高速破片撞擊下帶殼裝藥響應(yīng)及防護(hù)的試驗(yàn)研究

屈可朋，趙志江，沈 飛，王 輝，肖 瑋，李亮亮，張 帆

(1.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2.陸軍裝備部航空軍代局，北京 100036)

引 言

近年來，隨著武器彈藥使用環(huán)境的日益苛刻和高價(jià)值武器彈藥在戰(zhàn)場(chǎng)上的大量應(yīng)用，對(duì)武器彈藥在戰(zhàn)場(chǎng)上生存能力的要求越來越高，武器彈藥在意外刺激下的不敏感性已引起各國(guó)武器彈藥研制人員的廣泛關(guān)注[1]。美國(guó)、北約相繼建立了彈藥不敏感性測(cè)試項(xiàng)目和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[2-3]，其中破片撞擊實(shí)驗(yàn)是相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的重要考核項(xiàng)目之一，其涉及應(yīng)力波傳播與衰減、武器彈藥殼體破壞模式以及炸藥裝藥點(diǎn)火機(jī)理等多學(xué)科問題，破片撞擊條件下彈藥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、裝藥點(diǎn)火機(jī)理及點(diǎn)火增長(zhǎng)抑制技術(shù)已成為研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于破片撞擊帶殼裝藥已開展了大量研究，主要集中在破片沖擊帶殼裝藥的起爆判據(jù)[4-5]、臨界起爆速度[6]、殼體材料[7]、破片形狀[8]、撞擊角度[9]及溫度效應(yīng)[10]等方面，能夠用于指導(dǎo)相關(guān)炸藥的不敏感性設(shè)計(jì)以及防空反導(dǎo)殺傷戰(zhàn)斗部研制，但對(duì)于MIL-STD-2015D《非核彈藥危險(xiǎn)性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)破片(18.6g)撞擊下帶殼裝藥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的研究卻鮮有報(bào)道。因此，深入開展帶殼裝藥在標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及防護(hù)技術(shù)研究，對(duì)于開展不敏感彈藥設(shè)計(jì)具有重要意義。

本研究以25mm口徑滑膛炮為加載裝置，采用18.6g標(biāo)準(zhǔn)破片，在(1830±30)m/s速度下對(duì)帶殼裝藥進(jìn)行了高速撞擊實(shí)驗(yàn)，獲取了帶殼裝藥的反應(yīng)情況，揭示了標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊不同厚度護(hù)板后的形態(tài)及對(duì)裝藥點(diǎn)火的影響，提出了帶殼裝藥的防護(hù)結(jié)構(gòu)，以期為不敏感彈藥設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料及帶殼裝藥

實(shí)驗(yàn)所用炸藥由西安近代化學(xué)研究所提供，配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：HMX，63%；鋁粉，30%；黏結(jié)劑，7%。試樣采用模具壓制成型，藥柱尺寸為Φ97mm×100mm，裝藥密度為1.85g/cm3。

標(biāo)準(zhǔn)破片采用45號(hào)鋼加工而成，質(zhì)量為18.6g，尺寸如圖1所示；帶殼裝藥結(jié)構(gòu)由前護(hù)板、套筒、裝藥及后護(hù)板組成，前、后護(hù)板通過螺栓連接，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，護(hù)板均采用熱處理后的35CrMnSiA鋼加工而成，屈服強(qiáng)度為1500MPa，護(hù)板厚度取10mm和16mm，每發(fā)實(shí)驗(yàn)中前、后護(hù)板厚度相同；套筒采用熱處理后35CrMnSiA鋼加工而成，內(nèi)徑為97mm，高度為300mm，厚度為5mm。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)破片示意圖Fig.1 Schematic diagram of standard fragment

圖2 帶殼裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of charge structure with shell

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用25mm口徑滑膛炮驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊帶殼裝藥，觀測(cè)帶殼裝藥反應(yīng)情況及回收護(hù)板的形態(tài)變化。實(shí)驗(yàn)前，通過內(nèi)彈道計(jì)算及摸底實(shí)驗(yàn)，使18.6g標(biāo)準(zhǔn)破片的撞擊速度能夠穩(wěn)定在(1825±5)m/s速度范圍內(nèi)，然后方可開展正式實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，帶殼裝藥置于木質(zhì)彈架上，利用25mm口徑滑膛炮驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊帶殼裝藥前護(hù)板，進(jìn)而進(jìn)入裝藥內(nèi)部，利用高速攝影觀測(cè)裝藥反應(yīng)情況，高速攝影拍攝速度為10000f/s。在距離前護(hù)板2m處設(shè)置間隔為1m的斷通靶用于測(cè)量破片撞擊速度，高速攝影位于帶殼裝藥的側(cè)向，用于記錄高速撞擊過程中帶殼裝藥的反應(yīng)狀態(tài)。

為深入分析帶殼裝藥的點(diǎn)火機(jī)理，同時(shí)開展了標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊無裝藥的帶殼裝藥結(jié)構(gòu)，通過觀測(cè)前護(hù)板穿孔情況及后護(hù)板上的殘骸，獲取標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊不同厚度前護(hù)板后破片與前護(hù)板的破壞形態(tài)變化規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 帶殼裝藥受破片撞擊后的反應(yīng)狀態(tài)分析

標(biāo)準(zhǔn)破片以1820～1830m/s速度撞擊帶殼裝藥后裝藥的反應(yīng)情況如圖3所示。

由圖3(a)可知，當(dāng)前護(hù)板厚度(δ)為10mm時(shí)，帶殼裝藥整體結(jié)構(gòu)基本完整，可見明顯的燃燒痕跡，現(xiàn)場(chǎng)回收少量未完全燃燒的殘藥；由圖3(b)和(c)可知，破片撞擊帶殼裝藥0.8ms后(以破片接觸帶殼裝藥瞬間為0ms時(shí)刻)帶殼裝藥被火球完全包圍，綜合判定帶殼裝藥發(fā)生了快速燃燒反應(yīng)；由圖3(d)可知，當(dāng)前護(hù)板厚度為16mm時(shí)，帶殼裝藥完全解體，前護(hù)板被拋出后未能回收，連接螺栓被拉斷或產(chǎn)生彎曲變形，現(xiàn)場(chǎng)回收大量破碎的殘藥；由圖3(e)和(f)可知，破片撞擊帶殼裝藥0.4ms后(以破片接觸帶殼裝藥瞬間為0ms時(shí)刻)帶殼裝藥被火球完全包圍，綜合判定帶殼裝藥發(fā)生了局部爆燃反應(yīng)。分析認(rèn)為，帶殼裝藥的反應(yīng)情況與標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊前護(hù)板后破片和前護(hù)板的破壞形態(tài)有關(guān)，深入開展相同速度下，標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊不同厚度前護(hù)板后，破片與前護(hù)板的破壞形態(tài)研究有助于帶殼裝藥點(diǎn)火機(jī)理分析及防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.2 撞擊后破片和護(hù)板形態(tài)及對(duì)裝藥點(diǎn)火的影響

標(biāo)準(zhǔn)破片以1820～1830m/s速度分別撞擊前護(hù)板厚度為10mm和16mm的無裝藥帶殼裝藥結(jié)構(gòu)，通過觀測(cè)前護(hù)板穿孔情況及后護(hù)板上的凹坑，分析標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊不同厚度前護(hù)板后破片與前護(hù)板的破壞形態(tài)。撞擊后，套筒內(nèi)未發(fā)現(xiàn)破片殘骸，判斷為破片在貫穿前護(hù)板過程中發(fā)生了解體，前、后護(hù)板破壞情況如圖4所示。

圖4 不同厚度護(hù)板的破壞情況Fig.4 Failure states of guard plate with different thicknesses

由圖4可知，在該速度下標(biāo)準(zhǔn)破片能夠貫穿前護(hù)板，但均無法貫穿后護(hù)板，兩種厚度前護(hù)板的破壞形態(tài)不同；由圖4(a)和(b)可知，前護(hù)板厚度為10mm時(shí)，破片呈現(xiàn)明顯的剪切穿孔，前護(hù)板迎彈面及其背面的穿孔直徑均為28mm左右；由圖4(c)可知，在后護(hù)板上可見若干大尺寸凹坑；由圖4(d)和(e)可知，當(dāng)前護(hù)板厚度為16mm時(shí)，前護(hù)板迎彈面穿孔直徑約為28mm，而在其背面形成了直徑約為37mm的剝落層；由圖4(f)可知，后護(hù)板上可見大量小凹坑，未發(fā)現(xiàn)大尺寸凹坑。分析認(rèn)為，隨前護(hù)板厚度增加，標(biāo)準(zhǔn)破片和前護(hù)板的破碎程度增大，形成的碎塊質(zhì)量減小，數(shù)量增加，進(jìn)而在后護(hù)板上形成了不同的凹坑形貌。

為進(jìn)一步分析標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊后前護(hù)板及破片形態(tài)對(duì)裝藥點(diǎn)火的影響，采用數(shù)值模擬方法獲取了標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊不同厚度前護(hù)板后碎塊的速度及分布情況。

圖5 數(shù)值模擬計(jì)算模型Fig.5 Numerical simulation model

表1 Johnson-cook塑性模型及shock狀態(tài)方程參數(shù)Table 1 Johnson-cook plastic model and shock equation of state parameters

標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊不同厚度殼體后速度矢量云圖如圖6所示。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊不同厚度護(hù)板后的速度矢量云圖Fig.6 Velocity vector nephograms of standard fragments impacting on guard plates with different thicknesses

設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊速度為1825m/s，模擬計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)前護(hù)板厚度為10mm時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)破片解體，前護(hù)板破壞以局部的剪切失效為主，由其材料的狀態(tài)可以判斷撞擊形成了若干大質(zhì)量碎塊，大質(zhì)量碎塊前沿的速度約為1000m/s(圖6(a))；前護(hù)板厚度為16mm時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊前護(hù)板后，標(biāo)準(zhǔn)破片解體，在應(yīng)力波的作用下前護(hù)板背面發(fā)生了明顯的層裂，形成密集分布的小質(zhì)量碎片群，碎片群前沿的速度約為900m/s(圖6(b))。

分析認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊不同厚度前護(hù)板后，破片和前護(hù)板的破壞形態(tài)可能是導(dǎo)致裝藥反應(yīng)等級(jí)不同的重要原因。當(dāng)前護(hù)板厚度為10mm時(shí)，破片貫穿前護(hù)板后形成若干大質(zhì)量的金屬碎塊，這些金屬碎塊同時(shí)以約1000m/s的速度撞擊裝藥，進(jìn)入裝藥后由于壓縮、剪切、摩擦等綜合作用，使得裝藥發(fā)生了快速燃燒，產(chǎn)生的壓力通過破壞帶殼裝藥的薄弱環(huán)節(jié)(套筒與前、后護(hù)板連接處)而得以釋放，由于壓力的快速釋放，裝藥燃燒速率降低，難以形成更為劇烈的反應(yīng)。而當(dāng)前護(hù)板厚度為16mm時(shí)，由于破片破碎及前護(hù)板背面剝落，產(chǎn)生了密集的小質(zhì)量金屬碎片，大量小質(zhì)量碎片可以視為高密度的碎片群，當(dāng)其以約900m/s速度同時(shí)作用于裝藥時(shí)，產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力波將相互疊加并增強(qiáng)，同時(shí)還有熱效應(yīng)的綜合作用，使得裝藥內(nèi)部易于形成多個(gè)“熱點(diǎn)”，進(jìn)而直接發(fā)生爆燃反應(yīng)。

2.3 帶殼裝藥防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊帶殼裝藥過程中，裝藥將受到兩種類型的刺激：一種為破片撞擊前護(hù)板后產(chǎn)生的應(yīng)力波傳播至裝藥內(nèi)部，在裝藥內(nèi)形成強(qiáng)的應(yīng)力波，可能引發(fā)裝藥點(diǎn)火；另一種為破片貫穿前護(hù)板后進(jìn)入裝藥內(nèi)部，產(chǎn)生壓縮、剪切、摩擦等復(fù)合作用，導(dǎo)致熱積累，進(jìn)而引發(fā)炸藥點(diǎn)火[11]。因此，帶殼裝藥防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要從衰減應(yīng)力波峰值和降低破片貫穿前護(hù)板后的能量?jī)蓚€(gè)方面考慮。

在應(yīng)力波峰值衰減方面，依據(jù)前期研究結(jié)果[12]，采用雙層阻抗順序組合方式可有效衰減傳入裝藥內(nèi)部的應(yīng)力波峰值，故防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可采用順序阻抗結(jié)構(gòu)用于衰減破片撞擊前護(hù)板時(shí)傳入裝藥內(nèi)的應(yīng)力峰值。在降低破片貫穿前護(hù)板后的能量方面，因破片撞擊16mm厚前護(hù)板時(shí)形成的小質(zhì)量碎片群更易使裝藥發(fā)生劇烈反應(yīng)，故應(yīng)盡可能降低碎片群進(jìn)入裝藥時(shí)所攜帶的能量。研究表明[13]，破片撞擊金屬薄板后破片的剩余速度在0～0.01ms內(nèi)急劇衰減，可大幅降低破片的動(dòng)能，故防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可采用金屬薄板用于降低碎片群的能量。

考慮到戰(zhàn)斗部裝藥的實(shí)際工況，防護(hù)結(jié)構(gòu)不能太厚，以保證戰(zhàn)斗部的裝填比，故本研究設(shè)計(jì)了由低阻抗橡膠與高阻抗金屬薄板構(gòu)成的復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)，其中，低阻抗橡膠的厚度為1mm，高阻抗金屬薄板的厚度為0.5mm，兩者直徑與套筒內(nèi)徑相等，均為97mm。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，在前護(hù)板背彈面與裝藥之間依次安裝低阻抗橡膠和高阻抗金屬薄板，其余結(jié)構(gòu)均保持不變。采用標(biāo)準(zhǔn)破片以1820m/s的速度撞擊前護(hù)板厚度為16mm的帶殼裝藥，帶殼裝藥反應(yīng)情況如圖7所示。

圖7 含防護(hù)結(jié)構(gòu)帶殼裝藥的撞擊反應(yīng)情況Fig.7 Reaction states of charge with protective structure and shell after impact

由圖7(a)可知，撞擊后帶殼裝藥整體結(jié)構(gòu)完整，僅發(fā)生了燃燒反應(yīng)。由圖7(b)和(c)可知，標(biāo)準(zhǔn)破片撞擊后帶殼裝藥被火球完全包圍的時(shí)間由無防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)的0.4ms延長(zhǎng)至1.2ms。分析認(rèn)為，復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)一方面降低了破片撞擊前護(hù)板時(shí)傳入裝藥中的應(yīng)力波幅值，更重要的是，高阻抗的金屬薄板可阻擋部分碎片群的運(yùn)動(dòng)，降低碎片群能量，進(jìn)而對(duì)裝藥起到良好的防護(hù)作用。

3 結(jié) 論

(1)18.6g標(biāo)準(zhǔn)破片以1820～1830m/s速度撞擊不同厚度前護(hù)板時(shí)，破片均發(fā)生解體；隨前護(hù)板厚度由10mm增加至16mm，貫穿前護(hù)板后的破片形態(tài)由若干大質(zhì)量碎塊演變?yōu)槊芗男≠|(zhì)量碎片。

(2)撞擊后標(biāo)準(zhǔn)破片及前護(hù)板形態(tài)的差異是導(dǎo)致裝藥反應(yīng)程度不同的重要原因，相比大質(zhì)量碎塊，小質(zhì)量碎片群易使裝藥發(fā)生更為劇烈的反應(yīng)；通過設(shè)計(jì)合理的防護(hù)結(jié)構(gòu)可有效降低帶殼裝藥反應(yīng)等級(jí)，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間；但對(duì)于碎片群的形成機(jī)制及其裝藥的相互作用過程還需要進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。