CD-3發(fā)射裝藥低易損性能試驗(yàn)研究?

韓 冰 魏 倫 于慧芳 劉少武 姚月娟 馬方生 王 鋒

西安近代化學(xué)研究所(陜西西安，710065)

引言

彈藥易損性是彈藥中的火炸藥由于事故(碰撞)、嚴(yán)酷環(huán)境(火災(zāi))或敵方的攻擊(沖擊波或高速破片)而發(fā)生意外反應(yīng)的敏感程度和產(chǎn)生爆炸作用劇烈程度的綜合性能[1-2]。為了適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭環(huán)境及新型武器彈藥的需求，研究人員通過多種途徑進(jìn)行了低易損彈藥研制和易損性檢測評(píng)估方面的工作[3-8]。發(fā)射藥通常由硝化棉(NC)作為力學(xué)骨架，加以增塑劑、高能晶體炸藥作為填充物，和其他功能助劑共同組成。為降低發(fā)射藥的敏感性，需要采用比硝酸酯鈍感的晶體含能化合物作為填充物，采用相對(duì)鈍感的增塑劑替代硝化甘油(NG)。王鋒等[9]研究了含1，1-二氨基-2，2-二硝基乙烯(FOX-7)發(fā)射藥的低壓燃燒性能及FOX-7用量對(duì)發(fā)射藥常溫力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著FOX-7含量的增加，發(fā)射藥抗沖擊強(qiáng)度增大。趙本波等[10]使用N-丁基硝氧乙基硝胺(Bu-NENA)全部替代NG制備的Bu-NENA/NC雙基藥相比NG/NC雙基藥，摩擦感度、撞擊感度、揮發(fā)速率常數(shù)大幅降低，力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性大幅提高。在易損性檢測評(píng)估方面，國內(nèi)主要依據(jù)美國MIL—STD—2105D《非核彈藥的危險(xiǎn)性評(píng)估試驗(yàn)》和北約的STANAG 4439《不敏感彈藥的介紹、評(píng)估和試驗(yàn)政策》等[11-12]，建立了快速烤燃試驗(yàn)、慢速烤燃試驗(yàn)、子彈撞擊試驗(yàn)、破片撞擊試驗(yàn)、殉爆試驗(yàn)、射流撞擊試驗(yàn)和熱破片撞擊試驗(yàn)等7種刺激源的低敏感試驗(yàn)手段，并形成了標(biāo)準(zhǔn)[13]。

本文中，以三基發(fā)射藥配方為基礎(chǔ)，采用鈍感含能增塑劑Bu-NENA全部替代配方中NG，采用FOX-7替代配方中部分黑索今(RDX)，制備了一種新型高能低易損發(fā)射藥(GD-3發(fā)射藥)，對(duì)其裝藥進(jìn)行了快速烤燃、慢速烤燃、子彈撞擊、射流撞擊等易損性測試研究，并與單基發(fā)射藥、硝基胍(NGu)發(fā)射藥的易損性測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以期為不敏感發(fā)射藥及裝藥研究提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 發(fā)射藥樣品

GD-3發(fā)射藥、硝基胍發(fā)射藥、單基發(fā)射藥配方主要組成如表1所示。3種發(fā)射藥均以自由裝填形式分別裝入?76 mm×274 mm、壁厚為4 mm的45＃鋼殼中，兩端用帶螺紋的端蓋密封，每發(fā)裝藥量為1 000 g。每項(xiàng)平行試驗(yàn)2發(fā)。

表1 發(fā)射藥配方主要組成Tab.1 Main composition of propellant formula

1.2 試驗(yàn)部分

1.2.1 慢速烤燃試驗(yàn)

采用電阻加熱套包裹樣品殼體，將樣品懸掛在距地面高60 cm處?？救荚囼?yàn)箱按設(shè)定程序分段升溫，在0~60℃內(nèi)以3℃/min恒定升溫，在60℃以上以1℃/min恒定升溫，直至樣品發(fā)生劇烈反應(yīng)。測試樣品烤燃全過程的溫度曲線及反應(yīng)后的沖擊波壓力，記錄試驗(yàn)殼體破壞狀況和見證板損壞情況。

1.2.2 快速烤燃試驗(yàn)

模擬大火環(huán)境，將發(fā)射藥樣品置于800 mm×800 mm×680 mm的水油池正上方420~450 mm處，樣品四周布置4路熱電偶測溫系統(tǒng)，將見證板放置在油池四周1.0 m處。引燃油池，同時(shí)使用高速攝影監(jiān)視反應(yīng)的全過程，記錄試驗(yàn)殼體破壞狀況和見證板損壞情況。

1.2.3 子彈撞擊試驗(yàn)

選用制式12.7 mm標(biāo)準(zhǔn)穿甲燃燒彈撞擊樣彈，槍口距離樣彈30 m，子彈撞擊速度為(850±20)m/s。見證板為5 mm厚L型45＃鋼板。至少試驗(yàn)2發(fā)裝藥，觀察樣品反應(yīng)的猛烈程度。

1.2.4 空心裝藥射流撞擊試驗(yàn)

空心裝藥射流源為?50 mm標(biāo)準(zhǔn)射流源。在樣品底面放置1塊300 mm×300 mm×12 mm的鋼質(zhì)見證板。根據(jù)試驗(yàn)后見證板的凹痕判斷樣品反應(yīng)程度，試驗(yàn)2次。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 慢速烤燃試驗(yàn)

圖1為單基發(fā)射藥、硝基胍發(fā)射藥、GD-3發(fā)射藥裝藥慢速烤燃反應(yīng)后的狀態(tài)。表2列出了不同配方發(fā)射裝藥在慢速烤燃條件下的測試結(jié)果，其中的反應(yīng)溫度是指殼體發(fā)生破壞時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度。

圖1 慢烤反應(yīng)后的狀態(tài)Fig.1 Status after slow cook-off test

表2 發(fā)射裝藥慢速烤燃試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Slow cook-off test results of gun propellant

從圖1、表2可知:經(jīng)過緩慢、有序加溫后，單基發(fā)射藥發(fā)生爆炸反應(yīng)，僅收集到少量小塊殼體碎片，見證板被殼體擊中撕裂；硝基胍發(fā)射藥在161.9℃發(fā)生爆燃反應(yīng)，試驗(yàn)件殼體撕裂，收集到大塊殼體碎片，見證板被殼體擊中撕裂；GD-3發(fā)射藥在168.0℃發(fā)生燃燒反應(yīng)，反應(yīng)瞬間殼體一端端蓋沖開，殼體完整，殼體內(nèi)及周圍有較多的剩藥，試驗(yàn)響應(yīng)溫和。GD-3發(fā)射藥慢速烤燃的反應(yīng)溫度比單基發(fā)射藥高出14.6℃，比硝基胍發(fā)射藥高出6.1℃，說明GD-3發(fā)射藥能經(jīng)受住更高的烤燃溫度，具有更好的耐熱性和安全性。

2.2 快速烤燃試驗(yàn)

圖2為單基發(fā)射藥、硝基胍發(fā)射藥、GD-3發(fā)射藥裝藥快速烤燃反應(yīng)后的狀態(tài)。

圖2 快速烤燃反應(yīng)后的狀態(tài)Fig.2 Status after fast cook-off test

在快速烤燃刺激源作用下，能量水平最低的單基發(fā)射藥發(fā)生了爆炸反應(yīng)，堵頭穿入沙堆，殼體殘片收集不全，四周見證板都有不同程度的變形和穿孔。硝基胍發(fā)射藥發(fā)生了燃燒反應(yīng)，殼體一端端蓋剪切，見證板有不規(guī)則穿孔。GD-3發(fā)射藥發(fā)生了燃燒反應(yīng)，殼體僅一端薄弱處端蓋剪切，殼體外觀完整，但明顯變粗，殼體內(nèi)藥粒發(fā)生的熱分解燃燒反應(yīng)形成的推力較小，噴射出的藥粒在大火附近不完全燃燒，四周見證板有輕微變形。

2.3 子彈撞擊試驗(yàn)

將單基發(fā)射藥、硝基胍發(fā)射藥、GD-3發(fā)射藥3種發(fā)射藥粒置于45＃鋼殼體內(nèi)進(jìn)行子彈撞擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果照片見圖3。

圖3 子彈撞擊易損性試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test results of bullet impact vulnerability

由圖3看出:單基發(fā)射藥裝藥在受到子彈撞擊時(shí)，殼體大塊撕裂，藥粒四散開來，收集到極少量殘藥，藥粒大部分燃燒，判定發(fā)生了爆炸反應(yīng)；硝基胍發(fā)射藥裝藥受到子彈撞擊時(shí)，殼體殘片收集不全，藥粒大部分燃燒，試驗(yàn)現(xiàn)場飛散的藥粒表面有燃燒痕跡，見證板未明顯變形，判定發(fā)生了爆炸反應(yīng)；而GD-3發(fā)射藥裝藥受到子彈撞擊后飛散開，能看到有火團(tuán)飛出，現(xiàn)場周圍十幾米范圍內(nèi)有未燃燒的完整藥粒，見證板完好，沒有受損變形，判定發(fā)生了V類燃燒反應(yīng)。

2.4 射流撞擊試驗(yàn)

單基發(fā)射藥、硝基胍發(fā)射藥、GD-3發(fā)射藥3種發(fā)射藥裝藥射流撞擊試驗(yàn)結(jié)果照片見圖4。單基發(fā)射藥裝藥射流沖擊后的見證板半球形彎曲，中部凹坑深度約為7~8 cm，距爆心1.5 m范圍內(nèi)見到多個(gè)小鋼片，端蓋方向距離爆心1.0 m處見到較大鋼碎片，試驗(yàn)現(xiàn)場未見到殘藥；硝基胍發(fā)射藥裝藥的見證板剪切穿出不規(guī)則圓孔，有大面積灼燒痕跡，現(xiàn)場見2 cm2左右碎鐵片，未見殘藥；GD-3發(fā)射藥裝藥的見證板發(fā)生變形，試驗(yàn)地點(diǎn)沒有形成大的爆坑，在較遠(yuǎn)試驗(yàn)現(xiàn)場可撿到未燃的藥粒，說明高能物質(zhì)沒有完全耗盡。參照美軍標(biāo)MIL—STD—2105D危險(xiǎn)性評(píng)估試驗(yàn)判據(jù)，分析反應(yīng)后裝藥殼體、見證板破壞等現(xiàn)象，判定在特定的空心裝藥射流刺激下，GD-3發(fā)射藥裝藥、單基發(fā)射藥裝藥發(fā)生了III類爆炸反應(yīng)，硝基胍發(fā)射藥裝藥發(fā)生了II類部分爆轟反應(yīng)。

圖4 發(fā)射裝藥射流撞擊后的見證板Fig.4 Witness plates under shaped charge jet impact

3 分析與討論

3.1 不同發(fā)射藥的易損性響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果比較

表3為發(fā)射裝藥易損性試驗(yàn)結(jié)果。表3中，VI類為不反應(yīng)；V類為燃燒反應(yīng)；IV類為爆燃反應(yīng)；III類為爆炸反應(yīng)；I、II類為爆轟或部分爆轟。

表3 發(fā)射裝藥易損性試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of vulnerability of gun propellant charges

從圖1和表3可看出，3種發(fā)射裝藥在慢速烤燃下的反應(yīng)程度由弱到強(qiáng)的排序?yàn)?GD-3發(fā)射藥、硝基胍發(fā)射藥、單基發(fā)射藥。

從圖2和表3可以看出，硝基胍發(fā)射藥、GD-3發(fā)射藥在快速烤燃下都發(fā)生了V類燃燒反應(yīng)，但GD-3發(fā)射裝藥的見證板破壞程度較小，說明GD-3發(fā)射藥響應(yīng)劇烈程度弱于硝基胍發(fā)射藥。3種發(fā)射裝藥在快速烤燃下反應(yīng)程度由弱到強(qiáng)的排序?yàn)?GD-3發(fā)射藥、硝基胍發(fā)射藥、單基發(fā)射藥。3種發(fā)射裝藥快速烤燃試驗(yàn)結(jié)果和慢速烤燃反應(yīng)程度順序一致，但響應(yīng)結(jié)果相對(duì)溫和。

從圖3和表3發(fā)現(xiàn)，硝基胍發(fā)射藥、單基發(fā)射藥在子彈撞擊下均發(fā)生III類爆炸反應(yīng)，但硝基胍發(fā)射裝藥的殼體撕裂程度大于單基發(fā)射藥裝藥，說明硝基胍發(fā)射藥易損性響應(yīng)劇烈程度強(qiáng)于單基發(fā)射藥。3種發(fā)射裝藥在子彈撞擊下反應(yīng)程度由弱到強(qiáng)的排序?yàn)?GD-3發(fā)射藥、單基發(fā)射藥、硝基胍發(fā)射藥。

空心裝藥射流撞擊比子彈撞擊刺激源更強(qiáng)，所以裝藥反應(yīng)更劇烈。由圖4和表3可看出，GD-3發(fā)射裝藥、單基發(fā)射藥裝藥在空心裝藥射流撞擊發(fā)生了III類爆炸反應(yīng)，但GD-3發(fā)射藥的見證板發(fā)生破壞變形程度小于單基發(fā)射藥，說明GD-3發(fā)射藥易損性響應(yīng)劇烈程度弱于單基發(fā)射藥。3種發(fā)射裝藥反應(yīng)由弱到強(qiáng)的排序?yàn)?GD-3發(fā)射藥、單基發(fā)射藥、硝基胍發(fā)射藥。

按低易損彈藥評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求，烤燃試驗(yàn)和子彈撞擊試驗(yàn)可接受的最大反應(yīng)類型為V類燃燒反應(yīng)，空心裝藥射流撞擊試驗(yàn)可接受的最大反應(yīng)類型為III類爆炸反應(yīng)。GD-3發(fā)射裝藥在慢速烤燃和快速烤燃、12.7 mm子彈撞擊刺激下發(fā)生了V類燃燒反應(yīng)，在特定的空心裝藥射流刺激下發(fā)生了III類爆炸反應(yīng)，符足低易損性彈藥的性能評(píng)定要求。

3.2 配方組成對(duì)發(fā)射藥易損性能的影響

發(fā)射藥配方組分決定著發(fā)射藥的性質(zhì)。通常發(fā)射藥中各組分在發(fā)射藥中是獨(dú)立存在的，僅是物理上的均勻混合。因此，發(fā)射藥各組分的熱、撞擊、摩擦感度、分子結(jié)構(gòu)都將直接或間接影響到發(fā)射藥的易損性能。

表4是發(fā)射藥各組分的感度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)為美國12型撞擊儀器(2.5 kg落錘)測試結(jié)果；NG撞擊感度為2.0 kg落錘測試，每次試驗(yàn)中至少有1次爆炸時(shí)落高小于15 cm。

表4 組分的感度數(shù)據(jù)Tab.4 Sensitivity parameters of different components

Bu-NENA是一種性能優(yōu)良的新型含能增塑劑，F(xiàn)OX-7是一種新型高能低敏感化合物，它們都具有較高的熱穩(wěn)定性和較低的撞擊、摩擦感度，化學(xué)安定性好。同時(shí)，在NC體系中，Bu-NENA的增塑能力和相容性優(yōu)于其他常用增塑劑；FOX-7分子中大量的硝基和氨基可以形成分子內(nèi)及分子間氫鍵，也能夠同NC分子上的羥基形成氫鍵，這種特殊的分子結(jié)構(gòu)有利于NC分子鏈段的運(yùn)動(dòng)，增大發(fā)射藥的抗沖強(qiáng)度[9]。因此，采用Bu-NENA替代NG、FOX-7替代RDX，有利于提高發(fā)射藥的熱感度和機(jī)械感度等性能，改善發(fā)射藥對(duì)刺激源的響應(yīng)劇烈程度，降低發(fā)射藥的易損性。

單基發(fā)射藥的組分單一，其特征分子結(jié)構(gòu)—O—NO2在所有火炸藥組成化合物中最容易斷鏈分解，使其從分解到發(fā)生反應(yīng)會(huì)更快地積聚更大的能量。因此，單基藥耐熱性能較差，且反應(yīng)最劇烈。從表1和表4可看出，硝基胍發(fā)射藥除含有爆發(fā)點(diǎn)與NC相當(dāng)?shù)腘G，還含有更高溫度的NGu，熱分解反應(yīng)較緩慢，因此其反應(yīng)程度減弱，反應(yīng)溫度次之。和硝基胍發(fā)射藥相比，GD-3發(fā)射藥配方除了含有鈍感含能化合物FOX-7和RDX外，還含有比NG鈍感的增塑劑Bu-NENA，且Bu-NENA對(duì)NC有很好的溶解和增塑能力，降低了NC對(duì)熱刺激的敏感性，因此和單基發(fā)射藥、硝基胍發(fā)射藥相比，GD-3發(fā)射藥耐熱性能優(yōu)越，反應(yīng)程度最溫和。

子彈和射流在穿透試樣的過程中對(duì)發(fā)射藥試樣形成強(qiáng)烈的撞擊和摩擦作用。在此作用下，火藥發(fā)生燃燒(爆炸)的過程既取決于火藥的力學(xué)性能，也取決于化學(xué)動(dòng)力學(xué)性能。單基發(fā)射藥的主要成分NC對(duì)摩擦、沖擊極敏感，且燃點(diǎn)低，在空氣中燃燒極迅速；因此，發(fā)射藥裝藥殼體受到高速子彈撞擊破裂瞬間，發(fā)射藥藥粒受到較高的溫度流場和初始?jí)毫ο碌臎_擊和摩擦，形成熱點(diǎn)，并迅速分解燃燒，發(fā)生劇烈的爆炸反應(yīng)。硝基胍發(fā)射藥是在雙基藥基礎(chǔ)上加入了有機(jī)晶體炸藥NGu，這種非均質(zhì)的復(fù)合結(jié)構(gòu)比均質(zhì)結(jié)構(gòu)更易于產(chǎn)生裂紋、空隙、嵌入物等力學(xué)缺陷，力學(xué)性能較差，藥體組織結(jié)構(gòu)受到高速子彈撞擊時(shí)非常容易破壞，從而增大了利于燃燒的表面積；且和單基藥相比，發(fā)射藥配方中除了含有NC成分外，還增加了摩擦感度、撞擊感度都較高的組分NG和能量較高的組分NGu，發(fā)射藥能量水平增高，破壞力變大；因此，發(fā)生了劇烈的爆炸效應(yīng)。GD-3發(fā)射藥由于主要組分Bu-NENA和FOX-7沖擊感度較低，發(fā)射藥的耐熱性能和力學(xué)性能較好，在受到子彈撞擊和射流撞擊時(shí)不會(huì)發(fā)生比單基發(fā)射藥和硝基胍發(fā)射藥更劇烈的反應(yīng)。

4 結(jié)論

1)發(fā)射裝藥慢速烤燃、快速烤燃試驗(yàn)反應(yīng)程度由弱到強(qiáng)的排序?yàn)?GD-3發(fā)射藥、硝基胍發(fā)射藥、單基發(fā)射藥；子彈撞擊試驗(yàn)和空心裝藥射流撞擊試驗(yàn)反應(yīng)程度由弱到強(qiáng)的排序?yàn)?GD-3發(fā)射藥、單基發(fā)射藥、硝基胍發(fā)射藥。GD-3發(fā)射藥易損性響應(yīng)劇烈程度弱于硝基胍發(fā)射藥和單基發(fā)射藥。

2)采用相對(duì)鈍感的增塑劑Bu-NENA替代NG，采用FOX-7替代部分RDX作為填充物，有利于提高發(fā)射藥的熱感度和機(jī)械感度，改善發(fā)射藥對(duì)刺激源的響應(yīng)劇烈程度；從而提高發(fā)射藥的力學(xué)性能，降低發(fā)射藥的易損性。

3)GD-3發(fā)射裝藥在慢速烤燃、快速烤燃以及12.7 mm子彈撞擊刺激下發(fā)生了V類燃燒反應(yīng)；在特定的空心裝藥射流刺激下發(fā)生了III類爆炸反應(yīng)，符合低易損性彈藥的性能評(píng)定要求。