約束條件對發(fā)射裝藥機械沖擊作用下敏感特性的影響

張鄒鄒，張 衡，楊麗俠，趙寶明，靳建偉

(西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

引 言

我國現(xiàn)役彈藥在研發(fā)裝備過程中主要考慮戰(zhàn)技指標和發(fā)射安全性能，未進行不敏感化設計。在現(xiàn)代戰(zhàn)場上，為了保證火力的持續(xù)性，往往攜帶的彈藥基數(shù)都很大，受到敵方攻擊時可能發(fā)生劇烈的燃爆乃至爆炸等響應。為了提高武器平臺在戰(zhàn)場上的生存能力，避免因自身裝備彈藥受刺激發(fā)生劇烈響應而損毀，國內(nèi)外特別重視中大口徑火炮彈藥用高能不敏感發(fā)射藥與裝藥的研發(fā)，子彈撞擊、破片撞擊和高速射流撞擊試驗涵蓋了彈藥受到不同口徑型武器和破片類彈藥攻擊時評估和檢驗彈藥敏感特性的重要實驗[1]。國內(nèi)首次結(jié)合型號對155mm火炮用模塊裝藥的易損性評估通過“射流撞擊”和“子彈撞擊”兩項試驗，對大口徑火炮用發(fā)射藥進行了不敏感性能試驗和研究[2]；孫寶平等[3]研究了破片撞擊速度對裝藥點火的影響；熊冉等[4]研究了破片沖擊金屬殼體引爆炸藥的臨界條件；楊建等[2,5]對不同配方和藥型發(fā)射藥進行子彈撞擊特性研究；楊麗俠等[6]進行了射流撞擊下發(fā)射裝藥的易損性響應特性研究；韓博等[7]對某發(fā)射裝藥進行了子彈撞擊和空心裝藥射流等實驗。

本實驗研究了約束條件對發(fā)射藥在機械沖擊作用下敏感特性響應劇烈程度的影響，為現(xiàn)役彈藥不敏感性改進及新型不敏感彈藥設計提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗樣品及構件

實驗樣品為粒狀單基藥、粒狀太根藥，均為制式發(fā)射藥。

構件A：殼體材料為45號鋼，壁厚為3mm±0.04mm，采用兩端帶螺紋的端蓋(端蓋厚3mm±0.04mm)與圓柱部密封連接；

構件B：殼體材料為主要成分是NC的可燃藥筒，殼體厚度為2mm。

發(fā)射裝藥樣品構件主要模擬我國中小口徑火炮彈藥的設計結(jié)構、藥室體積、裝填密度、殼體材料和厚度等，因此，試驗樣品與構件A組成的樣品構件模擬發(fā)射裝藥的強約束條件，試驗樣品與構件B組成的樣品構件模擬發(fā)射裝藥的弱約束條件。

1.2 子彈撞擊試驗

子彈為制式12.7mm穿甲標準燃燒彈，槍口距離樣品構件30m，子彈撞擊速度為(850±20)m/s；見證板為5mm厚的L型45號鋼板；根據(jù)試樣發(fā)生反應后的破片數(shù)量、大小等狀況判別反應的劇烈程度。試驗裝置布局見圖1。

圖1 子彈撞擊試驗裝置布局圖Fig.1 Layout map of the bullet impact test device

1.3 破片撞擊試驗

試驗發(fā)射裝置為海30制式火炮的藥室結(jié)構和25mm口徑身管組裝的發(fā)射模擬裝置，發(fā)射Φ12.7mm的錐形破片撞擊樣品構件，破片撞擊速度為(1580±50)m/s，發(fā)射藥受到刺激產(chǎn)生劇烈的化學反應，根據(jù)樣品構件響應后的見證板狀態(tài)、破片大小和數(shù)量等分析反應類型。試驗裝置示意圖如圖2所示。

圖2 試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the test device

1.4 空心裝藥射流撞擊試驗

采用Φ50mm射流感度用的標準射流源撞擊樣品構件，在樣品構件底面放置一塊12mm×300mm×300mm的底見證板(45號鋼板)，兩支壓力傳感器布置在距離樣品中心3.8m處，根據(jù)試樣響應后的見證板狀態(tài)、破片大小和數(shù)量等數(shù)據(jù)分析反應類型。試驗現(xiàn)場布局如圖3所示。

圖3 試驗現(xiàn)場布局圖Fig.3 Layout map of testing site

2 結(jié)果與討論

2.1 子彈撞擊試驗中約束條件對發(fā)射裝藥敏感特性的影響

子彈撞擊試驗模擬發(fā)射藥在受到口徑5.56～20mm的小型武器攻擊時發(fā)生意外的敏感程度和產(chǎn)生爆炸作用的劇烈程度，試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 典型發(fā)射裝藥子彈撞擊試驗結(jié)果Fig.4 Testing results of bullet impact tests for the typical propellant gun charges

由圖4可以看出，單基藥與構件A組成的強約束條件在受到子彈撞擊時，殼體大塊撕裂，藥粒四散，收集到極少量殘藥，藥粒大部分燃燒，發(fā)生了爆炸響應；單基藥與構件B組成的弱約束條件在受到子彈撞擊時殼體大塊撕裂，藥粒四散，藥粒表面完好，無燃燒反應；太根藥與構件A組成的強約束條件受到子彈撞擊時，殼體從子彈撞擊處撕裂，大量殘藥四散，大部分藥粒表面燃燒，發(fā)生了燃燒響應；太根藥與構件B組成的弱約束條件在受到子彈撞擊時，殼體撕裂，藥粒四散，無燃燒反應。

約束條件對發(fā)射藥在子彈撞擊下的敏感特性響應影響明顯，發(fā)射裝藥在強約束條件下發(fā)生爆炸或燃燒響應；而在弱約束條件下無燃燒反應。在強約束條件下構件A受到子彈撞擊的破裂瞬間，發(fā)射藥粒受到較高的溫度流場和初始壓力下的沖擊和摩擦，形成熱點，迅速分解燃燒，在殼體內(nèi)形成一定壓力，發(fā)生氣固相反應，壓力上升，發(fā)生劇烈反應，由于不同典型配方的發(fā)射藥對機械沖擊感度不同，在受到子彈撞擊時發(fā)生了不同的化學物理反應——燃燒或更劇烈的爆炸響應，而在弱約束條件下構件B受到子彈高速撞擊殼體破裂，藥粒四散，造成熱點無法集中，不能形成高溫高壓的局部環(huán)境，無燃燒反應發(fā)生。

對構件A的上端蓋設計一處厚0.5mm、直徑50mm的容易泄壓的薄弱環(huán)節(jié)，進行子彈撞擊試驗，試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 發(fā)射裝藥殼體設計薄弱環(huán)節(jié)對子彈撞擊試驗結(jié)果的影響Fig.5 Effect of weak link designed on the shell of gun propellants on the results of bullet impact test

由圖5可知，在強約束的鋼密封構件上設計薄弱環(huán)節(jié)，有利于殼體內(nèi)迅速聚集的壓力沖破薄弱環(huán)節(jié)，降低反應劇烈程度。

2.2 破片撞擊試驗中約束條件對發(fā)射裝藥敏感特性的影響

破片撞擊試驗主要模擬受到破片類彈藥攻擊時發(fā)生意外的敏感程度和產(chǎn)生爆炸作用的劇烈程度，試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 典型發(fā)射裝藥破片撞擊試驗結(jié)果Fig.6 Testing results of fragment impact tests for the typical propellant gun charges

由圖6可知，單基藥與構件A組成的強約束條件受到破片撞擊時殼體炸飛，撕裂成多個大小不一的碎片，少量殘藥四散，發(fā)生爆炸響應；單基藥與構件B組成的弱約束條件，殼體破裂燃燒完全，有少量殘藥噴射燃燒，發(fā)生了燃燒響應；太根粒狀藥與構件A組成的強約束條件，殼體撕裂，大量殘藥四散，僅燃燒表面發(fā)生了爆炸響應；在構件A上增加薄弱環(huán)節(jié)，薄弱環(huán)節(jié)沖斷，殼體破裂成碎片、收集到少量表面燃燒的殘藥，發(fā)生爆炸響應；太根粒狀藥與構件B組成的弱約束條件大片殼體殘留，大量殘藥四散，部分燃燒，發(fā)生了燃燒響應。

在受到12.7mm錐形高速破片撞擊時，約束條件對發(fā)射藥在破片撞擊下的敏感特性響應影響明顯。構件B的弱約束條件受到高速破片撞擊，以NC為主要成分的殼體與發(fā)射藥粒受到高速摩擦著火，同時，NC殼體破裂，破裂的NC殼體和藥粒四散繼續(xù)燃燒，不發(fā)生比燃燒更劇烈的反應；在構件A的強約束條件下，發(fā)射藥粒受到高速破片的沖擊和摩擦，形成熱點并發(fā)生分解燃燒反應，由于受到的機械刺激強度更高，殼體內(nèi)的反應壓力迅速聚集上升，發(fā)生劇烈反應——爆炸響應。在強約束條件下，盡管在端蓋設計了0.5mm厚的薄弱環(huán)節(jié)，仍沒有改變試樣的響應劇烈程度，這是因為受到撞擊速度約1580m/s的12.7mm錐形破片高速撞擊摩擦，發(fā)射藥粒迅速分解燃燒釋放大量氣體，殼體內(nèi)壓力急劇上升，瞬間撕裂殼體發(fā)生了劇烈反應，0.5mm的薄弱環(huán)節(jié)作用失效。

2.3 空心裝藥射流撞擊試驗中約束條件對發(fā)射裝藥敏感特性的影響

射流撞擊試驗主要是模擬發(fā)射藥在受到口徑40mm以上的重型武器攻擊時，發(fā)生意外的敏感程度和產(chǎn)生爆炸作用的劇烈程度，試驗結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，在空心裝藥射流撞擊的最強機械沖擊作用下，單基藥與構件A組成的強約束條件下殼體炸成小碎片，底部見證板彎曲變形，3.8m處的沖擊波峰壓值為56.5kPa，無殘藥，發(fā)生了爆炸響應；單基藥與構件B組成的弱約束條件下殼體底部見證板彎曲變形，沖擊波峰壓值為68.5kPa，無殘藥，發(fā)生了爆炸響應；太根粒狀藥與構件A組成的強約束條件下殼體炸成碎片，見證板微變形，藥粒表面燃燒，殘藥有的完整，也有破碎的藥粒，發(fā)生了爆炸響應；太根粒狀藥與構件B組成的弱約束條件下殼體炸成碎片，未見殘藥，見證板變形，發(fā)生了爆炸響應。

根據(jù)試驗現(xiàn)場破壞情況和爆轟波壓力結(jié)果可知，在機械沖擊刺激源更強的空心裝藥射流撞擊下，約束條件對發(fā)射藥敏感特性響應類型沒有明顯影響，這是因為在密集的高速金屬粒子的機械沖擊作用下，大量發(fā)射藥粒同時燃燒，瞬間生成大量燃氣，殼體內(nèi)壓力增加且大量燃氣向未燃燒發(fā)射藥粒滲透產(chǎn)生壓縮波，加速了發(fā)射藥粒燃燒，使得壓力累積形成更強壓縮波，發(fā)生劇烈反應。

3 結(jié) 論

(1)發(fā)射裝藥的約束條件對機械沖擊作用下的敏感特性影響與沖擊作用的類型有關，在子彈撞擊和破片撞擊的高速機械沖擊作用下，約束條件對敏感特性影響明顯，弱約束條件下發(fā)射裝藥不會發(fā)生比強約束條件更劇烈的反應。在空心裝藥射流的最強機械沖擊作用下，約束條件對發(fā)射裝藥的敏感特性響應沒有明顯影響。

(2)在不影響發(fā)射裝藥彈道性能指標的前提下，適當降低約束強度或設計容易泄壓的薄弱環(huán)節(jié)，有利于減弱發(fā)射裝藥受到意外機械沖擊作用的反應劇烈程度。

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