TATB 基PBX 及其與HNS 復(fù)合裝藥的高速破片撞擊安全性

文 雯，王淑娟，代曉淦，柴傳國，向 永，黃 謙，文玉史，李 明

（中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621999）

1 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(yīng)用，對武器彈藥在戰(zhàn)場上生存能力提出了越來越高的要求。高速破片是最常見的戰(zhàn)場威脅，其對彈藥安全性的影響得到了廣泛關(guān)注和研究。美國、北約的彈藥安全性考核測試項目中［1-2］，均包含了破片撞擊試驗。A. R. Gushanov 等［3］通過破片撞擊炸藥實驗，提出了撞擊起爆模型，并嵌入自主研發(fā)的LEGAK?3D 程序進行了數(shù)值模擬。屈可朋等［4］獲得了不同撞擊速度下帶殼裝藥的反應(yīng)情況及破片的和護板的破壞形態(tài)。孫寶平等［5-6］開展了破片撞擊不同狀態(tài)（無損、損傷）裝藥的點火、起爆數(shù)值模擬研究。但目前彈藥高速破片撞擊安全性的研究大都局限于僅考慮主裝藥受到高速破片撞擊的單一威脅，而沒有考慮敏感藥劑（如傳爆藥等）被高速破片擊中而發(fā)生非理想起爆，進而影響主裝藥安全性的可能，同時戰(zhàn)場常見的火災(zāi)等高溫環(huán)境也將進一步加劇這一威脅［7］。

PBX?C04 炸藥是一種以TATB 為基的鈍感高聚物黏結(jié)炸藥（PBX），具有極好的安全性能，對機械刺激、沖擊波及熱刺激皆不敏感［8-13］，在常規(guī)的落錘撞擊、滑道試驗中難以發(fā)生反應(yīng)。在子彈口徑12.7 mm、子彈速度850 m·s-1的槍擊試驗中，TATB 基PBX 炸藥通常僅發(fā)生燃燒反應(yīng)。炸藥鈍感化技術(shù)在一定程度上提升了傳爆藥在常規(guī)機械刺激下的安全性［14-18］但其面對高速破片撞擊的安全性及其對主裝藥的影響尚無研究。

本研究針對TATB 基PBX?C04 炸藥及其與六硝基茋（HNS）復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)，設(shè)計并開展了高速撞擊安全性試驗研究，通過超壓測試、鑒證板破壞情況和殘藥的理化分析，研究高速破片撞擊下鈍感主裝藥的安全性響應(yīng)規(guī)律及傳爆藥非理想起爆對鈍感主裝藥安全性的影響。

2 試驗部分

2.1 試驗裝置及加載裝置

PBX?C04 及其復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)（PBX?C04/HNS）高速撞擊試驗裝置如圖1所示，裝藥試驗裝置裝配示意圖如圖2所示。主裝藥為PBX?C04，尺寸為Ф50 mm×50 mm。傳爆藥為HNS，尺寸為Ф20 mm×5 mm，復(fù)合裝藥裝配時將傳爆藥鑲嵌在主裝藥頂部中心處，主裝藥和傳爆藥均由中國工程物理研究院化工材料研究所提供。試驗裝置材料為Q235 鋼（屈服強度為235 MPa），殼體壁厚和底部厚度均為4 mm，彈丸撞擊面蓋板厚3.5 mm。殼體和蓋板之間采用4 顆螺釘連接固定在一起。

圖1 PBX?C04 及其復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)高速撞擊試驗裝置圖Fig.1 Diagram of PBX?C04 and its compound structure as?sembly

圖2 試驗裝置裝配過程照片F(xiàn)ig.2 Photos of assembly states of test devices with PBX?C04 a）decomposition states loaded with PBX?C04；b）assembed test device；c）photo of test device assembled with support

破片加載裝置采用自主設(shè)計的高速破片發(fā)射裝置（HSG25?1800 型）［19］，裝置炮管長約4 m，破片速度可根據(jù)火藥量進行調(diào)控，最高速度可達2000 m·s-1。破片結(jié)構(gòu)設(shè)計參考美軍標MIL?STD?2105D 破片撞擊試驗要求，破片尺寸為Ф14.3 mm×15.6 mm 的類圓柱體，頭部錐角為120°，材料為T10 低碳鋼，質(zhì)量約為18.6 g。 高速破片發(fā)射裝置和破片結(jié)構(gòu)見圖3和圖4。

圖3 高速破片發(fā)射裝置圖Fig.3 Photo of highspeed? fragment launcher

圖4 破片結(jié)構(gòu)尺寸圖Fig.4 Schematic diagram of fragment dimensions

2.2 高速破片撞擊試驗

高速破片撞擊試驗平面布局圖如圖5 所示。采用高速破片發(fā)射裝置將破片加速到預(yù)定試驗速度，使其撞擊到裝藥結(jié)構(gòu)件，通過沖擊波超壓、高速攝影、鑒證板破壞情況和剩余殘藥的理化分析，綜合分析高速破片撞擊下的裝藥安全性響應(yīng)。其中，自由場超壓傳感器布置在距離PBX?C04 裝藥（或復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)）蓋板端面中心2 m 處，并分別沿彈丸飛行彈道軸線呈20°和38°分別對稱布置4 支傳感器。在垂直于彈丸彈道的水平方向布置高速攝影，用于記錄破片的飛行速度、姿態(tài)以及撞擊后樣品的反應(yīng)過程。鑒證板放置于PBX?C04 裝藥（或復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)）與靶基之間。

PBX?C04（或其復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)）的高速破片撞擊試驗分為常溫（25 ℃）和高溫（200 ℃）兩種狀態(tài)。其中對于高溫復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)的高速破片撞擊試驗，采用先加熱，后撞擊的方法，即先采用環(huán)形電阻絲式加熱帶將試驗件加熱到200 ℃并保溫10 min后，再開展高速破片撞擊試驗。加熱帶功率600W，可實現(xiàn)3～20 ℃·min-1加熱速率。具體的試驗件裝藥狀態(tài)、試驗溫度及破片速度列表如表1 所示。

圖5 高速破片撞擊試驗俯視平面布局圖1—發(fā)射裝置，2—空氣沖擊波超壓傳感器，3—撞擊破片，4—測速區(qū)間，5—電阻絲式環(huán)形加熱帶，6—被試試驗件，7—靶基Fig.5 Bird′s eye view of experimental configuration of high?speed fragment impact test1—launching equipment，2—sensors of air overpressure，3—fragment，4—velocity measuring zone，5—heating band of electrical?resistance type，6—experimental components，7—target support

表1 兩種裝藥狀態(tài)試驗件的試驗溫度和破片撞擊速度Table1 Fragment impact velocities and temperatures of ex?plosives at tests

2.3 反應(yīng)烈度判定方法

裝藥受到破片撞擊后根據(jù)裝藥反應(yīng)過程整體表現(xiàn)和輸出，可劃分為無反應(yīng)、燃燒、爆燃和爆轟等不同等級。目前，除了爆轟反應(yīng)有明確的定義外，其他反應(yīng)級別國內(nèi)外行業(yè)內(nèi)未見到定量的判定標準，通常需借助殼體破裂形態(tài)、殼體速度及空氣沖擊波超壓進行綜合評價［20］。具體而言，無反應(yīng)級是指炸藥經(jīng)歷事故載荷作用后，未發(fā)生自持放能反應(yīng)；燃燒級是指炸藥點火后持續(xù)燃燒，約束結(jié)構(gòu)因內(nèi)部劇烈增長壓力而解體，被短程拋擲散落，通常有塊狀炸藥因快速泄壓引發(fā)燃燒熄滅而殘留，也可能被限制在殼體殘骸中持續(xù)燃燒；爆燃級是指結(jié)構(gòu)約束中炸藥劇烈反應(yīng)形成高壓，在急劇增長的高壓下破碎炸藥快速燃燒，形成裝藥結(jié)構(gòu)的嚴重破碎、高速飛散，伴隨顯著超壓生成，炸藥很少殘留。

為了進一步保證試驗結(jié)果判讀的準確性，本研究對裝藥受高速破片撞擊后的爆燃和爆轟等較高烈度響應(yīng)狀態(tài)的判定以超壓數(shù)據(jù)為主，以鑒證板和試驗件殘骸破碎情況為輔。對無反應(yīng)和燃燒等低烈度響應(yīng)的結(jié)果，則通過高速攝影拍攝的裝藥撞擊后響應(yīng)圖像對比為主，以試驗后回收的殘留炸藥表面進行X 射線光電子能譜分析（XPS）結(jié)果為輔，綜合判定裝藥的響應(yīng)情況。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

3.1.1 鑒證板/殼體破碎情況及高速速攝影影像

圖6 是不同試驗條件下PBX?C04 裝藥撞擊響應(yīng)后鑒證板/殼體破碎情況及高速速攝影影像。

3.1.2 超壓試驗測試結(jié)果

不同條件下試驗測得的超壓情況詳見表2 所示，其中空氣中的沖擊波超壓值P2m是對4 支自由場超壓傳感器測得的有效數(shù)據(jù)平均后的結(jié)果。試驗測量到的燃燒、爆燃和爆轟等烈度下的典型自由場超壓曲線如圖7 所示。

3.1.3 低烈度反應(yīng)殘留炸藥的X 射線光電子能譜分析

對于裝藥受到撞擊后無反應(yīng)發(fā)生或發(fā)生燃燒等低烈度反應(yīng)時，通常無超壓產(chǎn)生，這就對反應(yīng)級別的判定帶來了困難。由于裝藥發(fā)生低烈度反應(yīng)后通常會有大量破碎炸藥塊殘留，本研究探索了采用X 射線光電子能譜分析技術(shù)（X ray photoelectron spectroscopy，XPS）［21］分別測試試驗前后炸藥表面的各元素組成及其結(jié)合能和含量，分析炸藥表面發(fā)生的組分變化，從而輔助判定裝藥低烈度反應(yīng)等級。

PBX?C04 炸藥配方主要由TATB 和氟橡膠粘結(jié)劑（F2314）組成，TATB 及F2314 的化學(xué)式見圖8。從各組分的化學(xué)式中可看出O、N 兩種元素全部來自于TATB，F(xiàn)、Cl元素全部來自于氟橡膠粘結(jié)劑F2314，可分別作為示蹤元素表征反應(yīng)狀態(tài)。表2 為撞擊前/后PBX?C04 炸藥表面各元素含量，其中試驗前在裝藥表面取了1 份樣品（0#），試驗后由于撞擊后回收的殘余炸藥的表面有可能是受到撞擊后物理破碎形成，也有可能是由于裝藥發(fā)生了點火反應(yīng)形成，為了確保樣品的有效性，從回收的殘余炸藥中取了2 份樣品（1#、2#）。圖9 為撞擊前/后PBX?C04 炸藥樣品中各元素XPS 譜圖。

圖6 撞擊試驗后試驗件殘骸情況及高速攝影影像Fig.6 Experimental wreckages and high?speed records of tested devices after fragment impacts

表2 不同試驗條件下超壓測試結(jié)果Table 2 Results of air overpressure at 2?meter distance un?der various test conditions

從表3 中可以看出，撞擊前后的PBX?C04 炸藥樣品其N、O、F、Cl 元素的含量均發(fā)生了顯著變化，其中F、Cl 元素含量明顯下降。這是由于包覆在TATB 晶體表面的粘結(jié)劑因為燃燒導(dǎo)致了脫落或者是粘結(jié)劑發(fā)生了反應(yīng)，從而導(dǎo)致F、Cl 元素的下降；同時，由于粘結(jié)劑脫落TATB 晶體裸露導(dǎo)致N、O 元素含量有所增加。

從圖9 可以看到，未經(jīng)過撞擊的標準樣品和經(jīng)過高速撞擊后回收的樣品N、O、Cl、F 元素的譜峰的數(shù)目一致，結(jié)合能基本沒有變化。C 元素的譜圖第一峰峰值降低，第二峰分裂成三個峰并且峰值升高，其原因可能是炸藥發(fā)生燃燒，部分表面被燒黑炭化。結(jié)合前述的各元素含量分析，進一步說明了回收的樣品發(fā)生了燃燒反應(yīng)。

綜上，基于超壓、鑒證板、殼體變形及XPS 分析可以獲得PBX?C04 炸藥高速撞擊響應(yīng)烈度的判讀結(jié)果，如表4 所示。

3.2 撞擊速度對PBX?C04 主裝藥撞擊安全性影響

圖7 實測典型燃燒、爆燃及爆轟反應(yīng)的超壓曲線Fig.7 Typical air overpressure curves of impact tests

圖8 TATB 及F2314 化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.8 Chemical formula structures of TATB and F2314

從圖6a～圖6e 中可以看出，當彈丸撞擊速度為784 m·s-1時，殼體完好，殼體底部有輕微的彈丸撞擊痕跡，殼體內(nèi)有少量炸藥剩余；彈丸撞擊速度為1021 m·s-1時，殼體裂開為2 塊，殼體底部有明顯的彈丸撞擊痕跡；彈丸撞擊速度為1847 m·s-1時，殼體裂為4 塊，殼體底部完整；彈丸撞擊速度為1906 m·s-1、1970 m·s-1時，殼體破裂為若干塊，殼體底部破裂。

表3 撞擊前/后PBX?C04 炸藥表面各元素含量（v=1847 m·s-1）Table 3 Chemical element contents of PBX?C04 on surface before and after impact（v=1847 m·s-1） %

從表2 可見，在低于1847 m·s-1的撞擊速度下，PBX?C04裝藥均沒有超壓產(chǎn)生；在1906 m·s-1、1970 m·s-1的超高速撞擊下，產(chǎn)生超壓值也不超過19 kPa，僅為燃燒反應(yīng)。

由此可見，隨著撞擊速度的提高，PBX?C04 裝藥的響應(yīng)也在變強，但即便撞擊速度高達1970 m·s-1時，常溫PBX?C04 炸藥反應(yīng)烈度仍只為燃燒反應(yīng)，具有優(yōu)異的高速撞擊安全性。

3.3 傳爆藥的引入對PBX?C04 主裝藥撞擊安全性影響

對于PBX?C04 /HNS 復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)（圖6f～圖6i 和表2），中等速度撞擊（1390 m·s-1）后，在2 m 處無明顯超壓，殼體撕裂為小塊，復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)僅發(fā)生了燃燒反應(yīng)，而高速撞擊（1970 m·s-1）則在2 m 處的超壓達到30 kPa，復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)發(fā)生了爆燃反應(yīng)。 對比PBX?C04 和PBX?C04/HNS 復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果（見圖6e、圖6i 和表2）可見，原本對高速撞擊（1970 m·s-1）不敏感的PBX?C04 主裝藥因為傳爆藥HNS 的引入，超壓值由19 kPa 升至30 kPa，其在高速撞擊后的反應(yīng)烈度從燃燒提高到了爆燃。

由此可見，隨著撞擊速度的提高，PBX?C04/HNS復(fù)合裝藥反應(yīng)產(chǎn)生的空氣波超壓也逐漸升高。相同撞擊速度下（1970 m·s-1），傳爆藥的引入降低了PBX?C04 的高速撞擊安全性。

3.4 高溫對PBX?C04 主裝藥撞擊安全性影響

對比圖6g和圖6j，相同的撞擊速度下（約1650 m·s-1），加熱到200 ℃后的PBX?C04/HNS 復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)的反應(yīng)烈度由燃燒提高到了爆轟，未回收到任何裝藥殼體殘骸，其鑒證板與裝藥件接觸處形成了直徑120 mm深約12 mm 的凹痕，其背面在反射拉伸波作用下形成不規(guī)則的部分崩落，2 m 處超壓值也達到了51.6 kPa。由此可見，高溫顯著降低了PBX?C04/HNS 的撞擊安全性。

圖9 標準樣品及撞擊后樣品各元素的XPS 譜圖對比Fig.9 Comparison between XPS spectra of standard substance and impacted samples

表4 高速撞擊試驗鈍感炸藥響應(yīng)烈度判斷結(jié)果Table 4 Results of reaction violence levels of insensitive ex?plosive PBX?C04 equipped with/without booster charge after high?speed impacts

4 結(jié)論

（1）常溫下PBX?C04 炸藥具有優(yōu)異的撞擊安全性。隨著撞擊速度的提高，PBX?C04 裝藥的響應(yīng)烈度逐漸變強，但在高達1970 m·s-1的速度撞擊下，常溫的PBX?C04 炸藥仍沒有發(fā)生燃燒等級以上的反應(yīng)。

（2）鈍感裝藥結(jié)構(gòu)中相對敏感的傳爆藥劑是影響其高速撞擊安全的薄弱環(huán)節(jié)，傳爆藥的引入降低了PBX?C04 炸藥的高速撞擊安全性。在引入傳爆藥HNS 后，PBX?C04 達到燃燒反應(yīng)等級的高速破片速度從不低于1970 m·s-1降低到不高于1912 m·s-1。

（3）高溫可明顯降低裝藥的撞擊安全性。在常溫下，當彈丸撞擊速度不高于1900 m·s-1時，無論是PBX?C04 裝藥還是PBX?C04/HNS 復(fù) 合 裝 藥 結(jié) 構(gòu)，反應(yīng)等級均在燃燒及以下。當加熱到200 ℃高溫時，彈丸撞擊速度1640 m·s-1時，就可以使帶傳爆藥的鈍感主裝藥發(fā)生爆轟反應(yīng)。