2. 空军驻西北地区军事代表室, 陕西 西安 710043
2. The Air Force Military Representative Department of Northwest Area Bureau, Xi′an 710043, China
针刺延期火工品是攻坚弹药与侵彻战斗部中常用火工品之一, 在过载冲击状态下针刺延期火工品会由强应力波作用导致火工品受到破坏、早爆或失效, 同时还会出现延期精度下降、串火以及延期失效等现象。邓琼等[1]采用Hopkinson压杆实验技术研究了火工品及含能材料的抗高过载能力, 雷鸣等[2]对耐高过载延期电雷管设计进行了研究, 奥成刚等[3]对桥丝电雷管抗高过载性能检测与加固设计进行了研究, 提高了桥丝电雷管抗高加速过载能力。总之, 目前火工品的研究重点是如何提高抗高过载能力以及过载冲击下火工品的性能变化。而针刺延期火工品抗高过载性能研究的报道还较少[4-5]。因此, 为满足新一代武器装备技术的需求, 研究过载冲击与针刺延期火工品性能的关系就显得尤为重要。本文利用分离式霍普金森压杆(SHPB)技术对针刺延期火工品性能与抗高过载能力进行了研究, 为将来引信用高过载针刺延期火工品的研究提供一定的理论依据。
2 实验部分 2.1 实验样品制备在实验过程中, 以针刺延期火工品为试样, 以相同的装药序列, 将20 mg的针刺药、50 mg的点火药、120 mg的硼系延期药以及70 mg的输出药以0.15 MPa装药压力压制在直径为
|
图 1 针刺延期火工品装配图 1—针刺药, 2—点火药, 3—延期药, 4—壳体, 5—输出药 Fig.1 Assembly drawing of stab delay initiating device 1—stab composition, 2—amorce, 3—delay powder, 4—hull, 5—output powder |
采用SHPB试验装置对针刺延期体进行过载冲击试验, Hopkinson杆是以压缩空气作为动力源, 通过压缩空气发射子弹, 同轴撞击Hopkinson杆的一端, 从而在导杆内产生近似于半正弦的压缩应变脉冲, 应变脉冲沿导杆纵向传播, 传递到固定在Hopkinson杆另一端的试验件上。SHPB试验装置原理图如图 2所示。该试验装置中, 入射杆、透射杆和子弹均为直径14.5 mm的钢杆(65Si2MnWA), 子弹为圆柱形, 长为300 mm。试样通过夹具固定在入射杆端面上, 经轴向输入方向加载冲击所受应力最大峰值约为600 MPa, 加速度加载波形如图 3所示。
|
图 2 分离式霍布金森压杆实验装置原理图 1—气枪, 2—子弹, 3—平行光源, 4—输入杆, 5—试样, 6—输出杆, 7—吸收杆, 8—能量吸收块, 9—波形整形器, 10—应变片, 11—测速电路, 12—超动态应变放大器, 13—测试仪, 14—波形存储器, 15—信号采集系统 Fig.2 Schematic diagram of Hopkinson Pressure Bar 1—air gun, 2—projectile, 3—parallel, 4—incident bar, 5—sample, 6—transmission, 7—absorption bar, 8—energy absorption, 9—pulse shaper, 10—strain gauge, 11—speed measuring electrocircuit, 12—super dynamic strain gauge, 13—time measuring device, 14—pulse shaper, 15—signal acquisition system |
|
图 3 SHPB实验应力加载波形图 Fig.3 Stress waveforms of Split Hopkinson Pressure Bar |
采用SHPB对针刺延期火工品装药结构损伤进行分析, 研究了过载前后针刺延期火工品装药细微损伤、密度的变化, 对针刺延期火工品过载前后进行了CT检测, 结果见图 4。从过载前后CT图可以看出, 过载后火工品装药出现局部疏松, 各层装药分层界面处产生波动、孔隙与位移, 特别是点火药与延期药界面处药面波动较大, 表明针刺延期火工品装药在冲击条件下会产生疏松、孔隙、位移和裂纹等损伤, 进而对针刺延期火工品的性能产生影响。
|
图 4 过载前后针刺延期火工品CT图 1—药剂界面, 2—位移, 3—孔隙 Fig.4 X-ray CT of stab delay initiating device before and after overload 1—interface initiating device charge, 2—displacement, 3—hole |
本实验按落球式针刺雷管试验进行。以落球高度和落锤质量为刺激量, 落锤质量为100 g, 试验量为10发, 调节落锤高度测试产品是否发火, 用兰利法[6]进行发火感度性能计算。针刺延期火工品在过载冲击前后发火感度数据处理及计算结果见表 1。
|
表 1 过载冲击前后针刺延期火工品发火感度实验结果 Tab.1 Sensitivity of Stab delay initiating device before and after overload |
从实验结果可以看出, 同样的装药条件下, 过载冲击对针刺延期火工品发火感度影响有所差异。过载后针刺延期火工品发火感度在降低, 其50%的发火感度达到19.29 mm, 比过载前降低约54%。这是由于针刺延期火工品针刺药以及其他火工药剂压制在管壳中, 随着过载冲击载荷的不断增大, 其内部装药会发生压缩、脆裂和药剂抛射等现象, 导致其装药密度和感度发生变化。当前有关火工药剂起爆过程的理论大都认为起爆是由于压缩的情况下在火工药剂内局部“热点(hot spots)”的形成而导致的[7-8]。如果过载冲击下火工药剂密度变大, 火工药剂颗粒之间的孔穴尺寸越小, 能形成的热点尺寸就越小, 难以形成热点点火, 所需的起爆能量越高。另外, 火工药剂密度越大, 火工药剂颗粒之间的能量可渗透性越小, 造成起爆所需的能量就会越高[8]。因此过载冲击后针刺延期火工品发火感度降低。
3.3 过载冲击对针刺延期火工品延期时间的影响采用SHPB进行试验, 分析研究了过载冲击对针刺延期火工品延期时间的影响, 过载前后延期时间试验结果见表 2。由表 2数据可以看出, 过载前后针刺延期火工品延期时间存在显著差异, 过载后针刺延期火工品延期时间的平均值变短, 精度变差, 散布变大。
|
|
表 2 延期时间试验结果 Tab.2 Test results of delay time |
为了研究过载冲击载荷对针刺延期火工品能量输出的变化, 采用GJB5309.18-2004《火工品试验方法》中铅板试验, 用试样爆炸后铅板(3 mm)上穿孔大小表示雷管的轴向输出, 间接表示试样能量输出的变化情况。在相同的条件下, 压制针刺延期雷管, 按落球式针刺雷管试验(WJ/Z208)进行试验, 连续试验5发, 试验前后铅板炸孔见图 5, 试验结果见表 3。
|
图 5 过载前后铅板炸孔图 Fig.5 blast hole pictures before and after overload |
|
|
表 3 针刺延期火工品输出性能测试结果 Tab.3 Test results of energy output of stab delay initiating device |
从试验结果可以看出, 过载冲击载荷对针刺延期火工品能量输出影响不大。这是由于针刺延期火工品输出能量主要与输出药(纯太安, PETN)的装药结构、装药密度以及作功能力等有关。而且, PETN安定性好, 爆轰感度比较高, 耐过载性能也远远好于针刺药、起爆药等火工药剂。因此过载冲击对针刺延期火工品能量输出影响不明显。
4 结论(1) 通过CT检测发现, 针刺延期火工品装药在过载冲击下会产生疏松、孔隙、位移和裂纹等损伤, 特别是点火药与延期药界面处药面波动较大, 对针刺延期火工品的性能会产生影响。
(2) 采用SHPB试验对针刺火延期工品性能进行了研究, 结果表明, 过载冲击对针刺延期火工品性能的影响有所不同, 过载后针刺延期火工品发火感度降低, 延期时间均值变短, 精度变差, 散布变大, 但是过载冲击对针刺延期火工品能量输出影响不大。
| [1] |
邓琼, 叶婷, 苗应刚. 基于Hopkinson压杆实验技术研究火工品及含能材料的抗高过载能力[J].
火炸药学报, 2009, 32(6): 66-70. DENG Qiong, YE Ting, MIAO Ying-gang. Study on overloading-resistibility of initiator and energetic materials based on the technique of hopkinson pressure bar[J]. Chinese Journal of Explosives and P ropellants, 2009, 32(6): 66-70. |
| [2] |
雷鸣, 高艳, 刘文灏. 耐高过载延期电雷管的设计[J].
含能材料, 2010, 18(1): 63-67. LIE Ming, GAO Yan, LIU Wen-hao. Design of electric delay detonator withstanding a high acceleration impact[J]. Chinese Journal of Energetic Materials(Hanneng Cailiao), 2010, 18(1): 63-67. |
| [3] |
奥成刚, 任炜, 白颖伟, 等. 商弘藻某桥丝电雷管抗高过载性能检测与加固设计[J].
含能材料, 2012, 20(3): 349-354. AO Cheng-gang, REN Wei, BAI Ying-wei, et al. Performance determination and structure reinforced design of detonator in high acceleration overload environments[J]. Chinese Journal of Energetic Materials(Hanneng Cailiao), 2012, 20(3): 349-354. |
| [4] |
Liebhardt, Joset. Detonator system for hochschock and allgenmeine anwerdung:DE4214327[P].1993.
|
| [5] |
Paul J, Bryan. Shock-resistant delay detonator:USP4696231[P].1987.
|
| [6] |
李国新, 程国元, 焦清介.
火工品实验与测试技术[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2004.
LI Guo-xin, CHENG Guo-yuan, JIAO Qing-jie. Experiment and test technique of initiators and pyrotechnics[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 2004 |
| [7] |
Miller P J, Coffey C S, Devost V F. Heating in crystalline solids due to rapid deformation[J].
Journal of Applied Physics, 1986, 59(3): 913-916. DOI:10.1063/1.336563 |
| [8] |
Stepanov V, Krasnoperov L N, Elkina I B. Production of nanocrystalline RDX by rapid expansion of supercritical solutions[J].
Propellants, Explosives, Pyrotechnics, 2005, 30(3): 178-183. DOI:10.1002/(ISSN)1521-4087 |
The performance of stab delay initiating device affected by overload shock was studied by Split Hopkinson Pressure Bar(SHPB) test. Structural damage of stab delay initiating device was analyzed by CT.