發射過程中某硝胺發射裝藥的動態擠壓破碎情況

馮賓賓，芮筱亭，徐 浩，陳 濤，王國平

（1.南京理工大學發射動力學研究所，江蘇 南京210094；2.南京理工大學力學實驗中心，江蘇 南京210094）

引 言

國內外對發射裝藥引起膛炸等發射安全性事故的機理已逐步形成共識，即在相應裝藥結構下的發射裝藥破碎是導致膛內超高壓力和膛炸的根本原因，發射裝藥膛內破碎是藥粒的低溫脆性和彈底發射裝藥著火前受到擠壓作用的共同結果［1］。因此，考查發射裝藥在發射過程中的動態擠壓破碎情況變得極為重要。Lieb R J和Gazanas G A 等人曾用氣體炮［2］、高速液壓伺服裝置［3-4］等技術對多種發射藥及裝藥進行了動態擠壓破碎研究。堵平等［5-7］利用落錘、高低壓發射裝置、發射藥床擠壓破碎物理仿真裝置等試驗技術對發射藥及發射藥床進行了動態擠壓破碎研究。這些研究成果為指導發射藥和裝藥設計起到了積極的作用。

本研究用發射裝藥動態擠壓破碎裝置對不同溫度下某硝胺發射裝藥進行試驗，以模擬在真實發射環境下發射裝藥的動態擠壓破碎過程，獲得相應的破碎發射藥，并利用起始動態活度比試驗方法確定破碎發射裝藥的破碎程度，建立了該裝藥破碎程度與最大擠壓應力之間的定量關系。

1 實 驗

1.1 動態擠壓破碎試驗

用自制的發射裝藥動態擠壓破碎裝置（見圖1）對該發射裝藥分別進行低溫（-40℃）、常溫（20℃）、高溫（50℃）試驗。在燃燒室中加入點火藥，其燃燒生成的高壓氣體推動活塞運動，高速運動的活塞快速擠壓模擬藥室內的發射裝藥，從而模擬火炮發射過程中彈底發射裝藥的擠壓破碎過程以及藥床所處的擠壓應力環境［8］。

圖1 發射裝藥動態擠壓破碎裝置Fig.1 Dynamic compression fracture device of propellant charge

每種溫度下進行5 組試驗，發射藥裝藥量100g。試驗前將稱量好的發射裝藥放入保溫箱中保溫，保溫時間不少于12h。

1.2 起始動態活度比試驗

對破碎發射裝藥進行起始動態活度比試驗，用硝化棉作點火藥，裝填密度為0.2g／cm3，初溫為20℃。

2 結果與討論

2.1 不同擠壓條件下藥粒的破壞情況

圖2（a）為低溫時破碎發射裝藥數碼照片，圖2（b）、圖2（c）分別為常溫、高溫試驗后發射裝藥的局部放大圖。表1為發射藥的實測擠壓條件和藥床底部最大擠壓應力值，圖3為發射藥藥床底部擠壓應力隨時間的變化曲線。由表1可見，在相近的擠壓條件下，不同溫度下發射藥床底部的最大擠壓應力相差較大。由圖2可見，在低溫時藥粒大量破碎，產生很多碎末；常溫時部分藥粒出現裂紋，發生破碎的藥粒較少；而在高溫時部分藥粒存在裂紋，沒有出現明顯破碎的藥粒。

圖2 不同溫度下破碎發射藥的數碼照片Fig.2 Digital photos of fracture propellant at different temperatures

圖3 發射裝藥擠壓應力隨時間的變化曲線Fig.3 Compression stress vs.time curves of propellant charge

表1 發射裝藥擠壓條件和最大擠壓應力Table 1 Compression condition and maximum compression stress of propellant charge

從表觀狀態將試驗后的藥粒分為破碎、裂紋、完好三種狀態，試驗后裝藥各種狀態的藥粒數目統計結果見表2。由統計結果可初步獲知藥床的破碎程度，其中低溫時藥床的破碎嚴重，而常溫下藥粒的破碎個數較少，高溫下沒有出現明顯破碎的藥粒。

表2 破碎發射藥藥粒的統計結果Table 2 Statistical results of fracture propellant grains

2.2 起始動態活度比與裝藥破碎程度之間的關系

本研究使用起始動態活度比［9］來表征破碎發射裝藥的破碎程度。在相同試驗條件下，分別對破碎發射裝藥與同質量完好的發射裝藥進行密閉爆發器試驗，獲得p-t曲線。根據動態活度定義分別得到破碎發射裝藥與完好發射裝藥的動態活度L和L0，由此獲得破碎發射裝藥相對于完好發射裝藥的動態活度比L／L0。在動態活度比曲線上，以步長0.1取p／pmax區間［0.2，0.8］上的多個數據點，用最小二乘法擬合一條直線，該直線的截距即為該破碎發射裝藥的起始動態活度比RL0，如圖4所示。

圖4 發射裝藥的起始動態活度比Fig.4 Initial dynamic vivacity ratio of propellant charge

圖5為不同溫度下破碎發射裝藥的密閉爆發器試驗測到的p-t曲線。表3為p-t曲線處理得到的起始動態活度比及每發試驗對應的動態擠壓破碎試驗時藥床底部最大擠壓應力。

圖5 不同溫度下破碎發射裝藥的p-t曲線Fig.5 The p-t curves of fracture propellant charge at different temperatures

表3 不同溫度試驗結果Table 3 Testing results at different temperatures

由表3可知，在三種溫度下發射裝藥的起始動態活度比隨藥床底部的最大擠壓應力增大而增大，即隨著最大擠壓應力的增大，發射裝藥的破碎程度增大。而在不同溫度下的力學性能差異較大，低溫時破碎發射裝藥的起始動態活度比明顯大于常溫、高溫時的起始動態活度比。低溫時，在一定的擠壓應力下發射裝藥的破碎程度已接近30%，最大擠壓應力僅為16.78MPa，而此時破碎發射裝藥的起始動態活度比達到1.770。在相似的擠壓應力下，常溫和高溫試驗中破碎發射裝藥的起始動態活度比不超過1.1。當常溫試驗藥床底部的最大擠壓應力在14.88～27.98MPa內逐步增大時，發射裝藥的起始動態活度比增加約16.51%。當高溫試驗藥床底部最大擠壓應力在16.54～25.33MPa內逐步增大時，發射裝藥的起始動態活度比增加約為15.41%。

2.3 起始動態活度比與最大擠壓應力之間的關系

在動態擠壓破碎試驗中，利用藥床底部擠壓應力來模擬實際射擊過程中彈丸底部藥床受的擠壓應力過程。藥床底部的擠壓應力越大，藥床的破碎程度越嚴重。以最大擠壓應力作為主要的特征參量，建立藥床底部最大擠壓應力與藥床破碎程度之間的關系，來研究彈底藥床在實際膛內受到不同擠壓應力時的破碎情況。

根據表3中的試驗結果，建立上述發射裝藥在三種溫度下藥床底部最大擠壓應力與起始動態活度比之間的關系，如圖6所示。由圖6可見，低溫發射裝藥的起始動態活度比隨藥床底部最大擠壓應力的增大而迅速增大，在較小的擠壓應力下起始動態活度比達到1.770；而在高溫和常溫下，發射裝藥的起始動態活度比變化趨勢緩慢，不存在“階躍”現象。這些現象說明低溫發射裝藥呈現嚴重的“冷脆”現象，容易發生大規模破碎。

圖6 不同溫度下起始動態活度比與最大擠壓應力之間的關系Fig.6 Relationship of initial dynamic vivacity ratio and maximum compression stress at different temperatures

3 結 論

（1）不同溫度下，由于藥粒力學性能不同，相同的擠壓條件下發射裝藥的擠壓破碎過程不同。

（2）相同的擠壓應力下，該發射裝藥低溫明顯比常溫和高溫破碎嚴重，說明該發射藥低溫“脆性”嚴重。

（3）在3種溫度條件下，該發射裝藥的破碎程度隨著最大擠壓應力的增加而增大，低溫條件下增加速度較快；當擠壓應力繼續增大到一定值時，破碎程度可能出現“階躍”式增加，容易導致危險膛壓的出現；在較小的擠壓應力下，破碎面積增加量便可達到70%以上，這一現象應引起注意，使用該硝胺發射裝藥時需考查低溫藥床膛內擠壓應力情況，避免發射藥床發生大規模破碎導致膛炸。

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