炸药装药的发射安全性是指, 在发射过程中, 炸药装药不会因发生自燃、自爆而导致膛炸、早炸的性能。随着炸药装药能量、装填密度的提高, 感度也在提高, 因此炸药装药的发射安全性越来越突出, 在一定程度上制约着炸药的合理应用[1]。
针对炸药装药的发射安全性, 国外的研究手段主要有:气体炮冲击实验器[2]、高速液压伺服装置[3]、落锤[4]、155 mm短管榴弹炮射击实验器[5]。大型落锤装置的加载参数(应力、时间)能覆盖榴弹炮发射时的膛内加载参数, 因此国内主要采用大型落锤装置[6]进行炸药发射安全性的评估(加载时间为毫秒量级)。一级轻气炮能够完整记录弹丸碰撞装药过程中, 炸药装药上加载的应力随时间变化的整个过程, 且加载时间为微秒量级, 能够模拟微秒量级炸药装药的发射安全性。
王豪[1]采用理论与数值模拟相结合的方法, 对弹丸膛内发射过程中炸药装药的应力和温度变化进行了计算研究, 陈锐[7]从炸药损伤的角度研究了装药缺陷对发射安全性的影响, 滕婉婷[8]从粘结钝感体系、助剂、装药密度、铝粉含量和铝粉粒度等方面对温压炸药的机械感度、成型性能、静态力学性能、动态力学性能进行了研究, 通过发射安全性实验对温压炸药配方进行了验证。关于RDX基含铝炸药(R-Al炸药)的研究主要集中在冲击波感度[9]、爆炸能量预估[10]、压缩本构[11]等方面, 有关R-Al炸药发射安全性方面的研究报道很少, 因此, 有必要对R-Al炸药的发射安全性进行研究, 为其应用于战斗部奠定基础。
本实验采用400 kg大型落锤研究了R-Al炸药在毫秒量级的发射安全性, 并与文献[6]所报道的铸装B炸药大型落锤实验结果进行了对比, 采用一级轻气炮装置研究了铸装B炸药、R-Al炸药在微秒量级的发射安全性, 对R-Al炸药进行安全性评估, 为炸药的筛选提供参考。
2 理论基础及实验原理 2.1 理论基础炸药装药在膛内发射时的主要加载参数为应力(σ)及应力加载时间(t), 这就要求进行模拟实验的装置所获取的σ、t必须覆盖其范围(σ为50~400 MPa, t为3~5 ms), 才可模拟炮弹发射时的应力变化过程。
王世英[6]已验证了大型落锤模拟装置的加载参数与炸药在火炮内实际发射时的主要力学特征参数基本相当, 可完全用该装置模拟炸药在高膛压火炮内的实际发射加载环境, 同时, 考虑到炸药装药在膛内发射时, 炸药的底部受力最大, 故该处的炸药最易于因高膛压作用而点火起爆, 采用大型落锤模拟装置模拟此处受力条件, 即可评价炸药装药的发射安全性, 大落锤的加载参数与实际(122, 130, 155 mm榴弹)发射加载参数见表 1。
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表 1 大型落锤的加载参数与实际发射时的参数 Tab.1 Loading parameters of large drop hammer and the actual parameters at launch |
大型落锤模拟加载装置组成及受试样弹示意图如图 1所示。
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图 1 落锤装置组成及受试样弹示意图 Fig.1 Diagrammatic sketch of drop hammer device and bomb sample |
大型落锤模拟加载装置由落锤、轨道、爆炸室、样弹、防护掩体、压力传感器、控制系统、信号放大器及数据处理系统等组成。实验时, 某一重量落锤被提升到一定高度, 以自由落体方式下降并撞击样弹, 压力传感器捕获落锤给予受试样弹的应力加载波形, 通过信号放大器放大后, 从数据处理系统中可直接读出应力数值及加载时间。此模拟装置最大加载应力达1.5 GPa, 上升前沿约为2~3 ms, 加载速率为毫秒量级。一级轻气炮模拟加载装置组成如图 2所示。
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图 2 一级轻气炮结构示意图 Fig.2 Diagrammatic sketch of one-stage light-gas gun structure |
轻气炮是目前特别通用的高速发射和高压加载工具, 它能发射各种形状的弹丸, 而且弹丸的质量、尺寸和材料范围广泛。轻气炮的优点是, 弹丸在承受较低的加速度和较小应力的情况下, 能获得较高的速度。
把高压气室充到预定弹速需要的气压, 自励式快开锥阀迅速开启(毫秒级), 高压气体推动弹丸前进, 弹丸经炮管的导向和不断加速后, 在出口时达到最高速度并与事先安装在靶箱内的实验靶碰撞后完成实验。碰撞时弹丸对炸药装药加载应力波, 通过信号放大器(扬州无线电二厂YE1940)放大后, 从数据处理系统(四川拓普测控科技有限公司Topview2000软件)中可直接读出应力数值及加载时间。此试验装置加载速率为微秒量级。轻气炮能完整地记录弹丸对炸药装药快速压缩的整个过程中, 应力随时间的变化情况, 是非常具有优势的研究微妙量级炸药装药高过载发射安全性的试验手段。
3 实验 3.1 样品制备大型落锤实验中使用R-Al炸药, 样品尺寸Φ40 mm×40 mm, 约80~90 g; 一级轻气炮实验使用铸装B炸药和R-Al炸药两种炸药装药, 所用样品尺寸Φ30 mm×30 mm, 约36~40 g, 铸装B炸药成分为: RDX 60%, TNT 40%, 蜡1%, 密度为1.71 g·cm-3; R-Al炸药是以RDX为基的含铝炸药, 密度为1.80 g·cm-3。实验用样品如图 3所示。
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图 3 实验样品及样弹 1—壳体, 2—上击柱, 3—调整器, 4—炸药, 5—下击柱, 6—缓冲层 Fig.3 Sample and bullet of experiment 1—projectile body, 2—long piston, 3—seal, 4—explosive, 5—short piston, 6—buffer |
两种实验样弹壁厚均为40 mm, 用上下两个击柱将炸药夹紧, 炸药与上下击柱间设置调整器(聚四氟乙烯材质, Φ40 mm×5 mm)。考虑到一级轻气炮实验时, 高速压缩过程中炸药装药与样弹内壁可能存在摩擦作用, 为消除此种因素对炸药安全性的影响, 在炸药与内壁之间设置缓冲层(聚四氟乙烯, Φ40 mm, 壁厚5 mm)。两种实验样弹分别如图 3b、图 3c所示。
3.3 仪器及实验条件大型落锤模拟加载实验:大落锤模拟加载装置, 锤重400 kg, 落高0~4.00 m, 可以模拟的应变率加载范围: 1~102 s-1, 常温条件。
轻气炮加载实验:一级轻气炮装置, 铝质弹丸, 质量2.1 kg, 轻气炮气室压力可调, 可以模拟的应变率加载范围大于105 s-1, 常温条件, 对称碰撞。
4 结果与讨论 4.1 大型落锤实验将所制备的R-Al炸药装配于样弹中, 实验所用样品及样弹照片如图 3所示。鉴于铸装B炸药在1.75 m落高[6]即发生点火(ignition), 其落锤实验曲线如图 4a[6]所示, 故R-Al炸药的起始落锤高度H从1.70 m开始, 大型落锤模拟加载实验应力-时间(σ-t)曲线见图 4b, 以高度H=3.00 m为例说明(未爆, no-ignition), 其他高度下的曲线类似, 实验结果如表 2所示。
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图 4 铸装B炸药及R-Al炸药大落锤实验曲线 Fig.4 Curves of large drop hammer experiment for casting Comp. B and R-Al explosive |
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表 2 R-Al炸药及铸装B炸药大落锤实验数据 Tab.2 Data of large drop hammer experiment for R-Al explosive and casting Comp.B |
从表 2可看出, 铸装B炸药在落锤高度H=1.75 m即发生点火, 而R-Al炸药在H=4.00 m时依旧安全, 可见, R-Al炸药发射安全性明显优于铸装B炸药。
铸装B炸药, 在TNT中添加了较敏感的RDX, 一方面提高了敏感度, 另一方面, 增加了炸药结构的脆性, 因此增加了微裂纹或裂缝, 导致部分气体的泄露, 引起炸药拒爆, 这就需要对剩下的气体形成较高的压力, 炸药才可能发生点火。铸装B炸药点火是这两方面共同作用的结果。落锤高度较低时, 载荷较小, 且作用时间较长, 故微裂纹等泄露空气的可能性增加; 而落锤高度较高时, 载荷较大, 且作用时间非常短, 微裂纹没有足够的时间泄露空气, 相当于空气腔的绝热压缩, 热点处热量累积, 拒爆可能性降低。因此, 某一高度后, 这两方面作用都将有利于点火, 故铸装B炸药的点火阈值将不会很高。
R-Al炸药, 在RDX中添加了非爆炸性的Al, 由于金属Al的传热性能比较好, 因此增加了整个炸药的热传导性, 可及时将热点处的热量传递出去, 避免了热点处的热量累积, 因此可以降低系统的敏感度。同时由于配方中少量低分子钝感剂的作用, 炸药的塑性提高, 避免了脆性强度断裂, 炸药内部应力集中点减少, 故而安全性大大提高。
大型落锤实验可以模拟炸药在高膛压火炮内的实际发射加载环境(应力、时间), 并能对炸药装药受力薄弱处进行强化加载, 但其应力加载时间为毫秒量级。而Barry Fishburn[12]认为发射过程中炸药装药可能的点火时间范围为10 μs~10 ms, 包含毫秒和微秒两个量级, 此时需借助一级轻气炮对微妙量级的发射安全性进行评估。
4.2 一级轻气炮实验所获得的铸装B炸药及R-Al炸药的一级轻气炮实验σ-t曲线如图 5所示。
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图 5 铸装B炸药及R-Al炸药的轻气炮实验曲线 Fig.5 Curves of one-stage light-gas gun experiment for casting Comp. B and R-Al explosive |
从图 5可以看出, R-Al炸药σ为660 MPa, t为41 μs, 结果未发生点火, 铸装B炸药σ为394 MPa, t为40 μs, 结果发生点火。可见应力加载时间在微秒量级内, R-Al炸药的发射安全性优于铸装B炸药。这从另一方面说明一级轻气炮实验装置可以模拟微秒量级的炸药装药发射安全性。
对比大型落锤实验及一级轻气炮实验曲线(图 4、图 5)可以看出, 图 4b和图 5曲线上有两个峰, 为方便讨论, 分别记为σ1和σ2, Barry Fishburn[12]认为σ1峰是加载载荷对炸药缺陷的快速压缩, 这种作用导致热点处的温度升高, σ2峰是加载载荷对炸药的再次压缩, 第二次压缩对热点处温度的升高没有贡献。可见, 由于添加了导热性良好的Al粉, R-Al炸药在经过第一次压缩后, Al粉有效地将热量导出, 避免了热量的积累, 而铸装B炸药经过第一次加载后, 热点处的热量累积, 温度升高, 超过了炸药允许的温度后, 引起了炸药的点火, 这从另一方面解释了R-Al炸药的大型落锤及一级轻气炮实验曲线均有两个峰, 且未点火, 而铸装B炸药(图 4a)只有一个峰(σ1), 且在第二个峰之前发生点火。
R-Al炸药在毫秒和微秒两种加载应力时间段内, 加载应力峰值均超过660 MPa, 考虑到155 mm底凹弹全装药常温下的膛压最大值330 MPa[13], 说明R-Al炸药在模拟实验条件下具有良好的发射安全性。
5 结论(1) 分别采用大型落锤装置和一级轻气炮模拟了毫秒量级和微秒量级铸装B炸药及R-Al炸药的发射安全性, 结果显示铸装B炸药在毫秒(2~3 ms)及微妙(40 μs)量级均发生点火, 而R-Al炸药在毫秒(2~3 ms)和微秒(41 μs)两种加载时间范围内进行加载应力的强化实验(应力约660 MPa)时, 均不发生点火。
(2) 在微秒量级时间段, 一级轻气炮能很好地模拟炸药发射药安全性, 可采用此手段对炸药微妙量级的发射安全性进行筛选。
(3) 在承受载荷作用时, R-Al炸药中添加的Al粉有效地降低了热点处的温度, 提高了发射安全性。
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The launch safety of RDX-based aluminized explosive(R-Al explosive) was studied by 400 kg large drop hammer experiment and one-stage light-gas gun experiment. The stress-time curves of the explosive charge were obtained under the two different experimental conditions. Comparison of the launch safety of R-Al explosive and casting Comp.B was carried out.