殼體厚度對裝藥響應特性的影響

張廣華，沈 飛，屈可朋，王 輝

(西安近代化學研究所， 西安 710065)

隨著彈藥技術的發展，對彈藥在存儲、使用等過程中的安全性要求日益提高，不敏感彈藥設計受到越來越多的關注。破片高速撞擊是彈藥在全壽命周期內受到的典型刺激之一，彈藥在破片撞擊下的響應特性研究是不敏感彈藥設計的重要組成部分。彈藥在破片撞擊下的響應過程是一個高溫、高壓、高應變率的非定常反應過程，在不敏感彈藥研究過程中，通常將其等效為標準破片以規定速度撞擊帶殼裝藥。

國內外關于破片撞擊帶殼裝藥問題開展過較多研究[1-7]，但多數以特定裝藥結構下使裝藥發生反應的速度閾值[8-9]，破片速度[10-11]、破片材質[12]、殼體材質[13-14]對裝藥響應特性的影響等為主，關于殼體厚度對裝藥在破片撞擊下響應特性的影響研究相對較少，且多數研究側重于破片對裝藥的毀傷效果，主要為反導殺傷元設計提供依據，基于彈藥安全性開展的相關問題研究也相對較少。因此，本研究開展了18.6 g破片以1 830±30 m/s速度撞擊帶殼裝藥試驗，獲得了不同殼體厚度下的裝藥響應特性，并對影響裝藥響應的主要因素進行了探討，研究結果為不敏感彈藥設計提供參考依據。

1 破片撞擊作用下帶殼裝藥的響應過程分析

破片撞擊作用下，帶殼裝藥所受載荷主要包括經殼體入射到炸藥的沖擊波對炸藥的沖擊效應、破片貫穿殼體后產生的殘骸在裝藥內運動時對裝藥的剪切、摩擦等機械作用。一般認為，殼體較薄時，沖擊效應是裝藥響應的主導因素；而當殼體較厚時，裝藥響應以機械刺激為主。無論沖擊效應還是機械作用，炸藥的起爆從本質上均屬于熱點起爆機理，即沖擊波或機械刺激作用下在炸藥內產生熱點，并擴展和成長為整個炸藥的爆炸或燃燒。

1.1 沖擊波效應

破片以一定速度撞擊帶殼裝藥時，會產生兩列波：向破片傳播的左行波和向殼體傳播的右行波，右行波透過殼體后會繼續向炸藥透射，根據撞擊時的動量守恒定律及界面上的連續性條件，有：

(1)

(2)

ub+uf=v

(3)

pb=pf

(4)

式(1)～式(4)中：Pb、ub分別為作用在殼體上的沖擊波壓力、質點速度；ρb為殼體材料的密度；ab、bb為殼體材料的沖擊雨貢紐參數；Pf、uf分別為作用于破片上的沖擊波壓力、質點速度；ρf為破片材料的密度；af、bf為破片材料的沖擊雨貢紐參數；v為破片撞擊速度。

聯立式(1)～式(4)得到殼體上的質點速度ub：

(5)

式(5)中：

【文化說明】turkey shoot指19世紀的射火雞比賽，以火雞等活物為目標，火雞系在原木后，射中的火雞就是給射手的獎品。由于距離近，目標大，這種射擊比賽并不困難。因此，turkey shoot轉喻“易如反掌”“所向披靡”等意思。

A=ρfbf-ρbbb

(6)

B=-ρfaf-2bfρfv-ρbab

(7)

C=ρfv(vbf+af)

(8)

將ub代入式(1)，可得作用在殼體上的沖擊波壓力Pb。沖擊波在殼體內傳播時會發生衰減，其衰減規律如下：

ph=pb·e-αh

(9)

式(9)中：Ph為沖擊波傳播至h距離處的壓力值；α為殼體材料的沖擊波壓力衰減系數。沖擊壓力Ph與質點速度uh之間存在如下關系：

(10)

通過式(10)可得沖擊波在殼體內傳播至h距離時的質點速度uh。

沖擊波傳播至殼體與炸藥的交界面后，由于殼體材料的阻抗大于炸藥阻抗，因此會在殼體內反射稀疏波，并在炸藥內產生透射沖擊波，記炸藥內的沖擊波壓力為pe，質點速度為ue，這兩個參量可通過下式獲得：

ρe(ae+beue)ue=ρb[ab+bb(2uh-ue)](2uh-ue)

(11)

pe=ρe(ae+beue)ue

(12)

式中：ae、be為炸藥的沖擊雨貢紐參數；ρe為炸藥的密度。

通過式(1)～式(12)可知，進入炸藥的沖擊波壓力與彈藥殼體厚度及破片撞擊速度有關，當殼體較薄或破片撞擊速度很高時，經殼體衰減進入炸藥的沖擊波壓力能夠直接引起裝藥反應，這種情況下通常認為沖擊波是炸藥發生反應的主控機制。

1.2 機械作用

當彈藥殼體較厚或破片速度較小時，沖擊波在殼體內傳播時受到側向稀疏波的影響，會導致高壓區逐漸縮小，并最終演變為衰減速度很快的發散沖擊波，由此導致進入炸藥的沖擊波壓力迅速降低。該條件下的沖擊波引爆裝藥的能力很低，難以直接將其引爆。

對于一定沖擊阻抗和強度的破片及殼體，破片撞擊殼體后會產生具有一定速度的碎片，由于碎片具有不規則邊緣，通過對裝藥的摩擦、剪切作用，極易在破片與裝藥接觸部位產生熱點，形成局部高溫，進而引燃/引爆裝藥。因此，在這種情況下通常認為機械刺激是裝藥發生反應的主控機制。

2 破片撞擊帶殼裝藥試驗

2.1 試驗系統

試驗采用Φ25 mm彈道炮作為破片驅動源；破片采用Φ14.3 mm×15.56 mm的標準破片，質量為18.6 g，材料為45號鋼；試驗用炸藥由西安近代化學研究所提供，配方(質量分數)為：63%HMX、30%鋁粉及7%粘結劑，通過模具壓裝成型，密度為1.85 g/cm3，單節藥柱尺寸為Φ97 mm×100 mm，每發試驗彈內裝填3節藥柱；裝藥結構由前、后端蓋、套筒及裝藥組成，套筒、前、后端蓋均采用經過熱處理的35CrMnSiA鋼加工而成，厚度分別為5 mm、16 mm，用于模擬實際彈藥中的殼體厚度，每發試驗中前、后端蓋的厚度相同，套筒內徑為97 mm，壁厚5 mm，高度為300 mm，通過4根長螺桿將套筒及裝藥固定在前、后端蓋之間。裝藥結構及試驗現場布置如圖1、圖2所示。

2.2 試驗結果

端蓋厚度為5 mm時，裝藥直接發生爆轟，裝藥響應如圖3所示。

端蓋厚度為16 mm時，裝藥響應如圖4所示：前端蓋被拋出且未能回收，套筒結構完整，內壁未見明顯燃燒產生的發黑痕跡，連接前、后端蓋的螺栓被從螺桿的螺紋根部拉脫，現場回收到大量塊狀殘藥。高速攝影記錄的影像表明：破片撞擊前端蓋0.6 ms后裝藥結構完全被火球包圍，綜合判定裝藥發生了局部爆燃反應。

圖1 裝藥結構

圖2 試驗布局示意圖

圖3 端蓋厚度為5 mm時的裝藥響應

圖4 端蓋厚度為16 mm時的裝藥響應

3 結果分析

試驗結果表明，裝藥響應烈度隨著端蓋厚度的增加而降低：端蓋厚度為5 mm時裝藥直接發生了爆轟，厚度為16 mm時發生了局部爆燃，但不同端蓋厚度下引起裝藥反應的主控機制是不同的。

聯解式(1)～式(12)，得到本試驗條件下沖擊波壓力隨端蓋厚度的變化規律如圖5所示，Ph為傳播至殼體與裝藥交界面處的壓力，Pe為進入裝藥的壓力。

圖5 壓力-端蓋厚度關系曲線

端蓋厚度為5 mm、16 mm時，進入裝藥的沖擊波壓力分別為8.78 GPa、3.62 GPa。隨著端蓋厚度的增加，進入裝藥的沖擊波壓力逐漸減小。端蓋為5 mm時，由于厚度很薄，經衰減后進入裝藥的沖擊波壓力很大，由此推測，沖擊波是裝藥發生爆轟的主要因素。通過AUTODYN軟件對該條件下的響應過程進行仿真，結果如圖6示：3.78 μs時裝藥內已形成穩定爆轟，但是10.2 μs時破片才將端蓋穿透，證明沖擊起爆是該條件下裝藥發生反應的主控機制。

端蓋厚度為16 mm時，首先，沖擊波進入裝藥，由于端蓋較厚，經衰減后的沖擊波不足以使裝藥發生爆炸反應，但會對裝藥造成結構損傷，在其內部產生裂紋，將裝藥離散為若干藥塊，如圖4(a)所示；由于端蓋較厚，與破片長度相當，因此，沖擊波傳播至端蓋和裝藥分界面時會在端蓋背部產生拉伸破壞，出現層裂效應[15]，進而形成密集分布的碎片群，這些碎片雖然尺寸較小，但是數量多，以一定速度繼續在裝藥內運動，通過對裝藥的摩擦、剪切作用，在裝藥內產生多個熱點，引起裝藥反應；由于破片穿透殼體過程中速度衰減較快且單個破片質量很小，導致作用于裝藥的破片動能較小，所以該條件下裝藥僅發生了局部爆燃反應。

為了對上述推測進行驗證，開展了破片撞擊無裝藥殼體試驗，以觀察破片撞擊不同厚度端蓋后形成的碎片形態，試驗布局、破片狀態及殼體結構與上文中破片撞擊帶殼裝藥試驗完全一致。圖7所示為破片撞擊不同厚度端蓋后形成的碎片群作用于后端蓋上留下的凹坑，通過該圖可以看出，5 mm條件下后端蓋上留下了大尺寸凹坑；16 mm條件下，后端蓋上分布有密集的小凹坑，證明破片撞擊端蓋后產生了密集碎片群。

圖7 破片撞擊不同厚度端蓋后留下的凹坑

綜上所述，端蓋厚度為16 mm時，裝藥響應是在沖擊波、碎片群的耦合作用下發生的，其中，沖擊波的作用主要是將裝藥離散為若干藥塊，碎片群對裝藥的剪切、摩擦等機械刺激則是導致裝藥發生點火的主控機制。

4 結論

1) 殼體厚度為5 mm時裝藥發生了爆轟，該條件下的響應機制以沖擊起爆為主；殼體厚度為16 mm時發生了局部爆燃，裝藥響應是在沖擊波、碎片群的耦合作用下發生的，沖擊波的作用主要是將裝藥離散為了若干藥塊，碎片群對裝藥的剪切、摩擦等機械刺激是導致裝藥發生點火的主控機制。

2) 殼體較薄時，沖擊波是引發裝藥響應的主控機制，該條件下的不敏感彈藥設計應以弱化沖擊波效應為主；隨著殼體厚度的增加，進入裝藥的沖擊波壓力逐漸降低，沖擊起爆裝藥的能力也逐漸減弱，此時機械刺激對裝藥的影響愈發顯著，成為裝藥點火的主控機制，該條件下的不敏感彈藥設計應以攔截碎片群為主。