高速破片撞擊下帶殼裝藥響應及防護的試驗研究

屈可朋，趙志江，沈 飛，王 輝，肖 瑋，李亮亮，張 帆

(1.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065；2.陸軍裝備部航空軍代局，北京 100036)

引 言

近年來，隨著武器彈藥使用環(huán)境的日益苛刻和高價值武器彈藥在戰(zhàn)場上的大量應用，對武器彈藥在戰(zhàn)場上生存能力的要求越來越高，武器彈藥在意外刺激下的不敏感性已引起各國武器彈藥研制人員的廣泛關注[1]。美國、北約相繼建立了彈藥不敏感性測試項目和評價標準[2-3]，其中破片撞擊實驗是相關標準的重要考核項目之一，其涉及應力波傳播與衰減、武器彈藥殼體破壞模式以及炸藥裝藥點火機理等多學科問題，破片撞擊條件下彈藥動態(tài)響應特性、裝藥點火機理及點火增長抑制技術已成為研究人員關注的熱點。

國內外對于破片撞擊帶殼裝藥已開展了大量研究，主要集中在破片沖擊帶殼裝藥的起爆判據(jù)[4-5]、臨界起爆速度[6]、殼體材料[7]、破片形狀[8]、撞擊角度[9]及溫度效應[10]等方面，能夠用于指導相關炸藥的不敏感性設計以及防空反導殺傷戰(zhàn)斗部研制，但對于MIL-STD-2015D《非核彈藥危險性評估標準》中規(guī)定的標準破片(18.6g)撞擊下帶殼裝藥動態(tài)響應特性的研究卻鮮有報道。因此，深入開展帶殼裝藥在標準破片撞擊下的動態(tài)響應特性及防護技術研究，對于開展不敏感彈藥設計具有重要意義。

本研究以25mm口徑滑膛炮為加載裝置，采用18.6g標準破片，在(1830±30)m/s速度下對帶殼裝藥進行了高速撞擊實驗，獲取了帶殼裝藥的反應情況，揭示了標準破片撞擊不同厚度護板后的形態(tài)及對裝藥點火的影響，提出了帶殼裝藥的防護結構，以期為不敏感彈藥設計提供參考。

1 實 驗

1.1 材料及帶殼裝藥

實驗所用炸藥由西安近代化學研究所提供，配方(質量分數(shù))為：HMX，63%；鋁粉，30%；黏結劑，7%。試樣采用模具壓制成型，藥柱尺寸為Φ97mm×100mm，裝藥密度為1.85g/cm3。

標準破片采用45號鋼加工而成，質量為18.6g，尺寸如圖1所示；帶殼裝藥結構由前護板、套筒、裝藥及后護板組成，前、后護板通過螺栓連接，其結構如圖2所示，護板均采用熱處理后的35CrMnSiA鋼加工而成，屈服強度為1500MPa，護板厚度取10mm和16mm，每發(fā)實驗中前、后護板厚度相同；套筒采用熱處理后35CrMnSiA鋼加工而成，內徑為97mm，高度為300mm，厚度為5mm。

圖1 標準破片示意圖Fig.1 Schematic diagram of standard fragment

圖2 帶殼裝藥結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of charge structure with shell

1.2 實驗方法

利用25mm口徑滑膛炮驅動標準破片撞擊帶殼裝藥，觀測帶殼裝藥反應情況及回收護板的形態(tài)變化。實驗前，通過內彈道計算及摸底實驗，使18.6g標準破片的撞擊速度能夠穩(wěn)定在(1825±5)m/s速度范圍內，然后方可開展正式實驗。實驗時，帶殼裝藥置于木質彈架上，利用25mm口徑滑膛炮驅動標準破片撞擊帶殼裝藥前護板，進而進入裝藥內部，利用高速攝影觀測裝藥反應情況，高速攝影拍攝速度為10000f/s。在距離前護板2m處設置間隔為1m的斷通靶用于測量破片撞擊速度，高速攝影位于帶殼裝藥的側向，用于記錄高速撞擊過程中帶殼裝藥的反應狀態(tài)。

為深入分析帶殼裝藥的點火機理，同時開展了標準破片撞擊無裝藥的帶殼裝藥結構，通過觀測前護板穿孔情況及后護板上的殘骸，獲取標準破片撞擊不同厚度前護板后破片與前護板的破壞形態(tài)變化規(guī)律。

2 結果與討論

2.1 帶殼裝藥受破片撞擊后的反應狀態(tài)分析

標準破片以1820～1830m/s速度撞擊帶殼裝藥后裝藥的反應情況如圖3所示。

由圖3(a)可知，當前護板厚度(δ)為10mm時，帶殼裝藥整體結構基本完整，可見明顯的燃燒痕跡，現(xiàn)場回收少量未完全燃燒的殘藥；由圖3(b)和(c)可知，破片撞擊帶殼裝藥0.8ms后(以破片接觸帶殼裝藥瞬間為0ms時刻)帶殼裝藥被火球完全包圍，綜合判定帶殼裝藥發(fā)生了快速燃燒反應；由圖3(d)可知，當前護板厚度為16mm時，帶殼裝藥完全解體，前護板被拋出后未能回收，連接螺栓被拉斷或產(chǎn)生彎曲變形，現(xiàn)場回收大量破碎的殘藥；由圖3(e)和(f)可知，破片撞擊帶殼裝藥0.4ms后(以破片接觸帶殼裝藥瞬間為0ms時刻)帶殼裝藥被火球完全包圍，綜合判定帶殼裝藥發(fā)生了局部爆燃反應。分析認為，帶殼裝藥的反應情況與標準破片撞擊前護板后破片和前護板的破壞形態(tài)有關，深入開展相同速度下，標準破片撞擊不同厚度前護板后，破片與前護板的破壞形態(tài)研究有助于帶殼裝藥點火機理分析及防護結構設計。

2.2 撞擊后破片和護板形態(tài)及對裝藥點火的影響

標準破片以1820～1830m/s速度分別撞擊前護板厚度為10mm和16mm的無裝藥帶殼裝藥結構，通過觀測前護板穿孔情況及后護板上的凹坑，分析標準破片撞擊不同厚度前護板后破片與前護板的破壞形態(tài)。撞擊后，套筒內未發(fā)現(xiàn)破片殘骸，判斷為破片在貫穿前護板過程中發(fā)生了解體，前、后護板破壞情況如圖4所示。

圖4 不同厚度護板的破壞情況Fig.4 Failure states of guard plate with different thicknesses

由圖4可知，在該速度下標準破片能夠貫穿前護板，但均無法貫穿后護板，兩種厚度前護板的破壞形態(tài)不同；由圖4(a)和(b)可知，前護板厚度為10mm時，破片呈現(xiàn)明顯的剪切穿孔，前護板迎彈面及其背面的穿孔直徑均為28mm左右；由圖4(c)可知，在后護板上可見若干大尺寸凹坑；由圖4(d)和(e)可知，當前護板厚度為16mm時，前護板迎彈面穿孔直徑約為28mm，而在其背面形成了直徑約為37mm的剝落層；由圖4(f)可知，后護板上可見大量小凹坑，未發(fā)現(xiàn)大尺寸凹坑。分析認為，隨前護板厚度增加，標準破片和前護板的破碎程度增大，形成的碎塊質量減小，數(shù)量增加，進而在后護板上形成了不同的凹坑形貌。

為進一步分析標準破片撞擊后前護板及破片形態(tài)對裝藥點火的影響，采用數(shù)值模擬方法獲取了標準破片撞擊不同厚度前護板后碎塊的速度及分布情況。

圖5 數(shù)值模擬計算模型Fig.5 Numerical simulation model

表1 Johnson-cook塑性模型及shock狀態(tài)方程參數(shù)Table 1 Johnson-cook plastic model and shock equation of state parameters

標準破片撞擊不同厚度殼體后速度矢量云圖如圖6所示。

圖6 標準破片撞擊不同厚度護板后的速度矢量云圖Fig.6 Velocity vector nephograms of standard fragments impacting on guard plates with different thicknesses

設定標準破片撞擊速度為1825m/s，模擬計算結果表明，當前護板厚度為10mm時，標準破片解體，前護板破壞以局部的剪切失效為主，由其材料的狀態(tài)可以判斷撞擊形成了若干大質量碎塊，大質量碎塊前沿的速度約為1000m/s(圖6(a))；前護板厚度為16mm時，標準破片撞擊前護板后，標準破片解體，在應力波的作用下前護板背面發(fā)生了明顯的層裂，形成密集分布的小質量碎片群，碎片群前沿的速度約為900m/s(圖6(b))。

分析認為，標準破片撞擊不同厚度前護板后，破片和前護板的破壞形態(tài)可能是導致裝藥反應等級不同的重要原因。當前護板厚度為10mm時，破片貫穿前護板后形成若干大質量的金屬碎塊，這些金屬碎塊同時以約1000m/s的速度撞擊裝藥，進入裝藥后由于壓縮、剪切、摩擦等綜合作用，使得裝藥發(fā)生了快速燃燒，產(chǎn)生的壓力通過破壞帶殼裝藥的薄弱環(huán)節(jié)(套筒與前、后護板連接處)而得以釋放，由于壓力的快速釋放，裝藥燃燒速率降低，難以形成更為劇烈的反應。而當前護板厚度為16mm時，由于破片破碎及前護板背面剝落，產(chǎn)生了密集的小質量金屬碎片，大量小質量碎片可以視為高密度的碎片群，當其以約900m/s速度同時作用于裝藥時，產(chǎn)生的沖擊應力波將相互疊加并增強，同時還有熱效應的綜合作用，使得裝藥內部易于形成多個“熱點”，進而直接發(fā)生爆燃反應。

2.3 帶殼裝藥防護結構設計及實驗驗證

標準破片撞擊帶殼裝藥過程中，裝藥將受到兩種類型的刺激：一種為破片撞擊前護板后產(chǎn)生的應力波傳播至裝藥內部，在裝藥內形成強的應力波，可能引發(fā)裝藥點火；另一種為破片貫穿前護板后進入裝藥內部，產(chǎn)生壓縮、剪切、摩擦等復合作用，導致熱積累，進而引發(fā)炸藥點火[11]。因此，帶殼裝藥防護結構設計主要從衰減應力波峰值和降低破片貫穿前護板后的能量兩個方面考慮。

在應力波峰值衰減方面，依據(jù)前期研究結果[12]，采用雙層阻抗順序組合方式可有效衰減傳入裝藥內部的應力波峰值，故防護結構設計時，可采用順序阻抗結構用于衰減破片撞擊前護板時傳入裝藥內的應力峰值。在降低破片貫穿前護板后的能量方面，因破片撞擊16mm厚前護板時形成的小質量碎片群更易使裝藥發(fā)生劇烈反應，故應盡可能降低碎片群進入裝藥時所攜帶的能量。研究表明[13]，破片撞擊金屬薄板后破片的剩余速度在0～0.01ms內急劇衰減，可大幅降低破片的動能，故防護結構設計時可采用金屬薄板用于降低碎片群的能量。

考慮到戰(zhàn)斗部裝藥的實際工況，防護結構不能太厚，以保證戰(zhàn)斗部的裝填比，故本研究設計了由低阻抗橡膠與高阻抗金屬薄板構成的復合防護結構，其中，低阻抗橡膠的厚度為1mm，高阻抗金屬薄板的厚度為0.5mm，兩者直徑與套筒內徑相等，均為97mm。

實驗時，在前護板背彈面與裝藥之間依次安裝低阻抗橡膠和高阻抗金屬薄板，其余結構均保持不變。采用標準破片以1820m/s的速度撞擊前護板厚度為16mm的帶殼裝藥，帶殼裝藥反應情況如圖7所示。

圖7 含防護結構帶殼裝藥的撞擊反應情況Fig.7 Reaction states of charge with protective structure and shell after impact

由圖7(a)可知，撞擊后帶殼裝藥整體結構完整，僅發(fā)生了燃燒反應。由圖7(b)和(c)可知，標準破片撞擊后帶殼裝藥被火球完全包圍的時間由無防護結構時的0.4ms延長至1.2ms。分析認為，復合防護結構一方面降低了破片撞擊前護板時傳入裝藥中的應力波幅值，更重要的是，高阻抗的金屬薄板可阻擋部分碎片群的運動，降低碎片群能量，進而對裝藥起到良好的防護作用。

3 結 論

(1)18.6g標準破片以1820～1830m/s速度撞擊不同厚度前護板時，破片均發(fā)生解體；隨前護板厚度由10mm增加至16mm，貫穿前護板后的破片形態(tài)由若干大質量碎塊演變?yōu)槊芗男≠|量碎片。

(2)撞擊后標準破片及前護板形態(tài)的差異是導致裝藥反應程度不同的重要原因，相比大質量碎塊，小質量碎片群易使裝藥發(fā)生更為劇烈的反應；通過設計合理的防護結構可有效降低帶殼裝藥反應等級，延長反應時間；但對于碎片群的形成機制及其裝藥的相互作用過程還需要進行進一步的深入研究。