模拟破片撞击下 PBX-2炸药的响应规律

代晓淦,文玉史,申春迎

(中国工程物理研究院化工材料研究所,四川 绵阳 621900)

引 言

枪击试验是用来模拟炸药对子弹或金属破片撞击敏感性的方法。在20世纪70～ 80年代国内外均建立了炸药枪击试验标准,研究者采用标准的枪击试验研究了炸药、推进剂等的枪击安全性能,如Kimura、Lee等[1-2]采用枪击试验等方法研究推进剂的安全性能;唐桂芳、王凯民等[3-4]通过采用标准的枪击试验研究浇注 PBX炸药以及引信爆炸序列的安全性能。现有的枪击试验虽然能从一定程度上模拟炸药在受到子弹、破片撞击时的安全性能,但由于子弹速度比较固定,难以改变,因而无法模拟不同速度破片撞击下炸药的安全性能。

为了研究不同速度破片撞击下炸药的安全性能,对比分析其与枪击试验结果的差异,本研究设计了模拟破片撞击试验装置,分析了不同速度破片撞击下炸药的响应规律。

1 试验装置

图1为模拟破片撞击试验示意图,试验时将炸药装入壳体内,模拟破片以一定速度垂直撞击试验件,使炸药样品受到冲击、挤压、剪切等多种刺激的综合作用,导致炸药样品发生不同程度的反应。根据高速摄像图像、压力变化过程、空气冲击波超压、试验件残骸,综合分析、评价炸药的撞击感度。

模拟破片撞击试验装药壳体结构示意图见图2。PBX-2炸药尺寸为Ф50 mm×50 mm,药量约为181.6 g,压盖材料为 Q235钢,厚度为 3.5mm,采用Φ20mm×20mm规格的小弹丸模拟破片形状,小弹丸质量约为48.8g,材料为Q235钢。

图1 模拟破片撞击试验示意图Fig.1 Diagram of simulated fragment impact test

图2 模拟破片撞击试验装药壳体结构示意图Fig.2 Diagram of shell configuration in simulated fragment impact test

用高速录像系统测量记录试验弹撞靶至点火爆炸的过程,用锰铜压力计测试试件上表面(见图 1锰铜压力计Ⅱ )以及试件背面(见图 1锰铜压力计Ⅰ )在撞击过程中的受力变化过程,用空气冲击波超压测试系统测量炸药发生爆炸时产生的空气冲击波超压。

2 结果与讨论

2.1 高速录像分析

图 3是模拟破片(小弹丸)撞击 PBX-2炸药过程的高速录像照片。从图3可以看出,弹丸撞击到装药壳体后继续运动,在延迟一段时间后高速录像记录样品盒有发光现象,表明 PBX-2炸药已发生反应。

图 3 模拟破片撞击 PBX-2炸药的高速录像照片Fig.3 Photographs of simulated fragment impacting PBX-2 explosive

图 4为模拟破片撞击 PBX-2炸药的速度与点火发光延迟时间的关系。从图4可以看出,当撞击速度为 237～ 263.5m/s时,未发现炸药点火;当速度为 269.9～321.2m/s时,炸药撞击点火延迟时间随撞击速度的增加而逐渐降低。

图4 模拟破片撞击 PBX-2炸药的速度与点火发光延迟时间的关系曲线Fig.4 Curves of ignition delay timeversus projectile velocity for PBX-2 explosive

图 5是模拟破片撞击 PBX-2炸药试验结果照片。从图 5可以看出,当速度为237.0m/s时,PBX-2炸药表面仅有一凹坑,周围出现大量裂纹,壳体完好,螺钉未被拉断,压盖未被击穿,表明此时 PBX-2炸药没有发生反应;当速度约为 263.5m/s时,PBX-2炸药发生断裂,壳体完好;当速度为269.9m/s时,壳内无剩余样品,螺钉拉断,壳体完好,表明此时 PBX-2炸药发生反应;当速度为321.2m/s时,壳体被撕离底板,在底板上有爆炸波痕迹,表明 PBX-2炸药发生强烈的反应。同时从压盖形成与小弹丸直径一致的圆孔,表明在此处受到较强的剪切作用。

图5 模拟破片撞击 PBX-2炸药试验结果照片Fig.5 Photographs of recovered sample for PBX-2 under simulated fragment impact

2.2 压力测试分析

图6为模拟破片撞击PBX-2炸药时锰铜压力计测试的受力历程曲线,图中 0时的尖峰信号为弹丸接触装药壳体时的触发信号。

从图 6可以看出,在撞击过程中,当速度为237.0m/s时,撞击 42.2μs后撞击压力达到约0.15GPa,随后持续一段时间,在 85μs后断开,结合高速录像表明此时锰铜压力计已损坏;当速度为305.6m/s时,锰铜压力计测试表明在撞击约 28μs后撞击压力达到约 0.9GPa,随后断开,结合高速录像表明此时由于速度过高导致锰铜压力计损坏,在撞击约 65μs后背板处压力开始发生变化,达到约0.3GPa,在持续作用约50μs后发生跳变断开。

图 6 模拟破片撞击试验中测试的受力历程曲线Fig.6 Curves of pressureversus time under simulated fragment impact

图7 模拟破片撞击 PBX-2炸药时破片速度-超压关系曲线Fig.7 Curves of projectile velocity versus overpressure for PBX-2

图7为模拟破片撞击PBX-2炸药试验中破片速度与超压的关系曲线。当撞击速度为 237.0、247.2和263.5m/s时,PBX-2炸药没有发生反应,当速度为269.9、305.6和 321.2m/s时 PBX-2炸药均发生反应 ,相对释放能分别达到 22.4%、24.2%和59.5%。从图 7可以看出,当模拟破片以 321.2m/s撞击时,PBX-2炸药的反应超压比雷管起爆 PBX-2炸药产生的超压低 5k Pa左右,而 12.7mm子弹(速度约 850m/s)撞击时 PBX-2炸药产生的超压约8 k Pa,相对释放能仅约为 5%,反应程度远低于模拟破片撞击作用结果。

结合试验结果照片可初步推断,当 PBX-2炸药受到模拟破片撞击时,在 269.9和305.6m/s撞击速度下均发生爆炸反应,在 321.2m/s时 PBX-2发生部分爆轰反应,在这种情形下 PBX-2炸药撞击反应速度阈值为 263.5～ 269.9m/s。

2.3 对比分析

在弹靶碰撞过程中,靶板会出现多种形式的破坏,其基本形式为:脆性穿孔、延性扩孔、瓣裂穿孔、冲塞以及破碎穿孔。当用子弹撞击(属于尖头弹体撞击)时,炸药中形成脆性穿孔;当用小弹丸撞击(平面弹头作用)时,炸药中形成冲塞作用,即靶板被剪切一块与弹径相当的靶块。

子弹(质量约 46g,速度固定约 850m/s)的作用过程[5-6]为:子弹撞击炸药样品过程中摩擦产生的热量作用于试验样品,以及子弹在撞击样品时会在样品内部形成应力波;样品前后穿孔,导致反应压力提前释放,不易积累引发炸药发生高级反应,难以模拟破片撞击时炸药的安全性。

小弹丸(质量约48g,速度100～400m/s)撞击作用过程为:壳内试样受到冲击、挤压、剪切等因素的综合作用;在盖板上可能形成剪切片(由强烈的剪切作用形成);当小弹丸撞击速度达到320m/s后,炸药由于受到强剪切作用,发生反应的程度较高,接近雷管直接引爆炸药时的超压(见图 7)。

3 结 论

(1)PBX-2炸药在受到Φ20mm×20mm的模拟破片(小弹丸)撞击时,其撞击反应速度阈值为263.5～ 269.9m/s。

(2)在小弹丸撞击条件下,PBX-2炸药的反应程度明显高于 12.7mm枪击作用条件,因此撞击作用形式对炸药的反应程度有着显著的影响。

(3)模拟破片撞击试验速度可调,能获得其撞击反应阈值以及不同撞击速度下炸药的反应效应;今后,通过设计不同形状的小弹丸,能有效模拟不同形状破片撞击刺激下炸药的响应过程。

[1] Kimura E,Oyumi Y.Sensitivity of azide polymer propellants in fast cook-off,card GAP and bullet impact tests[J].Journal of Energetic Material,1997,15:163-178.

[2] Lee J H,Lee J C.Interior Ballistic Properties of RDX-Based Solid Propellant[C]∥36th International Annual Conference of ICT.Karlsruhe:ICT,2005:104-112.

[3] 唐桂芳,王晓峰,李巍.浇注 PBX的低易损性能研究[J].含能材料,2003(3):163-165.TANG Gui-fang,WANG Xiao-feng,LI Wei.Study on low vulnerability of cast PBX [J]. Energetic Materials,2003(3):163-165.

[4] 王凯民,符绿化.引信爆炸序列钝感化发展研究[J].现代引信,1995(3):42-49.WANG Kai-min,FU Lǜ-hua.Study on the development of declining sensitivity for fuse detonating series[J].Modern Fuses,1995(3):42-49.

[5] 代晓淦,申春迎,吕子剑,等.枪击试验中不同尺寸PBX-2炸药响应规律研究 [J].含能材料,2008,16(4):432-435.DAI Xiao-gan,SHEN Chun-ying,Lǜ Zi-jian,et al.Study of reaction law for different size PBX-2 explosives in bullet impact test[J]. Energetic Materials,2008,16(4):432-435.

[6] 代晓淦,文玉史,申春迎,等.热和枪击复合环境试验中PBX-2炸药的响应特性[J].火炸药学报,2009,32(4):41-44.DAI Xiao-gan,WEN Yu-shi,SHEN Chun-ying,et al.Reaction Characteristics of PBX-2 under heat and bullet impacting multiple test[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,2009,32(4):41-44.