钝黑-5炸药中硬脂酸质量分数对燃烧转爆轰的影响

2019-03-27吴海山

弹道学报 2019年1期

吴海山,王迟

(安徽红星机电科技股份有限公司,安徽合肥 231135)

硬脂酸在炸药中常被用作钝感剂、黏合剂和润滑剂,是一种白色、质地较硬的蜡状材料,熔点为70 ℃,具有表面活性,可改善炸药的包覆和钝感,增加炸药颗粒的自由流动性,降低炸药感度[1]。黑索今(RDX)具有爆轰稳定、爆速高等优点,广泛应用于弹药装药、发射药和火箭推进剂,但其机械感度较高,限制了RDX的应用[2]。将硬脂酸添加进黑索今炸药中制备出的钝化黑索今,其机械感度明显降低[3]。弹药的低易损性要求引信的爆炸序列输出能量足够大,同时又要求其具有抵御意外能量刺激的免疫力,所以在炸药中要添加适当的硬脂酸以便在降低炸药感度保证安全的基础上保证炸药威力。传爆药装药是爆炸序列的组成元件,起着能量传递和放大的作用,其受到子弹、破片和聚能射流撞击的概率非常小,因此相关研究主要考虑热和冲击波对传爆药的影响[4]。针对钝黑-5炸药中硬脂酸质量分数对燃烧转爆轰的影响,本文设计了一种传爆装置,以能否起爆导爆索为研究指标,分别在-43 ℃、常温和50 ℃条件下进行了传爆试验,研究结果可为燃烧转爆轰的可靠性研究提供一定的参考价值。

1 试验装置

1.1 试验装置设计

本文设计了一种试验装置,由点火装置、传爆装置、导爆索和爆管等组成,如图1所示。

图1 试验装置

传爆装置主要由点火体、硼/硝酸钾点火药、管壳、钝黑-5炸药和扩爆管组成,如图2所示。

图2 传爆装置结构图(单位:mm)

导爆索主要由钝黑-5炸药和铝壳组成,导爆索全长115 mm,外径5.3 mm,如图3所示。

图3 导爆索结构图(单位:mm)

传爆装置及导爆索工作原理:在点火压力的作用下,硼/硝酸钾点火药被引燃,产生高温高压气体点燃钝黑-5炸药。炸药在约束条件下燃烧,随着炸药燃烧速度的增加,气体压力迅速增大,燃烧转爆轰过程可分为慢速燃烧、快速燃烧、冲击波形成、低速爆轰转快速或稳定爆轰4个阶段。当达到某一临界值时,形成的爆轰起爆扩爆管,通过扩爆管的输出起爆导爆索。

1.2 钝黑-5炸药

钝黑-5炸药技术要求如下。

爆速:(8 233±32)m/s,密度:1.625 g/cm3,威力:144%(TNT当量),猛度:141%(TNT当量),冲击感度:34%,摩擦感度:14%,5 s延迟期爆发点:373 ℃。试验中主要试制了A、B 2批次的炸药,2批炸药合格证中各成分质量分数w及部分理化数据如表1所示,表中,ρ为炸药密度。

表1 2批次炸药参数对比

由表1可以看出A批和B批炸药硬脂酸质量分数和炸药密度有明显差别。为了排除炸药密度对试验结果的干扰,采用不同质量分数硬脂酸对应不同密度的钝黑-5炸药,每组装配20发传爆装置,用起爆导爆索作为输出考核进行试验,综合试验结果如表2所示,表中w2为硬脂酸的质量分数,n为装配的传爆装置数。

表2 综合试验结果

综合试验和分析结果:当钝黑-5炸药硬脂酸质量分数较低时(1.0%～1.3%),不论炸药密度高于1.14 g/cm3或低于1.04 g/cm3,均未造成传爆装置作用不可靠;反之,当硬脂酸质量分数偏上限(1.3%～1.5%)时,无论堆积密度高或低,均会造成传爆装置作用不可靠。由此可认为堆积密度不是造成传爆装置失效的原因,所以本文主要研究硬脂酸质量分数对传爆装置燃烧转爆轰输出威力的影响。

根据GJB5455—2005《钝黑-5炸药规范》规定,钝黑-5炸药中硬脂酸的质量分数为 1.0%～1.5%。钝黑-5炸药中的硬脂酸作为惰性介质,其质量分数的大小直接影响炸药的感度,硬脂酸质量分数低则炸药感度表现越低,硬脂酸质量分数高则炸药感度表现越高[5-6]。

为了研究不同硬脂酸质量分数对传爆装置燃烧转爆轰后输出威力的影响,分别使用硬脂酸质量分数为1.0%～1.2%,1.2%～1.4%,1.4%～1.5%的钝黑-5炸药,以45#钢作为管壳材料,压药压力为20.1～27.0 MPa,在(-43±2)℃和(50±2)℃条件下,对传爆装置燃烧转爆轰的输出威力进行了试验研究。

1.3 试验设备

试验中所使用的高温箱和低温箱设备如表3所示。

表3 试验设备名称及型号

2 试验设计

试验内容主要包括:低温贮存(-43 ℃),低温贮存后威力输出试验;高温贮存(50 ℃),高温贮存后威力输出试验;常温威力输出试验。

①低温贮存。将传爆装置输入端与点火装置合装(点火装置内装一个电点火头和(100±5) mg HY-5黑火药),输出端旋上爆管接头和爆管壳,爆管接头铣扁端与导爆索连接,将导爆索放入到爆管壳内,用螺塞旋将其旋紧(螺纹连接处及点火装置引线出口孔均涂硅橡胶密封),放置在温度为(-43±2)℃的低温箱中,连续保温24 h。

②低温贮存后威力输出试验。将低温工作后的传爆装置取出,用智能爆速测量仪引燃电点火药头,点燃HY-5黑火药,最后引燃扩爆装置,传爆装置以燃烧转爆轰的方式起爆扩爆管,再由扩爆管输出起爆导爆索,观察导爆索是否爆炸完全。

③高温贮存。按低温工作的操作方法进行传爆装置的组装,将其放置在温度为(50±2)℃的高温箱中,连续保温24 h。

④高温贮存后威力输出试验。将高温工作后的传爆装置取出,其余步骤与低温威力试验相同。

⑤常温威力输出试验。常温下进行试验,步骤与低温工作威力输出试验相同。

判定标准:传爆装置在各种温度下贮存均不允许其发火装置和结构装置损坏,贮存后威力输出试验合格指标是导爆索100%爆炸完全。

2.1 硬脂酸质量分数偏高对传爆的影响

导爆索内钝黑-5炸药配比为黑索今98.75%,硬脂酸1.25%。炸药装药密度约为1.72 g/cm3。硬脂酸主要起钝感作用,不直接参与爆轰反应[7]。

为了验证硬脂酸质量分数偏上限是造成传爆装置失效的主要原因,用A批次钝黑-5炸药(实测硬脂酸质量分数为1.4%～1.5%),装配了60发传爆装置产品进行了试验,试验结果如表4所示。

表4 硬脂酸质量分数为1.4%～1.5%时的试验结果

由表4可知,当硬脂酸质量分数为1.4%～1.5%时,传爆装置均存在不可靠作用,其中在低温(-43 ℃)的条件下,传爆装置的可靠性明显降低。传爆装置起爆导爆索失效状况如图4所示,失效导爆索如图5所示。

图4 传爆装置起爆导爆索失效

图5 失效导爆索

由图5可知,爆管壳和导爆索起爆端均呈现出撕开喇叭口形状,第1发(从左至右)失效导爆索内炸药端面距离爆管壳口部长度约12 mm,第2发约为15 mm,第3发约为10 mm;第4发失效导爆索内已没有炸药,中间胀开,失效的传爆装置已炸碎,导爆索未被完全起爆,表明传爆装置输出威力不足。

传爆装置输出威力不足的故障机理是,由于钝黑-5炸药硬脂酸质量分数偏上限,其燃烧性能下降,使炸药燃烧速度降低。相关研究表明,炸药燃烧转爆轰过程中先后形成压缩波、燃烧波、冲击波和爆轰波。对于硬脂酸质量分数较高的钝黑-5炸药,因为燃烧速度降低,传爆装置中炸药燃烧时生成的压缩波压力和燃烧波压力也随之降低,会使炸药燃烧后形成爆轰的位置后移,有的在装药末端可能只形成冲击波,而不能形成爆轰波,不能可靠起爆扩爆管,造成传爆装置输出威力不足,不能可靠起爆导爆索[8]。

2.2 降低硬脂酸质量分数对传爆的影响

分别采用硬脂酸质量分数为1.0%～1.2%和1.2%～1.4%的钝黑-5炸药,各装配84发传爆装置产品进行了验证试验,试验结果如表5、表6所示。

表5 硬脂酸质量分数在1.0%～1.2%的试验结果

表6 硬脂酸质量分数在1.2%～1.4%的试验结果

试验结果表明,当钝黑-5炸药中硬脂酸质量分数在1.0%～1.2%时,传爆装置能够可靠传爆,硬脂酸质量分数在此质量分数范围内燃烧转爆轰输出威力最佳。炸药中硬脂酸质量分数大于1.2%会造成燃烧性能下降,炸药燃烧速度降低,在装药末端只形成冲击波,不能形成有效爆轰波,造成传爆装置输出威力不足,不能完全起爆导爆索。

将装有不同硬脂酸质量分数的传爆装置装配到某型烟幕弹进行射击试验,每组烟幕弹10发,常温条件下进行射击,烟幕弹失效数量统计如图6所示,图中,n1为烟幕弹失效数。

由图6可知,钝黑-5炸药中硬脂酸质量分数在1.0%～1.5% 范围内,当硬脂酸质量分数较低(1.0%～1.2%)时,导爆索均能完全起爆,烟幕弹正常形成遮蔽;当硬脂酸质量分数偏上限(1.43%～1.44%)时,传爆装置出现多发不能正常起爆导爆索,导致烟幕弹未正常形成烟幕遮蔽。