圓柱薄殼裝藥破片沖擊毀傷實驗*

王　輝,胡　賽,尹　航,徐豫新

(1　北方華安工業(yè)集團有限公司,黑龍江齊齊哈爾　161046;

2　北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室,北京　100081)

圓柱薄殼裝藥破片沖擊毀傷實驗*

王輝1,胡賽2,尹航1,徐豫新2

(1北方華安工業(yè)集團有限公司,黑龍江齊齊哈爾161046;

2北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室,北京100081)

摘要:研究單個破片沖擊下圓柱薄殼裝藥的毀傷效應。采用12.7 mm彈道槍、通靶測速儀和高速攝影機組成實驗系統(tǒng),進行1.0～1.7 km/s速度范圍內球形和圓柱形鋼、鎢合金破片對圓柱薄殼裝藥靶標的沖擊實驗,通過高速攝影捕捉裝藥受沖擊瞬間的物理現象;對試驗后未發(fā)生反應炸藥進行掃描電鏡(SEM)觀察。據此,分析不同破片沖擊下圓柱薄殼裝藥的毀傷效應,確立了不同破片沖擊下圓柱薄殼裝藥的毀傷模式。

關鍵詞:爆炸力學;沖擊引爆;帶殼裝藥;破片

0引言

破片對帶殼裝藥的沖擊起爆是彈藥易損性分析的重要內容之一,長期以來相關研究十分活躍。20世紀60年代皮克汀尼兵工廠[1]最先根據實驗擬合了工程計算公式,70年代Rosland與Jacobs[2-3]通過試驗擬合了射彈引爆帶殼炸藥的Jacobs-Roslund公式;同一時期,Frey[4]發(fā)現帶殼裝藥的起爆閾值可能低于基于沖擊理論計算的預期,并依此提出帶殼裝藥剪切起爆理論;80年代,Howe[5]通過實驗推測帶殼裝藥的反應可由殼體形成的塞塊侵入引起;Cook[6]通過厚殼裝藥沖擊起爆的實驗驗證了Frey的理論。針對帶殼裝藥沖擊起爆的已有研究大多基于平面裝藥進行,此外,就薄殼裝藥的沖擊反應實驗國內外鮮有報道。文中就覆蓋3 mm厚35CrMnSi鋼殼的圓柱注裝Comp.B炸藥,通過彈道槍拋撒速度在1.0～1.7 km/s之間的不同種類破片進行沖擊試驗,通過高速攝像捕獲不同沖擊條件下裝藥瞬間反應特性;同時,進行受損炸藥掃描電鏡(SEM)細觀觀察,分析高速破片對圓柱狀薄殼裝藥的毀傷效應。

1實驗系統(tǒng)及測試方法

破片高速沖擊圓柱薄殼裝藥實驗系統(tǒng)如圖1所示。實驗采用12.7 mm彈道槍進行破片加載,通過改變發(fā)射藥量調整破片的拋射速度在1.0～1.7 km/s之間。破片裝載于扣合的四瓣彈托錐形孔中,如圖2所示。在槍口正前方6 m處豎立靶架,在靶架上與槍口等高位置處懸掛圓柱狀薄殼裝藥靶標,靶標正前方1 m處豎立通靶測速系統(tǒng),靶標側面10 m外架設高速攝影機(型號:FASTCAM SA4),拍攝頻率為5 000 fps。

圖1　實驗系統(tǒng)示意圖

圖2　破片及彈托

設計裝藥靶標由殼體、驗證板、端蓋和裝藥組成。殼體主體為橋拱形,長為80 mm,高為20 mm,厚為3 mm,曲率半徑為40 mm,材料為無熱處理的35CrMnSi;殼體下為驗證板,驗證板主體為一平板,長為100 mm,寬為90 mm,厚4 mm,材料為45#鋼;殼體兩端為端蓋,端蓋主體同樣為一平板,長為90 mm,寬為30 mm,材料為無熱處理的2A12-T4鋁合金;殼體、驗證板和端蓋通過螺栓連接形成一封閉的空間內填充炸藥,炸藥選用沖擊感度較低的Comp.B(RDX/TNT=60/40),裝填方式為注裝,實測裝藥密度為1.68

g/cm3。選擇四種不同材料、結構的破片進行高速撞擊實驗,破片的特征參量列于表1中。

圖3　靶標結構示意圖

序號破片形狀破片材料破片尺寸/mm破片質量/g1圓柱形45#鋼ΦΦ5.6×7.81.52圓柱形93WΦ5.7×6.83.03球形GCr15鋼(軸承鋼)Φ9.03.04球形93WΦ7.03.1

2實驗結果

進行不同破片高速沖擊靶標實驗,每一種類破片共射擊10發(fā),總共實驗40發(fā),部分實驗結果列于表2中。選取沖擊后的受損炸藥進行SEM觀察,結果列于表3中,可看出:有限的撞擊速度仍能使初始炸藥反應產生熔融狀顆粒。

表2　部分實驗結果

表2(續(xù))

表3　典型受損裝藥SEM觀察結果

3討論

對于圓柱薄殼裝藥,根據高速攝影結果、回收厚襯紙及驗證板形態(tài)經分析可知:因裝藥量少,裝藥反應很難成長為完全爆轟;在這種裝藥條件下,破片以較高速度沖擊下,裝藥發(fā)生劇烈爆燃反應,火光四濺,并伴有大量黑煙;破片沖擊速度較低,裝藥仍發(fā)生強烈燃燒反應,火光微弱,并伴有大量青煙。根據文獻[7-8]提供的經驗公式如式(1)、式(2)。

(1)

式中:vcr為侵徹體沖擊引爆帶殼炸藥閾值速度(km/s);k為考慮侵徹體頭部形狀的系數,平頭時取0.45,圓頭時取0.80;Icr為裸裝炸藥的沖擊引爆臨界條件,針對實際實驗所選用的Comp.B炸藥,取23 mm3/μs2;d為侵徹體直徑(mm);T為炸藥殼體厚度(mm);ρe為被發(fā)炸藥密度(g/cm3);ρp為侵徹體密度(g/cm3);α、β為考慮侵徹體材料及殼體厚度的經驗參數,針對鋼制侵徹體和殼體,α取值為2.31,β取值為0.23。

(2)

式中:vW為鎢制材料引爆裝藥的速度閾值(m/s);vSteel為鋼制材料引爆裝藥的速度閾值(m/s)。計算上述4種破片引爆覆蓋3 mm厚鋼板Comp.B炸藥所需的速度閾值列于表4中。可看出實驗過程中引發(fā)裝藥劇烈反應的著靶速度遠遠小于計算出的速度閾值,足以表明:在實驗的撞擊速度范圍內,破片貫穿殼體后所產生的機械效應乃是引發(fā)圓柱狀薄殼裝藥快速反應的主控機制,破片沖擊速度越高,產生的剪切效應越明顯,爆燃成長為爆轟的概率越大,當破片沖擊速度達到某一閾值時,前導沖擊波先于塞塊到達裝藥,并產生足夠大沖擊脈沖能量也可引發(fā)裝藥劇烈反應,且裝藥反應多呈現爆轟特性,此時沖擊波效應是引發(fā)裝藥劇烈反應的主控機制。

表4　破片沖擊引爆閾值速度

實驗后,對受損裝藥的SEM觀察結果表明:機械作用下,侵徹孔周圍是炸藥反應的起始位置,沖擊產生的高溫已使炸藥熔化成液態(tài),且不同撞擊位置處,裝藥約束條件和裝藥厚度不盡相同;因此,爆燃成長為更為劇烈爆轟,或無法自持以致熄爆都可能發(fā)生,無論哪種情況瞬間爆燃在殼體內產生的大量產物都將對周圍炸藥內部產生強烈沖擊作用,若起始剪切能量有限,化學反應雖可發(fā)生,但自持或增長速度較慢,于是沖擊波先于化學反應達到未反應區(qū),未反應炸藥在沖擊壓縮作用下微缺陷成長、擴展成裂紋,發(fā)生嚴重破壞;同時,由于自由界面發(fā)射拉伸波驅動已裂開炸藥沿殼體空隙以及破裂處噴濺而出,以致反過來影響爆燃或局部爆轟反應的進行。綜上所述,破片沖擊下圓柱薄殼裝藥的毀傷模式如下:

1)機械穿孔:破片沖擊后殼體發(fā)生機械性穿孔破壞,炸藥在沖擊作用下破碎、噴濺,未發(fā)生任何化學反應;

2)爆燃或局部爆轟:破片沖擊和貫穿殼體過程中,炸藥發(fā)生快速化學反應,在外界條件影響下,化學反應無法有效自持,最終熄爆,整個過程伴隨炸藥整體破碎,碎塊與粉末向外噴濺而出;

3)爆轟:破片沖擊裝藥瞬間,炸藥發(fā)生劇烈化學反應并可不受外界干擾維持爆轟波陣面的有效傳播。

4結論

1)破片沖擊毀傷圓柱薄殼裝藥沖擊波與機械效應中,哪種是引發(fā)裝藥發(fā)生化學反應的主控機制與彈靶作用系統(tǒng)具有相關性,撞擊體高速沖擊下,沖擊波效應較為顯著,低速沖擊下,則以機械效應為主;

2)破片沖擊毀傷圓柱薄殼裝藥爆燃或局部爆轟過程中,裝藥快速化學反應同時伴隨炸藥整體破碎,同樣可起到有效毀傷裝藥的目的,且相對裝藥完全爆轟,有效減少殼體破碎程度,降低附帶毀傷,應為特殊環(huán)境中高效毀傷帶殼裝藥的有效方法之一。

參考文獻:

[1]Z Roberson, C Crowe. Engineering fluid mechanics [C]∥ 2nd ed. Houghton-Miff-lin, New York, 1965.

[2]L A Roslund, J M Watt, N L Coleburn. Initiation of warhead explosives by the impact of controlled fragrnenes in normal impact, White Oak, NOLTR73-124 [R]. 1973.

[3]S J Jacobs. The basis or a warhead design (R). Naval Ordnance Laboratory Informal Memorandum, Silver Spring, MD, 1979.

[4]Frey R, Trimble J, Howe P, et al. Initiation of explosive charges by projectile impact, Ballistic Res Lab, Rept ARBRL-TR-02176 [R]. 1979.

[5]Howe P M. On the role of shock and shear mechanism in the initiation of detonation by fragment impact [C]∥ Proc Eighth Int Syrup Detonation, 1985: 1150-1159.

[6]Cook M D, Haskins P J, James H R. Projectile impact initiation of explosive charges [C]∥ Proc Ninth Int Symp on Detonation, 1989: 1441-1450.

[7]方青, 衛(wèi)玉章, 張克明, 等. 射彈撞擊帶厚蓋板炸藥引發(fā)爆轟的機制 [J]. 彈道學報, 1997, 9(1): 12-16.

[8]傅華, 譚多望, 李濤, 等. 鎢射彈引爆帶蓋板炸藥閾值工程計算方法 [J]. 含能材料, 2008, 16(1): 100-102.

收稿日期:2014-05-16

作者簡介:王輝(1980-),男,河北唐山人,工程師,研究方向:大口徑殺傷爆破彈。

中圖分類號:O383.2；TJ413.2

文獻標志碼:A

Damage Experimention on Fragment Impact Cylindrical
Charge with Thin Shell

WANG Hui1,HU Sai2,YIN Hang1,XU Yuxin2

(1North Huaan Industries Group Co. Ltd, Heilongjiang Qiqihar 161046, China;

2State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Abstract:Damage effect of cylindrical charge with thin shell under impact of a single fragment was researched. 12.7 mm ballistic gun, pass target speedometer and high speed camera were used for forming experiment system. Spherical and cylindrical, steel and tungsten alloy fragments whose velocities ranging from 1.0 km/s to1.7 km/s were used to impact cylindrical charge with thin shell target. Physical phenomena of the charge by impacting moment were captured through high-speed camera. The explosive which did not react in the experiment was observated by scanning electron microscopy (SEM). Accordingly, by analyzing damage effect of cylindrical charge with thin shell under impact of different fragments, the damage patterns of cylindrical shell charge under impact of different fragments were established.

Keywords:explosion mechanics; shock initiation; shelled charge; fragments