装药发射安全性模拟加载实验方法研究

许志峰，屈可朋



装药发射安全性模拟加载实验方法研究

许志峰，屈可朋

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

为使炸药材料模拟加载实验结果更接近实弹发射时装药过载应力参量，对大落锤加载实验系统初始参数进行调整。实验结果表明：加载最大应力相同时，较高的加载脉宽使得装药抗过载安定性降低；通过安装调节器，可以实现炸药材料加载最大应力与加载脉宽同时接近实弹发射时装药过载应力参量。说明该方法提高了模拟加载实验结果的准确性。

炸药装药；大落锤加载；调节器；发射安全性；模拟实验

炸药在武器中装备的前提条件是满足抗过载安定性要求，即在武器发射的高过载环境中，炸药不出现早炸的现象［1-2］。对炸药的抗过载安定性研究主要通过实弹发射和实验室模拟加载实验两种方法［3］，实弹发射实验周期长、成本高、获取实验数据难［4］，而实验室模拟加载实验具有实验周期短、成本低、获取实验数据方便等优点［5］，难点在于如何改善实验方法，使得炸药材料模拟加载实验结果更加接近实弹发射时装药过载应力参量。目前，可以完成实验室模拟加载实验的装置有大落锤加载实验系统和小落锤加载实验系统等［6］，大落锤加载实验系统被广泛地应用于装药抗过载安定性模拟加载实验研究中［7］。

王世英［8］等利用大落锤加载实验系统研究了装药工艺对炸药发射安全性的影响。肖玮［9］等利用大落锤实验系统研究了环境温度与装药底隙共同作用对炸药抗过载安定性的影响。赵省向［10］等利用大落锤实验系统研究了熔铸炸药的热点临界参数，发现几种炸药的感度排序与热点计算结果基本一致。

这些研究都基于一个假设：即对炸药材料加载的最大应力接近装药发射过程中的最大响应应力时，模拟加载实验结果即可表征实弹发射时的结果。而对炸药材料的加载脉宽与装药实弹发射时的响应应力脉宽不要求一致，前者若比后者小，意味着落锤加载相对于实弹发射加载有着充分的强化［10］。

然而刘海营［11］等发现炸药起爆的临界值不是加载应力的参数，而是能量的参数，而能量与加载最大应力和脉宽两个参数均有关，因此，加载最大应力和加载脉宽对装药的抗过载安定性都有影响。但目前如何实现对炸药材料模拟加载实验的加载最大应力和加载脉宽同时接近实弹发射时的响应最大应力和脉宽还未见报道。本文基于大落锤实验系统，探索研究一种对装药抗过载安定性进行模拟加载实验的方法，使得对炸药材料模拟加载实验结果与实弹发射时装药抗过载参量更加接近，从而获取更接近实弹发射时的装药抗过载安定性判据，为炸药材料在战斗部中的安全应用提供数据支撑。

1　理论模型

由于炸药材料被加载时有围向约束，因而加载过程中不发生径向变形，在炸药释放变形后，轴向塑性变形量相对于其高度可忽略不计，因此假定加载过程中炸药的变形过程为弹性变形。由于与炸药接触的金属弹性模量远大于炸药材料，因此，假定金属材料为刚体。基于以上假设，大落锤对炸药材料进行冲击加载的过程可以简化为弹簧振子的半个周期。落锤撞击接触到炸药材料时刻起，炸药材料发生压缩变形，落锤开始减速，炸药材料内部应力值开始增加，直至落锤速度减少至零，炸药材料压缩变形量达到最大，此时，炸药材料内部的应力值最高。在此过程后，炸药材料释放变形，同时驱动落锤获得速度，炸药材料内部应力值降低，直至落锤与炸药分离，炸药材料应力值降为零。实验过程中，炸药材料相当于弹簧，炸药材料的弹性系数为k，落锤质量为M，速度方向为x轴正方向，弹簧振子的运动方程为：

炸药材料的弹性系数与炸药材料参数有如下关系：

式（2）中：E为炸药材料弹性模量；A为炸药材料截面积；l为炸药材料高度。

可解得炸药材料加载的最大应力为：

式（3）中：V为落锤初始速度。

炸药材料加载的脉宽为：

2　实验

由理论模型可知，落锤的质量为定值。当炸药材料参数为定值时，加载最大应力只与落锤的速度，即落锤释放时的高度相关。因此，通过调节落锤的高度，可实现加载最大应力与实弹发射时的最大过载应力相等。而对炸药材料的加载脉宽只与落锤质量和炸药材料参数相关。因此，传统实验无法达到调节加载脉宽的目的，无法更加真实地模拟实弹发射时的工况。

文献［10］中战斗部实弹发射时由传感器测得的装药最大过载应力为338.6MPa，加载脉宽为16ms，模拟加载实验的加载最大应力为 340MPa，加载脉宽为6.5ms，模拟加载实验的加载最大应力与实弹发射结果接近，但加载脉宽相差很多。若对加载脉宽进行调节，需要调整公式（4）中的参量。由于落锤质量和炸药材料弹性模量为定值，炸药的围向约束尺寸确定了炸药的截面积，因此，最容易实现的调整方式就是调整炸药的高度。为了使实验结果具有对比性，本实验中不改变炸药材料尺寸，而是通过在炸药材料的上端安装调节器，所安装调节器的力学参数接近炸药的力学参数，可将调节器与炸药视为一个整体，相当于增加了炸药的高度，从而实现对加载脉宽进行放大调节。通过设定落锤高度和调节器高度两个参量，可实现对炸药材料加载脉宽与加载最大应力同时接近实弹发射时的最大过载应力和脉宽。

大落锤加载实验系统如图1所示，由落锤、上活塞、调节器、约束套、炸药、下活塞和传感器组成。实验中，落锤重达400kg，所研究的炸药由西安近代化学研究所提供，主要成分为65%RDX、29%铝粉和6%黏结剂（质量分数）。炸药试样采用压装工艺制成（63吨油压机，型号为Y63-A，山东机械厂），密度为1.68g/cm3，炸药尺寸为Φ30mm×30mm。选取聚碳酸酯为调节器，上活塞、下活塞和约束套材料均为25号钢。

图1　大落锤加载系统Fig.1　Great-scale drop hammer loading system

3　实验结果与讨论

分别调节落锤高度与调节器厚度，并进行了实验，取有代表性的实验结果和实弹发射结果，见表1。

表1　实验结果Tab.1　Testing results

由表1可见，01号和02号在加载最大应力接近、而加载脉宽不同时，反应情况不尽相同，01号加载脉宽较大时，炸药材料发生爆炸，而02号加载脉宽较小时炸药材料未发生爆炸。这组实验说明只考虑加载最大应力而不考虑加载脉宽的方法是不正确的，不考虑加载脉宽的实验方法不能更好地模拟实弹发射时装药的抗过载安定性情况。由表1可知，03号实验通过调整调节器厚度和落锤高度，实现了加载最大应力和加载脉宽同时接近实弹发射时的过载参量，而反应情况也与实弹发射工况一致，装药未发生爆炸。本实验中通过安装调节器实现了对炸药材料的加载最大应力和加载脉宽同时进行调节，使加载最大应力与加载脉宽皆与实弹发射时的真实情况更接近，能更准确模拟炸药材料在不同工况下的抗过载安定性情况。

4　结论

（1）研究装药发射安全性时，只考虑加载最大应力而不考虑加载脉宽的方法是不正确的。加载脉宽比实弹发射时的过载应力脉宽小并不意味着实验结果的加强，加载最大应力相近，而加载脉宽较大将导致装药抗过载安定性降低。

（2）通过安装调节器可以实现对炸药材料的加载最大应力和加载脉宽同时接近实弹发射时的过载应力情况，此实验方法能更加准确地模拟炸药材料在不同发射工况下的抗过载安定性情况，为炸药材料在战斗部中的安全应用提供数据支撑。

［1］ Foltz F M，Coon C L，Gacia F，et al．The thermal stability of the polymorophs of HNIW.P［J］.Propellant Explosive & Pyrotechnics，1994（19）:133-144．

［2］ 向聪，张奇.发射载荷下孔隙形状对变形特性的影响［J］．火炸药学报，2008，31（5）:33-37．

［3］ ANDERS HAFSTRAND M Se．et al．Continuous production of LOVA propellant and cast-cured PBX for insensitive munitions at bofors explosives［C］//24th International Annual Conference of ICT，1993．

［4］ W D Sudweeks．Physical and chemical properites of industrial slurry explosiver［J］.Ind.Eng.Chem.Prod.Res，1985， 3（24）:432-436．

［5］ 王淑萍.撞击作用下炸药装药的尺寸效应研究［J］.火炸药学报，2000，23 （4）:18-20．

［6］ Trowbridge D A，Grady J E，Aiello R A.Low velocity impact analysis with NASTRAN［J］.Computer&Structures，1991， 40（4）:977-984．

［7］ MYERS TF，HERSH K J．The effect of base caps on setback-shock sensitivities of cast Composition B and TNT as determined by NSWC setback-shock simulator［C］//The Seventh Symposium（International） on Detonation，1981．

［8］ 王世英，胡焕性.B炸药装药发射安全性落锤模拟加载实验研究［J］.爆炸与冲击，2003，23（3）:275-278．

［9］ 肖玮，李亮亮，苏建军，等.TNT在热和撞击加载作用下的点火性能［J］.火炸药学报，2013，36（2）:38-41．

［10］ 赵省向，张亦安.几种熔铸炸药的热点临界参数和撞击感度［J］.含能材料，2003，11（3）:127-129．

［11］ 王世英，王淑萍，胡焕性.榴弹炸药装药发射早炸的模拟实验系统研究［J］.兵工学报，2002，23（4）:541-545．

［12］ 刘海营，张景林，王作山.炸药撞击感度的研究综述［J］.山西化工，2007，27（6）:57-59．

Study on Experimental Method of Simulation Loading for Launch Safety of Charge

XU Zhi-feng，QU Ke-peng
（Xi’an Modern Chemistry Research Institute， Xi’an， 710065）

In order to make the experimental result of simulation loading on explosives approach to the paractical parameters of launching， the initial parameters of a great-scale drop hammer loading experiment system were adjusted. The results showed that the larger load pulse width reduce launching safety of the explosive charge as the same maximum load stress，and through adding a controller， the maximum load stress and load pulse width of the material all approach to the actual firing condition. The study showed that the experimental method improves the accuracy of the simulating experiment results.

Explosive charge；A great-scale drop hammer loading；Controller；Launching safety；Simulating experiment

TQ564

A

1003-1480（2015）06-0051-03

2015-06-04

许志峰（1984 -），男，工程师，主要从事弹药材料动态力学响应研究。

国家重大基础科研专项（EPYSYZ01）