鈍黑-5炸藥中硬脂酸質量分數對燃燒轉爆轟的影響

吳海山,王 遲

(安徽紅星機電科技股份有限公司,安徽 合肥 231135)

硬脂酸在炸藥中常被用作鈍感劑、黏合劑和潤滑劑,是一種白色、質地較硬的蠟狀材料,熔點為70 ℃,具有表面活性,可改善炸藥的包覆和鈍感,增加炸藥顆粒的自由流動性,降低炸藥感度[1]。黑索今(RDX)具有爆轟穩定、爆速高等優點,廣泛應用于彈藥裝藥、發射藥和火箭推進劑,但其機械感度較高,限制了RDX的應用[2]。將硬脂酸添加進黑索今炸藥中制備出的鈍化黑索今,其機械感度明顯降低[3]。彈藥的低易損性要求引信的爆炸序列輸出能量足夠大,同時又要求其具有抵御意外能量刺激的免疫力,所以在炸藥中要添加適當的硬脂酸以便在降低炸藥感度保證安全的基礎上保證炸藥威力。傳爆藥裝藥是爆炸序列的組成元件,起著能量傳遞和放大的作用,其受到子彈、破片和聚能射流撞擊的概率非常小,因此相關研究主要考慮熱和沖擊波對傳爆藥的影響[4]。針對鈍黑-5炸藥中硬脂酸質量分數對燃燒轉爆轟的影響,本文設計了一種傳爆裝置,以能否起爆導爆索為研究指標,分別在-43 ℃、常溫和50 ℃條件下進行了傳爆試驗,研究結果可為燃燒轉爆轟的可靠性研究提供一定的參考價值。

1 試驗裝置

1.1 試驗裝置設計

本文設計了一種試驗裝置,由點火裝置、傳爆裝置、導爆索和爆管等組成,如圖1所示。

圖1 試驗裝置

傳爆裝置主要由點火體、硼/硝酸鉀點火藥、管殼、鈍黑-5炸藥和擴爆管組成,如圖2所示。

圖2 傳爆裝置結構圖(單位:mm)

導爆索主要由鈍黑-5炸藥和鋁殼組成,導爆索全長115 mm,外徑5.3 mm,如圖3所示。

圖3 導爆索結構圖(單位:mm)

傳爆裝置及導爆索工作原理:在點火壓力的作用下,硼/硝酸鉀點火藥被引燃,產生高溫高壓氣體點燃鈍黑-5炸藥。炸藥在約束條件下燃燒,隨著炸藥燃燒速度的增加,氣體壓力迅速增大,燃燒轉爆轟過程可分為慢速燃燒、快速燃燒、沖擊波形成、低速爆轟轉快速或穩定爆轟4個階段。當達到某一臨界值時,形成的爆轟起爆擴爆管,通過擴爆管的輸出起爆導爆索。

1.2 鈍黑-5炸藥

鈍黑-5炸藥技術要求如下。

爆速:(8 233±32)m/s,密度:1.625 g/cm3,威力:144%(TNT當量),猛度:141%(TNT當量),沖擊感度:34%,摩擦感度:14%,5 s延遲期爆發點:373 ℃。試驗中主要試制了A、B 2批次的炸藥,2批炸藥合格證中各成分質量分數w及部分理化數據如表1所示,表中,ρ為炸藥密度。

表1 2批次炸藥參數對比

由表1可以看出A批和B批炸藥硬脂酸質量分數和炸藥密度有明顯差別。為了排除炸藥密度對試驗結果的干擾,采用不同質量分數硬脂酸對應不同密度的鈍黑-5炸藥,每組裝配20發傳爆裝置,用起爆導爆索作為輸出考核進行試驗,綜合試驗結果如表2所示,表中w2為硬脂酸的質量分數,n為裝配的傳爆裝置數。

表2 綜合試驗結果

綜合試驗和分析結果:當鈍黑-5炸藥硬脂酸質量分數較低時(1.0%～1.3%),不論炸藥密度高于1.14 g/cm3或低于1.04 g/cm3,均未造成傳爆裝置作用不可靠;反之,當硬脂酸質量分數偏上限(1.3%～1.5%)時,無論堆積密度高或低,均會造成傳爆裝置作用不可靠。由此可認為堆積密度不是造成傳爆裝置失效的原因,所以本文主要研究硬脂酸質量分數對傳爆裝置燃燒轉爆轟輸出威力的影響。

根據GJB5455—2005《鈍黑-5炸藥規范》規定,鈍黑-5炸藥中硬脂酸的質量分數為 1.0%～1.5%。鈍黑-5炸藥中的硬脂酸作為惰性介質,其質量分數的大小直接影響炸藥的感度,硬脂酸質量分數低則炸藥感度表現越低,硬脂酸質量分數高則炸藥感度表現越高[5-6]。

為了研究不同硬脂酸質量分數對傳爆裝置燃燒轉爆轟后輸出威力的影響,分別使用硬脂酸質量分數為1.0%～1.2%,1.2%～1.4%,1.4%～1.5%的鈍黑-5炸藥,以45#鋼作為管殼材料,壓藥壓力為20.1～27.0 MPa,在(-43±2)℃和(50±2)℃條件下,對傳爆裝置燃燒轉爆轟的輸出威力進行了試驗研究。

1.3 試驗設備

試驗中所使用的高溫箱和低溫箱設備如表3所示。

表3 試驗設備名稱及型號

2 試驗設計

試驗內容主要包括:低溫貯存(-43 ℃),低溫貯存后威力輸出試驗;高溫貯存(50 ℃),高溫貯存后威力輸出試驗;常溫威力輸出試驗。

①低溫貯存。將傳爆裝置輸入端與點火裝置合裝(點火裝置內裝一個電點火頭和(100±5) mg HY-5黑火藥),輸出端旋上爆管接頭和爆管殼,爆管接頭銑扁端與導爆索連接,將導爆索放入到爆管殼內,用螺塞旋將其旋緊(螺紋連接處及點火裝置引線出口孔均涂硅橡膠密封),放置在溫度為(-43±2)℃的低溫箱中,連續保溫24 h。

②低溫貯存后威力輸出試驗。將低溫工作后的傳爆裝置取出,用智能爆速測量儀引燃電點火藥頭,點燃HY-5黑火藥,最后引燃擴爆裝置,傳爆裝置以燃燒轉爆轟的方式起爆擴爆管,再由擴爆管輸出起爆導爆索,觀察導爆索是否爆炸完全。

③高溫貯存。按低溫工作的操作方法進行傳爆裝置的組裝,將其放置在溫度為(50±2)℃的高溫箱中,連續保溫24 h。

④高溫貯存后威力輸出試驗。將高溫工作后的傳爆裝置取出,其余步驟與低溫威力試驗相同。

⑤常溫威力輸出試驗。常溫下進行試驗,步驟與低溫工作威力輸出試驗相同。

判定標準:傳爆裝置在各種溫度下貯存均不允許其發火裝置和結構裝置損壞,貯存后威力輸出試驗合格指標是導爆索100%爆炸完全。

2.1 硬脂酸質量分數偏高對傳爆的影響

導爆索內鈍黑-5炸藥配比為黑索今98.75%,硬脂酸1.25%。炸藥裝藥密度約為1.72 g/cm3。硬脂酸主要起鈍感作用,不直接參與爆轟反應[7]。

為了驗證硬脂酸質量分數偏上限是造成傳爆裝置失效的主要原因,用A批次鈍黑-5炸藥(實測硬脂酸質量分數為1.4%～1.5%),裝配了60發傳爆裝置產品進行了試驗,試驗結果如表4所示。

表4 硬脂酸質量分數為1.4%～1.5%時的試驗結果

由表4可知,當硬脂酸質量分數為1.4%～1.5%時,傳爆裝置均存在不可靠作用,其中在低溫(-43 ℃)的條件下,傳爆裝置的可靠性明顯降低。傳爆裝置起爆導爆索失效狀況如圖4所示,失效導爆索如圖5所示。

圖4 傳爆裝置起爆導爆索失效

圖5 失效導爆索

由圖5可知,爆管殼和導爆索起爆端均呈現出撕開喇叭口形狀,第1發(從左至右)失效導爆索內炸藥端面距離爆管殼口部長度約12 mm,第2發約為15 mm,第3發約為10 mm;第4發失效導爆索內已沒有炸藥,中間脹開,失效的傳爆裝置已炸碎,導爆索未被完全起爆,表明傳爆裝置輸出威力不足。

傳爆裝置輸出威力不足的故障機理是,由于鈍黑-5炸藥硬脂酸質量分數偏上限,其燃燒性能下降,使炸藥燃燒速度降低。相關研究表明,炸藥燃燒轉爆轟過程中先后形成壓縮波、燃燒波、沖擊波和爆轟波。對于硬脂酸質量分數較高的鈍黑-5炸藥,因為燃燒速度降低,傳爆裝置中炸藥燃燒時生成的壓縮波壓力和燃燒波壓力也隨之降低,會使炸藥燃燒后形成爆轟的位置后移,有的在裝藥末端可能只形成沖擊波,而不能形成爆轟波,不能可靠起爆擴爆管,造成傳爆裝置輸出威力不足,不能可靠起爆導爆索[8]。

2.2 降低硬脂酸質量分數對傳爆的影響

分別采用硬脂酸質量分數為1.0%～1.2%和1.2%～1.4%的鈍黑-5炸藥,各裝配84發傳爆裝置產品進行了驗證試驗,試驗結果如表5、表6所示。

表5 硬脂酸質量分數在1.0%～1.2%的試驗結果

表6 硬脂酸質量分數在1.2%～1.4%的試驗結果

試驗結果表明,當鈍黑-5炸藥中硬脂酸質量分數在1.0%～1.2%時,傳爆裝置能夠可靠傳爆,硬脂酸質量分數在此質量分數范圍內燃燒轉爆轟輸出威力最佳。炸藥中硬脂酸質量分數大于1.2%會造成燃燒性能下降,炸藥燃燒速度降低,在裝藥末端只形成沖擊波,不能形成有效爆轟波,造成傳爆裝置輸出威力不足,不能完全起爆導爆索。

將裝有不同硬脂酸質量分數的傳爆裝置裝配到某型煙幕彈進行射擊試驗,每組煙幕彈10發,常溫條件下進行射擊,煙幕彈失效數量統計如圖6所示,圖中,n1為煙幕彈失效數。

由圖6可知,鈍黑-5炸藥中硬脂酸質量分數在1.0%～1.5% 范圍內,當硬脂酸質量分數較低(1.0%～1.2%)時,導爆索均能完全起爆,煙幕彈正常形成遮蔽;當硬脂酸質量分數偏上限(1.43%～1.44%)時,傳爆裝置出現多發不能正常起爆導爆索,導致煙幕彈未正常形成煙幕遮蔽。

圖6 煙幕彈失效數量統計

3 驗證試驗

采用B批次炸藥硬脂酸質量分數在1.0%～1.2%的傳爆裝置裝配40發某型煙幕彈,進行了高、低溫48 h貯存后各20發動態試驗,40發煙幕彈全部作用正常,試驗結果見表7。

表7 B批次炸藥裝配煙幕彈試驗結果

4 結論

本文設計了一種傳爆裝置試驗,對硬脂酸質量分數偏上限(1.4%～1.5%)的鈍黑-5炸藥裝配了60發傳爆裝置進行試驗,對低硬脂酸質量分數(1.0%～1.2%)的鈍黑-5炸藥裝配84發傳爆裝置以及硬脂酸質量分數在1.2%～1.4%裝配84發傳爆裝置,分組進行了試驗。

試驗結果表明:

①硬脂酸質量分數偏上限(1.4%～1.5%)會造成傳爆裝置輸出威力嚴重不可靠;

②當硬脂酸質量分數在1.0%～1.2%時,傳爆裝置能夠可靠傳爆,硬脂酸質量分數在此范圍內燃燒轉爆轟輸出威力最佳。

③硬脂酸質量分數在1.2%～1.4%范圍內,當硬脂酸質量分數大于1.2%時其燃燒轉爆轟的輸出威力隨著硬脂酸質量分數的增加而降低,直至不能進行有效傳爆。