PBX炸藥剪切流動點火性能的實驗研究

陳 鵬，屈可朋，李亮亮，肖 瑋，陳 榮，暢 博，袁寶慧

(1.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2.國防科技大學(xué)，湖南 長沙410073)

引 言

PBX炸藥作為侵徹戰(zhàn)斗部等武器系統(tǒng)的重要能源物質(zhì)，對于毀傷效果具有決定性作用。然而，戰(zhàn)斗部在侵徹過程中，會產(chǎn)生較大的沖擊過載，由于沖擊過載作用，戰(zhàn)斗部裝藥在殼體內(nèi)部經(jīng)歷壓縮、剪切及流動等復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)，在復(fù)合應(yīng)力作用下，裝藥內(nèi)部易形成熱點，導(dǎo)致炸藥意外起爆。所謂的剪切和流動是由于裝藥在過載作用下非均勻變形而引起的，因此，研究裝藥在壓縮、剪切及流動作用下的安全性具有重要意義。

目前，關(guān)于炸藥在拉伸、壓縮、摩擦等單一加載方式下的點火研究方法較多，同時，在復(fù)合應(yīng)力加載下的研究方法也得到了較大發(fā)展。LANL實驗室和Cavendish實驗室使用透明落錘砧骨加載無約束炸藥材料[1-4]，研究了炸藥材料在落錘加載下軸向壓縮和徑向流動點火情況；Dickson[5]使用斜碰撞實驗和滑道實驗研究了炸藥撞擊摩擦的點火過程；Joshi[6-8]將SHPB裝置能夠?qū)崿F(xiàn)高應(yīng)變率優(yōu)點與落錘裝置中能量沉積優(yōu)點相結(jié)合，使用SHPB-砧骨實驗研究PBX炸藥受剪切作用下的點火；LRL實驗室建立了Susan實驗[9-10]，用于研究炸藥在低速撞擊下的點火，得到炸藥徑向剪切流動，易發(fā)生點火；Jones[11]和申春迎[12]對炸藥進行了Spigot的沖塞實驗，研究炸藥在剪切和摩擦作用下的點火；Chidester[13-14]設(shè)計了Steven實驗用于研究炸藥裝藥受低速沖擊下的點火。上述研究都是基于低速沖擊作用下PBX炸藥的點火研究，而關(guān)于PBX炸藥在高速沖擊作用下的剪切流動研究報道較少。

本研究為了對比炸藥在完全約束加載和剪切流動作用下的點火反應(yīng)特性，使用一級輕氣炮進行加載，同時使用高速攝影觀察加載過程中炸藥是否發(fā)生反應(yīng)，使用壓力傳感器測量加載過程中的壓力，并且結(jié)合數(shù)值模擬計算，對炸藥的點火反應(yīng)特性進行研究。

1 實 驗

1.1 樣品制備

HMX基PBX炸藥由西安近代化學(xué)研究所提供，主要成分為HMX/Al/黏結(jié)劑，其配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：HMX, 53%;Al粉,35%;黏結(jié)劑,12%。

樣品制備過程：將3種組分按比例均勻混合，在外徑40mm、內(nèi)徑30mm、高度30mm的聚乙烯塑料套筒內(nèi)澆注成型，成型藥柱尺寸為Φ30mm×30mm，密度為1.84g/cm3，保持藥柱端面平整，無肉眼可見缺陷，最后用兩個直徑40mm、高度5mm的聚乙烯塑料墊片分別密封藥柱的兩個端面。

1.2 儀器

實驗在130mm口徑的一級輕氣炮上完成，如圖1所示。測速系統(tǒng)由激光測速儀和Tektronic示波器組成，示波器采樣率為5M/s；裝藥加載壓力變化由北京理工大學(xué)研制的50Ω錳銅壓力傳感器測得；使用Photron高速攝影記錄加載過程中樣彈是否發(fā)生反應(yīng)。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

1.3 實驗原理

一級輕氣炮加載實驗原理是通過高壓氣室內(nèi)部的氣體驅(qū)動炮管中的2.5kg塑料彈丸，彈丸加速至400m/s的速度撞擊靶箱內(nèi)部的裝藥樣彈，實現(xiàn)對裝藥的壓縮加載。使用下?lián)糁撞康膲毫鞲衅鳒y試加載過程中的壓力變化，通過增減實驗樣彈上端蓋板的剪切厚度調(diào)整加載強度，蓋板直徑D1為Φ100mm，蓋板的厚度h1變化為10～23mm，蓋板材料為45號鋼；上下?lián)糁睆絛1為Φ40mm，上擊柱長度L1為115mm，下?lián)糁L度L2為40mm，套筒內(nèi)徑和擊柱直徑相同，外徑d3為Φ60mm，套筒長度L3為140mm，砧骨直徑D2為Φ120mm，厚度h2為20mm，材料均為T10鋼；通過高速攝影記錄裝藥是否發(fā)生反應(yīng)。

實驗中模擬完全約束加載方式如圖2(a)和(b)所示，剪切流動加載方式和受力示意圖如圖2(c)和(d)所示，剪切流動加載不同于完全約束加載,區(qū)別為藥柱下端面的聚乙烯塑料墊中心開有直徑為2mm或3mm的圓形通孔，下?lián)糁行拈_有直徑為6mm的圓形通孔，且兩個圓孔同軸心，便于空氣的快速排出。當(dāng)裝藥上端受壓力加載，裝藥受擠壓從下端小孔流出，裝藥在流出小孔位置與孔壁面進行剪切摩擦，當(dāng)壓力較大時，裝藥就會形成快速流動。

圖2 加載示意圖和裝配圖Fig.2 Loading schematic and assembly of experiment

2 結(jié)果與討論

2.1 剪切流動作用理論分析

PBX炸藥在剪切流動加載過程中，基于兩個假設(shè)：(1)PBX炸藥在剪切流動過程密度不發(fā)生變化；(2)加載開始瞬間擠壓流出速度最大。

氣炮發(fā)射時，加速炮管內(nèi)部的塑料彈丸運動，彈丸撞擊蓋板，當(dāng)加載作用力大于蓋板的剪切強度τ1時，蓋板被剪斷，加載結(jié)束。此時加載在蓋板上作用力為：

f=πd1h1τ1

(1)

式中：d1為擊柱直徑，mm；h1為蓋板厚度，mm。

作用在上擊柱上的作用力F1為：

F1=f

(2)

此時，墊片下端開孔中層流的黏性阻力F2為：

F2=τ2πd2l

(3)

式中：τ2為炸藥與管壁的摩擦應(yīng)力，不超過炸藥材料的剪切強度，MPa；d2為聚乙烯塑料墊片下端面開孔直徑，mm；l為墊片下端開孔中炸藥的不同位置，mm。

假設(shè)認為聚乙烯塑料與炸藥同時受壓且應(yīng)力均勻，忽略其強度差異帶來的應(yīng)力分布不均勻。記開孔中距離初始炸藥為l處炸藥的平均流速為v1，根據(jù)伯努利方程：

(4)

式中：ρ為藥柱初始密度，g/cm3；v1為PBX藥柱壓縮速度，m/s；v2為藥柱壓縮擠出流動速度，m/s。

藥柱在加載流動過程中，由質(zhì)量守恒定律可得：

v2=(d1/d2)2·v1

(5)

聯(lián)立公式(4)和(5)得到：

(6)

公式(6)給出了管中不同位置的流速，結(jié)果表明，蓋板的剪切強度τ1越大、流速越大，下端面聚乙烯塑料墊片孔直徑d2越大、流速越小，忽略炸藥與孔壁的摩擦?xí)r，可以得到更為簡化的形式：

(7)

2.2 實驗結(jié)果分析

實驗在輕氣炮上完成，結(jié)果如表1所示。實驗中樣彈不同厚度的蓋板都被剪斷，并對典型工況進行重復(fù)實驗，從實驗結(jié)果可以看出，藥柱下端墊片未開孔實驗在加載過程中均未發(fā)生反應(yīng)，開孔之后的加載材料發(fā)生反應(yīng)，材料是否發(fā)生反應(yīng)與下端墊片開孔直徑大小有關(guān)。

表1 PBX炸藥加載實驗結(jié)果

蓋板厚度為23mm時加載后回收樣彈如圖3所示，從高速攝影和回收樣彈可以看出,蓋板厚度從10mm增加到23mm的加載過程中，藥柱均未發(fā)生反應(yīng)，回收樣彈完整，藥柱有擠出的跡象。

圖3 完全約束PBX炸藥實驗結(jié)果Fig.3 Fully constrained results of PBX explosives

藥柱下端墊片開孔2mm實驗結(jié)果表明，蓋板厚度從12mm增加到17mm的加載過程中，回收樣彈可以明顯看到炸藥被擠出現(xiàn)象，未見炸藥發(fā)生燃燒或反應(yīng)；當(dāng)藥柱下端墊片開孔3mm，蓋板厚度為17mm時，炸藥發(fā)生劇烈反應(yīng)。未反應(yīng)和反應(yīng)回收樣彈套筒如圖4所示，發(fā)生反應(yīng)的樣彈可以明顯看到有燒黑跡象，同時可以從高速攝影觀察到加載過程中有火光從套筒外壁噴出，如圖5所示。

圖4 開孔PBX炸藥實驗結(jié)果Fig.4 Experiment results of PBX explosives with hole

圖5 PBX炸藥在剪切流動狀態(tài)時的反應(yīng)情況Fig.5 PBX explosives react in shear-flow process

通過放置在下?lián)糁撞繅毫鞲衅鳒y得底部未開孔加載過程中應(yīng)力的變化如圖6所示，對于相同速度彈丸沖擊樣彈蓋板，10mm和12mm厚度蓋板的樣彈達到峰值應(yīng)力的時間分別為45μs和58μs，由于不同厚度蓋板的剪切力作用不同，12mm蓋板作用力比10mm蓋板作用力大130MPa。

圖6 完全約束樣彈加載過程中應(yīng)力隨時間的變化曲線Fig.6 Stress versus time curve during full-constrained loading

樣彈下端開孔裝藥發(fā)生反應(yīng)，而未開孔裝藥沒有發(fā)生反應(yīng)，分析主要原因可能是在加載過程中，未開孔樣彈裝藥雖然受力較大，但在約束狀態(tài)下變形較小，較難產(chǎn)生熱點；樣彈下端開孔裝藥，在加載過程中，裝藥在開孔處發(fā)生了剪切流動，產(chǎn)生了溫升，形成了熱點，引起炸藥發(fā)生反應(yīng)。然而，2mm開孔直徑的炸藥未發(fā)生反應(yīng)，3mm開孔直徑的炸藥發(fā)生反應(yīng)，對比2mm開孔和3mm開孔樣彈，可以得到相同流速情況下3mm開孔樣彈的流量是2mm開孔樣彈的2.25倍，因此可以得到炸藥能否發(fā)生反應(yīng)，還和炸藥的流量有關(guān)。

3 數(shù)值模擬

3.1 有限元模型的建立

實驗中由于條件限制，未能通過高速攝影觀察樣彈裝藥在加載時的剪切流動過程，然而，樣彈下端墊片開孔大小對裝藥的剪切流動速度影響較大，因此采用有限元數(shù)值模擬對加載過程進行計算。

使用LS-DYNA軟件對氣炮加載過程中彈丸沖擊樣彈進行數(shù)值模擬計算，分別計算了樣彈下端墊片未開孔和開孔的兩種情況，實驗加載彈丸和樣彈用四分之一模型建模，如圖7所示，裝藥試樣使用均勻歐拉網(wǎng)格，大小為1mm，其他選用拉格朗日網(wǎng)格。

圖7 數(shù)值模擬計算模型圖Fig. 7 The simulation model

計算中通過在彈丸上加載速度作為初始加載邊界，樣彈下端使用固定邊界，計算使用材料參數(shù)如表2所示[15]。

表2 數(shù)值模擬計算材料模型參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過計算樣彈墊片下端未開孔和蓋板厚度為10mm時，實驗測得擊柱下端應(yīng)力變化和數(shù)值模擬計算結(jié)果對比如圖8所示。

圖8 下?lián)糁鶓?yīng)力數(shù)值模擬計算和實驗測定值對比Fig. 8 Comparison of the simulation and experimental stress of lower strike

從圖8中可以看出，數(shù)值模擬計算得到壓力—時程曲線和實驗結(jié)果吻合較好。

使用以上參數(shù)分別計算樣彈墊片下端開孔直徑為2mm和3mm的加載過程情況，如圖9所示。計算結(jié)果表明，2mm直徑開孔的炸藥平均剪切流動速率為250m/s，3mm直徑開孔的炸藥平均剪切流動速率為180m/s，3mm直徑開孔的單位時間流量比2mm直徑開孔的單位時間炸藥流量增加62%，因此分析可得炸藥是否發(fā)生反應(yīng)不僅與流動速率有關(guān)，還與炸藥單位時間擠出量有關(guān)。

圖9 炸藥加載剪切流動過程Fig. 9 Shear-flow process of explosive

4 結(jié) 論

(1)通過氣炮直接加載帶約束和下端開孔具有剪切流動的HMX基PBX炸藥，直接加載帶約束的炸藥，蓋板從10mm增加到23mm都未發(fā)生反應(yīng)，然而下端開孔，炸藥具有剪切流動的加載蓋板在17mm時發(fā)生反應(yīng)。因此，炸藥在剪切流動加載過程中相比于直接約束的裝藥更容易發(fā)生反應(yīng)。

(2)HMX基PBX炸藥在剪切流動作用下是否發(fā)生反應(yīng)，不僅與流動速率有關(guān)，還和炸藥單位時間的擠出量有關(guān)，3mm開孔直徑單位時間流量比2mm開孔直徑流量增加62%。