炸药装药在不同应变率响应条件下的安全性研究进展

李亮亮，沈　飞，屈可朋，肖　玮，何　超

(西安近代化学研究所，陕西西安710065)



炸药装药在不同应变率响应条件下的安全性研究进展

李亮亮，沈飞，屈可朋，肖玮，何超

(西安近代化学研究所，陕西西安710065)

摘要：综述了不同应变率响应条件下炸药装药安全性最新研究进展。通过对炸药装药应用中常用的应变率范围为1~106s-1的大型落锤实验技术、分离式霍普金森压杆(SHPB)实验技术、一级轻气炮实验技术等进行了评述。分析了不同应变率响应条件下炸药装药安全性实验中存在的问题。根据炸药装药安全性研究的趋势，认为应加强中高应变率响应实验技术的发展，重点完善落锤-霍普金森压杆实验系统的理论及试验体系，提高一级轻气炮实验技术的可控性及重复性。附参考文献61篇。

关键词：炸药装药；应变率；装药安全性；霍普金森压杆实验；一级轻气炮

引言

战斗部装药是战斗部的核心之一，其性能的优劣直接关系到毁伤的效果。在发射、穿甲、钻地等攻击目标的正常使用时要承受加载速率较高的动态载荷作用。一般认为，在外界因素刺激下炸药材料的力学行为决定了炸药装药的易损性，而炸药装药的安全性决定了武器的安全性和生存能力。因此，考虑复杂加载条件对武器可靠性和安全性的影响就必须研究炸药材料在复杂应力条件下的力学响应[1]。

国内外采用落锤实验(drop hammer)、霍普金森压杆(SHPB)实验、一级轻气炮(One-stage light-gas gun)实验等动态力学响应技术，在中高应变率加载条件下对炸药装药不同区域的安全性进行了研究，并取得了一些成果，但依然存在不足，本文主要对不同应变率(应变率范围为1~106s-1)加载条件下炸药装药安全性研究存在的问题及未来的研究方向进行了论述。

1大型落锤模拟加载实验技术

1.1实验原理及方法

大型落锤模拟加载装置主要由落锤、试样及约束装置、测试装置等构成。实验弹材料简化为一个弹簧振子[2]。实验时直接对样品进行冲击。

实验时，某一质量落锤被提升到一定高度，以自由落体方式下降并撞击试样。压力传感器捕获落锤给予受试样弹的应力加载波形。此模拟装置最大加载应力达1.5GPa，上升前沿约为2~3ms，加载周期为毫秒量级，其典型的输出曲线见图1。

图1　落锤实验典型输出曲线Fig.1　The output curve of drop hammer experiment

1.2针对炸药装药安全性开展的工作

实验时研究者可根据不同的目的对装药状态进行试验，研究装药缺陷、外界加载等条件下不同应变率时炸药装药的安全性。

王世英等[3-5]利用大落锤模拟加载装置，建立了炸药装药在落锤撞击下的应力测试方法,模拟了榴弹发射时炸药装药所受的主要应力特性，研究了炸药装药工艺对装药发射安全性的影响。结果表明，影响B炸药装药发射安全性的主要因素是其装药质量，同时，在其他条件相同时，压装药的安全性略优于铸装药。

肖玮等[6-7]采用大落锤模拟加载装置研究了热和撞击复合加载对炸药装药点火性能的影响以及缺陷位置及装药尺寸对发射安全性的影响，结果表明，底隙体积和温度均影响TNT的点火性能，但温度的影响大于底隙体积，而缺陷位于垫块内时对点火性能的影响更大；样品尺寸增大，点火时的落锤高度增加，但超过临界值后，点火应力峰值不再增大。

赵省向等[8]从热爆炸理论出发，推导了炸药临界热点参数的计算公式，并采用10kg落锤和400kg大落锤对几种炸药的撞击感度进行了排序，结果显示计算公式与落锤的安全性排序吻合。屈可朋等[9]采用400kg大型落锤模拟装置研究了RDX基PBX炸药在不同应力率下的撞击安全性，结果表明，在中等应变率加载条件下，炸药的变形集中在塑性较大的蜡状添加物内，RDX颗粒变形所导致的热量被蜡状添加物吸收，RDX颗粒温度降低，难以形成热点，安全性提高。

何超等[10]采用ANSYS/LS-DYNA软件对分步压装含铝炸药大型落锤冲击加载过程进行了数值模拟，得到了不同密度分布状态的试样在冲击作用下的应力分布及形变特征，并与实验结果进行对比，探讨了密度差对装药安全性的影响。结果表明，由于径向密度差的存在，冲击作用下试样受力分布不均，炸药颗粒由中心向边缘流动，增加了“热点”形成几率。高大元等[11]采用落锤撞击实验获得了改性B炸药的感度。结果表明，MB-1和MB-2的Φ20mm×10mm药片爆炸反应的阈值高度分别为3.5~4m和6~6.5m，表明MB-1的落锤撞击感度高于MB-2。Radford[12]、Pope[13]及Swallowe[14]等对落锤的原理进行论述。Mortlock[15]、Heavens[16]、Field[17-18]、Walley[19]等采用落锤冲击装置研究了炸药的安全性，同时，Field[17-18]、Walley[19]还将试样置于透明玻璃砧中观测了试样的动态损伤，炸药的力学性能决定安全性，因此动态损伤的观测对炸药的安全性评估具有很大的指导意义。

Mary等[20]采用一定质量的落锤对炸药进行冲击，获得了炸药材料的安全性。Barry Fishburn[21]采用Picatinny activatour(一种改进的双峰加载落锤装置)装置模拟了含底隙的炸药在过载条件下的响应情况。结果表明，应力-时间曲线上有两个峰(分别记为P1和P2)，P1峰上升很快，一般为1~2μs，P2峰上升较缓慢，整个加载过程可持续100μs。空气的压缩程度(底隙中空气的温度)与P1峰有关，P2峰对温度的上升影响不大。

以上实验中炸药装药置于约束装置(套筒)内，无法布置摄影装置直接观测样品的变形情况。Walley等[22]设计了一种新的装置(见图2)，对试样在动态高压及剪切作用下的响应情况进行了观测，点火情况见图3。

从图3可以看出，此装置加入了高速摄影，实时拍摄含能材料承受冲击载荷时样品尺寸变化、样品中的裂纹发展及点火情况，可用来研究含能材料的动态响应及评价炸药装药的安全性[23]，对炸药装药中等应变率下的安全性实验研究具有一定的指导作用。

图2　大型落锤-高速摄像装置示意图Fig.2　Schematic diagram of large drop hammer-highspeed photography

图3　冲击加载下炸药的点火情况Fig.3　The ignition situation of explosive underimpact loading

综上可以看出，大落锤模拟加载装置主要用于评估炸药装药的安全性及抗过载能力，但依然存在以下问题：首先，未给出炸药装药实际工况下的应变率，这也是测试中的难点；其次，实验过程中炸药装药均在套筒中，动态响应情况无法观测；最后，如何将实验与数值模拟技术相结合，节约成本，并快速优化实验方案，将成为未来实验的重点和难点。

2霍普金森压杆(SHPB)实验技术

1914 年 B. Hopkinson[24]测量了弹性长杆在动态碰撞过程中的压力脉冲，并用应力波的传播进行表征，研究了炸药爆炸产生的压力-时间关系，初步建立了 Hopkinson 杆试验系统。1949 年，Kolsky[25]将试样置于两根钢杆之间，采用雷管引爆所产生的压力脉冲对杆进行加载，用电容器测量到达试样的压力脉冲值及输出杆的位移，获得试样的应力-应变曲线。目前已开发了一系列不同功能的SHPB技术，并采用温度变化、CT、高速摄影、DIC(数字图像相关)等技术，使SHPB压杆技术从材料的表面观察向内部拓展，用以研究炸药装药的动态拉伸、压缩、剪切、围压等性能，以及动态断裂韧度的测试。国内也广泛开展了SHPB技术研究，现已掌握单脉冲、可控多脉冲、不同温度环境下的SHPB实验等技术，研究出多种测试技术，如石英、铌酸锂压电晶体应力测试、激光光通量、同步高速摄影结合数字图像相关等技术，获得了一些有指导性的研究成果。

2.1工作原理及装置

分离式霍普金森压杆装置组成如图4所示。高压气室的压力改变子弹速度，对试样进行不同应变率的加载；输入杆及输出杆上的应变片采集应力波信息，通过公式(1)~(3)即可计算应变率、应变及应力[26]。

(1)

(2)

(3)

式中：c为铝杆中的弹性纵波波速；l0为试样的初始长度；A为铝杆截面积；A0为试样初始截面积；E为铝杆弹性模量；εr为试样两端面上的反射波；εt为试样两端面上的透射波。

图4　分离式霍普金森压杆原理图Fig.4　Principle chart of SHPB

2.2针对炸药装药安全性开展的工作

卢芳云等[27-28]采用SHPB实验研究了3种含能材料的高应变率响应，结果表明：摩擦效应会对应力-应变曲线产生影响，加入润滑剂可减小摩擦。通过加载波波形的控制实现了软材料的应力平衡和常应变率加载。吴会民[29]、李克武[30]、陶俊林[31]、张鹏[32]等采用SHPB实验分别研究了PBX、B炸药、JOB-9003等炸药装药在高应变率下的力学响应、损伤模式及本构模型等，并指出104s-1应变率下SHPB系统实验中试件的绝热温升效应对测试数据的影响不可忽略。

Williamson等[33]采用SHPB实验对RDX基炸药进行了固定应力加载，研究炸药的微结构对机械损坏的响应影响。屈可朋等[34]采用SHPB实验研究了RDX基PBX炸药在被动围压下的力学性能，并与非围压状态进行了对比，结果表明，围压状态下RDX基PBX炸药承受的极限压力远高于无围压状态。

SHPB实验中所设计的加载装置及调整波形的方法等措施是否合理、所测数据是否有效等问题需要证实，因此需采用数值仿真的方法进行模拟，并进行实验验证，如赵鹏铎[35]、张智峰[36]等采用数值模拟研究了透射杆中所测压缩信号的有效性及动态断裂试验，确保了数据的有效性，也为材料的断裂机理研究提供依据;吴赛等[37]采用有限元ANSYS/LS-DYNA建立了数值模型，对材料在不同围压、不同应变率下的动态力学性能进行了研究，结果表明，随着应变率的增加，破坏机制由劈裂破坏变为压碎破坏。

Goudrean[38]采用SHPB研究了PBXW-113炸药在高应变率(103~104s-1)下的动态性能，获得了压缩实验和拉伸动态应力-应变曲线。Drodge[39]、Hoffman[40]等采用SHPB研究了含能材料在中、高应变率下的力学响应，获得相应的本构方程。Blumenthal等[41]采用SHPB研究了PBXN-10炸药在高应变率下的动态压缩性能。结果表明，应变率和温度对压缩应力峰值影响很大，随着温度的降低和应变率的增加，炸药的压缩强度和加载模量会有所增加。Quidot等[42-43]用SHPB对浇注PBX炸药的动态力学行为进行了研究，并与数值模拟结果进行了对比。Grantham等[44]利于SHPB研究了PBS9501炸药在高应变率下的动态响应，建立了本构关系。Rae等[45]采用数字图像相关技术对PBX炸药试样在温度老化前后的力学性能进行对比，发现破坏应力和破坏应变都降低，认为基体内硝化纤维素分子的变形是导致PBX炸药试样力学性能降低的主要原因。

Wiegand[46]采用SHPB实验研究了PBX炸药在准一维应变条件下的动态力学响应。结果表明，在不同围压条件下，炸药材料在单轴加载下为脆性断裂，围压条件下为塑性破坏。对PBX炸药，屈服强度和塑性模量均随着围压应力的增加而增大。Balzer等[47]采用SHPB压杆对PBX炸药的动态力学行为进行了研究。结果表明，低温时AP颗粒的尺寸效应才会显现；颗粒尺寸与流动应力为线性关系。

SHPB实验技术获得的应变率可达到5000s-1，但实验样品是裸露状态，且压杆尺寸较小，即使做围压实验，也不一定能够在高速摄影装置中观察到炸药装药的点火现象，无法表征炸药装药的安全性。Joshi等[48]用SHPB压杆技术研究了PBXN-110炸药的性能，发现即使减小样品尺寸也观察不到点火现象。鉴于此，他们发明了一种兼有落锤和SHPB功能的装置落锤-霍普金森杆，如图5所示。

图5　落锤-霍普金森杆实验系统Fig.5　Drop hammer- Hopkinson bar experimental system

与传统SHPB实验系统相比，落锤-霍普金森杆实验系统中只有子弹、入射杆和阻尼器，无透射杆和吸收杆，样品置于入射杆和砧骨之间。实验时入射杆动能传入到试样中，试样处于高应变和高应变率加载下，炸药是否点火由沉积于试样中的能量和能量随时间的变化率共同决定。高速相机记录试样变形，砧骨上安装压力传感器，记录试样的受力情况，高速红外相机记录试样底面的温度场变化，红外探测器记录点火情况。通过公式(4)和(5)计算沉积于试样中的能量及能量率：

(4)

(5)

每次试验可以得到能量-能量率坐标平面的一个点，以及炸药是否点火的信息。改变加载条件反复进行多次试验，即可获得炸药的点火极限，见图6。图6中红色虚线为该炸药的点火极限，当炸药中沉积的能量和能量率落在虚线右上部位，则一般发生点火。故落锤-霍普金森杆实验系统适合于测试/表征含能材料的点火极限。目前的SHPB杆实验条件单纯测试材料力学响应，文献研究可同时获得含能材料力学性能及其安全性(爆或不爆)，对含能材料动态力学性能与安全性关系研究具有重要的意义。

图6　PBXN-110炸药的点火极限曲线Fig.6　Threshold curve for PBXN-110

材料动态力学行为研究的目的是为了了解含能材料的动态破坏机制，因此需要在SHPB实验后对样品进行回收分析，如张子敏等[49]对回收试样细观损伤模式进行了SEM观测。结果表明，JH-14C传爆药压制成型后，颗粒存在初始损伤，在高应变率加载下初始损伤进行扩展，表现为穿晶断裂，随着应变率的增加，破碎程度增加，并出现沿晶断裂。

综上文献可知，SHPB仅仅是一种实验加载手段，除落锤-霍普金森杆实验系统外尚未见到在SHPB压杆上观察到炸药的点火现象。因此，面对具体炸药的常规动态力学性能试验时，首先需要了解物化性能，针对不同的材料设计不同的装置，获得需要的加载曲线；其次进行摸底实验，采用数值仿真的手段进行过程模拟，对实验进行优化；最后研究材料的动态力学行为，并采用SEM、高速摄影技术、CT技术、DIC技术等研究含能材料的损伤模式及破坏机制。建议实验时做完一发实验，待数据分析后再进行第二发实验，确保数据的有效性及实验的目的性。观察高应变率响应下炸药的点火现象需采用落锤-霍普金森杆实验系统，或者一级轻气炮实验系统。

3一级轻气炮实验技术

3.1工作原理及装置

一级轻气炮加载装置示意图见图7。

实验时，把高压气室充到预定弹速需要的气压，炮管中抽真空。自励式快开锥阀迅速开启(毫秒级)，高压气体推动弹丸前进，实现发射。弹丸经炮管的导向和不断加速后，在出口时达到最高速度，进入靶室与安装在靶箱内的实验靶标(样品)相碰撞，达到高速碰撞加载目的，然后在靶室的回收舱中进行回收，完成实验过程。此试验装置碰撞时的加载速率为微秒量级。一级轻气炮对无钴合金钢[50]、钢筋混凝土材料[51]加载的应变率可分别达到104~106s-1、104~105s-1。一级轻气炮加载炸药装药的应变率还未见报道，但预计可以达到104~106s-1。

图7　一级轻气炮实验装置原理示意图Fig.7　Schematic diagram of one-stage light-gasgun accelerator

3.2针对炸药装药安全性开展的工作

一级轻气炮是目前通用的高速发射和高压加载工具，它能发射各种装药缺陷的模拟弹丸，而且弹丸的质量、尺寸和材料范围广泛。一级轻气炮实验技术作为一种高速碰撞手段，已被广泛应用于材料的冲击损伤研究。国外已采用此技术研究了炸药的损伤问题，但国内主要研究岩石、混凝土等[50-54]非含能材料的冲击损伤问题，有关含能材料损伤问题的公开报道较少。

Anderson[55]采用一级轻气炮研究了PBXN-5炸药的损伤问题，对破坏-点火-反应压缩模型做了补充优化，结果表明，炸药起爆机理与输入的能量脉冲和材料损坏有关。Robin等[56]建立了一种新型的超高速气炮实验装置，气室对弹丸提供单次、加长的压力脉冲。数值模拟结果表明，与典型的二级轻气炮装置相比，此装置对气炮本身最大的压力加载脉冲可降低约30%。Justin等[57]建立的爆炸驱动轻气炮可将0.36g的目标加速到10.4km/s，突破了常用气炮的加载极限8km/s，对超高速碰撞研究具有重大意义。Gustavsen等[58]将一根非常光洁的钢棒连接到PBX 9501炸药试样上，采用一级轻气炮对其进行碰撞，实现可重复的冲击速度(约0.744km/s)，获得炸药的冲击应力可达到4.5GPa。ZHAO Shi-cao等[59]采用炸药作为轻气炮的加载源，其气体混合物推动弹丸前进而无破坏。数值模拟结果表明，1.03g球形合金(代号2024)可被加速到9.6km/s，无大范围变形及损伤。

传统的二级轻气炮依靠弹丸速度对目标进行加载，但需要非常高的弹丸初速时，传统装置表现出极限压力，Francesconi等[60]介绍了一种基于气体动力学的新方法，采用此方法不需要提高膛内压力即可提高碰撞时的最终速度。

瑞睿等[61]论述了一级轻气炮加载试验系统用于研究微秒量级炸药安全性的可行性，并以某炸药为例进行了验证，结果表明此试验系统可用以评价炸药安全性。

一级轻气炮实验技术用于炸药装药安全性的研究，需要注意以下问题：(1)一级轻气炮实验技术的加载时间为微秒量级，试样的安装状态和应变率响应参数的测试方法需进行改进甚至重新设计；(2)准静态或低速撞击下的数据获取技术将不再适用，因此高速碰撞下的数据获取技术将成为重点和难点；(3)实验过程炸药装药响应情况的表征将成为重点和难点；(4)采用此技术研究战斗部用炸药装药的侵彻安定性时，加载条件的等效性问题将成为重点和难点。

一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，是研究炸药装药高应变率响应下发射安全性及侵彻安定性的较好手段。同时，随着目前工艺技术的改善，炸药装药的质量提高以及炸药装药长脉宽加载条件下的安全性逐渐得到解决，未来短脉宽加载条件下的安全性研究将成为重点，因此，一级轻气炮实验技术将成为炸药装药安全性研究领域的热点。

4结束语

从文献资料看，关于炸药的中高应变率，落锤及SHPB实验技术已发展成熟，但中等应变率研究存在不足；气炮实验技术在高应变率时的可控性依然值得深入研究，今后的研究重点是：

(1)力学响应参量与安全性表征参量的关联技术将成为重点，目前的研究均将力学响应与安全性分开研究，研究的结果具有片面性，因此应加大中等应变率的落锤-霍普金森杆实验系统研究，同时研究炸药装药动态力学性能及安全性。同时，该系统是改进的SHPB系统，其基础理论还需要进一步完善。

(2)一级轻气炮实验系统及数据获取手段已经建立，要作为评价炸药装药安全性的标准装置，需解决应变率可控技术、数据重复性问题和实验可视化问题，这将成为今后研究的重点和难点。

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Progress of Study on the Safety of Explosive Charge under Different Strain-rate Conditions

LI Liang-liang, SHEN Fei, QU Ke-peng, XIAO Wei, HE Chao

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065,China)

Abstract:The latest research progress on the safety of explosive charge under different strain-rate response conditions was summarized. The experimental techniques of large drop hammer, separating Hopkinson pressure bar (SHPB) and one-stage light-gas gun with strain rate range from 1 to 106s-1commonly used in application of explosive charge were reviewed. The problems existed in the safety experiment of explosive charge under different strain-rate response were analyzed. According to the trends of safety of explosive charge, considering that the development of experimental techniques of response under middle-high strain-rate should be strengthened, theory and experimental system for drop hammer-Hopkinson bar should be emphatically improved, the controllability and repeatability of experimental techniques of one-stage light-gas gun should be highlighted. With 61 references.

Keywords:explosive charge; strain-rate; safety of explosive charge; Hopkinson pressure bar experiment; one-stage light-gas gun

中图分类号：TJ55; V512+.2

文献标志码：A

文章编号：1007-7812(2016)01-0014-09

作者简介:李亮亮(1983-)，男，工程师，从事火炸药动态力学性能及安全性研究。E-mail: pep2968@163.com

基金项目:国家安全重大专项资助(00401030201)

收稿日期:2014-12-05；修回日期:2015-08-22

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.01.002