PBX炸藥在摩擦作用下的點(diǎn)火起爆研究

謝全民， 曹宏安， 謝俊磊， 馬海洋， 石敬濤

(1.武漢軍械士官學(xué)校， 武漢 430075； 2.73883部隊(duì)， 廣西南平 353000；3.解放軍3606工廠， 山西侯馬 043000)

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PBX炸藥在摩擦作用下的點(diǎn)火起爆研究

謝全民1， 曹宏安1， 謝俊磊1， 馬海洋2， 石敬濤3

(1.武漢軍械士官學(xué)校， 武漢 430075； 2.73883部隊(duì)， 廣西南平 353000；3.解放軍3606工廠， 山西侯馬 043000)

摘要：為了研究PBX炸藥的摩擦感度及其在摩擦作用下的點(diǎn)火機(jī)理，對(duì)PBX炸藥進(jìn)行了摩擦感度試驗(yàn)，并從細(xì)觀結(jié)構(gòu)的角度對(duì)炸藥在摩擦作用下的響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)炸藥溫度場(chǎng)的影響，以及壓力、初速度等條件對(duì)炸藥摩擦點(diǎn)火的影響。結(jié)果表明：摩擦作用下PBX炸藥的點(diǎn)火點(diǎn)位于HMX顆粒與黏結(jié)劑交界處，點(diǎn)火的臨界溫度為1 100K；向炸藥施加的壓力越大，其發(fā)火可靠性越高，點(diǎn)火時(shí)間越早；鋼柱摩擦炸藥的初速度增大，能夠提高其發(fā)火可靠性以及點(diǎn)火時(shí)間。

關(guān)鍵詞：PBX炸藥； 摩擦； 點(diǎn)火； 試驗(yàn)； 數(shù)值模擬

1引 言

研究炸藥在沖擊作用下的摩擦起爆機(jī)理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。理論上，侵徹體中的裝藥在侵徹過(guò)程中，裝藥殼體與炸藥間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致裝藥的點(diǎn)火起爆；大量的試驗(yàn)也表明：裝藥與殼體之間的摩擦是導(dǎo)致炸藥點(diǎn)火的重要因素之一。GLENN J G等〔1〕用活塞裝置在裝有炸藥的圓柱鋼管內(nèi)滑動(dòng)，產(chǎn)生摩擦，通過(guò)改變活塞與鋼管壁的壓力，觀察到了點(diǎn)火現(xiàn)象；BIRK A等〔2〕用活塞在不同厚度的鋼管中以不同的速率進(jìn)行滑動(dòng)加載，也觀察到了炸藥點(diǎn)火現(xiàn)象。

摩擦起爆感度試驗(yàn)中，通常將炸藥置于兩滑塊之間，對(duì)其施加一定的壓力100MPa～500MPa〔3-4〕，通過(guò)對(duì)炸藥施加強(qiáng)烈又短暫的機(jī)械摩擦功，觀測(cè)炸藥是否發(fā)生點(diǎn)火爆炸，進(jìn)而來(lái)確定炸藥的摩擦感度。炸藥的摩擦感度是炸藥性能的重要參數(shù)之一，相關(guān)的試驗(yàn)研究較多，也取得了一些成果〔5〕，但對(duì)具體的理論研究還較少。

PBX炸藥是由高能炸藥、黏結(jié)劑和增塑劑等以不同比例混合壓制而成，因其組分的多樣性造成了炸藥細(xì)觀結(jié)構(gòu)的非均勻性，劉群等〔6〕從細(xì)觀結(jié)構(gòu)角度用數(shù)值模擬的方法研究了PBX炸藥在沖擊載荷下的點(diǎn)火機(jī)理，但它的著重點(diǎn)在撞擊感度上，而實(shí)際上在侵徹過(guò)程中炸藥與殼體間的摩擦作用不容忽視。因此，本文采用試驗(yàn)方法對(duì)PBX炸藥的摩擦感度進(jìn)行觀測(cè)，并結(jié)合數(shù)值模擬法研究了PBX炸藥的摩擦起爆機(jī)理。

2PBX炸藥與金屬摩擦起爆試驗(yàn)

2.1摩擦感度試驗(yàn)方法及裝置

以一種高HMX含量(88%左右)的PBX炸藥為研究對(duì)象，將由HMX和粘結(jié)劑按比例澆注而成的炸藥置于兩鋼柱之間，使用擺錘擊打上鋼柱，使其與炸藥產(chǎn)生相對(duì)位移，導(dǎo)致鋼柱與炸藥摩擦，如圖1所示。試驗(yàn)中，炸藥呈扁平柱狀，重100g；上下鋼柱的直徑為15cm，上鋼柱重10kg，下鋼柱與炸藥接觸點(diǎn)裝壓力傳感器，可通過(guò)調(diào)節(jié)下鋼柱下的螺絲松緊度來(lái)調(diào)節(jié)其對(duì)炸藥壓力的大小；擺錘重8kg，擺線(xiàn)長(zhǎng)度可調(diào)，質(zhì)量忽略不計(jì)，通過(guò)調(diào)節(jié)擺線(xiàn)長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整撞擊后其賦予上鋼柱的初速度。

圖1　試驗(yàn)裝置Fig.1　Testing apparatus

整套系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)用遮光布遮擋，用高速攝影機(jī)(圖2)來(lái)記錄摩擦反應(yīng)過(guò)程，距試驗(yàn)系統(tǒng)約4.6m。

圖2　試驗(yàn)用的高速攝影機(jī)Fig.2　High speed camera

需要注意的是，試驗(yàn)中擰下鋼柱的螺絲時(shí)不能太快，以防其對(duì)炸藥壓力過(guò)大或變化過(guò)快引起炸藥爆炸，另外，高速攝影機(jī)也不能距試驗(yàn)裝置太近，否則炸藥發(fā)生反應(yīng)時(shí)會(huì)損壞相機(jī)鏡頭。

2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)中共有兩個(gè)變量，即擺錘擊打上鋼柱后鋼柱的初速度v和下鋼柱對(duì)炸藥的壓力P，采用控制變量法，分別做了多組試驗(yàn)來(lái)觀察現(xiàn)象，部分試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

從表1中可以看出，當(dāng)P=420MPa、v=4.5m/s，以及P=500MPa、v=4.0m/s時(shí)，炸藥在摩擦作用下點(diǎn)火起爆，且能明顯聽(tīng)到爆炸聲；當(dāng)P=420MPa、v=4.2m/s，及P=490MPa、v=4.0m/s時(shí)，可觀察到炸藥因摩擦點(diǎn)火，但爆炸聲不明顯，說(shuō)明炸藥反應(yīng)未達(dá)到爆轟的劇烈程度。

查閱相關(guān)資料〔3,7〕，分析其可能原因?yàn)椋耗Σ燎埃ㄋ幵趬壕o的狀態(tài)下與鋼柱間的摩擦系數(shù)較大；摩擦?xí)r，炸藥迅速升溫，由于炸藥的熔點(diǎn)較低，溫度很快接近熔點(diǎn)，導(dǎo)致炸藥與鋼板間的摩擦系數(shù)減小。另外，在摩擦過(guò)程中隨著炸藥溫度的迅速升高，必然存在炸藥與下鋼柱間的熱傳導(dǎo)。因此，當(dāng)炸藥在摩擦作用下的熱分解使其溫升幅度足夠大時(shí)，導(dǎo)致炸藥爆炸；當(dāng)炸藥溫升不足以引起熱爆炸時(shí)，則產(chǎn)生快速燃燒現(xiàn)象，無(wú)明顯爆炸聲。

3PBX炸藥摩擦點(diǎn)火數(shù)值模擬

3.1PBX炸藥的細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型

數(shù)值模擬中的PBX炸藥的細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型是通過(guò)對(duì)包有黏結(jié)劑的HMX炸藥顆粒進(jìn)行壓制獲得的。假設(shè)HMX炸藥顆粒在未壓之前是圓形的，每個(gè)顆粒都均勻的包裹了黏結(jié)劑，且所有顆粒的大小相等。炸藥成分不同，HMX炸藥顆粒與黏結(jié)劑的比例也不同，且HMX炸藥顆粒分層排列在壓制磨具中。模型中共有100個(gè)緊密接觸的HMX炸藥顆粒，炸藥顆粒的直徑為0.4mm～0.8mm，黏結(jié)劑為Estane，其厚度為0.01mm～0.02mm，黏結(jié)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在12%左右，如圖3所示。炸藥顆粒與黏結(jié)劑的局部網(wǎng)格圖如圖4所示。

圖3　PBX炸藥顆粒排列規(guī)則Fig.3　Arrangement rules of PBX explosive particle

圖4　炸藥顆粒與黏結(jié)劑網(wǎng)格Fig.4　Grid of explosive particle and binder

采用非線(xiàn)性有限元法對(duì)HMX炸藥顆粒的壓制過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算時(shí)炸藥下部為加壓面，其余三個(gè)方向?yàn)閯傂约s束。通過(guò)對(duì)下部施加一定的壓力，使HMX炸藥顆粒發(fā)生變形，從而得到PBX炸藥細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型。

密度為2.0g/cm3的炸藥細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，如圖5所示。炸藥顆粒被壓制的較密實(shí)，孔隙基本消失，原本為圓形的HMX顆粒在壓制的過(guò)程中發(fā)生了變形和側(cè)向位移，顆粒的尺寸發(fā)生了變化，且分布呈現(xiàn)不規(guī)則性，這些結(jié)構(gòu)特征與圖3中的炸藥細(xì)觀結(jié)構(gòu)類(lèi)似。因此，通過(guò)改變壓力等計(jì)算條件，可以得到不同密度、HMX質(zhì)量分?jǐn)?shù)及顆粒尺寸的PBX炸藥細(xì)觀結(jié)構(gòu)。

圖5　PBX炸藥細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型Fig.5　Microscopic structure model of PBX explosive

3.2計(jì)算模型及材料參數(shù)

計(jì)算模型由鋼柱和PBX炸藥組成，如圖6所示。計(jì)算時(shí)，鋼柱以一定的初速度向右滑動(dòng)，在與炸藥摩擦力的作用下逐漸減速至停止，觀察相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的炸藥顆粒與黏結(jié)劑的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。模型中，鋼柱的直徑為15mm，炸藥厚度為6.5mm。

圖6　PBX炸藥摩擦起爆計(jì)算模型Fig.6　Calculating model of friction detonation for PBX explosive

模型中，HMX顆粒和黏結(jié)劑均采用彈塑性流體力學(xué)材料模型和格林愛(ài)森狀態(tài)方程描述，鋼柱采用塑性動(dòng)力學(xué)模型描述，采用各向同性熱材料模型來(lái)描述HMX顆粒和黏結(jié)劑的溫度變化。整個(gè)模型的初始溫度設(shè)為298K，模型中其它的材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表2　模型的主要材料參數(shù)

注：ρ0為密度，σ0為屈服應(yīng)力，G0為剪切模量，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，c為聲速，C為比熱。

3.3數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.3.1細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)炸藥溫度場(chǎng)的影響

P=420MPa、v=4.5m/s條件下計(jì)算，與摩擦感度試驗(yàn)相同。模擬結(jié)果顯示，炸藥發(fā)生了點(diǎn)火。在炸藥的內(nèi)部顆粒上取兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，觀察溫度變化，如圖7所示，1號(hào)測(cè)點(diǎn)位于黏結(jié)劑上，2號(hào)測(cè)點(diǎn)在HMX顆粒中心位置。

圖7　細(xì)觀結(jié)構(gòu)中的測(cè)點(diǎn)位置Fig.7　Measuring points location in microscopic structure

各測(cè)點(diǎn)處溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖8所示，可以看出摩擦作用下，1號(hào)測(cè)點(diǎn)處的溫度可達(dá)1 200K，而2號(hào)測(cè)點(diǎn)的最高溫度只有600K左右，即顆粒表面黏結(jié)劑的溫度遠(yuǎn)高于顆粒內(nèi)部的溫度；圖中還可看出，兩測(cè)點(diǎn)的最高溫都出現(xiàn)在3μs左右，且1號(hào)測(cè)點(diǎn)要比2號(hào)測(cè)點(diǎn)更早些。因此可以推斷，在摩擦作用的瞬間，首先引起黏結(jié)劑局部溫升，由于HMX會(huì)發(fā)生自熱反應(yīng)〔8-11〕，當(dāng)HMX顆粒周?chē)鷾囟壬仙揭欢ㄖ禃r(shí)，化學(xué)反應(yīng)放出的熱量將使HMX快速反應(yīng)，從而引起顆粒外層某處溫度突越升高，導(dǎo)致PBX炸藥發(fā)生點(diǎn)火。

圖8　測(cè)點(diǎn)處溫度隨時(shí)間的變化Fig.8　Measuring points temperature changes over time

炸藥摩擦?xí)r點(diǎn)火點(diǎn)處的溫度變化曲線(xiàn)，如圖9所示。當(dāng)HMX顆粒某處溫度達(dá)到1 100K時(shí)，PBX炸藥發(fā)生點(diǎn)火。

圖9　點(diǎn)火處溫度變化曲線(xiàn) Fig.9　Temperature variation curve of ignition point

3.3.2壓力P對(duì)PBX炸藥摩擦點(diǎn)火的影響

對(duì)條件為P=500MPa、v=4.0m/s的情況進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示，炸藥發(fā)生了點(diǎn)火，與摩擦感度試驗(yàn)結(jié)果相符。結(jié)合上一節(jié)的模擬結(jié)果，圖10給出了不同壓力情況下炸藥點(diǎn)火的時(shí)間。

圖10　不同壓力時(shí)炸藥點(diǎn)火的時(shí)間Fig.10　Ignition time under different pressure

當(dāng)P=500MPa時(shí)，炸藥約在3.3μs時(shí)發(fā)生點(diǎn)火，當(dāng)P=420MPa時(shí)，炸藥在3.8μs左右點(diǎn)火，即炸藥在當(dāng)壓力越大，炸藥點(diǎn)火的時(shí)間越早。當(dāng)P從420MPa增大到500MPa時(shí)，從細(xì)觀角度看，PBX炸藥的密度增大了，HMX顆粒之間的黏結(jié)劑分布的更加均勻，顆粒之間的孔隙變得更小，總體上，炸藥變得更加密實(shí)。這樣，在摩擦作用下，黏結(jié)劑溫度迅速升高，溫度更加快速的傳遞給HMX顆粒，使炸藥顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)更加劇烈，增強(qiáng)了HMX顆粒某點(diǎn)處發(fā)生溫度突越的力量，提高了其溫度突越的幾率，因此壓力的增大可提高炸藥的摩擦感度。

3.3.3初速度v對(duì)PBX炸藥摩擦點(diǎn)火的影響

為了研究初速度對(duì)PBX炸藥摩擦點(diǎn)火的影響，再對(duì)條件為P=420MPa、v=3.5m/s及P=420MPa、v=5.0m/s的情況分別進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示：當(dāng)v=3.5m/s時(shí)，炸藥不發(fā)生點(diǎn)火，v=5.0m/s時(shí)，發(fā)生點(diǎn)火。不同初速度下HMX顆粒某處的溫度變化如圖11所示，只有當(dāng)v=3.5m/s時(shí)，炸藥顆粒的溫度沒(méi)有突越，其峰值溫度為1 000K左右；同為發(fā)火情況，初速度為5.0m/s時(shí)的發(fā)火時(shí)間約在3.4μs，初速度為4.5m/s時(shí)的發(fā)火時(shí)間在3.8μs，初速度為3.5m/s時(shí)的溫度峰值約在4.6μs。因此，壓力相同時(shí)，初速度越大，炸藥越容易發(fā)火，發(fā)火的時(shí)間越早。當(dāng)摩擦速度增大時(shí)，黏結(jié)劑容易形成更高的局部溫升，使HMX顆粒發(fā)生快速自然反應(yīng)，相應(yīng)的導(dǎo)致其溫度更早的達(dá)到突越，從而引起炸藥點(diǎn)火更早。

圖11　不同初速度時(shí)HMX顆粒的溫度變化Fig.11　Temperature changes of HMX particles at different initial speed

在數(shù)值模擬的過(guò)程中，有些約束條件是動(dòng)態(tài)變化的，如隨著溫度的升高，炸藥與鋼柱之間的摩擦系數(shù)會(huì)不斷變小，而這一動(dòng)態(tài)變化的關(guān)系又很難確定，因此，在計(jì)算的過(guò)程中忽略了該約束條件的變化，下一步將對(duì)此開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)研究。

4結(jié) 論

(1) HMX質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88%的PBX炸藥在P=420MPa、v=4.5m/s以及P=500MPa、v=4.0m/s或更高壓力、更大初速度條件下，能夠可靠發(fā)火。

(2) 數(shù)值模擬計(jì)算表明：PBX炸藥的點(diǎn)火點(diǎn)位于HMX顆粒與黏結(jié)劑之間，本文研究的PBX炸藥點(diǎn)火臨界溫度為1 100K；隨著壓力、初始速度的增大，摩擦?xí)r炸藥點(diǎn)火的可靠性更大，且點(diǎn)火時(shí)間更早。

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Study of ignition detonation under the effect of friction in PBX explosives

XIE Quan-min1， CAO Hong-an1， XIE Jun-lei1， MA Hai-yang1， SHI Jing-tao2

(1．Wuhan Ordnance N.C.O. Academy of PLA., Wuhan 430075, China; 2. 73883 Troops， PLA．， Nanping 353000，Guangxi， China; 3. 3606 Factory, PLA．， Houma 043000， Shanxi， China)

ABSTRACT：In order to study friction sensitivity of PBX explosives and its ignition mechanism under friction, a test on friction sensitivity of PBX explosives was made. The numerical simulation was conducted from the point of view of the microscopic structure of the explosive response process under friction. The influence of microstructure on temperature field of explosives, the effects of friction ignition of explosives by pressure, initial velocity and other factors were analyzed. The results showed that ignition point of PBX located at the junction of HMX particles and the binder under friction. The critical temperature of ignition was 1 100K. The greater pressure applied to explosives, the higher reliability of its ignition was, and ignition was sooner. If the initial velocity of steel columns to explosives increased, the reliability of ignition and the ignition timing would be improved.

KEY WORDS:PBX explosives; Friction; Ignition; Test; Numerical simulation

文章編號(hào)：1006-7051(2016)02-0080-05

收稿日期：2016-03-10

基金項(xiàng)目：武漢軍械士官學(xué)校青年基金(新型彈藥公路運(yùn)輸時(shí)的減振方法研究)

作者簡(jiǎn)介：謝全民(1983-)，男，博士、講師，主要從事彈藥修理與銷(xiāo)毀的教學(xué)及科研工作。E-mail：xiequanmin1983@163.com

中圖分類(lèi)號(hào)：TD235.2; TJ55

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.02.018