代曉淦, 于劭鈞, 黃風(fēng)雷, 文玉史, 鄭 雪, 姚奎光

(1. 中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所, 四川 綿陽(yáng) 621999; 2. 北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院, 北京 100081)

1 引 言

炸藥在異常環(huán)境下的安全性一直是含能材料領(lǐng)域研究的重點(diǎn),異常環(huán)境包括力、熱耦合刺激,如高溫撞擊。在低沖擊載荷下,炸藥會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的機(jī)械損傷、失效、變形及流動(dòng),導(dǎo)致點(diǎn)火,更復(fù)雜的是損傷(熱、機(jī)械損傷)導(dǎo)致炸藥性能變化,以致影響炸藥點(diǎn)火及之后的反應(yīng)發(fā)展過(guò)程,使得炸藥的點(diǎn)火閾值及反應(yīng)程度發(fā)生變化。因此,研究炸藥在撞擊載荷下的點(diǎn)火閾值及響應(yīng)特性對(duì)炸藥使用及運(yùn)輸過(guò)程中的安全性評(píng)估具有重要的意義。

目前,國(guó)外主要針對(duì)高溫下炸藥的撞擊/沖擊安全性變化開(kāi)展了大量的研究,主要集中在受熱炸藥的沖擊起爆方面(即輸入壓力大于2 GPa)。如Dallman等[1]研究了PBX-9502和LX-17炸藥在常溫、75 ℃和252 ℃下到爆轟距離與引爆壓力關(guān)系; Urtiew等[2-5]以及Tarver等[6]廣泛開(kāi)展了三氨基三硝基苯(TATB)基以及奧克托今(HMX)基高聚物粘結(jié)炸藥(PBX)受熱沖擊起爆,獲得了炸藥熱損傷后的沖擊起爆響應(yīng)特性。對(duì)于輸入壓力小于2 GPa受熱炸藥非沖擊點(diǎn)火安全性問(wèn)題,國(guó)內(nèi),代曉淦等[7-8]設(shè)計(jì)了射彈撞擊試驗(yàn)開(kāi)展了初步的研究,發(fā)現(xiàn)HMX高溫相變顯著影響PBX炸藥撞擊安全性; 李金河等[9]采用火炮飛片加載以及電磁粒子測(cè)速技術(shù)研究了HMX基炸藥常溫下的反應(yīng)閾值,獲得了炸藥的化學(xué)反應(yīng)以及點(diǎn)火反應(yīng)閾值,但未考慮力、熱耦合作用以及炸藥狀態(tài)對(duì)反應(yīng)閾值的影響。由于高溫和撞擊耦合加載作用實(shí)驗(yàn)比較困難,同時(shí)受熱炸藥撞擊作用機(jī)制更復(fù)雜,涉及力、溫度等多種因素的相互影響,不確定性較大。因此,不同輸入壓力下加熱炸藥的撞擊安全性問(wèn)題研究相對(duì)較少。

為此,本研究在常溫和75 ℃下,以射彈撞擊加載方式,研究不同撞擊速度時(shí)PBX-2炸藥射彈的響應(yīng)特性,分析了不同輸入壓力對(duì)常溫和75 ℃ PBX-2炸藥射彈撞擊響應(yīng)的影響,為評(píng)估力、熱耦合作用下炸藥的安全性提供參考。

2 試驗(yàn)原理與裝置

2.1 試驗(yàn)原理

采用的高溫下PBX炸藥射彈撞擊試驗(yàn)(簡(jiǎn)稱為高溫撞擊試驗(yàn))裝置如圖1所示[7-8]。試驗(yàn)時(shí),將炸藥柱放入裝置殼體內(nèi),首先利用加熱裝置以一定的升溫速率加熱裝置殼體,熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)方式從殼體傳入炸藥柱內(nèi),將炸藥加熱。當(dāng)炸藥加熱至預(yù)定溫度時(shí)發(fā)射射彈,撞擊裝有炸藥的殼體,使炸藥樣品受到熱、撞擊、剪切等多種刺激的綜合作用,導(dǎo)致炸藥樣品發(fā)生不同程度的反應(yīng)。根據(jù)高速攝像圖像、空氣沖擊波超壓、試驗(yàn)件殘骸,進(jìn)行綜合分析,評(píng)價(jià)加熱前后炸藥的撞擊安全性變化。

圖1高溫射彈撞擊試驗(yàn)示意圖

1—金屬擋板, 2—電加熱帶, 3—炸藥, 4—射彈, 5—發(fā)射裝置, 6—沖擊波超壓傳感器, 7—支撐架, 8—熱電偶

Fig.1Schematic diagram of projectile impact test at high temperature

1—metal baffle, 2—electric heating device, 3—explosive, 4—projectile, 5—launch device, 6—shock-wave overpressure sensor, 7—underprop, 8—thermocouple

試驗(yàn)過(guò)程中主要采用MEMRECAM GX-1高速錄像機(jī),觀測(cè)射彈撞擊炸藥點(diǎn)火反應(yīng)情況; 在距離撞擊點(diǎn)3 m位置處用沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)(沖擊波超壓傳感器、YE6600電荷放大器以及泰克示波器組成)測(cè)量炸藥反應(yīng)超壓; 采用K型熱電偶監(jiān)測(cè)炸藥邊緣的溫度。

2.2 試驗(yàn)裝置

高溫撞擊試驗(yàn)中裝藥殼體結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2所示,由炸藥試樣、殼體、壓蓋等組成。炸藥尺寸Φ50 mm×50 mm,壓蓋厚度為4 mm,材料為Q235鋼;壓環(huán)、殼體材料均為Q235鋼。試驗(yàn)時(shí)在裝藥殼體外套上電加熱帶,實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置加熱,具體見(jiàn)圖3所示。對(duì)常溫和75 ℃兩種狀態(tài)下的PBX-2炸藥(主要由HMX、TATB和粘結(jié)劑組成)開(kāi)展試驗(yàn)研究。射彈尺寸為Φ20 mm×20 mm,材料為Q235鋼,加載速度可達(dá)1000 m·s-1。

圖2高溫射彈撞擊試驗(yàn)中裝藥殼體結(jié)構(gòu)示意圖

1—螺釘, 2—壓蓋, 3—壓環(huán), 4—炸藥試樣, 5—?dú)んw, 6—熱電偶

Fig.2Schematic diagram of charge shell configuration of projectile impact test at high temperature

1—cover plate, 2—bolt, 3—retaining ring, 4—explosive sample, 5—shell, 6—thermocouple

圖3PBX炸藥高溫射彈撞擊試驗(yàn)裝置照片

Fig.3The photograph of projectile impact test for PBX device at high temperature

3 計(jì)算分析

由于試驗(yàn)中壓力測(cè)試?yán)щy,故采用計(jì)算方法模擬分析PBX-2炸藥受力過(guò)程,為此,建立了射彈撞擊計(jì)算模型,如圖4所示,圖中標(biāo)注點(diǎn)A位于壓蓋與炸藥接觸面,計(jì)算網(wǎng)格尺寸為1 mm×1 mm。對(duì)炸藥采用PLASTIC_KINEMATIC模型計(jì)算射彈撞擊過(guò)程中炸藥受力,鋼殼體材料模型為JOHNSON_COOK,常溫和75 ℃兩種溫度下炸藥力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1[10]。

圖4射彈撞擊計(jì)算模型

Fig.4Model of calculating the projectile impact

采用有限元程序LS-DYNA對(duì)該撞擊試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,給出了常溫400 m·s-1射彈撞擊下計(jì)算的典型應(yīng)力云圖,如圖5所示; 計(jì)算了常溫和75 ℃條件下不同速度撞擊時(shí)A點(diǎn)的受力曲線,結(jié)果如圖6所示。由圖5a可見(jiàn),在400 m·s-1射彈速度撞擊下,在撞擊后23 μs時(shí)壓蓋已發(fā)生較大變形,此時(shí)射彈未擊穿壓蓋; 從圖5b可知,在撞擊后42 μs時(shí)射彈已擊穿壓蓋,并剪切形成圓片,可見(jiàn)撞擊過(guò)程中射彈邊緣接觸處有明顯的剪切作用,該射彈撞擊試驗(yàn)中對(duì)炸藥作用的主導(dǎo)機(jī)制是強(qiáng)剪切作用。

表1PBX-2炸藥力學(xué)參數(shù)

Table1Mechanical parameters of PBX-2 explosive

materialstestconditiondensity/g·cm-3compressivemodule/GPacompressivestrength/MPaPBX?2ambienttemperature1．84910．144．975℃1．8351．96．3

a. 23 μs

b. 42 μs

圖5計(jì)算得到的常溫400 m·s-1撞擊下典型應(yīng)力云圖

Fig.5Typical stress distribution at ambient temperature and 400 m·s-1obtained by calculation

從圖6可看出,對(duì)于常溫PBX-2炸藥,在200 m·s-1撞擊速度下,撞擊峰值壓力約為0.52 GPa; 在800 m·s-1速度下,撞擊峰值壓力約為2.6 GPa。對(duì)于75 ℃ PBX-2炸藥,在200 m·s-1撞擊速度下,撞擊峰值壓力約0.33 GPa,在800 m·s-1撞擊速度下,撞擊峰值壓力達(dá)到約為1.54 GPa。由此可見(jiàn),由于75 ℃時(shí)PBX-2炸藥的力學(xué)性能改變,導(dǎo)致在相同速度撞擊下PBX-2炸藥受力均遠(yuǎn)低于常溫條件。因此,相比于常溫,要使加熱至75 ℃時(shí)PBX-2炸藥發(fā)生點(diǎn)火反應(yīng),就需要更高的撞擊速度。

a. ambient temperature

b. 75 ℃

圖6計(jì)算的常溫和75 ℃時(shí)不同撞擊速度下A點(diǎn)受力曲線

Fig.6Stress curves of the pointAunder various projectile velocities at ambient temperature and 75 ℃

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 試驗(yàn)裝置殘骸分析

圖7是回收的射彈撞擊常溫以及75 ℃ PBX-2炸藥的試驗(yàn)裝置殘骸照片。從圖7a中可以看出[7],對(duì)于常溫炸藥,當(dāng)速度在237 m·s-1時(shí),PBX-2炸藥表面有一凹坑,裝置完好,表明此時(shí)炸藥沒(méi)有發(fā)生反應(yīng); 當(dāng)速度在269.9, 321.2 m·s-1時(shí),殼內(nèi)無(wú)剩余樣品,表明此時(shí)炸藥發(fā)生了反應(yīng); 以786.3 m·s-1速度撞擊,壓蓋被擊穿,約束殼體裂為兩塊; 以844 m·s-1速度撞擊,未回收有殼體殘骸,見(jiàn)證板上留有殼體高速撞擊的凹坑,連接件上有明顯反應(yīng)導(dǎo)致的痕跡,表明此時(shí)炸藥發(fā)生了高烈度反應(yīng); 1033 m·s-1撞擊下的結(jié)果與844 m·s-1速度撞擊結(jié)果基本一致。

炸藥被加熱至75 ℃時(shí),在射彈速度為276,294 m·s-1時(shí),PBX-2炸藥表面有一凹坑,殼體完好,高速錄像測(cè)試發(fā)現(xiàn)未有點(diǎn)火出光現(xiàn)象,表明炸藥未反應(yīng); 當(dāng)速度在367 m·s-1左右時(shí),殼內(nèi)未有剩余樣品,撞擊過(guò)程中有點(diǎn)火出光現(xiàn)象,表明此時(shí)炸藥發(fā)生了反應(yīng); 在553 m·s-1速度撞擊下,約束殼體裂為兩塊,底板未被擊穿; 在786 m·s-1撞擊下,約束殼體裂為三塊,底板被擊穿,表明炸藥未發(fā)生劇烈反應(yīng); 在830 m·s-1撞擊下,反應(yīng)形成了小破片,表明此時(shí)炸藥發(fā)生了高烈度反應(yīng)。

a. ambient temperature

b. 75℃

圖7回收的常溫和75 ℃時(shí)試驗(yàn)裝置殘骸照片

Fig.7Photographs of recover wreckages of test device at ambient temperature and 75 ℃

4.2 常溫和75 ℃ PBX-2炸藥撞擊點(diǎn)火反應(yīng)速度閾值分析

圖8為射彈撞擊常溫和75 ℃下PBX-2炸藥超壓與彈速曲線,結(jié)合圖7結(jié)果照片綜合分析,對(duì)于常溫PBX-2樣品,在237, 247.2, 263.5 m·s-1時(shí)PBX-2炸藥沒(méi)有發(fā)生反應(yīng); 而在速度為269.9, 305.6 m·s-1時(shí)反應(yīng)超壓在15 kPa附近,表明炸藥發(fā)生了爆燃反應(yīng); 在321.2 m·s-1時(shí)PBX-2炸藥反應(yīng)超壓達(dá)到了約22 kPa,僅比同等條件下雷管起爆PBX-2炸藥(即射彈撞擊試驗(yàn)裝置中PBX-2炸藥完全爆轟時(shí)產(chǎn)生的超壓)產(chǎn)生的超壓差5 kPa左右,表明PBX-2炸藥發(fā)生的反應(yīng)接近爆轟; 在700～800 m·s-1時(shí),反應(yīng)超壓在15 kPa附近,表明炸藥發(fā)生了爆燃反應(yīng); 在844,879,1033 m·s-1時(shí),反應(yīng)超壓為22～24 kPa,接近同等條件下雷管起爆PBX-2炸藥產(chǎn)生的超壓。加熱至75 ℃時(shí),射彈以276,294,316 m·s-1的速度撞擊PBX-2,炸藥均未發(fā)生反應(yīng); 速度為367 m·s-1時(shí)反應(yīng)超壓約4 kPa,發(fā)生了爆燃反應(yīng); 在553,786 m·s-1速度撞擊下反應(yīng)超壓均小于10 kPa,顯著低于常溫樣品,而在速度830, 879 m·s-1時(shí),反應(yīng)超壓約為25 kPa,均高于同等條件下常溫樣品。

圖8常溫和75 ℃下射彈撞擊PBX-2炸藥超壓與彈速曲線

Fig.8Curves of impact velocity-overpressure of PBX-2 explosive at ambient temperature and 75 ℃

試驗(yàn)結(jié)果表明,常溫PBX-2炸藥撞擊點(diǎn)火反應(yīng)速度閾值為263.5～269.9 m·s-1; 加熱至75 ℃時(shí),PBX-2炸藥撞擊點(diǎn)火反應(yīng)速度閾值為316～367 m·s-1。相比常溫條件,75 ℃下 PBX-2炸藥的力學(xué)性能顯著降低,其撞擊點(diǎn)火反應(yīng)速度閾值顯著升高。在非沖擊點(diǎn)火條件下[11],75 ℃時(shí) PBX-2炸藥反應(yīng)超壓明顯低于常溫狀態(tài),主要原因[12-13]是炸藥被加熱至75 ℃后,粘結(jié)劑明顯發(fā)生了流動(dòng),填補(bǔ)了原有孔隙,相比常溫炸藥,加熱后炸藥柱中缺乏孔隙而不易形成對(duì)流燃燒,炸藥燃燒面積相對(duì)較小,氣體生成速率和能量釋放速率都受到很大的限制,使得炸藥反應(yīng)超壓低于常溫狀態(tài)。

由圖6壓力計(jì)算結(jié)果和圖8超壓結(jié)果可知,相比常溫狀態(tài),射彈以大于800 m·s-1的速度撞擊75 ℃ PBX-2炸藥需要較低的輸入壓力,就能使其產(chǎn)生更為劇烈的反應(yīng)。

5 小 結(jié)

加熱至75 ℃時(shí),PBX-2炸藥的力學(xué)性能顯著降低,導(dǎo)致受力明顯低于常溫條件。

高溫撞擊試驗(yàn)中,當(dāng)射彈速度小于800 m·s-1時(shí),常溫PBX-2炸藥撞擊點(diǎn)火反應(yīng)速度閾值為263.5～269.9 m·s-1之間; 加熱至75 ℃時(shí),PBX-2炸藥撞擊點(diǎn)火反應(yīng)速度閾值為316～367 m·s-1。相比于常溫條件,在射彈撞擊速度高于800 m·s-1時(shí),約1.54 GPa的輸入壓力就能使75 ℃下的 PBX-2炸藥產(chǎn)生更為劇烈的反應(yīng)。

溫度和力學(xué)性能耦合作用導(dǎo)致加熱前后PBX-2炸藥撞擊響應(yīng)特性變化,相比溫度敏化效應(yīng),加熱導(dǎo)致的力學(xué)性能變化是影響75 ℃下PBX-2炸藥的撞擊響應(yīng)特性(點(diǎn)火反應(yīng)速度閾值、反應(yīng)程度)的主導(dǎo)因素,75 ℃時(shí)PBX-2炸藥撞擊點(diǎn)火速度閾值顯著提升,反應(yīng)程度明顯下降。

參考文獻(xiàn):

[1] Dallman J D, Wackerle J. Temperature-dependent shock initiation of TATB-based high explosives[C]∥10th International Detonation Symposium, Boston, MA, 1993: 130-138.

[2] Urtiew P A, Cook T M, Maienschein J L, et al. Shock sensitivity of IHE at elevated temperature[C]∥10th International Detonation Symposium, Boston, MA, 1993: 139-147.

[3] Urtiew P A, Tarver C M, Maienschein J L, et al. Effect of confinement and thermal cycling on the shock initiation of LX-17[J].CombustionandFlame, 1996: 43-53.

[4] Urtiew P A, Tarver C M, Forbes J W, et al. Shock sensitivity of LX-04 at elevated temperature[C]∥Shock Compression of Condensed Matter, AIP Conference Proc.429, Amherst, MA, 2000: 727-730.

[5] Urtiew P A, Vandersall K S, Tarver C M, et al. Initiation of heated PBX-9501 explosive when exposed to dynamic loading[R], Lawrence Livermore National Laboratory, UCRL-CONF-214667, 2005.

[6] Tarver C M, Forbes J W, Urtiew P A, et al. Shock sensitivity of LX-04 at 150 ℃[C]∥Shock Compression of Condensed Matter, AIP Conference Proc.515, Snowbird, UT, 2000: 891-894.

[7] 吳博, 代曉淦, 文玉史, 等. 加熱前后PBX-2炸藥的撞擊響應(yīng)[J]. 火炸藥學(xué)報(bào), 2011, 34(4): 34-36.

WU Bo, DAI Xiao-gan, WEN Yu-shi, et al. Impact response of unheated and heated PBX-2 explosive[J].ChineseJournalofExplosives&Propellants, 2011, 34(4): 34-36.

[8] DAI Xiao-gan, WEN Yu-shi, HUANG Hui, et al. Impact response characteristics of a cyclotetramethylene tetranitramine based polymer-bonded explosives under different temperatures[J].JApplPhys, 2013 ,11: 114906.

[9] 李金河, 傅華, 曾代朋, 等. 低沖擊加載下JOB-9003炸藥的反應(yīng)閾值[J]. 爆炸與沖擊, 2015, 35(6): 876-880.

LI Jin-he, FU Hua, ZENG Dai-peng, et al. The reaction threshold of JOB-9003 explosive under low amplitude loading[J].ExplosionandShockWaves, 2015, 35(6): 876-880.

[10] DAI Xiao-gan, WEN Yu-shi, ZHANG Hao-bin, et al. Fragment impact ignition mechanism for different HMX-based PBXs at high temperature [C]∥15th International Detonation Symposium, San Francisco, CA, July 2014: 1526-1535.

[11] Blaine W Asay. Non-shock initiation of explosives[M]. Springer, 2010: 568-575.

[12] 代曉淦, 王娟, 文玉史, 等. 加熱前后PBX炸藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟特性變化研究[J]. 含能材料, 2013, 21(5): 649-651.

DAI Xiao-gan, WANG Juan, WEN Yu-shi, et al. Deflagration to detonation transition characteristics for heated PBX-2[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2013, 21(5): 649-651.

[13] DAI Xiao-gan, WEN Yu-shi, HUANG Feng-lei, et al. Effect of temperature, density and confinement on deflagration to detonation transition of an HMX-based explosive[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics., 2014, 39: 563-567.