RDX 基PBX炸藥在不同應力率下的撞擊安全性

屈可朋，沈 飛，王世英，肖 瑋，李亮亮

（西安近代化學研究所，陜西西安710065）

引 言

近年來，高速侵徹彈已經成為武器裝備研究的熱點之一［1］。隨著侵徹彈撞擊速度的不斷提高，其炸藥裝藥會在慣性作用下受到強烈的壓縮載荷作用，這可能會破壞炸藥裝藥的結構完整性甚至出現早炸。因此，侵徹彈炸藥裝藥在撞擊條件下的安全性研究尤為重要。

炸藥裝藥在撞擊條件下的安全性研究主要通過觀測炸藥裝藥在沖擊壓縮作用下炸藥的內部應力、應變、應變率、應力率等力學參數變化規(guī)律以及反應程度，從而研究炸藥裝藥在撞擊壓縮狀態(tài)下的安全性及點火機理。目前研究炸藥裝藥撞擊安全性的方法主要有落錘加載試驗［2］、小型后坐沖擊模擬試驗［3］、霍普金森桿試驗［4－5］等，這些實驗均以最大應力或最大應變率作為炸藥反應判據的參數。一般來說，當應力快速上升時，會導致炸藥局部熱量迅速聚集，從而影響裝藥的安全性。然而，關于應力上升速率對裝藥撞擊安全性影響的研究卻鮮有報道。

本研究以侵徹戰(zhàn)斗部用典型RDX 基PBX炸藥為對象，用大型落錘以及輕氣炮加載裝置進行不同應力率的加載試驗，探討了應力率對炸藥撞擊安全性的影響，以期為其可靠應用提供參考。

1 實 驗

1．1 材料、儀器及試驗彈

RDX 基PBX炸藥，西安近代化學研究所，配方（質量分數）為：65%RDX、30%鋁粉和5%黏結劑，藥柱采用模具壓制成型，密度為1．80g／cm3，尺寸為Φ40mm×40mm。

應力率試驗采用西安近代化學研究所的大型落錘加載裝置和一級輕氣炮；大型落錘加載裝置所用撞擊體為重錘，質量為400kg，一級輕氣炮所用撞擊體為Φ130mm 的圓柱形彈丸，分別采用硬鋁或塑料制成。應力測試采用應變式傳感器［6］，瞬態(tài)波形存儲采用Tektronix公司的DPO4104型示波器。

試驗彈殼體采用熱處理后的T10A 鋼加工而成，套筒內徑為40mm。緩沖墊為聚乙烯材料，尺寸為Φ40mm×5mm。試驗彈裝配時，各組件須依次裝入套筒，以防止各組件之間殘留氣體留存，試樣兩端的緩沖墊用于防止炸藥受沖擊時擠入炸藥與彈壁之間而引起摩擦點火。

1．2 實驗方法

低撞擊加載試驗在大型落錘加載裝置上進行，試驗裝置如圖1所示。通過自由落體的重錘撞擊試驗彈，實現對炸藥裝藥的模擬應力加載（應力率為0．1～0．5GPa／ms），利用試驗彈底端的傳感器記錄應力波形，可通過調節(jié)落錘質量和高度來改變刺激量。

圖1 落錘實驗裝置示意圖Fig．1 Schematic diagram of drop hammer experiment device

在一級輕氣炮上進行高應力率加載試驗，試驗裝置如圖2所示。通過高速彈丸撞擊試驗彈，實現對炸藥裝藥的模擬應力加載（應力率為1～30GPa／ms），輕氣炮試驗彈與大型落錘加載裝置的試驗彈保持一致，可通過調節(jié)彈丸材質、質量及速度來改變刺激量。

圖2 一級輕氣炮加載實驗布局示意圖Fig．2 Layout diagram of one－stage light gas gun loading experiment

加載速度用應力對時間的變化率，即應力率來表征。由于實驗系統(tǒng)本身性能的影響，實驗記錄到的p－t曲線并非完全線性，故計算中取其平均應力率：

2 結果與討論

2．1 低應力率加載下RDX 基PBX 的撞擊安全性

用400kg落錘加載試驗彈，得到的典型應力曲線見圖3，不同落高下RDX 基PBX炸藥的力學響應結果見表1。

圖3 試驗彈的典型低應力率加載應力變化曲線Fig．3 Typical curve of loading stress at low stress rate

表1 低應力率加載條件下試驗彈響應特性Table 1 Response characteristics of sample cartridge under the low stress rate loading condition

由表1可知，隨著落錘高度的增加，峰值應力不斷升高，由0．980GPa增至1．223GPa，但峰值應力上升時間基本保持在2～3ms，應力率約為0．3～0．47GPa／ms，試樣均未燃未爆。

2．2 高應力率加載下RDX 基PBX 的撞擊安全性

以一級輕氣炮作加載源，采用塑料或硬鋁彈丸，以245～350m／s的速度撞擊試驗彈，獲取的典型應力曲線見圖4，RDX 基PBX炸藥的力學響應結果見表2，試驗彈殼體破壞情況見圖5。

圖4 典型高應力率加載應力變化曲線Fig．4 Typical curves of loading stress at high stress rate

由表2、圖4和圖5可知，當彈丸高速撞擊試驗彈時，試驗彈所受應力均低于落錘加載時所受的應力，但應力上升時間卻大幅減少，從毫秒量級降低為微秒量級。當試驗彈所受應力率小于5．38GPa／ms時，試驗彈在撞擊過程中均未爆未燃，而當應力率增加到8．75GPa／ms時，試驗彈發(fā)生完全燃燒，但結構完整；當應力率增加至9．63GPa／ms時，試驗彈在撞擊作用下發(fā)生爆炸，破碎為尺寸不均的碎塊。

圖5 不同應力率加載后的試驗彈殼體破壞情況Fig．5 Casing damage situation of experiment sample cartridge after loading at different stress rate

表2 高應力率加載條件下試驗彈響應特性Table 2 Response characteristics of sample under the high stress rate loading condition

2．3 應力率對撞擊安全性的影響機理

壓裝成型的RDX 基PBX炸藥是一種損傷材料，由于其顆粒含量很高，在壓裝過程中，顆粒間相互擠壓，已經出現初始缺陷［7］。從撞擊起爆的機理來說，藥柱點火是由應力和應力作用時間共同作用的結果，由于初始缺陷的存在，試驗彈受到撞擊加載作用后，可能產生點火的機理是黏塑性流動、絕熱壓縮等，炸藥顆粒相互擠壓、剪切、摩擦，使局部溫度上升，達到點火溫度后發(fā)生點火，甚至爆炸。為提高裝藥的安全性，降低其撞擊感度，通常在混合炸藥中加入低熔點物質（如蠟狀添加物），以降低裝藥的熔化溫度［8］。在RDX 基PBX炸藥中由于蠟狀添加物首先沉積于反應能力較高的晶體表面缺陷之中，能夠緩解缺陷處的擠壓、剪切、摩擦等作用，使熱點難以形成，從而提高炸藥的撞擊安全性。

400kg落錘加載時，應力上升時間主要取決于落錘質量及試驗彈的尺寸，故在試驗彈尺寸不變的情況下，最大應力上升時間基本保持在2～3ms［6］。此時，PBX炸藥的變形速率較低，變形將集中在炸藥中塑性較大的成分（蠟狀添加物）內，RDX 顆粒的變形較?。籖DX 顆粒變形引發(fā)的溫升速率較慢，熱量可以通過熱傳導被蠟狀添加物吸收，從而使RDX顆粒溫度降低，難以引發(fā)其形成熱點，因此，即使在很高的壓力（大于1GPa）作用下，RDX 基PBX炸藥仍不發(fā)生反應。如大落錘加載下RDX 基PBX炸藥的應力率處于0．3～0．5GPa／ms時，即使應力峰值達到1．0～1．2GPa，炸藥仍未發(fā)生燃燒或爆炸。

輕氣炮高應力率加載時，RDX 顆粒與包覆其周圍的蠟狀添加物一起發(fā)生快速彈塑性變形，由于藥柱內部應力急劇增加，蠟狀添加物不足以完全緩解RDX 顆粒的變形，引起藥柱初始裂紋的擴展、匯聚及貫通而出現了新的裂紋，甚至裂紋區(qū)［9］，新裂紋區(qū)的出現以及RDX 顆粒快速變形產生的熱量無法被蠟狀添加物在短時間內吸收，使RDX 顆粒溫度迅速上升，增加了熱點產生的幾率，PBX炸藥裝藥的撞擊安全性降低。如輕氣炮加載條件下裝藥的應力峰值雖然只有0．2～0．4GPa左右，但當應力率超過8．75GPa／ms后發(fā)生了燃燒或爆炸反應。

3 結 論

（1）RDX 基PBX炸藥起爆是由應力和應 力 率共同作用的結果。當應力率為0．3～0．5GPa／ms時，應力峰值達到1．0～1．2GPa，藥柱均未發(fā)生反應；當應力率超過8．75GPa／ms時，應力峰值達到350MPa，即發(fā)生了燃燒反應。

（2）蠟狀添加物有利于提高RDX 基PBX炸藥的撞擊安全性。隨著應力率的增加，蠟狀添加物緩解RDX 顆粒變形及吸收熱量的作用逐漸降低，從而使RDX 基PBX炸藥的撞擊安全性下降。

［1］ 王濤，余文力，王少龍，等．國外鉆地武器的現狀與發(fā)展趨勢［J］．導彈與航天運載技術，2005（5）：51－56．WANG Tao，YU Wen－li，WANG Shao－long，et al．Present status and tendency of foreign earth－penetrating weapons［J］．Missile and Space Vehicles，2005（5）：51－56．

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