雙基、改性雙基推進(jìn)劑子彈撞擊易損性響應(yīng)研究

孫志剛，張 超，李軍強(qiáng)，黨永戰(zhàn)，武宗凱，陳俊波

?

雙基、改性雙基推進(jìn)劑子彈撞擊易損性響應(yīng)研究

孫志剛，張 超，李軍強(qiáng)，黨永戰(zhàn)，武宗凱，陳俊波

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

采用速度為(850±20)m·s-1的12.7mm標(biāo)準(zhǔn)穿甲彈撞擊試樣，研究子彈撞擊機(jī)械刺激下雙基、改性雙基推進(jìn)劑的易損性響應(yīng)特性和影響因素。結(jié)果表明：子彈撞擊對(duì)推進(jìn)劑的易損性響應(yīng)程度與推進(jìn)劑配方組分以及子彈的穿透深度有一定關(guān)系，推進(jìn)劑配方中固體含量越高、組分感度越高，子彈穿過推進(jìn)劑深度越深，其響應(yīng)程度越劇烈；本試驗(yàn)中RDX含量25%的RDX-CMDB推進(jìn)劑在子彈軸向撞擊下發(fā)生了爆燃響應(yīng)。

推進(jìn)劑；子彈撞擊；易損性

雙基、改性雙基推進(jìn)劑裝藥具有煙霧特征信號(hào)低、燃燒性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)完整性優(yōu)良、勤務(wù)處理方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類武器系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)[1-2]。近年來隨著我國海軍不斷走向深藍(lán)，各種大型艦船/航母被大量列裝海軍，作為高性能武器系統(tǒng)的武裝直升機(jī)被要求上艦，武裝直升機(jī)在低空飛行時(shí)，掛于機(jī)身下方的彈藥受到的最大威脅是來自地方的子彈射擊[3]，因此，對(duì)雙基、改性雙基推進(jìn)劑的安全性研究引起了廣大科研人員的關(guān)注[4-6]。

在美國，子彈撞擊試驗(yàn)是彈藥交付軍方前必做的易損性考核項(xiàng)目之一。子彈撞擊試驗(yàn)主要研究含能材料在受到高速飛行的彈丸撞擊、穿透作用后引起的反應(yīng)，可以獲得含能材料本身的安全性能，進(jìn)而為彈藥安全防護(hù)提供理論指導(dǎo)。Kimura以及Lee等人[7-8]采用槍擊試驗(yàn)研究了推進(jìn)劑、RDX基LOVE發(fā)射藥的子彈撞擊安全性能；國內(nèi)唐桂芳等[9]采用槍擊試驗(yàn)研究了澆注PBX炸藥的安全性能；王凱民等[10]采用槍擊試驗(yàn)研究了引信爆炸序列的安全性能；楊建等[11]研究了含RDX基發(fā)射藥的子彈撞擊特性，發(fā)現(xiàn)RDX基發(fā)射藥子彈撞擊反應(yīng)劇烈程度和沖擊波超壓均高于單基發(fā)射藥；高立龍等[12]研究了12.7mm子彈撞下熱塑性炸藥PMX-1的易損性響應(yīng)特性，PMX-1炸藥僅發(fā)生燃燒反應(yīng)；代曉淦等[13]研究了裝藥尺寸對(duì)響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)裝藥長度越長反應(yīng)程度越強(qiáng)烈；韓博等[14]用12.7mm子彈撞擊試驗(yàn)考核了某新型發(fā)射藥的易損性，試驗(yàn)結(jié)果為燃燒。根據(jù)上述文獻(xiàn)可見國內(nèi)對(duì)含能材料子彈撞擊試驗(yàn)研究大都集中在發(fā)射藥與炸藥裝藥方面，對(duì)雙基、改性雙基推進(jìn)劑的子彈撞擊安全性的研究工作卻很少開展。因此通過研究典型雙基、改性雙基推進(jìn)劑對(duì)子彈撞擊試驗(yàn)的響應(yīng)規(guī)律，可以獲得該類推進(jìn)劑的安全性數(shù)據(jù)，為該類推進(jìn)劑應(yīng)用過程的安全防護(hù)及為低敏感改性雙基推進(jìn)劑的配方設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。本研究參考美國MIL-STD-2105D中的子彈撞擊試驗(yàn)方法，對(duì)典型的雙基、改性雙基推進(jìn)劑子彈撞擊易損性能進(jìn)行測試。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置

發(fā)射裝置采用自行研制的12.7mm子彈發(fā)射藥系統(tǒng)，該系統(tǒng)由12.7mm彈道槍、測速裝置組成，主要技術(shù)指標(biāo)如下：（1）發(fā)射裝置口徑：12.7mm；（2）彈丸著靶速度：(850±20)m/s；（3）子彈為12.7mm穿甲燃燒彈；（4）測速不確定度：優(yōu)于0.3％。

1.2 試樣制備

試驗(yàn)樣品按傳統(tǒng)螺壓工藝制備，主要工序包括吸收、壓延與壓伸，樣品規(guī)格為：Φ45mm×180mm。試樣配方主要組成見表1。

圖1 12.7mm子彈撞擊試驗(yàn)裝置

表1 試樣配方 (%)

1.3 試樣管

試樣管由45#鋼加工而成，內(nèi)徑Φ50mm，壁厚5mm,管體兩端用端蓋封堵，端蓋與管體通過螺紋連接。

1.4 試驗(yàn)現(xiàn)場布置

試驗(yàn)現(xiàn)場布置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場布置圖

將試樣放置在距槍口25m遠(yuǎn)的支架上，分別從徑向和軸向兩個(gè)方向進(jìn)行撞擊，每個(gè)方向平行進(jìn)行2發(fā)試驗(yàn)；用壁面壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄試驗(yàn)過程中試樣產(chǎn)生的沖擊波超壓，距樣彈4m距離處采用壁面?zhèn)鞲衅鳒y沖擊波壓力。

1.5 彈道槍速度標(biāo)定

試驗(yàn)前先用光幕測速裝置測量發(fā)射裝置發(fā)射藥的彈丸速度，確保距槍口25m處彈丸速度在(850± 20)m/s范圍內(nèi)。測試結(jié)果如表2所示。

表2 彈道槍速度標(biāo)定

Tab.2 Ballistic gun velocity after calibration

表2的速度標(biāo)定結(jié)果表明，該槍發(fā)射的彈丸平均速度為860.9m/s，且彈丸速度分布859.3～863.4m/s之間，彈丸的速度均在(850±20)m/s之內(nèi)，符合試驗(yàn)要求。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

3種樣品在子彈撞擊后的響應(yīng)特性如表3所示，試驗(yàn)結(jié)果圖片見圖3。

根據(jù)圖3中推進(jìn)劑子彈撞擊試驗(yàn)中殼體殘骸、見證板的變化以及沖擊波壓力值，參考MIL-STD-2105D中關(guān)于含能材料易損性響應(yīng)類型的描述，認(rèn)為ZD-1試樣不管是在徑向軸向撞擊下，推進(jìn)劑在子彈的沖擊下均斷裂或破碎，但未發(fā)生燃燒反應(yīng)；ZD-2試樣在徑向撞擊下發(fā)生了燃燒反應(yīng)，軸向撞擊下發(fā)生了爆燃響應(yīng)；ZD-3試樣在徑向、軸向撞擊下未發(fā)生比燃燒更劇烈的反應(yīng)，軸向撞擊對(duì)藥柱及殼體的破壞程度更大一些。

表3 固體推進(jìn)劑子彈撞擊試驗(yàn)結(jié)果

Tab.3 The response results of the three typical solid propellants with bullet impact

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)于含能材料在沖擊加載下的點(diǎn)火機(jī)制，Y.Ha- mate等[15]認(rèn)為是含能材料在沖擊、剪切、摩擦等作用下引起的熱點(diǎn)點(diǎn)火現(xiàn)象。該學(xué)說認(rèn)為推進(jìn)劑、炸藥等固體含能材料在外力刺激下熱量首先集中在半徑約為10-1~101μm的小點(diǎn)上，含能材料以這些熱點(diǎn)為中心開始點(diǎn)火向周圍反應(yīng)，隨著燃燒速度的增加引起更為劇烈的反應(yīng)。M.M.Chaudhri等[16]研究認(rèn)為機(jī)械刺激中熱點(diǎn)產(chǎn)生的原因主要包括：（1）含能材料受力變形或破碎過程固體組分顆粒間的摩擦、剪切生熱，撞擊物（子彈或炮彈破片等）在含能材料中行進(jìn)時(shí)的摩擦生熱；（2）含能材料中散布空隙的粘塑性塌陷等，摩擦生熱和粘塑性塌陷是含能材料起始反應(yīng)的主要機(jī)制。J．Massoni等[17]通過大量的試驗(yàn)研究與分析認(rèn)為，對(duì)于密實(shí)的固體推進(jìn)劑藥柱或炸藥裝藥而言，在受到外界較大沖擊加載時(shí)粘塑性空隙塌陷比摩擦產(chǎn)生的能量更多，粘塑性空隙塌陷是引起密實(shí)含能材料點(diǎn)火反應(yīng)的主要能量來源。含能材料中的熱點(diǎn)形成、點(diǎn)火燃燒到快速反應(yīng)過程可以用E.L.Lee[18]的點(diǎn)火增長模型來描述。該模型將含能材料點(diǎn)火與增長過程分為熱點(diǎn)成核-生長-匯合3個(gè)階段，點(diǎn)火、燃燒和快反應(yīng)3個(gè)階段的反應(yīng)速率依次如（1）式所示：

式（1）中：為反應(yīng)速度；和0分別為含能材料的當(dāng)前密度和初始密度；為壓力；、1、2、、、、、、、、和是12個(gè)可調(diào)系數(shù)，3項(xiàng)中的每1項(xiàng)在合適的值時(shí)開始或截?cái)?。由式?）可知，含能材料密度越大，點(diǎn)火反應(yīng)速率越大，壓力越大，燃燒及快速反應(yīng)速率越大。ZD-1試樣在徑向與軸向子彈射擊中均未點(diǎn)火燃燒，在該過程中摩擦、剪切產(chǎn)生的熱量還不足以形成熱點(diǎn)使推進(jìn)劑點(diǎn)火，ZD-1推進(jìn)劑中僅含有3%催化劑固體顆粒，NG對(duì)硝化棉塑化后推進(jìn)劑中的塑性空隙影響很少，因此ZD-1推進(jìn)劑中的空隙塌陷對(duì)熱點(diǎn)形成的能量貢獻(xiàn)很小。ZD-2試樣是在雙基藥基礎(chǔ)上加入了25%的高能固體炸藥RDX，固體組分的加入使推進(jìn)劑的密度增大，固體顆粒堆積過程形成的空隙使推進(jìn)劑基體中的空隙率增加，推進(jìn)劑配方中的固體成分增加也使得推進(jìn)劑的剛性增強(qiáng)，推進(jìn)劑在受到?jīng)_擊載荷時(shí)更易剪切破碎，推進(jìn)劑中的空隙也更易塌陷形成熱點(diǎn)，大量熱點(diǎn)周圍的推進(jìn)劑分解使反應(yīng)迅速增加，導(dǎo)致整個(gè)推進(jìn)劑點(diǎn)火燃燒。當(dāng)子彈撞擊方向由徑向變成軸向后，子彈在推進(jìn)劑中的穿深距離和作用時(shí)間均明顯增加，摩擦產(chǎn)生的熱量大幅增加，加劇了推進(jìn)劑的反應(yīng)，從燃燒轉(zhuǎn)為爆燃。ZD-3試樣中用TEGN增塑劑替換NG，由于TEGN的感度比NG低很多，并且TEGN對(duì)NC的增塑能力也比NG強(qiáng)，同時(shí)TEGN對(duì)NC有很好的溶塑效果，降低了NC的剛性，使硝化棉能更好地包覆于表面，這不僅能很好地修飾RDX晶體表面的缺陷，同時(shí)使RDX受到外界撞擊時(shí)能起到一定的緩沖作用，降低了熱點(diǎn)形成的概率，因此，ZD-3試樣在受到子彈撞擊時(shí)發(fā)生的反應(yīng)比ZD-2弱。

3 結(jié)論

（1）推進(jìn)劑在子彈撞擊條件下易損性響應(yīng)程度與配方組分有關(guān)，配方中加入高能固體炸藥RDX后其響應(yīng)程度增加，用低感度TEGN部分代替配方中的NG，其響應(yīng)程度降低；（2）推進(jìn)劑在子彈撞擊條件下易損性響應(yīng)程度與子彈穿透裝藥深度等有關(guān)，子彈穿透裝藥深度越深，其響應(yīng)程度越劇烈。（3）本試驗(yàn)中的改性雙基推進(jìn)劑子彈軸向撞擊下沒有發(fā)生比爆燃更為劇烈的響應(yīng)，通過了12.7mm標(biāo)準(zhǔn)子彈撞擊易損試驗(yàn)考核。

[1] 裴慶,趙鳳起,郝海霞,等.RDX-CMDB推進(jìn)劑燃速溫度敏感系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究[J].火炸藥學(xué)報(bào),2016,39(3): 73-76.

[2] 張超,楊立波,袁志鋒,等.含LLM-105無煙CMDB推進(jìn)劑的燃燒性能[J].火炸藥學(xué)報(bào),2014,37(5):77-80.

[3] 葉新明,姜長生,吳慶憲.武裝直升機(jī)對(duì)地攻擊階段作戰(zhàn)效能評(píng)估[J].電光與控制,2009,16(5):5-8.

[4] 張超,張曉宏,楊立波,等.含LLM-105的改性雙基推進(jìn)劑的機(jī)械感度[J].火工品,2014(2):33-36.

[5] 苗雪,胥會(huì)祥,趙西鵬.納米Al/RDX混合物的安全性[J].火炸藥學(xué)報(bào),2015,38(5):69-73.

[6] 鄭偉,王江寧,韓芳.DNTF-CMDB推進(jìn)劑的化學(xué)安定性[J].火炸藥學(xué)報(bào),2010,23(4):10-13.

[7] Eishu KJmura,Yoshio Oyumi．Sensitivity of azide polymer propellants in fast cook-off,card GAP and bullet impact tests[J]．Joumal of Energetic Materials,1997,15(2-3)：163-178．

[8] Jeong Hwan LeeJong Cheol Lee．Interior ballistic properties of RDX-based solid propellant[C]//36th International Confe- rence of ICT&32nd International Pyrotechnics Semi- Karlsru- he.ICT,2005．

[9] 唐桂芳,王曉峰,李巍.澆注PBX的低易性能研究[J].含能材料,2003,11(3):163-165．

[10] 王凱民,符綠化.引信爆炸序列鈍感化發(fā)展研究[J].現(xiàn)代引信,1995(3):42-49．

[11] 楊建,賈憲振,余然,等.RDX基發(fā)射藥子彈撞擊特性研究[J].火工品,2011(5):15-17.

[12] 高立龍,王曉峰,南海,等.PMX-1炸藥易損性試驗(yàn)研究[J].含能材料,2010,18(6):699-701.

[13] 代曉淦,申春迎,呂子劍,等.槍擊試驗(yàn)中不同尺寸PBX-2炸藥響應(yīng)規(guī)律研究[J].含能材料,2008,16(4):432-435.

[14] 韓博,張曉志,邢浴仁.一種新型發(fā)射裝藥低易損性能的測試研究[J].火炸藥學(xué)報(bào),2008,31(1):53-55.

[15] Hamate Y，Horie Y．Ignition and detonation of solid explosives: a micromechanical burn model[J].Shock Waves, 2006,16(2):125-147．

[16] Chaudhri M M. The initiation of fast decomposition in solid explosives by fractured plastic flow friction and collapsing voids[C]//Proceedings of the 9th Symposium Detonation. Portland.Oregon,1989．

[17] Massoni J．Saurel R．Baudin G，et a1．A mechanistic model lot shock initiation of solid explosives[J].Physics of Fluids，1999,11(3):710-736．

[18] Lee E L.Tarver C M.Phenomenological model of shock initiation in heterogeneous explosives[J].Physics of Fluid, 1980,23(12):2 362-2 372．

Vulnerabile Response of Double-base and CMDB Propellant by Bullet Impact Test

SUN Zhi-gang，ZHANG Chao，LI Jun-qiang，DANG Yong-zhan，WU Zong-kai，CHEN Jun-bo

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

The vulnerability response characteristics and influencing factors of modified double-base propellants under the impact of bullets were studied, by 12.7mm standard penetrator impact specimens with a velocity of (850±20)m/s. The results show that there are obvious correlations with the propellant compositions and the piercing depth in the vulnerability response extents by the bullet impacts．The more the RDX content in the propellant formulation ,the higher the component sensitivity ,the deeper the penetration of the bullet into the propellant ,the more intense the response.The RDX-CMDB propellant containing 25% RDX has a deflagation response under bullet axial impact.

Propellant；Bullet impact；Vulnerability

1003-1480（2019）02-0039-04

V512+.2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.02.010

2018-08-15

孫志剛（1968 -），男，助理研究員，主要從事固體推進(jìn)劑配方與工藝技術(shù)研究。

總裝預(yù)研項(xiàng)目（41420030501）