RDX 基PBX炸药在不同应力率下的撞击安全性

屈可朋，沈 飞，王世英，肖 玮，李亮亮

（西安近代化学研究所，陕西西安710065）

引 言

近年来，高速侵彻弹已经成为武器装备研究的热点之一［1］。随着侵彻弹撞击速度的不断提高，其炸药装药会在惯性作用下受到强烈的压缩载荷作用，这可能会破坏炸药装药的结构完整性甚至出现早炸。因此，侵彻弹炸药装药在撞击条件下的安全性研究尤为重要。

炸药装药在撞击条件下的安全性研究主要通过观测炸药装药在冲击压缩作用下炸药的内部应力、应变、应变率、应力率等力学参数变化规律以及反应程度，从而研究炸药装药在撞击压缩状态下的安全性及点火机理。目前研究炸药装药撞击安全性的方法主要有落锤加载试验［2］、小型后坐冲击模拟试验［3］、霍普金森杆试验［4－5］等，这些实验均以最大应力或最大应变率作为炸药反应判据的参数。一般来说，当应力快速上升时，会导致炸药局部热量迅速聚集，从而影响装药的安全性。然而，关于应力上升速率对装药撞击安全性影响的研究却鲜有报道。

本研究以侵彻战斗部用典型RDX 基PBX炸药为对象，用大型落锤以及轻气炮加载装置进行不同应力率的加载试验，探讨了应力率对炸药撞击安全性的影响，以期为其可靠应用提供参考。

1 实 验

1．1 材料、仪器及试验弹

RDX 基PBX炸药，西安近代化学研究所，配方（质量分数）为：65%RDX、30%铝粉和5%黏结剂，药柱采用模具压制成型，密度为1．80g／cm3，尺寸为Φ40mm×40mm。

应力率试验采用西安近代化学研究所的大型落锤加载装置和一级轻气炮；大型落锤加载装置所用撞击体为重锤，质量为400kg，一级轻气炮所用撞击体为Φ130mm 的圆柱形弹丸，分别采用硬铝或塑料制成。应力测试采用应变式传感器［6］，瞬态波形存储采用Tektronix公司的DPO4104型示波器。

试验弹壳体采用热处理后的T10A 钢加工而成，套筒内径为40mm。缓冲垫为聚乙烯材料，尺寸为Φ40mm×5mm。试验弹装配时，各组件须依次装入套筒，以防止各组件之间残留气体留存，试样两端的缓冲垫用于防止炸药受冲击时挤入炸药与弹壁之间而引起摩擦点火。

1．2 实验方法

低撞击加载试验在大型落锤加载装置上进行，试验装置如图1所示。通过自由落体的重锤撞击试验弹，实现对炸药装药的模拟应力加载（应力率为0．1～0．5GPa／ms），利用试验弹底端的传感器记录应力波形，可通过调节落锤质量和高度来改变刺激量。

图1 落锤实验装置示意图Fig．1 Schematic diagram of drop hammer experiment device

在一级轻气炮上进行高应力率加载试验，试验装置如图2所示。通过高速弹丸撞击试验弹，实现对炸药装药的模拟应力加载（应力率为1～30GPa／ms），轻气炮试验弹与大型落锤加载装置的试验弹保持一致，可通过调节弹丸材质、质量及速度来改变刺激量。

图2 一级轻气炮加载实验布局示意图Fig．2 Layout diagram of one－stage light gas gun loading experiment

加载速度用应力对时间的变化率，即应力率来表征。由于实验系统本身性能的影响，实验记录到的p－t曲线并非完全线性，故计算中取其平均应力率：

2 结果与讨论

2．1 低应力率加载下RDX 基PBX 的撞击安全性

用400kg落锤加载试验弹，得到的典型应力曲线见图3，不同落高下RDX 基PBX炸药的力学响应结果见表1。

图3 试验弹的典型低应力率加载应力变化曲线Fig．3 Typical curve of loading stress at low stress rate

表1 低应力率加载条件下试验弹响应特性Table 1 Response characteristics of sample cartridge under the low stress rate loading condition

由表1可知，随着落锤高度的增加，峰值应力不断升高，由0．980GPa增至1．223GPa，但峰值应力上升时间基本保持在2～3ms，应力率约为0．3～0．47GPa／ms，试样均未燃未爆。

2．2 高应力率加载下RDX 基PBX 的撞击安全性

以一级轻气炮作加载源，采用塑料或硬铝弹丸，以245～350m／s的速度撞击试验弹，获取的典型应力曲线见图4，RDX 基PBX炸药的力学响应结果见表2，试验弹壳体破坏情况见图5。

图4 典型高应力率加载应力变化曲线Fig．4 Typical curves of loading stress at high stress rate

由表2、图4和图5可知，当弹丸高速撞击试验弹时，试验弹所受应力均低于落锤加载时所受的应力，但应力上升时间却大幅减少，从毫秒量级降低为微秒量级。当试验弹所受应力率小于5．38GPa／ms时，试验弹在撞击过程中均未爆未燃，而当应力率增加到8．75GPa／ms时，试验弹发生完全燃烧，但结构完整；当应力率增加至9．63GPa／ms时，试验弹在撞击作用下发生爆炸，破碎为尺寸不均的碎块。

图5 不同应力率加载后的试验弹壳体破坏情况Fig．5 Casing damage situation of experiment sample cartridge after loading at different stress rate

表2 高应力率加载条件下试验弹响应特性Table 2 Response characteristics of sample under the high stress rate loading condition

2．3 应力率对撞击安全性的影响机理

压装成型的RDX 基PBX炸药是一种损伤材料，由于其颗粒含量很高，在压装过程中，颗粒间相互挤压，已经出现初始缺陷［7］。从撞击起爆的机理来说，药柱点火是由应力和应力作用时间共同作用的结果，由于初始缺陷的存在，试验弹受到撞击加载作用后，可能产生点火的机理是黏塑性流动、绝热压缩等，炸药颗粒相互挤压、剪切、摩擦，使局部温度上升，达到点火温度后发生点火，甚至爆炸。为提高装药的安全性，降低其撞击感度，通常在混合炸药中加入低熔点物质（如蜡状添加物），以降低装药的熔化温度［8］。在RDX 基PBX炸药中由于蜡状添加物首先沉积于反应能力较高的晶体表面缺陷之中，能够缓解缺陷处的挤压、剪切、摩擦等作用，使热点难以形成，从而提高炸药的撞击安全性。

400kg落锤加载时，应力上升时间主要取决于落锤质量及试验弹的尺寸，故在试验弹尺寸不变的情况下，最大应力上升时间基本保持在2～3ms［6］。此时，PBX炸药的变形速率较低，变形将集中在炸药中塑性较大的成分（蜡状添加物）内，RDX 颗粒的变形较小；RDX 颗粒变形引发的温升速率较慢，热量可以通过热传导被蜡状添加物吸收，从而使RDX颗粒温度降低，难以引发其形成热点，因此，即使在很高的压力（大于1GPa）作用下，RDX 基PBX炸药仍不发生反应。如大落锤加载下RDX 基PBX炸药的应力率处于0．3～0．5GPa／ms时，即使应力峰值达到1．0～1．2GPa，炸药仍未发生燃烧或爆炸。

轻气炮高应力率加载时，RDX 颗粒与包覆其周围的蜡状添加物一起发生快速弹塑性变形，由于药柱内部应力急剧增加，蜡状添加物不足以完全缓解RDX 颗粒的变形，引起药柱初始裂纹的扩展、汇聚及贯通而出现了新的裂纹，甚至裂纹区［9］，新裂纹区的出现以及RDX 颗粒快速变形产生的热量无法被蜡状添加物在短时间内吸收，使RDX 颗粒温度迅速上升，增加了热点产生的几率，PBX炸药装药的撞击安全性降低。如轻气炮加载条件下装药的应力峰值虽然只有0．2～0．4GPa左右，但当应力率超过8．75GPa／ms后发生了燃烧或爆炸反应。

3 结 论

（1）RDX 基PBX炸药起爆是由应力和应 力 率共同作用的结果。当应力率为0．3～0．5GPa／ms时，应力峰值达到1．0～1．2GPa，药柱均未发生反应；当应力率超过8．75GPa／ms时，应力峰值达到350MPa，即发生了燃烧反应。

（2）蜡状添加物有利于提高RDX 基PBX炸药的撞击安全性。随着应力率的增加，蜡状添加物缓解RDX 颗粒变形及吸收热量的作用逐渐降低，从而使RDX 基PBX炸药的撞击安全性下降。

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