炸藥裝藥侵徹安全性模擬實驗方法研究

屈可朋，肖 瑋，李亮亮

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炸藥裝藥侵徹安全性模擬實驗方法研究

屈可朋，肖 瑋，李亮亮

（西安近代化學(xué)研究所，陜西西安，710065）

為使炸藥裝藥侵徹安全性模擬試驗環(huán)境更接近炸藥裝藥實彈侵徹過程中的受力環(huán)境，基于“應(yīng)力率等效”和“摩擦功率密度等效”原則，分別建立了壓縮載荷模擬實驗方法和摩擦載荷模擬實驗方法。實驗結(jié)果表明，模擬實驗中藥柱所受應(yīng)力率和摩擦功率密度的量值與實彈侵徹過程中炸藥裝藥所受量值相近，能夠模擬炸藥裝藥實彈侵徹過程中的受力環(huán)境，并利用“比較法”驗證了模擬實驗方法的有效性。

炸藥裝藥；侵徹安全性；模擬實驗；壓縮載荷；摩擦載荷

近年來，侵徹戰(zhàn)斗部已經(jīng)成為攻擊地下深層目標(biāo)或艦艇的重要手段。戰(zhàn)斗部在攻擊目標(biāo)靶的過程中，其炸藥裝藥承受的載荷主要包括兩方面：一是炸藥裝藥自身慣性作用使彈體頭部對其產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓縮作用；二是炸藥裝藥與殼體內(nèi)壁或炸藥裝藥內(nèi)部產(chǎn)生的摩擦作用[1]。戰(zhàn)斗部裝藥的侵徹過程就是應(yīng)力載荷的動態(tài)施加過程，可導(dǎo)致炸藥裝藥損傷、結(jié)構(gòu)完整性破壞甚至早炸等，影響戰(zhàn)斗部的使用安全性和作戰(zhàn)效能。因此，需要開展炸藥裝藥在侵徹條件下的安全評價。

目前，實驗室研究炸藥裝藥在壓縮載荷作用下安全性的方法主要有：落錘加載試驗[2]、小型后作沖擊模擬試驗[3]、霍普金斯試驗[4-5]等，這些試驗方法加載速率較低，加載時間一般為毫秒量級，無法等效侵徹過程中炸藥裝藥所受應(yīng)力載荷；對于炸藥裝藥在摩擦載荷作用下安全性的研究主要是采用標(biāo)準(zhǔn)摩擦裝置[6]，適用于毫克級粉狀或漿狀材料，并以爆炸概率表征其摩擦感度，但不能定量測量出摩擦載荷的量值，亦不能評價炸藥裝藥在侵徹環(huán)境下的摩擦安全性。

本文提出了一種新的炸藥裝藥侵徹安全性模擬實驗方法，能較好地模擬炸藥裝藥實彈侵徹時所受應(yīng)力載荷，并基于“比較法”驗證了模擬實驗方法的有效性，為科學(xué)評價炸藥裝藥侵徹安全性提供技術(shù)支撐。

1 實驗方法

1.1 壓縮載荷模擬實驗方法

壓縮載荷模擬實驗采用“應(yīng)力率等效”原則，即模型實驗中炸藥裝藥所承受的應(yīng)力率與炸藥裝藥侵徹過程中所受應(yīng)力率相等效。實驗所用壓縮載荷模擬實驗裝置如圖1所示。

圖1 壓縮載荷模擬實驗裝置

通過高速彈丸撞擊上擊柱，由上擊柱對藥柱施加軸向壓縮應(yīng)力，從而實現(xiàn)對炸藥裝藥的壓縮加載，擊柱底部的傳感器記錄炸藥裝藥在壓縮過程中所受的應(yīng)力波形。可通過調(diào)節(jié)重量、速度及增加緩沖裝置的方法調(diào)整應(yīng)力率，觀測藥柱在不同應(yīng)力率下的反應(yīng)情況，然后與炸藥裝藥使用環(huán)境下的應(yīng)力率進(jìn)行對比，即可考核裝藥在實際使用過程中的壓縮安全性。

1.2 摩擦載荷模擬實驗方法

摩擦載荷模擬實驗采用“摩擦功率密度等效”原則，即模型實驗中炸藥裝藥所承受的摩擦功率密度與炸藥裝藥侵徹過程中所受摩擦功率密度相等效。

實驗所用摩擦載荷模擬實驗裝置如圖2所示。通過自由落體的重物撞擊端蓋，對模擬藥和藥柱施加軸向壓縮應(yīng)力，并利用傳力柱的最大運行距離控制摩擦載荷的作用距離，藥柱與傳力柱間的模擬藥是為了避免傳力柱金屬端面與藥柱端面直接接觸，而藥柱另一側(cè)的模擬藥在軸向壓應(yīng)力作用下，先于藥柱與摩擦筒內(nèi)壁發(fā)生摩擦，使摩擦筒尚未與藥柱發(fā)生摩擦的內(nèi)壁溫度上升，以模擬炸藥裝藥的真實使用環(huán)境；由于套筒的內(nèi)孔為變徑中心孔，快速沖壓作用使得摩擦筒內(nèi)的模擬藥和藥柱產(chǎn)生周向膨脹，由粘貼于摩擦筒側(cè)壁外圓周上的應(yīng)變片測量其周向應(yīng)變。為了更準(zhǔn)確地模擬彈體裝藥的真實環(huán)境，可在摩擦筒內(nèi)壁涂覆與真實彈體內(nèi)壁同樣的各類涂層，如鐵紅漆、瀝青漆等。

圖2 摩擦載荷模擬試驗裝置

依據(jù)厚壁圓筒彈性理論[7]，可算出藥柱摩擦過程中所受周向壓力。

式（1）中：，分別為厚壁圓筒的內(nèi)、外半徑；1為厚壁圓筒材料的楊氏模量；為套筒外壁環(huán)向應(yīng)變。通過周向壓力及速度，進(jìn)而可得到摩擦功率密度，通過與炸藥裝藥使用環(huán)境下的摩擦功率密度做比較，即可考核裝藥在實際使用過程中的摩擦安全性。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 壓縮載荷模擬實驗

文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)果表明，某型航彈以500m/s速度侵徹C30混凝土靶時，炸藥裝藥所受的壓縮應(yīng)力峰值約為500MPa，應(yīng)力的上升前沿約100μs，故其應(yīng)力率為5MPa/μs。采用上述壓縮載荷模擬實驗裝置，上、下?lián)糁疤淄簿捎酶邚?qiáng)度鋼加工而成，套筒內(nèi)徑為40mm，緩沖墊為聚乙烯材料，尺寸為φ40mm×5mm，藥柱為φ40mm×40mm的圓柱體，端面平整。以一級輕氣炮作用加載源，彈丸以400~450m/s的速度撞擊上擊柱，藥柱在不同應(yīng)力率下的力學(xué)響應(yīng)特性列于表1。

表 1 不同應(yīng)力率加載條件下藥柱的響應(yīng)特性

Tab.1 Response characteristics of explosive under the different stress rate loading condition

由表1可見，模擬實驗中藥柱所受的應(yīng)力率與實彈侵徹條件下炸藥裝藥所受應(yīng)力率在量值上相等效，能夠考核裝藥在實際使用過程中的壓縮安全性。

2.2 摩擦載荷模擬實驗

文獻(xiàn)[9]的研究結(jié)果表明：某型航彈以500m/s速度侵徹C30混凝土靶時，炸藥裝藥的摩擦最大載荷出現(xiàn)在裝藥尾部，此處，炸藥裝藥與彈體的最大相對位移為80mm，最大摩擦功率密度為9.38×107W/m2（假定摩擦系數(shù)為0.1）。采用上述摩擦載荷模擬實驗裝置，摩擦筒內(nèi)徑為40mm，模擬藥柱尺寸分別為φ40mm×10mm和φ40mm×80mm，炸藥藥柱尺寸為φ40mm×20mm。依據(jù)文獻(xiàn)[9]的研究結(jié)果，彈體中炸藥裝藥和殼體的最大相對位移為80mm，故傳力柱的最大壓縮量也設(shè)定為80mm。在摩擦筒內(nèi)壁涂覆約0.5mm鐵紅漆。

實驗中，利用400kg重錘從不同高度自由落體對樣彈擊柱施加軸向應(yīng)力，藥柱在不同摩擦功率密度作用下的力學(xué)響應(yīng)特性列于表2。由表2可知，模擬實驗中藥柱所受的摩擦功率密度與實彈侵徹條件下炸藥裝藥所受摩擦功率密度在量值上相等效，能夠考核裝藥在實際使用過程中的摩擦安全性。

表 2 不同摩擦功率密度作用下的藥柱的響應(yīng)特性

Tab.2 Response characteristics of explosive under different friction power density loading condition

2.3 模擬實驗方法的有效性驗證

由于工程實驗中難以直接獲取炸藥裝藥所受應(yīng)力，故采用“比較法”驗證炸藥裝藥侵徹安全性模擬實驗方法的有效性，即：以已成功應(yīng)用于工程試驗驗證的炸藥裝藥為基準(zhǔn)，采用本文的模擬實驗方法，考核新型高能炸藥的侵徹安全性，從而說明新型高能炸藥在工程試驗中的適用性。有效性驗證實驗采用HMX基溫壓炸藥與已成功應(yīng)用于某型侵徹彈的RDX基PBX炸藥裝藥進(jìn)行對比，該RDX基PBX炸藥裝藥以500m/s速度穿透4m厚的C30混凝土靶，裝藥安定。

設(shè)計了4種HMX基溫壓炸藥（采用了不同的配方或成型工藝），分別采用RDX基PBX炸藥最大未反應(yīng)應(yīng)力率和最大未反應(yīng)摩擦功率密度時的加載條件，測試4種HMX基溫壓炸藥的響應(yīng)特性，結(jié)果見表3。

表 3 不同HMX基溫壓炸藥的響應(yīng)特性

Tab.3 Response characteristics of different HMX-based thermobaric explosive

由表3可見，未燃未爆的炸藥配方或成型工藝能夠滿足工程實驗的要求，反之，則不滿足要求。在模擬實驗中未燃未爆的2#樣品順利通過了炸藥裝藥侵徹安定性實彈考核（以500m/s速度穿透4m厚的C30混凝土靶），說明了該實驗方法的有效性。

3 結(jié)論

（1）模擬實驗中藥柱所受應(yīng)力率和摩擦功率密度的量值與實彈侵徹條件下炸藥裝藥所受量值相等效，能較好地模擬炸藥裝藥實彈侵徹時所受應(yīng)力載荷。（2）采用“比較法”能夠定性評價新型高能炸藥在工程試驗中的侵徹安全性，為炸藥裝藥侵徹安定性評估提供了技術(shù)支撐。

[1] 梁增友.炸藥沖擊損傷與起爆特性[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[2] Joshi V.S., Richmond C.T. Characterization of ignition threshold of PBXN-110 using hybrid drop weight-Hopkinson bar [C]//14th Detonation Symposium Proceedings.Idaho: Office of Naval Research,2010.

[3] 周培毅,徐更光,張景云,等.改B炸藥裝藥發(fā)射安全性實驗研究[J].火炸藥學(xué)報,1994(4):34-36.

[4] Balzer J. E, Siviour C. R, Walley S. M,et al.Behaviour of ammonium perchlorate-based propellants and apolymer -bonded explosive under impact loading[J]. Proc.R.Soc. Lond.A,2004(460):181-806.

[5] 張子敏,許碧英,仲愷,等.沖擊載荷作用下JH-14C傳爆藥的動態(tài)響應(yīng)實驗研究[J]. 火炸藥學(xué)報, 2010, 33(1):57-59.

[6] 胡雙啟,趙海霞,肖忠良.火炸藥安全技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2014.

[7] 徐芝綸. 彈性力學(xué)(第三版)[M].北京：高等教育出版社,1990.

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[9] 谷鴻平,馮偉,李鵬飛.侵徹載荷下裝藥與殼體摩擦生熱對炸藥安定性影響數(shù)值計算[C]//第十二屆全國戰(zhàn)斗部與毀傷技術(shù)學(xué)術(shù)交流會論文集,2011.

Study on Simulating Experimental Method for the Safety of Explosive Charge during Penetration

QU Ke-peng, XIAO Wei, LI Liang-liang

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an, 710065)

In order to make the simulating experimental environment approach to the practical stress environment of explosive charge during the penetration, based on equivalent principle stress rate and that of friction power density, the compression load simulating experimental method and friction load simulating experimental method were established respectively. The results showed that the numerical value of stress rate and friction power density in simulating experiment are similar to that in practical penetration, therefore the simulating experiment can simulate the practical stress environment of explosive charge during the penetration. Meanwhile, the validity of simulating experiment method is verified by comparative law.

Explosive charge；Penetration safety；Simulating experiment；Compression load；Friction load

1003-1480（2017）01-0046-03

TQ560.72

A

2016-09-09

屈可朋（1983 -），男，副研究員，主要從事彈藥材料動態(tài)力學(xué)響應(yīng)及安全性評估研究。

國家重大基礎(chǔ)科研專項（EPYSYZ01）。