新型壓裝含鋁炸藥應(yīng)用于大口徑榴彈發(fā)射安全性模擬研究

王世英，李向東

(1. 西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安710065;2. 南京理工大學(xué)，江蘇 南京290014)

0 引言

長久以來，大口徑榴彈裝填高能炸藥一直是各國提高壓制武器威力的主要途徑之一，但受發(fā)射安全性制約，高能炸藥未能實現(xiàn)在壓制武器上的廣泛應(yīng)用，這就使大口徑榴彈的威力受到限制。

新型高能壓裝含鋁炸藥作為一種非梯基 (不含TNT)高能炸藥，具有優(yōu)良的成型性、安全性及環(huán)境適應(yīng)性。俄羅斯已經(jīng)利用壓裝工藝將含鋁炸藥裝填于大口徑榴彈中，使大口徑榴彈的威力提高50%以上。為推動自主研制的新型壓裝含鋁炸藥在我國壓制武器上的應(yīng)用，需要研究解決該型含鋁炸藥裝填大口徑榴彈的發(fā)射安全性問題。

所謂榴彈發(fā)射時炸藥裝藥安全性，即榴彈裝藥在膛內(nèi)發(fā)射時，炸藥裝藥因承受高過載引起的內(nèi)應(yīng)力作用所引發(fā)的膛炸的可能性。

為了對榴彈炸藥裝藥在發(fā)射過程中的安全性做出評估，首先需了解炸藥裝藥時發(fā)生膛內(nèi)危險的引發(fā)條件，即炸藥裝藥在膛內(nèi)發(fā)射時早炸的因素。榴彈在膛內(nèi)發(fā)射過程中，發(fā)射裝藥燃燒產(chǎn)生的高壓氣體［1］使炸藥裝藥的慣性后坐所形成的應(yīng)力，這對炸藥的作用，將對裝藥發(fā)射安全性產(chǎn)生重大影響。當炸藥裝藥內(nèi)含有氣泡、裂紋、底部間隙(底隙)等疵病時，后坐所產(chǎn)生的應(yīng)力可能在這些缺陷處產(chǎn)生局部熱點，引發(fā)炸藥的爆炸反應(yīng)，其起爆機制是熱點起爆［2］。當裝藥無宏觀缺陷時，炸藥在發(fā)射過程中受到剪切作用或裝藥與殼體之間的摩擦，以及炸藥晶體的破碎等［3］，也可能形成局部熱點，引發(fā)炸藥裝藥的“點火”。

目前，大口徑榴彈裝藥更新?lián)Q代，新型含鋁炸藥是較理想的選擇方向。該炸藥采用從俄羅斯引進的新型分步壓裝工藝，可以實現(xiàn)無宏觀可見缺陷裝藥，可以大幅度提高其裝藥的安全性。

國內(nèi)外評價炸藥裝藥的發(fā)射安全性主要主試是通過數(shù)值計算、實驗室試驗研究和實彈射擊試驗驗證。三種數(shù)值計算可以對炸藥裝藥在膛內(nèi)發(fā)射時的響應(yīng)應(yīng)力進行預(yù)估，實驗室試驗是判定一種炸藥裝藥能否進行最終實彈射擊試驗驗證的前提和基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)外較為成熟的試驗手段有大落錘模擬試驗和膛壓發(fā)生器試驗。

本文就是通過對新型高能含鋁炸藥裝藥在155 mm火炮膛內(nèi)發(fā)射時響應(yīng)的主要應(yīng)力進行預(yù)估，利用大落錘試驗系統(tǒng)模擬主要的加載應(yīng)力，對新型高能壓裝含鋁炸藥在無宏觀裝藥缺陷下的安全性進行預(yù)判，為其開展實彈射擊試驗驗證提供依據(jù)。

1 影響安全性分析

通常情況下，炸藥裝藥的可見缺陷，如裝藥內(nèi)含有氣泡、裂紋、底部間隙(底隙)等是影響其發(fā)射安全性的主要因素，但新型高能含鋁炸藥采用分步壓裝工藝，可以從裝藥工藝上實現(xiàn)裝藥無宏觀缺陷，保證其安全性，可能影響其發(fā)射安全性的因素就是裝藥的密實度，分步壓裝工藝的特點使新型高能含鋁炸藥裝藥相對密可度控制在94% 以內(nèi)，另外，裝藥在長期儲存后，在環(huán)境溫度的作用下，可能影響其安全性。

因此，利用大落錘實驗系統(tǒng)，本文設(shè)計了不同密實度裝藥和裝藥在溫度循環(huán)后的模擬加載試驗來考核其安全性能。

2 膛內(nèi)發(fā)射時力學(xué)響應(yīng)計算

2.1 計算參數(shù)的選擇

對新型高能壓裝含鋁高能炸藥RL －F 在155 mm火炮膛內(nèi)發(fā)射時的力學(xué)響應(yīng)進行計算，模擬計算時炸藥采用分段線性塑性模型(MAT_ PIECEWISE_ LINEAR_ PLASTICITY)，該模型可以向程序輸入材料真實應(yīng)力及真實應(yīng)變之間的關(guān)系曲線。實際計算過程中，材料首先發(fā)生彈性變形，在材料應(yīng)力到達屈服應(yīng)力后，開始沿輸入的材料應(yīng)力等效應(yīng)變曲線硬化。炸藥的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 炸藥的材料參數(shù)

2.2 計算結(jié)果

彈丸在發(fā)射過程中主要受到火藥氣體壓力、彈帶賦予彈丸的導(dǎo)轉(zhuǎn)側(cè)力、彈丸在膛內(nèi)運動時由于不均衡因素引起的不均衡力、彈丸和火炮內(nèi)壁之間的摩擦力、旋轉(zhuǎn)離心力等作用，在計算彈丸膛內(nèi)運動過程中炸藥裝藥安全性時，主要考慮火藥氣體壓力和旋轉(zhuǎn)離心力，其它力對裝藥的安全性影響較小，在計算過程中不予考慮。

在常溫(20℃)、高溫(50℃)和低溫(－40℃)三種狀態(tài)，結(jié)合對應(yīng)的膛內(nèi)最大壓力作為輸入?yún)?shù)，對炸藥裝藥的應(yīng)力響應(yīng)進行計算。

彈底的壓力采用內(nèi)彈道的計算結(jié)果［4］，壓力載荷的變化曲線如圖1 所示，強加載彈底壓力為高溫彈底壓力的1.3 倍，最大膛壓接近480 MPa，最大彈底壓力達到430 MPa。

通過計算得到的常溫和高低溫發(fā)射環(huán)境下的響應(yīng)炸藥軸向應(yīng)力和mises 等效應(yīng)力隨時間變化曲線見圖2、圖3 和圖4。

從圖2，3，4 的計算結(jié)果可以看出，在常溫、高溫及低溫三種溫度環(huán)境條件下發(fā)射時，炸藥的軸向應(yīng)力最大值分別為159，181.1，139.1 MPa;mises 等效應(yīng)力最大值分別為55.07，62.13，48.75 MPa。

圖1 彈丸發(fā)射過程彈底壓力曲線

圖2 常溫發(fā)射時炸藥應(yīng)力響應(yīng)

圖3 高溫發(fā)射時炸藥應(yīng)力響應(yīng)

圖4 低溫發(fā)射時炸藥應(yīng)力響應(yīng)

3 落錘模擬試驗研究

3.1 大口徑火炮發(fā)射載荷分析

膛內(nèi)發(fā)射條件下，通過155 mm 的膛壓常溫全裝藥實測p-t 曲線可以看出(見圖5)，其最大加載應(yīng)力為330 MPa，載荷前沿約6 ms。

圖5 155mm 底凹彈全裝藥常溫下的膛壓(p－t)曲線

3.2 實驗裝置及模擬實驗彈

在參考國外類似研究的基礎(chǔ)上［5－6］，實驗采用自行設(shè)計的大型落錘式加載系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠模擬榴彈發(fā)射時膛內(nèi)軸向應(yīng)力狀態(tài)。利用該系統(tǒng)測得的加載應(yīng)力波形穩(wěn)定，重復(fù)性好。

實驗中落錘錘重達400 ㎏，通過調(diào)節(jié)落錘落高實現(xiàn)不同的應(yīng)力加載。

模擬裝藥采用φ40 mm ×40 mm 的藥柱裝于套桶中［6］，藥柱兩端用密封墊密封，落錘釋放后通過活塞實現(xiàn)對炸藥裝藥的應(yīng)力加載，刺激量通過調(diào)整落錘的落高來實現(xiàn)。大落錘模擬實驗裝置和模擬彈示意圖見圖6 和圖7 所示［7］。

根據(jù)對大型撞擊加載模擬裝置的設(shè)計要求，主要模擬火炮發(fā)射狀態(tài)下，炸藥裝藥的軸向加載的主要力學(xué)環(huán)境，要求加載裝置的加載應(yīng)力上升時間能夠與實際火炮發(fā)射時裝藥底部的應(yīng)力上升時間一致或者更短，這樣可以使對炸藥裝藥作用的應(yīng)力率大幅度提升。因為應(yīng)力和應(yīng)力率與炸藥的安全性成正向關(guān)系，所以這樣做可以達到強化加載的目的，使刺激的載荷較實際發(fā)射時更強，得到的試驗數(shù)據(jù)的安全裕度更高。

圖6 模擬實驗裝置示意圖

圖7 模擬彈示意圖

為達到強化加載試驗的目的，落錘加載曲線選擇2倍膛壓(660 MPa)進行模擬試驗，加載的應(yīng)力率強化1 倍(加載時間為3 ms)。圖8 為落高為600 mm 時，落錘加載P-t 曲線。

圖7 落錘加載p-t 曲線

3.3 不同密實度裝藥模擬試驗

按照圖7 的刺激載荷，對含鋁炸藥在不同相對密度裝藥，各進行了一組落錘安全性模擬試驗，試驗結(jié)果見表2。

表2 不同密度RL－F 藥柱撞擊加載實驗結(jié)果

結(jié)果顯示，隨著裝藥密度的提高，炸藥裝藥在同一加載條件下的響應(yīng)無顯著差異，且在落高為600 mm，即最大加載應(yīng)力達到2 倍火炮膛壓時，炸藥裝藥未發(fā)生點火起爆反應(yīng)，裝藥也是安全的。

3.4 裝藥經(jīng)溫度循環(huán)后的模擬試驗

為了考核炸藥裝藥在經(jīng)過溫度循環(huán)后的發(fā)射安全性，對常溫和經(jīng)高低溫循環(huán)后的炸藥裝藥，開展了大落錘實驗，實驗采用兩種裝藥密度各兩組，經(jīng)－50 ～70 ℃溫度循環(huán)7 天后，進行大落錘撞擊試驗。溫度循環(huán)后，裝藥溫度循環(huán)加載曲線如圖9 所示。

圖9 溫度循環(huán)曲線

落錘模擬試驗結(jié)果見表3。

表3 溫度循環(huán)試驗前后的大落錘試驗結(jié)果對比

通過溫度循環(huán)試驗后樣品的大落錘試驗結(jié)果與常溫試驗結(jié)果的對比可以發(fā)現(xiàn)，壓裝含鋁炸藥RL －F 在經(jīng)過高低溫循環(huán)后，其落錘模擬的安全性與常溫裝藥相比無顯著變化，且其炸藥裝藥響應(yīng)應(yīng)力在550 MPa是安全的。

4 結(jié)論

1)新型含鋁炸藥裝藥不同密度的試驗結(jié)果表明，裝藥相對密度83% ～94%可以保證其2 倍膛壓載荷的安全性要求。

2)通過溫度循環(huán)試驗后樣品的大落錘試驗結(jié)果與常溫試驗結(jié)果的對比可以發(fā)現(xiàn)，新型壓裝含鋁炸藥RL－F 在經(jīng)過高低溫循環(huán)后，其落錘模擬的安全性與常溫裝藥相比無顯著變化。

3)新型高能壓裝含鋁炸藥在無宏觀缺陷裝藥的落錘模擬試驗表明，炸藥裝藥試驗?zāi)M彈在2 倍最大膛壓的軸向應(yīng)力加載時是安全的。根據(jù)榴彈裝藥發(fā)射時的膛內(nèi)響應(yīng)計算可知，落錘加載落高600 mm 時，炸藥裝藥的響應(yīng)應(yīng)力達到574 MPa 是安全的，說明壓裝含鋁炸藥裝藥的抗載荷能力較火炮膛內(nèi)發(fā)射載荷有較大余量。

［1］芮筱亭，馮賓賓，王國平. 發(fā)射裝藥發(fā)射安全性評估方法［J］. 兵工自動化，2011，30 (5):56 －60.

［2］章冠人，陳大年. 凝聚炸藥起爆動力學(xué)［M］. 北京:國防工業(yè)出版社，1991，89 －127.

［3］田軒，王曉峰，等. 撞擊加載下炸藥晶體的破碎特征［J］. 火炸藥學(xué)報，2012:35 (01)，27 －30.

［4］張柏生，李云蛾. 火炮與火箭內(nèi)彈道理論［M］. 北京:北京理工大學(xué)出版社，1996，81 －83.

［5］Myers T F，Hershkowitz J. The effect of base gap on setbackshock sensitivities of composition B and TNT as determined by the NSWC setback－shock simulator ［C］ // Proceeding of the Seventh Symposium (International)on Detonation.Annapolis:U.S Naval Academy，1981，914 －923.

［6］Belanger C. Study of explosive shell filling with defeats in simulated gun launch Conditions ［C］ // Short J M. The Ninth Symposium (International)on Detonation.Portland:Office of the Chief Naval Research，1989，623 －640.

［7］王世英，王淑萍，胡煥性. 榴彈炸藥裝藥發(fā)射早炸的模擬實驗系統(tǒng)研究［J］. 兵工學(xué)報，2002，23 (4):541 －545.