CD-3發(fā)射裝藥低易損性能試驗研究?

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)、嚴酷環(huán)境(火災)或敵方的攻擊(沖擊波或高速破片)而發(fā)生意外反應的敏感程度和產(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行了低易損彈藥研制和易損性檢測評估方面的工作[3-8]。發(fā)射藥通常由硝化棉(NC)作為力學骨架，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用量對發(fā)射藥常溫力學性能的影響，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，力學性能、熱穩(wěn)定性大幅提高。在易損性檢測評估方面，國內(nèi)主要依據(jù)美國MIL—STD—2105D《非核彈藥的危險性評估試驗》和北約的STANAG 4439《不敏感彈藥的介紹、評估和試驗政策》等[11-12]，建立了快速烤燃試驗、慢速烤燃試驗、子彈撞擊試驗、破片撞擊試驗、殉爆試驗、射流撞擊試驗和熱破片撞擊試驗等7種刺激源的低敏感試驗手段，并形成了標準[13]。

本文中，以三基發(fā)射藥配方為基礎，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)，對其裝藥進行了快速烤燃、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果進行對比，以期為不敏感發(fā)射藥及裝藥研究提供參考。

1 試驗

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。每項平行試驗2發(fā)。

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

1.2 試驗部分

1.2.1 慢速烤燃試驗

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?？救荚囼炏浒丛O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。測試樣品烤燃全過程的溫度曲線及反應后的沖擊波壓力，記錄試驗殼體破壞狀況和見證板損壞情況。

1.2.2 快速烤燃試驗

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，同時使用高速攝影監(jiān)視反應的全過程，記錄試驗殼體破壞狀況和見證板損壞情況。

1.2.3 子彈撞擊試驗

選用制式12.7 mm標準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2發(fā)裝藥，觀察樣品反應的猛烈程度。

1.2.4 空心裝藥射流撞擊試驗

空心裝藥射流源為?50 mm標準射流源。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)試驗后見證板的凹痕判斷樣品反應程度，試驗2次。

2 試驗結果

2.1 慢速烤燃試驗

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果，其中的反應溫度是指殼體發(fā)生破壞時所對應的溫度。

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

表2 發(fā)射裝藥慢速烤燃試驗結果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，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，試驗件殼體撕裂，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，反應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，試驗響應溫和。GD-3發(fā)射藥慢速烤燃的反應溫度比單基發(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

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后的狀態(tài)。

圖2 快速烤燃反應后的狀態(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，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，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，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

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)進行子彈撞擊試驗，試驗結果照片見圖3。

圖3 子彈撞擊易損性試驗結果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，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；硝基胍發(fā)射藥裝藥受到子彈撞擊時，殼體殘片收集不全，藥粒大部分燃燒，試驗現(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；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。

2.4 射流撞擊試驗

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結果照片見圖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)見到多個小鋼片，端蓋方向距離爆心1.0 m處見到較大鋼碎片，試驗現(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，試驗地點沒有形成大的爆坑，在較遠試驗現(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MIL—STD—2105D危險性評估試驗判據(jù)，分析反應后裝藥殼體、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，硝基胍發(fā)射藥裝藥發(fā)生了II類部分爆轟反應。

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)射藥的易損性響應試驗結果比較

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

表3 發(fā)射裝藥易損性試驗結果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程度由弱到強的排序為: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，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程度由弱到強的排序為: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結果和慢速烤燃反應程度順序一致，但響應結果相對溫和。

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，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)射藥易損性響應劇烈程度強于單基發(fā)射藥。3種發(fā)射裝藥在子彈撞擊下反應程度由弱到強的排序為: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，所以裝藥反應更劇烈。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，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)射藥易損性響應劇烈程度弱于單基發(fā)射藥。3種發(fā)射裝藥反應由弱到強的排序為:GD-3發(fā)射藥、單基發(fā)射藥、硝基胍發(fā)射藥。

按低易損彈藥評價標準要求，烤燃試驗和子彈撞擊試驗可接受的最大反應類型為V類燃燒反應，空心裝藥射流撞擊試驗可接受的最大反應類型為III類爆炸反應。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，在特定的空心裝藥射流刺激下發(fā)生了III類爆炸反應，符足低易損性彈藥的性能評定要求。

3.2 配方組成對發(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、分子結構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)測試結果；NG撞擊感度為2.0 kg落錘測試，每次試驗中至少有1次爆炸時落高小于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，化學安定性好。同時，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，這種特殊的分子結構有利于NC分子鏈段的運動，增大發(fā)射藥的抗沖強度[9]。因此，采用Bu-NENA替代NG、FOX-7替代RDX，有利于提高發(fā)射藥的熱感度和機械感度等性能，改善發(fā)射藥對刺激源的響應劇烈程度，降低發(fā)射藥的易損性。

單基發(fā)射藥的組分單一，其特征分子結構—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)生反應會更快地積聚更大的能量。因此，單基藥耐熱性能較差，且反應最劇烈。從表1和表4可看出，硝基胍發(fā)射藥除含有爆發(fā)點與NC相當?shù)腘G，還含有更高溫度的NGu，熱分解反應較緩慢，因此其反應程度減弱，反應溫度次之。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NC有很好的溶解和增塑能力，降低了NC對熱刺激的敏感性，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，反應程度最溫和。

子彈和射流在穿透試樣的過程中對發(fā)射藥試樣形成強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性能，也取決于化學動力學性能。單基發(fā)射藥的主要成分NC對摩擦、沖擊極敏感，且燃點低，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壓力下的沖擊和摩擦，形成熱點，并迅速分解燃燒，發(fā)生劇烈的爆炸反應。硝基胍發(fā)射藥是在雙基藥基礎上加入了有機晶體炸藥NGu，這種非均質(zhì)的復合結構比均質(zhì)結構更易于產(chǎn)生裂紋、空隙、嵌入物等力學缺陷，力學性能較差，藥體組織結構受到高速子彈撞擊時非常容易破壞，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。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性能較好，在受到子彈撞擊和射流撞擊時不會發(fā)生比單基發(fā)射藥和硝基胍發(fā)射藥更劇烈的反應。

4 結論

1)發(fā)射裝藥慢速烤燃、快速烤燃試驗反應程度由弱到強的排序為:GD-3發(fā)射藥、硝基胍發(fā)射藥、單基發(fā)射藥；子彈撞擊試驗和空心裝藥射流撞擊試驗反應程度由弱到強的排序為: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)射藥的熱感度和機械感度，改善發(fā)射藥對刺激源的響應劇烈程度；從而提高發(fā)射藥的力學性能，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；在特定的空心裝藥射流刺激下發(fā)生了III類爆炸反應，符合低易損性彈藥的性能評定要求。