時(shí)研究者可根據(jù)不同的目的對(duì)裝藥狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)，研究裝藥缺陷、外界加載等條件下不同應(yīng)變率時(shí)炸藥裝藥的安全性。

王世英等[3-5]利用大落錘模擬加載裝置，建立了炸藥裝藥在落錘撞擊下的應(yīng)力測(cè)試方法,模擬了榴彈發(fā)射時(shí)炸藥裝藥所受的主要應(yīng)力特性，研究了炸藥裝藥工藝對(duì)裝藥發(fā)射安全性的影響。結(jié)果表明，影響B(tài)炸藥裝藥發(fā)射安全性的主要因素是其裝藥質(zhì)量，同時(shí)，在其他條件相同時(shí)，壓裝藥的安全性略優(yōu)于鑄裝藥。

肖瑋等[6-7]采用大落錘模擬加載裝置研究了熱和撞擊復(fù)合加載對(duì)炸藥裝藥點(diǎn)火性能的影響以及缺陷位置及裝藥尺寸對(duì)發(fā)射安全性的影響，結(jié)果表明，底隙體積和溫度均影響TNT的點(diǎn)火性能，但溫度的影響大于底隙體積，而缺陷位于墊塊內(nèi)時(shí)對(duì)點(diǎn)火性能的影響更大；樣品尺寸增大，點(diǎn)火時(shí)的落錘高度增加，但超過(guò)臨界值后，點(diǎn)火應(yīng)力峰值不再增大。

趙省向等[8]從熱爆炸理論出發(fā)，推導(dǎo)了炸藥臨界熱點(diǎn)參數(shù)的計(jì)算公式，并采用10kg落錘和400kg大落錘對(duì)幾種炸藥的撞擊感度進(jìn)行了排序，結(jié)果顯示計(jì)算公式與落錘的安全性排序吻合。屈可朋等[9]采用400kg大型落錘模擬裝置研究了RDX基PBX炸藥在不同應(yīng)力率下的撞擊安全性，結(jié)果表明，在中等應(yīng)變率加載條件下，炸藥的變形集中在塑性較大的蠟狀添加物內(nèi)，RDX顆粒變形所導(dǎo)致的熱量被蠟狀添加物吸收，RDX顆粒溫度降低，難以形成熱點(diǎn)，安全性提高。

何超等[10]采用ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)分步壓裝含鋁炸藥大型落錘沖擊加載過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了不同密度分布狀態(tài)的試樣在沖擊作用下的應(yīng)力分布及形變特征，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，探討了密度差對(duì)裝藥安全性的影響。結(jié)果表明，由于徑向密度差的存在，沖擊作用下試樣受力分布不均，炸藥顆粒由中心向邊緣流動(dòng)，增加了“熱點(diǎn)”形成幾率。高大元等[11]采用落錘撞擊實(shí)驗(yàn)獲得了改性B炸藥的感度。結(jié)果表明，MB-1和MB-2的Φ20mm×10mm藥片爆炸反應(yīng)的閾值高度分別為3.5~4m和6~6.5m，表明MB-1的落錘撞擊感度高于MB-2。Radford[12]、Pope[13]及Swallowe[14]等對(duì)落錘的原理進(jìn)行論述。Mortlock[15]、Heavens[16]、Field[17-18]、Walley[19]等采用落錘沖擊裝置研究了炸藥的安全性，同時(shí)，F(xiàn)ield[17-18]、Walley[19]還將試樣置于透明玻璃砧中觀測(cè)了試樣的動(dòng)態(tài)損傷，炸藥的力學(xué)性能決定安全性，因此動(dòng)態(tài)損傷的觀測(cè)對(duì)炸藥的安全性評(píng)估具有很大的指導(dǎo)意義。

Mary等[20]采用一定質(zhì)量的落錘對(duì)炸藥進(jìn)行沖擊，獲得了炸藥材料的安全性。Barry Fishburn[21]采用Picatinny activatour(一種改進(jìn)的雙峰加載落錘裝置)裝置模擬了含底隙的炸藥在過(guò)載條件下的響應(yīng)情況。結(jié)果表明，應(yīng)力-時(shí)間曲線上有兩個(gè)峰(分別記為P1和P2)，P1峰上升很快，一般為1~2μs，P2峰上升較緩慢，整個(gè)加載過(guò)程可持續(xù)100μs?？諝獾膲嚎s程度(底隙中空氣的溫度)與P1峰有關(guān)，P2峰對(duì)溫度的上升影響不大。

以上實(shí)驗(yàn)中炸藥裝藥置于約束裝置(套筒)內(nèi)，無(wú)法布置攝影裝置直接觀測(cè)樣品的變形情況。Walley等[22]設(shè)計(jì)了一種新的裝置(見(jiàn)圖2)，對(duì)試樣在動(dòng)態(tài)高壓及剪切作用下的響應(yīng)情況進(jìn)行了觀測(cè)，點(diǎn)火情況見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出，此裝置加入了高速攝影，實(shí)時(shí)拍攝含能材料承受沖擊載荷時(shí)樣品尺寸變化、樣品中的裂紋發(fā)展及點(diǎn)火情況，可用來(lái)研究含能材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及評(píng)價(jià)炸藥裝藥的安全性[23]，對(duì)炸藥裝藥中等應(yīng)變率下的安全性實(shí)驗(yàn)研究具有一定的指導(dǎo)作用。

圖2　大型落錘-高速攝像裝置示意圖Fig.2　Schematic diagram of large drop hammer-highspeed photography

圖3　沖擊加載下炸藥的點(diǎn)火情況Fig.3　The ignition situation of explosive underimpact loading

綜上可以看出，大落錘模擬加載裝置主要用于評(píng)估炸藥裝藥的安全性及抗過(guò)載能力，但依然存在以下問(wèn)題：首先，未給出炸藥裝藥實(shí)際工況下的應(yīng)變率，這也是測(cè)試中的難點(diǎn)；其次，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中炸藥裝藥均在套筒中，動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況無(wú)法觀測(cè)；最后，如何將實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合，節(jié)約成本，并快速優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，將成為未來(lái)實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2霍普金森壓桿(SHPB)實(shí)驗(yàn)技術(shù)

1914 年 B. Hopkinson[24]測(cè)量了彈性長(zhǎng)桿在動(dòng)態(tài)碰撞過(guò)程中的壓力脈沖，并用應(yīng)力波的傳播進(jìn)行表征，研究了炸藥爆炸產(chǎn)生的壓力-時(shí)間關(guān)系，初步建立了 Hopkinson 桿試驗(yàn)系統(tǒng)。1949 年，Kolsky[25]將試樣置于兩根鋼桿之間，采用雷管引爆所產(chǎn)生的壓力脈沖對(duì)桿進(jìn)行加載，用電容器測(cè)量到達(dá)試樣的壓力脈沖值及輸出桿的位移，獲得試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。目前已開(kāi)發(fā)了一系列不同功能的SHPB技術(shù)，并采用溫度變化、CT、高速攝影、DIC(數(shù)字圖像相關(guān))等技術(shù)，使SHPB壓桿技術(shù)從材料的表面觀察向內(nèi)部拓展，用以研究炸藥裝藥的動(dòng)態(tài)拉伸、壓縮、剪切、圍壓等性能，以及動(dòng)態(tài)斷裂韌度的測(cè)試。國(guó)內(nèi)也廣泛開(kāi)展了SHPB技術(shù)研究，現(xiàn)已掌握單脈沖、可控多脈沖、不同溫度環(huán)境下的SHPB實(shí)驗(yàn)等技術(shù)，研究出多種測(cè)試技術(shù)，如石英、鈮酸鋰壓電晶體應(yīng)力測(cè)試、激光光通量、同步高速攝影結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)等技術(shù)，獲得了一些有指導(dǎo)性的研究成果。

2.1工作原理及裝置

分離式霍普金森壓桿裝置組成如圖4所示。高壓氣室的壓力改變子彈速度，對(duì)試樣進(jìn)行不同應(yīng)變率的加載；輸入桿及輸出桿上的應(yīng)變片采集應(yīng)力波信息，通過(guò)公式(1)~(3)即可計(jì)算應(yīng)變率、應(yīng)變及應(yīng)力[26]。

(1)

(2)

(3)

式中：c為鋁桿中的彈性縱波波速；l0為試樣的初始長(zhǎng)度；A為鋁桿截面積；A0為試樣初始截面積；E為鋁桿彈性模量；εr為試樣兩端面上的反射波；εt為試樣兩端面上的透射波。

圖4　分離式霍普金森壓桿原理圖Fig.4　Principle chart of SHPB

2.2針對(duì)炸藥裝藥安全性開(kāi)展的工作

盧芳云等[27-28]采用SHPB實(shí)驗(yàn)研究了3種含能材料的高應(yīng)變率響應(yīng)，結(jié)果表明：摩擦效應(yīng)會(huì)對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線產(chǎn)生影響，加入潤(rùn)滑劑可減小摩擦。通過(guò)加載波波形的控制實(shí)現(xiàn)了軟材料的應(yīng)力平衡和常應(yīng)變率加載。吳會(huì)民[29]、李克武[30]、陶俊林[31]、張鵬[32]等采用SHPB實(shí)驗(yàn)分別研究了PBX、B炸藥、JOB-9003等炸藥裝藥在高應(yīng)變率下的力學(xué)響應(yīng)、損傷模式及本構(gòu)模型等，并指出104s-1應(yīng)變率下SHPB系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中試件的絕熱溫升效應(yīng)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響不可忽略。

Williamson等[33]采用SHPB實(shí)驗(yàn)對(duì)RDX基炸藥進(jìn)行了固定應(yīng)力加載，研究炸藥的微結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)械損壞的響應(yīng)影響。屈可朋等[34]采用SHPB實(shí)驗(yàn)研究了RDX基PBX炸藥在被動(dòng)圍壓下的力學(xué)性能，并與非圍壓狀態(tài)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，圍壓狀態(tài)下RDX基PBX炸藥承受的極限壓力遠(yuǎn)高于無(wú)圍壓狀態(tài)。

SHPB實(shí)驗(yàn)中所設(shè)計(jì)的加載裝置及調(diào)整波形的方法等措施是否合理、所測(cè)數(shù)據(jù)是否有效等問(wèn)題需要證實(shí)，因此需采用數(shù)值仿真的方法進(jìn)行模擬，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如趙鵬鐸[35]、張智峰[36]等采用數(shù)值模擬研究了透射桿中所測(cè)壓縮信號(hào)的有效性及動(dòng)態(tài)斷裂試驗(yàn)，確保了數(shù)據(jù)的有效性，也為材料的斷裂機(jī)理研究提供依據(jù);吳賽等[37]采用有限元ANSYS/LS-DYNA建立了數(shù)值模型，對(duì)材料在不同圍壓、不同應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，隨著應(yīng)變率的增加，破壞機(jī)制由劈裂破壞變?yōu)閴核槠茐摹?/p>

Goudrean[38]采用SHPB研究了PBXW-113炸藥在高應(yīng)變率(103~104s-1)下的動(dòng)態(tài)性能，獲得了壓縮實(shí)驗(yàn)和拉伸動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。Drodge[39]、Hoffman[40]等采用SHPB研究了含能材料在中、高應(yīng)變率下的力學(xué)響應(yīng)，獲得相應(yīng)的本構(gòu)方程。Blumenthal等[41]采用SHPB研究了PBXN-10炸藥在高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)壓縮性能。結(jié)果表明，應(yīng)變率和溫度對(duì)壓縮應(yīng)力峰值影響很大，隨著溫度的降低和應(yīng)變率的增加，炸藥的壓縮強(qiáng)度和加載模量會(huì)有所增加。Quidot等[42-43]用SHPB對(duì)澆注PBX炸藥的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為進(jìn)行了研究，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。Grantham等[44]利于SHPB研究了PBS9501炸藥在高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，建立了本構(gòu)關(guān)系。Rae等[45]采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)對(duì)PBX炸藥試樣在溫度老化前后的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)破壞應(yīng)力和破壞應(yīng)變都降低，認(rèn)為基體內(nèi)硝化纖維素分子的變形是導(dǎo)致PBX炸藥試樣力學(xué)性能降低的主要原因。

Wiegand[46]采用SHPB實(shí)驗(yàn)研究了PBX炸藥在準(zhǔn)一維應(yīng)變條件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)。結(jié)果表明，在不同圍壓條件下，炸藥材料在單軸加載下為脆性斷裂，圍壓條件下為塑性破壞。對(duì)PBX炸藥，屈服強(qiáng)度和塑性模量均隨著圍壓應(yīng)力的增加而增大。Balzer等[47]采用SHPB壓桿對(duì)PBX炸藥的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，低溫時(shí)AP顆粒的尺寸效應(yīng)才會(huì)顯現(xiàn)；顆粒尺寸與流動(dòng)應(yīng)力為線性關(guān)系。

SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)獲得的應(yīng)變率可達(dá)到5000s-1，但實(shí)驗(yàn)樣品是裸露狀態(tài)，且壓桿尺寸較小，即使做圍壓實(shí)驗(yàn)，也不一定能夠在高速攝影裝置中觀察到炸藥裝藥的點(diǎn)火現(xiàn)象，無(wú)法表征炸藥裝藥的安全性。Joshi等[48]用SHPB壓桿技術(shù)研究了PBXN-110炸藥的性能，發(fā)現(xiàn)即使減小樣品尺寸也觀察不到點(diǎn)火現(xiàn)象。鑒于此，他們發(fā)明了一種兼有落錘和SHPB功能的裝置落錘-霍普金森桿，如圖5所示。

圖5　落錘-霍普金森桿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5　Drop hammer- Hopkinson bar experimental system

與傳統(tǒng)SHPB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相比，落錘-霍普金森桿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中只有子彈、入射桿和阻尼器，無(wú)透射桿和吸收桿，樣品置于入射桿和砧骨之間。實(shí)驗(yàn)時(shí)入射桿動(dòng)能傳入到試樣中，試樣處于高應(yīng)變和高應(yīng)變率加載下，炸藥是否點(diǎn)火由沉積于試樣中的能量和能量隨時(shí)間的變化率共同決定。高速相機(jī)記錄試樣變形，砧骨上安裝壓力傳感器，記錄試樣的受力情況，高速紅外相機(jī)記錄試樣底面的溫度場(chǎng)變化，紅外探測(cè)器記錄點(diǎn)火情況。通過(guò)公式(4)和(5)計(jì)算沉積于試樣中的能量及能量率：

(4)

(5)

每次試驗(yàn)可以得到能量-能量率坐標(biāo)平面的一個(gè)點(diǎn)，以及炸藥是否點(diǎn)火的信息。改變加載條件反復(fù)進(jìn)行多次試驗(yàn)，即可獲得炸藥的點(diǎn)火極限，見(jiàn)圖6。圖6中紅色虛線為該炸藥的點(diǎn)火極限，當(dāng)炸藥中沉積的能量和能量率落在虛線右上部位，則一般發(fā)生點(diǎn)火。故落錘-霍普金森桿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)適合于測(cè)試/表征含能材料的點(diǎn)火極限。目前的SHPB桿實(shí)驗(yàn)條件單純測(cè)試材料力學(xué)響應(yīng)，文獻(xiàn)研究可同時(shí)獲得含能材料力學(xué)性能及其安全性(爆或不爆)，對(duì)含能材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能與安全性關(guān)系研究具有重要的意義。

圖6　PBXN-110炸藥的點(diǎn)火極限曲線Fig.6　Threshold curve for PBXN-110

材料動(dòng)態(tài)力學(xué)行為研究的目的是為了了解含能材料的動(dòng)態(tài)破壞機(jī)制，因此需要在SHPB實(shí)驗(yàn)后對(duì)樣品進(jìn)行回收分析，如張子敏等[49]對(duì)回收試樣細(xì)觀損傷模式進(jìn)行了SEM觀測(cè)。結(jié)果表明，JH-14C傳爆藥壓制成型后，顆粒存在初始損傷，在高應(yīng)變率加載下初始損傷進(jìn)行擴(kuò)展，表現(xiàn)為穿晶斷裂，隨著應(yīng)變率的增加，破碎程度增加，并出現(xiàn)沿晶斷裂。

綜上文獻(xiàn)可知，SHPB僅僅是一種實(shí)驗(yàn)加載手段，除落錘-霍普金森桿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)外尚未見(jiàn)到在SHPB壓桿上觀察到炸藥的點(diǎn)火現(xiàn)象。因此，面對(duì)具體炸藥的常規(guī)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)時(shí)，首先需要了解物化性能，針對(duì)不同的材料設(shè)計(jì)不同的裝置，獲得需要的加載曲線；其次進(jìn)行摸底實(shí)驗(yàn)，采用數(shù)值仿真的手段進(jìn)行過(guò)程模擬，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化；最后研究材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為，并采用SEM、高速攝影技術(shù)、CT技術(shù)、DIC技術(shù)等研究含能材料的損傷模式及破壞機(jī)制。建議實(shí)驗(yàn)時(shí)做完一發(fā)實(shí)驗(yàn)，待數(shù)據(jù)分析后再進(jìn)行第二發(fā)實(shí)驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)的有效性及實(shí)驗(yàn)的目的性。觀察高應(yīng)變率響應(yīng)下炸藥的點(diǎn)火現(xiàn)象需采用落錘-霍普金森桿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，或者一級(jí)輕氣炮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

3一級(jí)輕氣炮實(shí)驗(yàn)技術(shù)

3.1工作原理及裝置

一級(jí)輕氣炮加載裝置示意圖見(jiàn)圖7。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，把高壓氣室充到預(yù)定彈速需要的氣壓，炮管中抽真空。自勵(lì)式快開(kāi)錐閥迅速開(kāi)啟(毫秒級(jí))，高壓氣體推動(dòng)彈丸前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射。彈丸經(jīng)炮管的導(dǎo)向和不斷加速后，在出口時(shí)達(dá)到最高速度，進(jìn)入靶室與安裝在靶箱內(nèi)的實(shí)驗(yàn)靶標(biāo)(樣品)相碰撞，達(dá)到高速碰撞加載目的，然后在靶室的回收艙中進(jìn)行回收，完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程。此試驗(yàn)裝置碰撞時(shí)的加載速率為微秒量級(jí)。一級(jí)輕氣炮對(duì)無(wú)鈷合金鋼[50]、鋼筋混凝土材料[51]加載的應(yīng)變率可分別達(dá)到104~106s-1、104~105s-1。一級(jí)輕氣炮加載炸藥裝藥的應(yīng)變率還未見(jiàn)報(bào)道，但預(yù)計(jì)可以達(dá)到104~106s-1。

圖7　一級(jí)輕氣炮實(shí)驗(yàn)裝置原理示意圖Fig.7　Schematic diagram of one-stage light-gasgun accelerator

3.2針對(duì)炸藥裝藥安全性開(kāi)展的工作

一級(jí)輕氣炮是目前通用的高速發(fā)射和高壓加載工具，它能發(fā)射各種裝藥缺陷的模擬彈丸，而且彈丸的質(zhì)量、尺寸和材料范圍廣泛。一級(jí)輕氣炮實(shí)驗(yàn)技術(shù)作為一種高速碰撞手段，已被廣泛應(yīng)用于材料的沖擊損傷研究。國(guó)外已采用此技術(shù)研究了炸藥的損傷問(wèn)題，但國(guó)內(nèi)主要研究巖石、混凝土等[50-54]非含能材料的沖擊損傷問(wèn)題，有關(guān)含能材料損傷問(wèn)題的公開(kāi)報(bào)道較少。

Anderson[55]采用一級(jí)輕氣炮研究了PBXN-5炸藥的損傷問(wèn)題，對(duì)破壞-點(diǎn)火-反應(yīng)壓縮模型做了補(bǔ)充優(yōu)化，結(jié)果表明，炸藥起爆機(jī)理與輸入的能量脈沖和材料損壞有關(guān)。Robin等[56]建立了一種新型的超高速氣炮實(shí)驗(yàn)裝置，氣室對(duì)彈丸提供單次、加長(zhǎng)的壓力脈沖。數(shù)值模擬結(jié)果表明，與典型的二級(jí)輕氣炮裝置相比，此裝置對(duì)氣炮本身最大的壓力加載脈沖可降低約30%。Justin等[57]建立的爆炸驅(qū)動(dòng)輕氣炮可將0.36g的目標(biāo)加速到10.4km/s，突破了常用氣炮的加載極限8km/s，對(duì)超高速碰撞研究具有重大意義。Gustavsen等[58]將一根非常光潔的鋼棒連接到PBX 9501炸藥試樣上，采用一級(jí)輕氣炮對(duì)其進(jìn)行碰撞，實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的沖擊速度(約0.744km/s)，獲得炸藥的沖擊應(yīng)力可達(dá)到4.5GPa。ZHAO Shi-cao等[59]采用炸藥作為輕氣炮的加載源，其氣體混合物推動(dòng)彈丸前進(jìn)而無(wú)破壞。數(shù)值模擬結(jié)果表明，1.03g球形合金(代號(hào)2024)可被加速到9.6km/s，無(wú)大范圍變形及損傷。

傳統(tǒng)的二級(jí)輕氣炮依靠彈丸速度對(duì)目標(biāo)進(jìn)行加載，但需要非常高的彈丸初速時(shí)，傳統(tǒng)裝置表現(xiàn)出極限壓力，F(xiàn)rancesconi等[60]介紹了一種基于氣體動(dòng)力學(xué)的新方法，采用此方法不需要提高膛內(nèi)壓力即可提高碰撞時(shí)的最終速度。

瑞睿等[61]論述了一級(jí)輕氣炮加載試驗(yàn)系統(tǒng)用于研究微秒量級(jí)炸藥安全性的可行性，并以某炸藥為例進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明此試驗(yàn)系統(tǒng)可用以評(píng)價(jià)炸藥安全性。

一級(jí)輕氣炮實(shí)驗(yàn)技術(shù)用于炸藥裝藥安全性的研究，需要注意以下問(wèn)題：(1)一級(jí)輕氣炮實(shí)驗(yàn)技術(shù)的加載時(shí)間為微秒量級(jí)，試樣的安裝狀態(tài)和應(yīng)變率響應(yīng)參數(shù)的測(cè)試方法需進(jìn)行改進(jìn)甚至重新設(shè)計(jì)；(2)準(zhǔn)靜態(tài)或低速撞擊下的數(shù)據(jù)獲取技術(shù)將不再適用，因此高速碰撞下的數(shù)據(jù)獲取技術(shù)將成為重點(diǎn)和難點(diǎn)；(3)實(shí)驗(yàn)過(guò)程炸藥裝藥響應(yīng)情況的表征將成為重點(diǎn)和難點(diǎn)；(4)采用此技術(shù)研究戰(zhàn)斗部用炸藥裝藥的侵徹安定性時(shí)，加載條件的等效性問(wèn)題將成為重點(diǎn)和難點(diǎn)。

一級(jí)輕氣炮能完整地記錄彈丸對(duì)炸藥裝藥快速壓縮的整個(gè)過(guò)程中應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況，是研究炸藥裝藥高應(yīng)變率響應(yīng)下發(fā)射安全性及侵徹安定性的較好手段。同時(shí)，隨著目前工藝技術(shù)的改善，炸藥裝藥的質(zhì)量提高以及炸藥裝藥長(zhǎng)脈寬加載條件下的安全性逐漸得到解決，未來(lái)短脈寬加載條件下的安全性研究將成為重點(diǎn)，因此，一級(jí)輕氣炮實(shí)驗(yàn)技術(shù)將成為炸藥裝藥安全性研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

4結(jié)束語(yǔ)

從文獻(xiàn)資料看，關(guān)于炸藥的中高應(yīng)變率，落錘及SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)已發(fā)展成熟，但中等應(yīng)變率研究存在不足；氣炮實(shí)驗(yàn)技術(shù)在高應(yīng)變率時(shí)的可控性依然值得深入研究，今后的研究重點(diǎn)是：

(1)力學(xué)響應(yīng)參量與安全性表征參量的關(guān)聯(lián)技術(shù)將成為重點(diǎn)，目前的研究均將力學(xué)響應(yīng)與安全性分開(kāi)研究，研究的結(jié)果具有片面性，因此應(yīng)加大中等應(yīng)變率的落錘-霍普金森桿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究，同時(shí)研究炸藥裝藥動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及安全性。同時(shí)，該系統(tǒng)是改進(jìn)的SHPB系統(tǒng)，其基礎(chǔ)理論還需要進(jìn)一步完善。

(2)一級(jí)輕氣炮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)獲取手段已經(jīng)建立，要作為評(píng)價(jià)炸藥裝藥安全性的標(biāo)準(zhǔn)裝置，需解決應(yīng)變率可控技術(shù)、數(shù)據(jù)重復(fù)性問(wèn)題和實(shí)驗(yàn)可視化問(wèn)題，這將成為今后研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

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Progress of Study on the Safety of Explosive Charge under Different Strain-rate Conditions

LI Liang-liang, SHEN Fei, QU Ke-peng, XIAO Wei, HE Chao

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065,China)

Abstract:The latest research progress on the safety of explosive charge under different strain-rate response conditions was summarized. The experimental techniques of large drop hammer, separating Hopkinson pressure bar (SHPB) and one-stage light-gas gun with strain rate range from 1 to 106s-1commonly used in application of explosive charge were reviewed. The problems existed in the safety experiment of explosive charge under different strain-rate response were analyzed. According to the trends of safety of explosive charge, considering that the development of experimental techniques of response under middle-high strain-rate should be strengthened, theory and experimental system for drop hammer-Hopkinson bar should be emphatically improved, the controllability and repeatability of experimental techniques of one-stage light-gas gun should be highlighted. With 61 references.

Keywords:explosive charge; strain-rate; safety of explosive charge; Hopkinson pressure bar experiment; one-stage light-gas gun

中圖分類號(hào)：TJ55; V512+.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-7812(2016)01-0014-09

作者簡(jiǎn)介:李亮亮(1983-)，男，工程師，從事火炸藥動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及安全性研究。E-mail: pep2968@163.com

基金項(xiàng)目:國(guó)家安全重大專項(xiàng)資助(00401030201)

收稿日期:2014-12-05；修回日期:2015-08-22

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.01.002