高温老化对熔梯黑铝炸药爆速及安全性的影响

2021-12-03李东伟曾晓华

兵器装备工程学报 2021年11期

李东伟，王锋，董静，曾晓华

(重庆红宇精密工业集团有限公司，重庆 402760)

1 引言

梯黑铝熔铸炸药(RTHL)是当前世界各国军事上广泛使用的一类综合性能较好的装药，大量装填于各种榴弹、破甲弹和航弹[1]。由于战备的需要，武器装备需要长期贮存，战斗部在库存过程中，受环境影响，内部装药可能发生缓慢的热分解，可能导致其物理、化学性能和安全性能发生变化，影响装备正常使用[2-4]。因此，对战斗部装药贮存寿命进行评价非常重要[5]。加速老化方法是评估弹药贮存寿命的重要手段。李亮亮等[6]研究得到高温老化后HMX基炸药爆速显著下降。李鸿宾等[7]研究得到加速老化后JH-14冲击波感度增加。李凯丽等[8-9]研究得到RDX基压装PBX加速老化后，药柱中的BR粘结剂发生氧化交联反应，提高了炸药的力学性能并降低了机械感度。高大元等[10-11]研究得到加速老化PBX-6炸药的热安全性、烤燃温度和撞击安全性均明显降低。黄亚峰等[12]研究得到HMX/RDX基含铝炸药爆热及爆速随着老化时间的增长几乎没有变化。王芳芳等[13]利用SHPB技术研究得到HTPB/AP基PBX浇注PBX老化后失效应变减小，力学性能变差。张林军等[14]在71 ℃下对某RDX基含铝压装炸药高温加速老化39天试验，得到老化后炸药中钝感剂和黏结剂软化迁移、微缺陷修复、表面钝化、RDX晶体品质的改善，发射安全性增加。尹俊婷等[15]研究得到老化使HMX基装药撞击感度增加。代晓淦等[16]研究得到加速老化前后PBX-2炸药在Steven试验中发生反应的反应程度和受力过程并无明显变化。NIU Guotao等[17]对3种熔铸炸药TNT/RDX、TNT/RDX/Al和TNT/HMX/Al进行了加速老化试验，得到3种炸药的爆速随着贮存时间的增加而降低，TNT/RDX/Al的爆热随贮存时间的增加而增加，TNT/HMX/Al变化趋势相反。

综上所述，目前针对战斗部装药老化性能研究主要集中于PBX方面，系统研究RTHL加速老化对炸药性能影响研究鲜有报道。本文采用试验方法对TNT /RDX /Al炸药加速老化试验后的熔点及热分解温度、真空安定性、机械感度、冲击波感度和爆速进行了测试，对测试结果进行了分析，并提出了改善TNT熔铸炸药长贮性的建议。

2 样品制备

梯黑铝炸药原材料由重庆红宇精密工业集团有限公司提供。配方为(质量分数)为TNT 60%/RDX 24%Al 16%。炸药样品通过熔铸工艺制备。高能炸药固相颗粒RDX和Al粉加入到熔融态炸药基质TNT中形成悬浮液，铸装到模具中，冷却凝固成型。铸装过程中，采用震动、抽真空等措施消除炸药缺陷，控制炸药密度。炸药老化试验样品制成尺寸φ50 mm×60 mm圆柱形，用于测试老化前后炸药冲击波感度和爆速。炸药熔点、热分解温度、真空安定性、机械感度测试样品，由成型药柱研磨成粉状制备。

3 试验

1) 加速老化试验

炸药样品加速老化试验使用AHX-863油浴烘箱，温度控制范围为20～95 ℃，控温精度±1 ℃。炸药老化试验参照GJB736.8—90《火工品试验方法71 ℃试验法》进行。试验时将炸药药块放置在钢制密封箱内模拟战斗部密封环境，如图1所示。

图1 炸药加速老化密封装置示意图

将装有炸药的密封箱整体放入烘箱中，烘箱温度设定为71 ℃，根据炸药贮存年限计算加速老化时间[18]，具体贮存年限对应的加速老化时间见表1。在20年所对应的时间点50.8 d取出加速老化后的炸药药块，进行相关性能分析。

表1 贮存年限-加速老化时间对应关系表

2) 熔点、热分解温度试验

炸药熔点及热分解温度试验使用NETZSCH公司DSC 204 F1型差示量热扫描量热仪，参照GJB772A—97《炸药试验方法》进行测试。熔点按照方法411.3差示扫描量热法进行测试；热分解温度按照405.1 比热容差示扫描量热法进行测试。DSC 204 F1差示量热扫描量热仪及样品照片如图2所示。

图2 DSC仪器及样品照片

3) 真空安定性试验

炸药真空安定性按照GJB772A—97《炸药试验方法》方法501.2真空安定性试验-压力传感器法进行试验。

4) 机械感度测试

按照GJB772A—97《炸药试验方法》对老化前后炸药感度进行测试。撞击感度按照方法601.1爆炸概率法测定。摩擦感度按照方法602.1爆炸概率法测定。

5) 冲击波感度试验

炸药冲击波感度参照GJB772A—97《炸药试验方法》方法605.1进行测试。试验装置照片如图3。雷管座为φ25 mm×40 mm，中心通孔φ7.1的尼龙棒；雷管为8#电雷管；传爆药柱为φ2 5mm×16 mm的钝化RDX，装药密度1.62±0.02 g·cm-3；主发药柱为φ50 mm×60 mm的TNT，装药密度1.58±0.02 g·cm-3；隔板为60 mm×60 mm的2A12铝板，厚度待试验确定。被发药柱尺寸为φ50 mm×60 mm；见证板为100 mm×100 mm×6 mm的Q235A钢板；支架为φ121 mm×6 mm×50 mm的无缝钢管。

1.雷管座；2.传爆药柱；3.主发药柱；4.隔板； 5.被发药柱；6.见证板；7.支架 1.detonator seat；2.booster；3.detonator；4.diaphragm； 5.RTHL；6.witness steel-plate；7.frame

6) 爆速测试

按照GJB772A—97 《炸药试验方法》方法702.1电测法对老化前后炸药爆速进行测试。炸药爆速测试装置如图4所示。扩爆药为φ43×54 mm的钝化RDX；被测药柱为6节φ50×60 mm±0.01 mm的RTHL炸药。爆速测试数据采用5个测点线性回归公式。具体计算方法如下[19]：

(1)

(2)

式中，D为爆速；xi、ti分别为电离探针的位置和爆轰波达到该位置的时间；n为被测量药柱段数；r为相关系数。

4 结果与讨论

1) 熔点及热分解温度变化

采用DSC 204 F1差示量热扫描量热仪，在升温速率为10 K·min-1条件下，测试并求得该RTHL炸药老化前后熔点和热分解温度如表2所示。

1-booster；2-RTHL；3-probe；4-frame

表2 炸药机械感度测试结果

由表2可以看到，该RTHL炸药老化后熔点由80.4 ℃降低至77.3 ℃，减少3.9%；热分解温度分别由236.2 ℃降低至234.8 ℃，减少0.6%。老化后炸药的熔点和热分解温度均有所降低。这是由于载体炸药TNT(2,4,6-TNT)在合成过程，不可避免地生成2,3,4-TNT、2,4,5-TNT、2,4-DNT和2,6-DTN等多种异构体。这些异构体与TNT形成低熔点共熔物，老化后这些物质析出，导致炸药熔点和分解温度降低[20-21]。

2) 真空安定性

采用真空安定性测试仪测得老化前后RTHL炸药的放气量分别为为0.03 mL和0.05 mL。老化后炸药放气量有少量增加，热感度升高。但根据GJB772A—97《炸药试验方法》方法规定，每克试样放气量不大于2 mL，均符合安全性合格标准。

3) 机械感度

采用WL-1型落锤仪和MGY-1型摩擦感度仪测得老化前后RTHL炸药机械感度结果如表3所示。

表3 炸药机械感度测试结果(%)

从表3中可以看到，该RTHL炸药老化后撞击感度由30%上升至40%，摩擦感度由26%上升为30%，变化量均超过15%，老化后炸药机械感度均有所升高。这是由于热老化过程，炸药发生缓慢地分解，装药内部出现缺陷[22]，导致炸药冲击波感度升高。这一结果与大多数文献报道的PBX类炸药老化后感度升高结果一致。但是，部位文献也报道了PBX在一定时间范围内老化后，配方中高分子黏结剂的进一步交联反应和迁移填充，使得炸药感度降低，这与TNT基熔铸炸药表现出明显的区别。

4) 冲击波感度试验

通过改变隔板尺寸，测得老化前后RTHL炸药冲击起爆临界隔板厚度。该RTHL炸药老化后冲击波感度试验临界起爆隔板厚度由18～20 mm升高至22～24 mm，隔板厚度平均中值增加21.1%，冲击波感度升明显高。这是由于热老化过程，炸药发生缓慢分解，导致装药内部出现缺陷，导致炸药冲击波感度升高。

5) 爆速

根据文献[19]中多段定常爆速测量中的数据处理方法，得到老化前后RTHL炸药爆速结果。该梯黑铝炸药老化后炸药爆速由7 026 m/s降低至6 717 m/s，减少4.4%。这一结果在规律上与文献[17]报道的同类型TNT/RDX/Al炸药老化后爆速降低一致。这是由于TNT的熔点低，在高温下长期贮存，极易升华，产生的质量损失导致药柱密度下降[23]，使得老化后炸药爆速降低。

综上所述，加速老化试验后炸药的熔点降低、热分解温度降低、真空安定性降低、机械感度增加、爆速降低，分析原因是梯黑铝炸药中，基体炸药TNT存在异构物，高温老化试验后，TNT异构体发生挥发融化，导致炸药综合性能有所降低。