兩次脈沖加載條件下炸藥裝藥的安全性實驗技術(shù)?

李亮亮 孫興昀 付改俠 肖 瑋 屈可朋

西安近代化學(xué)研究所(陜西西安，710065)

引言

炸藥裝藥的安全性研究一直是炸藥裝藥應(yīng)用領(lǐng)域的熱點及難點之一。炸藥裝藥的安全性涉及炸藥的感度、裝藥和殼體的結(jié)構(gòu)匹配性及裝藥所處的力學(xué)環(huán)境等。比如，侵徹彈侵徹多層靶板時，裝藥就處在復(fù)雜的、快速的多次脈沖加載環(huán)境中(多頻次的拉伸-壓縮加載)，可能引起裝藥出現(xiàn)裂紋甚至宏觀破碎現(xiàn)象，在摩擦作用下極易點火。因此，需要對炸藥裝藥在多次脈沖加載條件下的安全性進行研究。

國內(nèi)外多采用分離式霍普金森壓桿(SHPB)、落錘等裝置獲取多次脈沖實驗的參數(shù)。其中，SHPB因設(shè)備操作簡單，樣品需求量較小，產(chǎn)生了諸多研究成果。鄧國強等[1]采用SHPB設(shè)備分析了一次沖擊過程中的多次加載原因，并探討了消除方法。李地元等[2]利用SHPB進行了多次循環(huán)沖擊壓縮實驗，發(fā)現(xiàn)花崗巖沖擊后的損傷變化量增大。Zi等[3]采用一維飛片沖擊實驗對HMX基PBX炸藥(JOB-9003)進行了兩次沖擊；該實驗中，采用低阻的藍寶石和高阻的Kel-F材料進行組合加載，產(chǎn)生兩次脈沖，在SHPB壓桿系統(tǒng)上連續(xù)多次沖擊加載前、后子彈加載系統(tǒng)和內(nèi)外子彈加載系統(tǒng)，炸藥裝藥最高得到兩次連續(xù)脈沖。此外，大量學(xué)者通過SHPB獲得了材料在多次加載條件下的力學(xué)特性及動態(tài)參量[4-9]。林大能等[10-11]采用落錘設(shè)備對大理石進行多次沖擊，得出在圍壓和沖擊沖量的共同作用下，圍壓能夠提高巖石抗沖擊破壞的能力，并建立了不同圍壓下沖擊損傷與沖擊次數(shù)的函數(shù)。綜上所述，針對炸藥裝藥在多次加載條件下的安全性研究還鮮見報道。這主要是因為SHPB的樣品量較小，目前無法在多次加載條件下對炸藥進行點火；落錘裝置的樣品量較大。

本文中，基于大型落錘模擬加載裝置，設(shè)計了一種專用裝置。在錘頭碰撞時，該裝置可分成兩次加載，進而對炸藥裝藥實現(xiàn)兩次脈沖加載。利用該測試技術(shù)，以CL-20基含鋁炸藥為例，研究炸藥裝藥的安全性，為侵徹戰(zhàn)斗部或其他武器裝備的炸藥裝藥多脈沖加載下的安全性研究提供技術(shù)支持。

1 實驗部分

1.1 樣品制備

樣品為壓裝CL-20基含鋁炸藥，密度為1.80 g/cm3，炸藥端面尺寸為40 mm×40 mm，藥量約90 g，由西安近代化學(xué)研究所提供。

1.2 實驗設(shè)備

落錘模擬加載裝置，錘頭質(zhì)量400 kg，時間脈沖為毫秒量級加載，應(yīng)力加載可達吉帕量級，西安近代化學(xué)研究所自研。裝置組成如圖1所示。

圖1 落錘裝置組成及實驗樣彈示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of drop hammer device and bomb sample

落錘模擬加載裝置由落錘、軌道、防護盒、樣彈、防護掩體、壓力傳感器、控制系統(tǒng)、信號放大器及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等組成。實驗時，某一質(zhì)量的落錘被提升到一定高度，以自由落體方式下降并撞擊樣彈，壓力傳感器捕獲樣彈所受的應(yīng)力加載波形，通過信號放大器放大后，從數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中可直接讀出應(yīng)力及加載時間。此裝置最大加載應(yīng)力達1.5 GPa，上升前沿約為2~3 ms，加載速率為毫秒量級。

1.3 兩次脈沖實驗原理及模具

落錘實驗中，錘頭直接撞擊藥柱前端的擊柱，給予炸藥試樣一次脈沖；基于此，在擊柱前端設(shè)置某一裝置，使錘頭達到間接撞擊和直接撞擊擊柱的目的，進而給予炸藥兩次脈沖，達到兩次加載的目的。兩次脈沖技術(shù)的實現(xiàn)如圖2所示。

圖2 兩次脈沖實驗裝置Fig.2 Two-pulse test device

1＃板與2＃板的材質(zhì)均為45＃鋼，兩層板的間距h為30 mm。在錘頭碰撞過程中，主動實現(xiàn)兩次破壞，從而達到應(yīng)力的兩次加載-卸載，形成兩次脈沖，模擬實際中侵徹兩層靶板的工況。在沖擊過程中，錘頭沖擊整個裝置，壓縮整個端蓋按錘頭速度方向前進，因擊柱固定(整個實驗彈固定)，故擊柱對1＃板進行沖擊，形成第1次脈沖加載，該脈沖對裝藥實現(xiàn)第1次加載；待1＃板破壞后，應(yīng)力釋放，擊柱經(jīng)一定距離的位移后，再對2＃板進行沖擊，裝藥得到第2次脈沖加載。

在其他條件不變時，1＃板厚度越大，其破壞時所需能量越大，給予炸藥試樣的第1次應(yīng)力脈沖越大；故實驗中可通過調(diào)節(jié)1＃板的材質(zhì)、厚度等參數(shù)來改變應(yīng)力峰值。在落錘高度等其他條件一定時，上擊柱通過1＃板和2＃板的速度一定，兩次脈沖的時間間隔與1＃板和2＃板的距離h成正比；故僅調(diào)節(jié)1＃板與2＃板的間距，即可改變兩個應(yīng)力峰值之間的時間。

2 結(jié)果與討論

2.1 兩次沖擊載荷下的炸藥裝藥響應(yīng)曲線

采用兩次脈沖實驗裝置，在受試彈殼體中裝入模擬炸藥，將錘頭提高到不同高度，落錘撞擊藥柱的數(shù)據(jù)如表1所示。表1中，t1、t2分別表示第1個和第2個峰的時間；σ1、σ2分別表示第1個和第2個峰的應(yīng)力。每次實驗重復(fù)3發(fā)，若應(yīng)力誤差在10%以內(nèi)，認為數(shù)據(jù)真實。

表1 模擬實驗獲得的應(yīng)力和時間Tab.1 Stress and time obtained from simulation

所獲得的兩次典型沖擊響應(yīng)曲線如圖3所示(落錘高度為1.0 m)。

圖3 兩次典型沖擊響應(yīng)曲線Fig.3 Typical curve of two impact response experiments

從表1和圖3可以看出，400 kg錘頭從1.0 m的高度沖擊時，該裝置發(fā)生了兩次應(yīng)力加載-卸載過程。其中，第1次加載應(yīng)力峰值287 MPa(t＝1.12 ms)，第2次加載應(yīng)力峰值為605 MPa(t＝11.20 ms)，板的兩次破壞時間間隔△t＝6.92 ms。

假設(shè)重錘做自由落體運動，開始碰撞時的錘頭速度vt為:

式中:g為加速度，10 m/s2；H為落錘高度。

式(1)中代入H＝1.0 m可知，碰撞時的錘頭速度為4.47 m/s。兩層板的間距h為30 mm，假定1＃板的破壞不占用兩層隔板間的距離，且錘頭在破壞1＃板的過程中速度不變，則錘頭在兩板間的運動時間△t′為:

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，計算可得△t′＝6.71 ms。估算的時間間隔(△t′＝6.71 ms)略低于響應(yīng)曲線上直接獲得的數(shù)值(△t＝6.92 ms)，兩者的相對誤差為2.96%。這是因為假定所導(dǎo)致的；實際中，在1＃板破壞時會降低重錘的速度，進而增加△t′，兩者數(shù)值符合預(yù)期。這說明，本實驗裝置可以實現(xiàn)對材料的兩次脈沖加載，原理正確，方法可行。

2.2 兩次沖擊載荷下的炸藥裝藥安全性

實驗時，將已有的相同炸藥體系或類似體系未點火時的落錘高度作為第1發(fā)的落錘高度H。僅改變落錘高度，其他條件(如1＃板與2＃板的材質(zhì)、距離、彈體壁厚等)不變。若實驗結(jié)果為未點火，重復(fù)實驗后依然未點火，則升高H，直至點火；反之亦然。

對某CL-20基含鋁炸藥裝藥進行兩次脈沖加載實驗。獲得的應(yīng)力和時間數(shù)據(jù)如表2所示；典型點火曲線(落錘高度1.2 m)如圖4所示；實驗前、后的照片如圖5所示。

由表2及圖4可以看出:落錘高度小于1.0 m時，炸藥在經(jīng)歷兩次脈沖載荷作用后未發(fā)生點火；繼續(xù)增加錘頭高度(H＝1.2 m)后，炸藥裝藥第1次應(yīng)力峰值318 MPa出現(xiàn)在t＝1.17 ms，并在第2次應(yīng)力曲線上升階段出現(xiàn)點火。從圖5實驗前、后的圖片可以看出:首先，裝置在沖擊過程中破裂；其次，實驗樣彈的套筒及裝置均發(fā)黑，但套筒整體完好；說明裝藥發(fā)生燃燒。實驗再次證明了該方法的可行性。

圖5 裝置在實驗前、后的對比照片F(xiàn)ig.5 Comparative photos of the device before and after experiment

表2 脈沖加載實驗獲得的應(yīng)力和時間Tab.2 Stress and time obtained from pulse loading experiment

圖4 錘頭高度1.2 m時炸藥裝藥的響應(yīng)曲線Fig.4 Response curve of explosive charge at drop height of hammer of 1.2 m

將圖3與圖4對比可以發(fā)現(xiàn)，第2次應(yīng)力曲線在上升階段均有小的伴峰出現(xiàn)。在第1次沖擊過程中，裝藥經(jīng)歷應(yīng)力波的壓縮及稀疏波的拉伸，壓縮時炸藥試樣內(nèi)部原有的微裂紋閉合，而拉伸時可能出現(xiàn)新的微裂紋；隨著錘頭高度的增加，稀疏波的拉伸作用增大，微裂紋的數(shù)量增多、尺寸增大。同時，錘頭高度較低時，因兩次脈沖的時間間隔較長，新產(chǎn)生的微裂紋可能發(fā)生閉合；而錘頭高度較高時，因兩次脈沖的時間間隔較短，新產(chǎn)生的微裂紋可能來不及閉合就承受第2次沖擊。再次，圖3中錘頭高度較低時，伴峰的應(yīng)力峰值雖大，但其峰值相對于此峰的起始點數(shù)值為47 MPa，且伴峰的持續(xù)時間為0.190 ms；而增加錘頭高度后，伴峰的應(yīng)力峰值相對于此峰的起始點數(shù)值為54 MPa，同時伴峰的持續(xù)時間為0.315 ms。說明錘頭高度較低時，經(jīng)歷第1次應(yīng)力沖擊后所產(chǎn)生的微裂紋在第2次沖擊時產(chǎn)生閉合；而錘頭高度較高時，第1次沖擊后產(chǎn)生的新裂紋可能產(chǎn)生匯聚，形成大裂紋，從而導(dǎo)致第2次沖擊時，這些大裂紋在閉合過程中由于摩擦、剪切等作用而產(chǎn)生熱點，進而導(dǎo)致點火。

3 結(jié)論

1)設(shè)計的兩次脈沖加載裝置可實現(xiàn)對裝藥的兩次加載，原理正確，方法可行。

2)采用兩次脈沖加載裝置。對CL-20基含鋁炸藥進行了加載。錘頭高度低于1.0 m時為兩次加載，炸藥未反應(yīng)；錘頭高度超過1.0 m后，炸藥裝藥僅承受1次應(yīng)力加載，并于第2次加載時發(fā)生點火。錘頭高度為1.2 m時，第1次應(yīng)力峰值的時間為1.17 ms，應(yīng)力峰值為318 MPa，并于第2個應(yīng)力峰的上升階段發(fā)生點火。