PBX炸药剪切流动点火性能的实验研究

陈 鹏，屈可朋，李亮亮，肖 玮，陈 荣，畅 博，袁宝慧

(1.西安近代化学研究所，陕西 西安 710065；2.国防科技大学，湖南 长沙410073)

引 言

PBX炸药作为侵彻战斗部等武器系统的重要能源物质，对于毁伤效果具有决定性作用。然而，战斗部在侵彻过程中，会产生较大的冲击过载，由于冲击过载作用，战斗部装药在壳体内部经历压缩、剪切及流动等复合应力状态，在复合应力作用下，装药内部易形成热点，导致炸药意外起爆。所谓的剪切和流动是由于装药在过载作用下非均匀变形而引起的，因此，研究装药在压缩、剪切及流动作用下的安全性具有重要意义。

目前，关于炸药在拉伸、压缩、摩擦等单一加载方式下的点火研究方法较多，同时，在复合应力加载下的研究方法也得到了较大发展。LANL实验室和Cavendish实验室使用透明落锤砧骨加载无约束炸药材料[1-4]，研究了炸药材料在落锤加载下轴向压缩和径向流动点火情况；Dickson[5]使用斜碰撞实验和滑道实验研究了炸药撞击摩擦的点火过程；Joshi[6-8]将SHPB装置能够实现高应变率优点与落锤装置中能量沉积优点相结合，使用SHPB-砧骨实验研究PBX炸药受剪切作用下的点火；LRL实验室建立了Susan实验[9-10]，用于研究炸药在低速撞击下的点火，得到炸药径向剪切流动，易发生点火；Jones[11]和申春迎[12]对炸药进行了Spigot的冲塞实验，研究炸药在剪切和摩擦作用下的点火；Chidester[13-14]设计了Steven实验用于研究炸药装药受低速冲击下的点火。上述研究都是基于低速冲击作用下PBX炸药的点火研究，而关于PBX炸药在高速冲击作用下的剪切流动研究报道较少。

本研究为了对比炸药在完全约束加载和剪切流动作用下的点火反应特性，使用一级轻气炮进行加载，同时使用高速摄影观察加载过程中炸药是否发生反应，使用压力传感器测量加载过程中的压力，并且结合数值模拟计算，对炸药的点火反应特性进行研究。

1 实 验

1.1 样品制备

HMX基PBX炸药由西安近代化学研究所提供，主要成分为HMX/Al/黏结剂，其配方(质量分数)为：HMX, 53%;Al粉,35%;黏结剂,12%。

样品制备过程：将3种组分按比例均匀混合，在外径40mm、内径30mm、高度30mm的聚乙烯塑料套筒内浇注成型，成型药柱尺寸为Φ30mm×30mm，密度为1.84g/cm3，保持药柱端面平整，无肉眼可见缺陷，最后用两个直径40mm、高度5mm的聚乙烯塑料垫片分别密封药柱的两个端面。

1.2 仪器

实验在130mm口径的一级轻气炮上完成，如图1所示。测速系统由激光测速仪和Tektronic示波器组成，示波器采样率为5M/s；装药加载压力变化由北京理工大学研制的50Ω锰铜压力传感器测得；使用Photron高速摄影记录加载过程中样弹是否发生反应。

图1 实验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

1.3 实验原理

一级轻气炮加载实验原理是通过高压气室内部的气体驱动炮管中的2.5kg塑料弹丸，弹丸加速至400m/s的速度撞击靶箱内部的装药样弹，实现对装药的压缩加载。使用下击柱底部的压力传感器测试加载过程中的压力变化，通过增减实验样弹上端盖板的剪切厚度调整加载强度，盖板直径D1为Φ100mm，盖板的厚度h1变化为10～23mm，盖板材料为45号钢；上下击柱直径d1为Φ40mm，上击柱长度L1为115mm，下击柱长度L2为40mm，套筒内径和击柱直径相同，外径d3为Φ60mm，套筒长度L3为140mm，砧骨直径D2为Φ120mm，厚度h2为20mm，材料均为T10钢；通过高速摄影记录装药是否发生反应。

实验中模拟完全约束加载方式如图2(a)和(b)所示，剪切流动加载方式和受力示意图如图2(c)和(d)所示，剪切流动加载不同于完全约束加载,区别为药柱下端面的聚乙烯塑料垫中心开有直径为2mm或3mm的圆形通孔，下击柱中心开有直径为6mm的圆形通孔，且两个圆孔同轴心，便于空气的快速排出。当装药上端受压力加载，装药受挤压从下端小孔流出，装药在流出小孔位置与孔壁面进行剪切摩擦，当压力较大时，装药就会形成快速流动。

图2 加载示意图和装配图Fig.2 Loading schematic and assembly of experiment

2 结果与讨论

2.1 剪切流动作用理论分析

PBX炸药在剪切流动加载过程中，基于两个假设：(1)PBX炸药在剪切流动过程密度不发生变化；(2)加载开始瞬间挤压流出速度最大。

气炮发射时，加速炮管内部的塑料弹丸运动，弹丸撞击盖板，当加载作用力大于盖板的剪切强度τ1时，盖板被剪断，加载结束。此时加载在盖板上作用力为：

f=πd1h1τ1

(1)

式中：d1为击柱直径，mm；h1为盖板厚度，mm。

作用在上击柱上的作用力F1为：

F1=f

(2)

此时，垫片下端开孔中层流的黏性阻力F2为：

F2=τ2πd2l

(3)

式中：τ2为炸药与管壁的摩擦应力，不超过炸药材料的剪切强度，MPa；d2为聚乙烯塑料垫片下端面开孔直径，mm；l为垫片下端开孔中炸药的不同位置，mm。

假设认为聚乙烯塑料与炸药同时受压且应力均匀，忽略其强度差异带来的应力分布不均匀。记开孔中距离初始炸药为l处炸药的平均流速为v1，根据伯努利方程：

(4)

式中：ρ为药柱初始密度，g/cm3；v1为PBX药柱压缩速度，m/s；v2为药柱压缩挤出流动速度，m/s。

药柱在加载流动过程中，由质量守恒定律可得：

v2=(d1/d2)2·v1

(5)

联立公式(4)和(5)得到：

(6)

公式(6)给出了管中不同位置的流速，结果表明，盖板的剪切强度τ1越大、流速越大，下端面聚乙烯塑料垫片孔直径d2越大、流速越小，忽略炸药与孔壁的摩擦时，可以得到更为简化的形式：

(7)

2.2 实验结果分析

实验在轻气炮上完成，结果如表1所示。实验中样弹不同厚度的盖板都被剪断，并对典型工况进行重复实验，从实验结果可以看出，药柱下端垫片未开孔实验在加载过程中均未发生反应，开孔之后的加载材料发生反应，材料是否发生反应与下端垫片开孔直径大小有关。

表1 PBX炸药加载实验结果

盖板厚度为23mm时加载后回收样弹如图3所示，从高速摄影和回收样弹可以看出,盖板厚度从10mm增加到23mm的加载过程中，药柱均未发生反应，回收样弹完整，药柱有挤出的迹象。

图3 完全约束PBX炸药实验结果Fig.3 Fully constrained results of PBX explosives

药柱下端垫片开孔2mm实验结果表明，盖板厚度从12mm增加到17mm的加载过程中，回收样弹可以明显看到炸药被挤出现象，未见炸药发生燃烧或反应；当药柱下端垫片开孔3mm，盖板厚度为17mm时，炸药发生剧烈反应。未反应和反应回收样弹套筒如图4所示，发生反应的样弹可以明显看到有烧黑迹象，同时可以从高速摄影观察到加载过程中有火光从套筒外壁喷出，如图5所示。

图4 开孔PBX炸药实验结果Fig.4 Experiment results of PBX explosives with hole

图5 PBX炸药在剪切流动状态时的反应情况Fig.5 PBX explosives react in shear-flow process

通过放置在下击柱底部压力传感器测得底部未开孔加载过程中应力的变化如图6所示，对于相同速度弹丸冲击样弹盖板，10mm和12mm厚度盖板的样弹达到峰值应力的时间分别为45μs和58μs，由于不同厚度盖板的剪切力作用不同，12mm盖板作用力比10mm盖板作用力大130MPa。

图6 完全约束样弹加载过程中应力随时间的变化曲线Fig.6 Stress versus time curve during full-constrained loading

样弹下端开孔装药发生反应，而未开孔装药没有发生反应，分析主要原因可能是在加载过程中，未开孔样弹装药虽然受力较大，但在约束状态下变形较小，较难产生热点；样弹下端开孔装药，在加载过程中，装药在开孔处发生了剪切流动，产生了温升，形成了热点，引起炸药发生反应。然而，2mm开孔直径的炸药未发生反应，3mm开孔直径的炸药发生反应，对比2mm开孔和3mm开孔样弹，可以得到相同流速情况下3mm开孔样弹的流量是2mm开孔样弹的2.25倍，因此可以得到炸药能否发生反应，还和炸药的流量有关。

3 数值模拟

3.1 有限元模型的建立

实验中由于条件限制，未能通过高速摄影观察样弹装药在加载时的剪切流动过程，然而，样弹下端垫片开孔大小对装药的剪切流动速度影响较大，因此采用有限元数值模拟对加载过程进行计算。

使用LS-DYNA软件对气炮加载过程中弹丸冲击样弹进行数值模拟计算，分别计算了样弹下端垫片未开孔和开孔的两种情况，实验加载弹丸和样弹用四分之一模型建模，如图7所示，装药试样使用均匀欧拉网格，大小为1mm，其他选用拉格朗日网格。

图7 数值模拟计算模型图Fig. 7 The simulation model

计算中通过在弹丸上加载速度作为初始加载边界，样弹下端使用固定边界，计算使用材料参数如表2所示[15]。

表2 数值模拟计算材料模型参数

3.2 数值模拟结果分析

通过计算样弹垫片下端未开孔和盖板厚度为10mm时，实验测得击柱下端应力变化和数值模拟计算结果对比如图8所示。

图8 下击柱应力数值模拟计算和实验测定值对比Fig. 8 Comparison of the simulation and experimental stress of lower strike

从图8中可以看出，数值模拟计算得到压力—时程曲线和实验结果吻合较好。

使用以上参数分别计算样弹垫片下端开孔直径为2mm和3mm的加载过程情况，如图9所示。计算结果表明，2mm直径开孔的炸药平均剪切流动速率为250m/s，3mm直径开孔的炸药平均剪切流动速率为180m/s，3mm直径开孔的单位时间流量比2mm直径开孔的单位时间炸药流量增加62%，因此分析可得炸药是否发生反应不仅与流动速率有关，还与炸药单位时间挤出量有关。

图9 炸药加载剪切流动过程Fig. 9 Shear-flow process of explosive

4 结 论

(1)通过气炮直接加载带约束和下端开孔具有剪切流动的HMX基PBX炸药，直接加载带约束的炸药，盖板从10mm增加到23mm都未发生反应，然而下端开孔，炸药具有剪切流动的加载盖板在17mm时发生反应。因此，炸药在剪切流动加载过程中相比于直接约束的装药更容易发生反应。

(2)HMX基PBX炸药在剪切流动作用下是否发生反应，不仅与流动速率有关，还和炸药单位时间的挤出量有关，3mm开孔直径单位时间流量比2mm开孔直径流量增加62%。