鈍黑-5炸藥中硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)燃燒轉(zhuǎn)爆轟的影響

吳海山,王 遲

(安徽紅星機(jī)電科技股份有限公司,安徽 合肥 231135)

硬脂酸在炸藥中常被用作鈍感劑、黏合劑和潤(rùn)滑劑,是一種白色、質(zhì)地較硬的蠟狀材料,熔點(diǎn)為70 ℃,具有表面活性,可改善炸藥的包覆和鈍感,增加炸藥顆粒的自由流動(dòng)性,降低炸藥感度[1]。黑索今(RDX)具有爆轟穩(wěn)定、爆速高等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于彈藥裝藥、發(fā)射藥和火箭推進(jìn)劑,但其機(jī)械感度較高,限制了RDX的應(yīng)用[2]。將硬脂酸添加進(jìn)黑索今炸藥中制備出的鈍化黑索今,其機(jī)械感度明顯降低[3]。彈藥的低易損性要求引信的爆炸序列輸出能量足夠大,同時(shí)又要求其具有抵御意外能量刺激的免疫力,所以在炸藥中要添加適當(dāng)?shù)挠仓嵋员阍诮档驼ㄋ幐卸缺ＷC安全的基礎(chǔ)上保證炸藥威力。傳爆藥裝藥是爆炸序列的組成元件,起著能量傳遞和放大的作用,其受到子彈、破片和聚能射流撞擊的概率非常小,因此相關(guān)研究主要考慮熱和沖擊波對(duì)傳爆藥的影響[4]。針對(duì)鈍黑-5炸藥中硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)燃燒轉(zhuǎn)爆轟的影響,本文設(shè)計(jì)了一種傳爆裝置,以能否起爆導(dǎo)爆索為研究指標(biāo),分別在-43 ℃、常溫和50 ℃條件下進(jìn)行了傳爆試驗(yàn),研究結(jié)果可為燃燒轉(zhuǎn)爆轟的可靠性研究提供一定的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種試驗(yàn)裝置,由點(diǎn)火裝置、傳爆裝置、導(dǎo)爆索和爆管等組成,如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置

傳爆裝置主要由點(diǎn)火體、硼/硝酸鉀點(diǎn)火藥、管殼、鈍黑-5炸藥和擴(kuò)爆管組成,如圖2所示。

圖2 傳爆裝置結(jié)構(gòu)圖(單位:mm)

導(dǎo)爆索主要由鈍黑-5炸藥和鋁殼組成,導(dǎo)爆索全長(zhǎng)115 mm,外徑5.3 mm,如圖3所示。

圖3 導(dǎo)爆索結(jié)構(gòu)圖(單位:mm)

傳爆裝置及導(dǎo)爆索工作原理:在點(diǎn)火壓力的作用下,硼/硝酸鉀點(diǎn)火藥被引燃,產(chǎn)生高溫高壓氣體點(diǎn)燃鈍黑-5炸藥。炸藥在約束條件下燃燒,隨著炸藥燃燒速度的增加,氣體壓力迅速增大,燃燒轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程可分為慢速燃燒、快速燃燒、沖擊波形成、低速爆轟轉(zhuǎn)快速或穩(wěn)定爆轟4個(gè)階段。當(dāng)達(dá)到某一臨界值時(shí),形成的爆轟起爆擴(kuò)爆管,通過(guò)擴(kuò)爆管的輸出起爆導(dǎo)爆索。

1.2 鈍黑-5炸藥

鈍黑-5炸藥技術(shù)要求如下。

爆速:(8 233±32)m/s,密度:1.625 g/cm3,威力:144%(TNT當(dāng)量),猛度:141%(TNT當(dāng)量),沖擊感度:34%,摩擦感度:14%,5 s延遲期爆發(fā)點(diǎn):373 ℃。試驗(yàn)中主要試制了A、B 2批次的炸藥,2批炸藥合格證中各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)w及部分理化數(shù)據(jù)如表1所示,表中,ρ為炸藥密度。

表1 2批次炸藥參數(shù)對(duì)比

由表1可以看出A批和B批炸藥硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和炸藥密度有明顯差別。為了排除炸藥密度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾,采用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)硬脂酸對(duì)應(yīng)不同密度的鈍黑-5炸藥,每組裝配20發(fā)傳爆裝置,用起爆導(dǎo)爆索作為輸出考核進(jìn)行試驗(yàn),綜合試驗(yàn)結(jié)果如表2所示,表中w2為硬脂酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù),n為裝配的傳爆裝置數(shù)。

表2 綜合試驗(yàn)結(jié)果

綜合試驗(yàn)和分析結(jié)果:當(dāng)鈍黑-5炸藥硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)(1.0%～1.3%),不論炸藥密度高于1.14 g/cm3或低于1.04 g/cm3,均未造成傳爆裝置作用不可靠;反之,當(dāng)硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏上限(1.3%～1.5%)時(shí),無(wú)論堆積密度高或低,均會(huì)造成傳爆裝置作用不可靠。由此可認(rèn)為堆積密度不是造成傳爆裝置失效的原因,所以本文主要研究硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)傳爆裝置燃燒轉(zhuǎn)爆轟輸出威力的影響。

根據(jù)GJB5455—2005《鈍黑-5炸藥規(guī)范》規(guī)定,鈍黑-5炸藥中硬脂酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1.0%～1.5%。鈍黑-5炸藥中的硬脂酸作為惰性介質(zhì),其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的大小直接影響炸藥的感度,硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)低則炸藥感度表現(xiàn)越低,硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)高則炸藥感度表現(xiàn)越高[5-6]。

為了研究不同硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)傳爆裝置燃燒轉(zhuǎn)爆轟后輸出威力的影響,分別使用硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%～1.2%,1.2%～1.4%,1.4%～1.5%的鈍黑-5炸藥,以45#鋼作為管殼材料,壓藥壓力為20.1～27.0 MPa,在(-43±2)℃和(50±2)℃條件下,對(duì)傳爆裝置燃燒轉(zhuǎn)爆轟的輸出威力進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)中所使用的高溫箱和低溫箱設(shè)備如表3所示。

表3 試驗(yàn)設(shè)備名稱及型號(hào)

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)內(nèi)容主要包括:低溫貯存(-43 ℃),低溫貯存后威力輸出試驗(yàn);高溫貯存(50 ℃),高溫貯存后威力輸出試驗(yàn);常溫威力輸出試驗(yàn)。

①低溫貯存。將傳爆裝置輸入端與點(diǎn)火裝置合裝(點(diǎn)火裝置內(nèi)裝一個(gè)電點(diǎn)火頭和(100±5) mg HY-5黑火藥),輸出端旋上爆管接頭和爆管殼,爆管接頭銑扁端與導(dǎo)爆索連接,將導(dǎo)爆索放入到爆管殼內(nèi),用螺塞旋將其旋緊(螺紋連接處及點(diǎn)火裝置引線出口孔均涂硅橡膠密封),放置在溫度為(-43±2)℃的低溫箱中,連續(xù)保溫24 h。

②低溫貯存后威力輸出試驗(yàn)。將低溫工作后的傳爆裝置取出,用智能爆速測(cè)量?jī)x引燃電點(diǎn)火藥頭,點(diǎn)燃HY-5黑火藥,最后引燃擴(kuò)爆裝置,傳爆裝置以燃燒轉(zhuǎn)爆轟的方式起爆擴(kuò)爆管,再由擴(kuò)爆管輸出起爆導(dǎo)爆索,觀察導(dǎo)爆索是否爆炸完全。

③高溫貯存。按低溫工作的操作方法進(jìn)行傳爆裝置的組裝,將其放置在溫度為(50±2)℃的高溫箱中,連續(xù)保溫24 h。

④高溫貯存后威力輸出試驗(yàn)。將高溫工作后的傳爆裝置取出,其余步驟與低溫威力試驗(yàn)相同。

⑤常溫威力輸出試驗(yàn)。常溫下進(jìn)行試驗(yàn),步驟與低溫工作威力輸出試驗(yàn)相同。

判定標(biāo)準(zhǔn):傳爆裝置在各種溫度下貯存均不允許其發(fā)火裝置和結(jié)構(gòu)裝置損壞,貯存后威力輸出試驗(yàn)合格指標(biāo)是導(dǎo)爆索100%爆炸完全。

2.1 硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高對(duì)傳爆的影響

導(dǎo)爆索內(nèi)鈍黑-5炸藥配比為黑索今98.75%,硬脂酸1.25%。炸藥裝藥密度約為1.72 g/cm3。硬脂酸主要起鈍感作用,不直接參與爆轟反應(yīng)[7]。

為了驗(yàn)證硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏上限是造成傳爆裝置失效的主要原因,用A批次鈍黑-5炸藥(實(shí)測(cè)硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.4%～1.5%),裝配了60發(fā)傳爆裝置產(chǎn)品進(jìn)行了試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.4%～1.5%時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知,當(dāng)硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.4%～1.5%時(shí),傳爆裝置均存在不可靠作用,其中在低溫(-43 ℃)的條件下,傳爆裝置的可靠性明顯降低。傳爆裝置起爆導(dǎo)爆索失效狀況如圖4所示,失效導(dǎo)爆索如圖5所示。

圖4 傳爆裝置起爆導(dǎo)爆索失效

圖5 失效導(dǎo)爆索

由圖5可知,爆管殼和導(dǎo)爆索起爆端均呈現(xiàn)出撕開喇叭口形狀,第1發(fā)(從左至右)失效導(dǎo)爆索內(nèi)炸藥端面距離爆管殼口部長(zhǎng)度約12 mm,第2發(fā)約為15 mm,第3發(fā)約為10 mm;第4發(fā)失效導(dǎo)爆索內(nèi)已沒(méi)有炸藥,中間脹開,失效的傳爆裝置已炸碎,導(dǎo)爆索未被完全起爆,表明傳爆裝置輸出威力不足。

傳爆裝置輸出威力不足的故障機(jī)理是,由于鈍黑-5炸藥硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏上限,其燃燒性能下降,使炸藥燃燒速度降低。相關(guān)研究表明,炸藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程中先后形成壓縮波、燃燒波、沖擊波和爆轟波。對(duì)于硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的鈍黑-5炸藥,因?yàn)槿紵俣冉档?傳爆裝置中炸藥燃燒時(shí)生成的壓縮波壓力和燃燒波壓力也隨之降低,會(huì)使炸藥燃燒后形成爆轟的位置后移,有的在裝藥末端可能只形成沖擊波,而不能形成爆轟波,不能可靠起爆擴(kuò)爆管,造成傳爆裝置輸出威力不足,不能可靠起爆導(dǎo)爆索[8]。

2.2 降低硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)傳爆的影響

分別采用硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%～1.2%和1.2%～1.4%的鈍黑-5炸藥,各裝配84發(fā)傳爆裝置產(chǎn)品進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表5、表6所示。

表5 硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.0%～1.2%的試驗(yàn)結(jié)果

表6 硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.2%～1.4%的試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)鈍黑-5炸藥中硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.0%～1.2%時(shí),傳爆裝置能夠可靠傳爆,硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在此質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)燃燒轉(zhuǎn)爆轟輸出威力最佳。炸藥中硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1.2%會(huì)造成燃燒性能下降,炸藥燃燒速度降低,在裝藥末端只形成沖擊波,不能形成有效爆轟波,造成傳爆裝置輸出威力不足,不能完全起爆導(dǎo)爆索。

將裝有不同硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的傳爆裝置裝配到某型煙幕彈進(jìn)行射擊試驗(yàn),每組煙幕彈10發(fā),常溫條件下進(jìn)行射擊,煙幕彈失效數(shù)量統(tǒng)計(jì)如圖6所示,圖中,n1為煙幕彈失效數(shù)。

由圖6可知,鈍黑-5炸藥中硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.0%～1.5% 范圍內(nèi),當(dāng)硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(1.0%～1.2%)時(shí),導(dǎo)爆索均能完全起爆,煙幕彈正常形成遮蔽;當(dāng)硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏上限(1.43%～1.44%)時(shí),傳爆裝置出現(xiàn)多發(fā)不能正常起爆導(dǎo)爆索,導(dǎo)致煙幕彈未正常形成煙幕遮蔽。

圖6 煙幕彈失效數(shù)量統(tǒng)計(jì)

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

采用B批次炸藥硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.0%～1.2%的傳爆裝置裝配40發(fā)某型煙幕彈,進(jìn)行了高、低溫48 h貯存后各20發(fā)動(dòng)態(tài)試驗(yàn),40發(fā)煙幕彈全部作用正常,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 B批次炸藥裝配煙幕彈試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種傳爆裝置試驗(yàn),對(duì)硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏上限(1.4%～1.5%)的鈍黑-5炸藥裝配了60發(fā)傳爆裝置進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)低硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1.0%～1.2%)的鈍黑-5炸藥裝配84發(fā)傳爆裝置以及硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.2%～1.4%裝配84發(fā)傳爆裝置,分組進(jìn)行了試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明:

①硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏上限(1.4%～1.5%)會(huì)造成傳爆裝置輸出威力嚴(yán)重不可靠;

②當(dāng)硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.0%～1.2%時(shí),傳爆裝置能夠可靠傳爆,硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在此范圍內(nèi)燃燒轉(zhuǎn)爆轟輸出威力最佳。

③硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.2%～1.4%范圍內(nèi),當(dāng)硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1.2%時(shí)其燃燒轉(zhuǎn)爆轟的輸出威力隨著硬脂酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低,直至不能進(jìn)行有效傳爆。