聚能射流沖擊起爆屏蔽壓裝PBX炸藥的試驗研究

宋乙丹，陳科全，路中華，陳 翔，陳紅霞，李興隆

(1.中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621900；2.中國工程物理研究院安全彈藥研發(fā)中心，四川 綿陽 621900)

引 言

為改善武器彈藥的安全性，自20世紀80年代以來，歐美國家先后實施并大力推行鈍感彈藥(IM)計劃，取得了豐碩的成果，各類彈藥在貯存、運輸、勤務(wù)、使用和意外刺激下的安全性得到大幅提升。

美軍標MIL-STD-2015D[1]規(guī)定了彈藥的基本安全性試驗、鈍感彈藥試驗和附加安全性試驗要求。其中鈍感彈藥試驗包含快速烤燃、慢速烤燃、子彈撞擊、破片撞擊、射流沖擊及殉爆6項。據(jù)北約安全信息分析中心(MASIAC)統(tǒng)計[2]，截止到2016年，少數(shù)鉆地彈、絕大部分炸彈、聚能彈頭、反艦彈頭、水中兵器等的射流試驗均存在安全性問題。射流沖擊試驗是6項鈍感彈藥試驗中條件相對苛刻的，這主要是由于聚能射流能量密度高、方向性強、局部破壞能力大，可瞬間侵徹彈藥殼體并起爆炸藥，使得彈藥的戰(zhàn)場生存環(huán)境更加惡劣，因此研究聚能射流對彈藥的沖擊起爆問題是發(fā)展鈍感彈藥必不可少的組成部分。

射流安全性試驗是用于模擬彈藥在貯運和戰(zhàn)備狀態(tài)下受到聚能射流沖擊威脅時的反應(yīng)程度。射流引爆炸藥的過程非常復(fù)雜，涉及到炸藥爆炸、射流形成與侵徹、沖擊波傳播以及凝聚炸藥起爆等復(fù)雜過程，國內(nèi)外學(xué)者對于射流起爆炸藥的機理進行了大量研究。Held[3-4]在大量試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了射流引爆裸露或覆蓋較薄蓋板炸藥的臨界條件；Chick等[5-6]研究了射流引爆帶覆蓋板炸藥的機理和感度，提出了射流引爆炸藥的先驅(qū)波控制理論；Arnold等[7-8]對裸裝炸藥的撞擊起爆和侵徹起爆兩種模型進行了研究，發(fā)現(xiàn)侵徹起爆的延遲起爆距離遠大于撞擊起爆過程。

在射流對武器彈藥的沖擊試驗中，常將帶殼炸藥簡化為射流起爆屏蔽炸藥的情況，國內(nèi)外學(xué)者在射流起爆屏蔽炸藥方面開展了大量的試驗研究。Held[9]對射流起爆帶有空氣間隙的帶覆蓋板炸藥的機理進行了試驗研究；朱鶴榮等[10]對于射流引爆薄鋼板覆蓋炸藥的臨界條件進行了實驗測定和分析，并對v2d判據(jù)進行了驗證；周濤等[11]對屏蔽PBX和B炸藥的射流起爆臨界閾值進行了試驗研究；劉華寧等[12-13]通過隔板試驗對新型鈍感炸藥ANPyO的射流沖擊感度進行了試驗研究，并對帶不同殼體炸藥的射流引爆規(guī)律進行了詳細探討；王利俠等[14]通過對聚能射流引爆帶殼澆注PBX炸藥的研究，分析了鋼板厚度對射流起爆澆注PBX的響應(yīng)特性。

本研究選用某制式聚能裝藥，通過“多層覆蓋板+炸藥柱”的形式，對兩種典型PBX-1和PBX-2壓裝PBX炸藥的射流沖擊起爆規(guī)律進行研究，以期得到射流引爆上述兩種PBX炸藥的臨界覆蓋板厚度，為未來鈍感彈藥面對射流刺激環(huán)境的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗裝置

依據(jù)GJB/J 5459-2005《炸藥射流感度標準物質(zhì)規(guī)范》第4.4.6節(jié)射流感度值的測試方法，確定了聚能射流沖擊起爆炸藥的主要試驗參數(shù)、試驗步驟、試驗布局以及響應(yīng)程度的判定等。圖1為炸藥射流引爆臨界蓋板厚度測定試驗裝置示意圖。

覆蓋板采用直徑為Ф150mm，厚度分別為100、20、10、5mm的45#均質(zhì)圓鋼錠，其中炸藥柱試件與覆蓋板和底見證板緊密接觸；見證板為Ф150mm×50mm的45#均質(zhì)圓鋼錠；被試炸藥為Ф50mm×50mm的PBX-1和PBX-2兩種圓柱形藥柱。在藥柱尺寸不變的情況下(藥柱按長度方向?qū)R疊放組成)，改變覆蓋板的厚度就可以改變射流作用在被試炸藥上的刺激強度。測定能引起被試炸藥裝藥產(chǎn)生50%爆炸時覆蓋板厚度，用以表示被試炸藥裝藥的射流引爆感度值，因而得到屏蔽PBX-1炸藥和PBX-2炸藥的臨界起爆覆蓋板厚度，即可得到兩種壓裝PBX炸藥的射流引爆感度值。

圖1 測定臨界蓋板厚度的試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device for measuring critical cover plate thickness

1.2 聚能射流源

采用Ф80mm某制式破甲彈用射流源，藥型罩材料為紫銅。主炸藥為壓裝8701炸藥，擴爆藥為Ф30mm×12.5mm的JH-14。為檢驗標準空心裝藥產(chǎn)生的射流穩(wěn)定性，對該射流源進行穿深試驗，獲得其動態(tài)破甲深度偏差為±10%，定型產(chǎn)品的制式炸高為2倍裝藥口徑。因此，在相關(guān)研究過程中，采用該射流源的制式炸高為150mm。

1.3 覆蓋板厚度調(diào)節(jié)方法

根據(jù)GJB/377A-1994，采用“蘭利法”調(diào)節(jié)覆蓋鋼板的厚度。首先根據(jù)經(jīng)驗，取臨界覆蓋板厚度下限XL和上限XU。必須確保覆蓋板厚度為XL時炸藥全被射流引爆，反之覆蓋板厚度大于XU時炸藥不被引爆。試驗后回收見證板，若見證板上出現(xiàn)明顯凹痕，則認為被試炸藥發(fā)生了爆轟，若無明顯凹痕，則認為被試炸藥未發(fā)生爆轟。

選擇X1厚度的初始覆蓋板作為第一次試探，記錄X1和響應(yīng)數(shù)V1，X1的公式為：

X1=0.5(XL+XU)

(1)

用覆蓋板厚度Xi(i=1,2，……，)完成第i次試探并記錄Vi后，首先觀察是否已經(jīng)滿足試驗終止準則。如不滿足，做第i+1次試探。Xi+1的公式為：

(2)

1.4 試驗步驟

試驗過程中，通過改變覆蓋板的厚度來調(diào)節(jié)射流源的出口能量值。具體做法是任選一個初始覆蓋板厚度Xa，若試驗后底見證板出現(xiàn)明顯凹痕，則認為被試藥柱發(fā)生了爆轟反應(yīng)；將覆蓋板厚度增至Xb再次進行試驗，直至被試藥柱不發(fā)生爆轟反應(yīng)，得到被試藥柱爆與不爆的覆蓋板厚度區(qū)間(Xa，Xb)。然后運用“蘭利法”選取下一發(fā)試驗覆蓋板厚度，依次類推，直至找到被試藥柱的臨界隔板厚度。

具體試驗步驟以PBX-1為例進行說明：以正常起爆0mm和上線100mm厚度的覆蓋鋼板開始試驗，依次選取厚度(δ)為50、30、40、35mm的覆蓋板進行試驗。當(dāng)覆蓋板厚度為50mm時，PBX-1炸藥未發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)選用30mm覆蓋板進行試驗時，PBX-1炸藥發(fā)生爆轟，因此再次選取30mm≤δ≤50mm的覆蓋板進行試驗，δ=40mm時PBX-1炸藥未發(fā)生反應(yīng)，δ=35mm時PBX-1炸藥發(fā)生爆轟反應(yīng)，因此可以將PBX-1炸藥的射流起爆臨界覆蓋板厚度區(qū)間確定為(35,40)。

2 結(jié)果及分析

2.1 射流引爆PBX-1和PBX-2炸藥的臨界覆蓋板厚度分析

分別對兩種壓裝PBX炸藥PBX-1和PBX-2各進行7發(fā)試驗，試驗原理為射流穿過一定厚度覆蓋板與被試炸藥柱相撞，被試炸藥柱受到前驅(qū)波及剩余射流的雙重作用，被試炸藥柱是否被引爆可以通過底見證板的沖塞與凹陷情況以及現(xiàn)場爆炸反應(yīng)印痕來判斷。

針對PBX-1和PBX-2兩種炸藥，按照圖1試驗裝置，獲得了射流引起被試炸藥裝藥產(chǎn)生50%爆炸時的覆蓋板厚度。

圖2和圖3分別給出了PBX-1和PBX-2兩種炸藥在射流撞擊后底見證板的破壞情況。由圖2和圖3可以看出，聚能裝藥產(chǎn)生的射流侵徹引爆屏蔽PBX-1炸藥時，若覆蓋板的厚度大于或等于40mm，射流穿過覆蓋板后的剩余能量不足以引爆屏蔽PBX-1炸藥，只有穿孔而無劇烈反應(yīng)；若小于或等于35mm，能夠引爆PBX-1炸藥，底見證板上有明顯的爆炸痕跡。用聚能裝藥產(chǎn)生的射流侵徹引爆屏蔽PBX-2炸藥時，若覆蓋板厚度大于或等于150mm，不能引爆屏蔽PBX-2炸藥；若小于或等于140mm，則能引爆PBX-2炸藥。由此可以得出，PBX-1炸藥的臨界覆蓋板厚度為35～40mm，PBX-2炸藥的臨界覆蓋板厚度為140～150mm。

圖2 射流侵徹起爆PBX-1炸藥后底見證板的試驗結(jié)果Fig.2 Experimental results of witness target after penetrating and initiating the PBX-1 explosive by jet

圖3 射流侵徹起爆PBX-2炸藥后底見證板的試驗結(jié)果Fig.3 Experimental results of witeness target after penetrating and initiating the PBX-2 explosive by jet

2.2 射流侵徹炸藥過程分析

根據(jù)聚能射流對屏蔽炸藥的起爆形式和特點，對射流侵徹炸藥的過程進行分析。

對于聚能射流引爆覆蓋隔板的炸藥，隔板厚度不同，射流侵徹起爆炸藥的過程也不同。此時，射流一方面侵徹隔板，另一方面在隔板中產(chǎn)生先驅(qū)沖擊波(該沖擊波先于射流到達炸藥表面)。當(dāng)隔板較薄時，產(chǎn)生的先驅(qū)波能量足夠強，炸藥在射流未到達時已被先驅(qū)波起爆。隨著隔板厚度的增加，射流撞擊隔板產(chǎn)生的沖擊波能量減弱而不足以起爆炸藥，此時先驅(qū)波對炸藥有一個預(yù)壓縮作用，使炸藥變得鈍感。隔板厚度越大，射流侵徹速度越小，進入炸藥的前驅(qū)波強度越弱，起爆的深入距離和延遲時間增大；當(dāng)隔板厚度大于臨界板厚度時，前驅(qū)波將不能引爆炸藥，炸藥只會產(chǎn)生局部的慢反應(yīng)或射流的侵徹使藥柱發(fā)生破壞。

圖4給出了PBX-1和PBX-2兩種炸藥在射流撞擊后的引爆結(jié)果對比圖。

圖4 射流引爆PBX-1和PBX-2兩種炸藥的實驗結(jié)果對比Fig.4 Comparison of the experimental results of initiating two kinds of explosives PBX-1 and PBX-2 by jet

由圖4可以看出，PBX-2炸藥在射流起爆能量v2d值約為60mm3/μs2已發(fā)生反應(yīng)，而PBX-1炸藥發(fā)生反應(yīng)所需能量值高達185mm3/μs2，由此可以看出PBX-1炸藥所需的射流起爆能量值顯著高于PBX-2炸藥；同時由于PBX-1炸藥的臨界覆蓋板厚度僅為35～40mm，PBX-2炸藥的臨界覆蓋板厚度則為140～150mm，說明要想保證PBX-2炸藥不發(fā)生爆轟反應(yīng)，所需的覆蓋板厚度遠高于PBX-1炸藥。由前述兩方面可知，PBX-2炸藥對射流沖擊起爆更為敏感，即PBX-1炸藥面臨射流刺激時的安全性顯著優(yōu)于PBX-2炸藥。

3 結(jié) 論

(1)選用直徑Ф80mm某制式破甲彈對不同厚度覆蓋板屏蔽下的典型壓裝PBX-1和PBX-2兩種炸藥的射流起爆臨界條件進行了試驗研究，得到了PBX-1和PBX-2兩種炸藥的臨界覆蓋板厚度分別為35～40mm和 140～150mm。

(2)通過對射流引爆PBX-1和PBX-2兩種炸藥的結(jié)果相比，可以得出PBX-1炸藥所需的射流起爆能量值顯著高于PBX-2炸藥；要保證PBX-2炸藥不發(fā)生爆轟反應(yīng)，所需的覆蓋板厚度遠高于PBX-1炸藥。因此PBX-1炸藥的射流安全性顯著優(yōu)于PBX-2炸藥。