现代战争中, 聚能装药战斗部的广泛使用对车载、舰载弹药系统的安全造成了严重威胁, 传统炸药射流感度低, 易起爆, 已经无法满足要求, 高能量、低感度含能化合物成为研究的热点^[1]。近年, 新型高能钝感炸药ANPyO因其具有起爆感度低、耐高温的优点受到国内外广泛关注^[2-7], 成健等^[8-10]研究了2, 6-二氨基(4-氨基)吡啶的二硝化反应以及ANPyO炸药的合成新方法与性能。何志伟等^[11-14]提出了ANPyO炸药的精制工艺方法, 研究了包覆对ANPyO炸药的降感作用, 并分析了其热分解性能及在耐热、机械撞击和摩擦等弱刺激下的优势。然而, ANPyO炸药在强烈射流刺激下的性能目前是未知的, 通过射流冲击起爆试验评估其感度、猛度等, 是不敏感弹药试验^[15]的重要组成之一, 且试验程序与射流头部剩余速度和直径的确定较为复杂^[16-18], 因此, 进行相关试验研究对于分析ANPyO炸药在射流不敏感度上的优势与应用前景均具有重要意义。为得到ANPyO的临界爆轰的隔板厚度并分析该炸药的射流感度, 本课题组设计了带挡板和锡箔靶的隔板试验, 研究了ANPyO在不同厚度隔板下射流冲击的响应规律, 考虑了主发药柱爆轰产物对评估被发炸药射流冲击起爆感度的影响, 测得了射流侵彻隔板平均速度, 为验证AUTODYN模拟射流侵彻靶板的可靠性提供实验数据, 进而借助于AUTODYN仿真得到了临界速度与直径, 标定了ANPyO的射流冲击起爆临界阈值, 为进一步研究不同材料和结构壳体覆盖下的ANPyO炸药的射流冲击起爆规律提供参考。

被发炸药: ANPyO炸药, 参照文献[9-12]实验室自制, 呈黄色粉末状小颗粒, 粒径2~70 μm, 熔点大于340 ℃。采用Φ40 mm的压药模具, 通过压药机施加5 t左右的压力, 保压10 s, 将炸药粉末压制形成Φ40 mm×26 mm的圆柱形被发药柱, 试样的密度为1.62 g·cm^-3, 如图 1a所示; 对照试样: 8701炸药, 采用上述相同的方法压制, 保持与前者相同的尺寸与密度, 如图 1b所示; 主发炸药: 8701炸药与铜药型罩形成的56 mm口径的标准聚能装药, 如图 1c所示。

图 1(Fig. 1)

图 1 被发炸药与主发炸药试样 Fig.1 Donor charge and target charge samples

为了解新型炸药ANPyO的射流冲击感度, 设计了45#钢隔板覆盖下的无围压炸药的冲击起爆试验, 测试ANPyO和8701炸药在不同厚度隔板下的反应特性。

测速仪器:锡箔靶若干, 设置在隔板不同位置; NLG202G-2型六路电子测时仪1台(最小时间分辨率为1 μs), 记录射流穿过每两个锡箔靶之间的时间。测量射流侵彻隔板平均速度采用“锡箔靶测速法”^[19]。

试验初始条件:炸高筒高度H₀=50 mm; 主发药为8701聚能装药, 口径d₀=56 mm; 被发装药为ANPyO炸药或8701炸药, 口径为40 mm, 高度为26 mm; 见证板厚度t₁=5 mm, 隔板材料45#钢, 密度7.89 g·cm^-3。

射流冲击起爆45#钢隔板覆盖下的无围压被发药柱试验布局如图 2所示, 图 2a为结构示意图, 图 2b为实物布局。试验时通过开有中心孔为Φ30 mm的500 mm×500 mm×20 mm的挡板, 阻挡聚能装药爆炸产生的爆轰波以及爆轰产物对射流冲击起爆被发药柱的影响, 由此评估被发药柱抗射流冲击起爆的能力。反应强度可以从试验现场残留的炸药粉末、见证板的冲塞与凹陷情况以及隔板底部的爆炸印痕来判断。

图 2(Fig. 2)

图 2 炸药的射流冲击起爆感度试验布局 Fig.2 Experimental layout of jet impact initiation sensitivity test for explosives

根据STANAG 4526试验程序^[20], 要求用于试验的空心射流具备以下典型性质, 即炸高为70~100 mm, 穿透能力为127~229 mm。本试验选用56 mm口径的聚能装药, 射流头部速度6600 m·s^-1, 长度约为115 mm, 炸高80 mm时侵彻45#钢的能力约为200 mm, 从射流头部到最大直径处速度与直径近似为线性递增分布, 因此满足试验的要求。试验过程中, 通过改变隔板的数量来调节厚度, 进而调整射流的出射速度与直径。为了减少ANPyO炸药的试验次数, 采用“Langlie法”^[21]测试隔板临界厚度, 即若隔板厚度为a时, 被发炸药发生完全爆轰; 当隔板厚度增至b时, 没有任何反应; 那么, 接下来以(a+b)/2进行试验, 若不发生反应, 则临界厚度介于a与(a+b)/2之间, 反之则介于(a+b)/2与b之间。依次类推, 不断地缩小试验范围, 直到找到临界点为止。

ANPyO炸药与8701炸药的试验步骤如图 3所示。以仿真所得隔板临界厚度为依据, 从40 mm的厚度开始试验, 最大厚度取80 mm; 作为参照比较, 8701炸药对应隔板的厚度以ANPyO不爆时的最大隔板厚度80 mm为初始值, 以20 mm间隔递增, 最大厚度达到160 mm。

图 3(Fig. 3)

图 3 ANPyO与8701炸药的试验步骤 Fig.3 Test steps for ANPyO and 8701 explosive

ANPyO炸药的试验共进行6组, 其中包括1组(No.4)验证挡板隔爆效果的试验(主发炸药不含药型罩)和5组(No.1, No.2, No.3, No.5, No.6)不同隔板厚度的冲击起爆试验。根据STANAG4439^[22]对刺激响应等级的分类(Ⅰ~Ⅴ), 从Ⅴ类到Ⅰ类反应剧烈程度增强, 反应特征分别为燃烧、爆燃、爆炸、局部爆轰与完全爆轰。对ANPyO炸药试验后, 得到见证板冲孔、炸药粉末残留等响应情况, 结果见表 1。

表 1(Tab. 1)

表 1 ANPyO的试验结果 Tab. 1 Test results of ANPyO No. thickness of barrier/mm explosive residues (0/1) plugging aperture /mm jet perforation /mm response characteristics response level 1 40 0 45 - detonation Ⅰ 2 80 1 - 6.4 burning Ⅴ 3 60 0 43 - detonation Ⅰ 4 60 1 - - - no reaction 5 70 1 - 15 deflagration Ⅳ 6 65 0 40 - partial detonation Ⅱ

表 1 ANPyO的试验结果 Tab.1 Test results of ANPyO

试验结果表明, 隔板厚度为40 mm(No.1)时, ANPyO发生Ⅰ级响应, 爆轰后现场无残留炸药粉末或药块, 如图 4a, 且见证板上形成冲塞, 与ANPyO接触的隔板底部有明显的爆炸印痕, 如图 4b。当隔板厚度为80 mm(No.2)时, ANPyO发生Ⅴ级响应, 反应的剧烈程度明显下降, 通常情况下, 现场还残留有被发炸药的粉末, 如图 4c, 见证板未发生冲塞, 仅留有射流的穿孔, 如图 4d, 隔板底部也没有明显的爆炸印痕。当采用40 mm和80 mm平均值60 mm(No.3)时, ANPyO又发生Ⅰ级响应, 因此, 设计了相同口径的不含药型罩的炸药作主发炸药而其余条件与No.3完全相同的实验组No.4, 结果ANPyO未发生任何反应, 隔板也无明显变化, 由此可见No.3的测试结果主要由射流引起的, 挡板起到了隔爆的作用。采用70 mm(No.5)的试验, ANPyO仅发生Ⅳ级响应等级。最后一组(No.6)在60 mm与70 mm的试验基础上, 选择了中间厚度65 mm, 观察到见证板冲孔减小, ANPyO发生了Ⅱ级响应。因此, 65 mm与70 mm的平均厚度约68 mm为ANPyO爆轰与不爆轰的界限。

图 4(Fig. 4)

图 4 不同响应等级下目标特征的对比 Fig.4 Comparison of target features under different response levels

一般采用炸药完全爆轰时见证板上的冲孔孔径来评价炸药的猛度, 为了比较两种炸药的猛度, 试验后回收了见证板, 统计了冲孔孔径, ANPyO的试验结果见表 1, 8701炸药完全爆轰时得到的见证板冲孔孔径试验结果见表 2。

表 2(Tab. 2)

表 2 8701炸药试验后的见证板冲孔孔径结果 Tab. 2 Plugging aperture of witness plate of 8701 explosive thickness of barrier/mm 80 100 120 140 plugging aperture/mm 50 49 47.5 45

表 2 8701炸药试验后的见证板冲孔孔径结果 Tab.2 Plugging aperture of witness plate of 8701 explosive

由表 1和表 2可知, ANPyO完全爆轰时与之相接触的见证板形成孔径介于43~45 mm, 而8701炸药完全爆轰时, 见证板形成孔径介于45~50 mm。两种炸药的试验结果相差较小, 故ANPyO与8701炸药的猛度相差甚小。

由于采用X光很难确定厚隔板与炸药交界面处的射流速度与直径^[16-18], 因此, 需要辅助AUTODYN数值仿真来确定射流到达隔板与炸药交界面处的剩余速度与直径。本实验采用锡箔靶测速得到了两组射流侵彻隔板的平均速度, 并将试验后的隔板剖开测量侵彻孔径的大小, 目的在于验证文献[23]提供的射流侵彻靶板数值模拟方法以及模型参数的可靠性。仿真结果与实验值的对比见表 3。

表 3(Tab. 3)

表 3 仿真结果与实验值对比 Tab. 3 Comparison of simulation and experimental results thickness of barrier /mm vc /mm·μs-1 ve /mm·μs-1 Δv /% Φ0c /mm Φ0e /mm ΔΦ0 /% Φ1c /mm Φ1e /mm ΔΦ1 /% 140 1.959 2.029 3.45 32.6 33.7 3.26 11.4 11.0 3.63 160 1.828 1.928 5.19 32.0 32.3 0.93 15.8 15.0 5.30 Note: v is a verage penetration velocity, Φ0 is inlet diameter, Φ1 is outlet diameter, the subscript c is the value by calculation, the subcripi e is the value by experiment.

表 3 仿真结果与实验值对比 Tab.3 Comparison of simulation and experimental results

分析表 3可知, 仿真得到的射流的平均侵彻速度值v_c与锡箔靶测速得到的实验值v_e吻合较好, 射流侵彻隔板入口直径Φ₀与出口直径Φ₁的仿真值与实验值吻合得也较好, 误差均在10%以内, 表明借鉴文献[23]方法模拟射流侵彻靶板是可靠的。因此, 通过模拟也能够较可靠地确定射流到达隔板与炸药交界面处的头部剩余速度v与直径d。

根据实验选取的隔板厚度, 辅助AUTODYN仿真计算了剩余速度v与直径d, 并给出了ANPyO和8701炸药起爆时的射流头部剩余速度与隔板厚度变化趋势, 如图 5所示。

图 5(Fig. 5)

图 5 射流头部剩余速度与隔板厚度关系 Fig.5 Residual velocity vs thickness of barriers plot

由图 5可知, 新型ANPyO炸药临界起爆时的隔板厚度68 mm对应的临界速度约为3.70 mm·μs^-1, 当隔板厚度减小时, 射流的剩余速度增加, 被发炸药均能被起爆; 而8701炸药的临界隔板厚度为160 mm, 比ANPyO增加了57.5%, 临界速度约为1.52 mm·μs^-1, 比ANPyO降低了58.9%。

根据M.Held基于坑底的驻点压力定义的高能炸药起爆阈值的u²d判据^[24], 进行了ANPyO与8701炸药临界起爆阈值标定, 判据的具体形式如下:

式中, I_cr为炸药的射流冲击起爆临界阈值, mm³·μs^-2; u为射流在炸药中的开坑速度, mm·μs^-1; v_cr为临界速度, mm·μs^-1; ρ_e和ρ_j分别为被发炸药和射流的密度, g·cm^-3; d为射流头部直径, mm。

本研究中, ρ_e为ANPyO或8701炸药试样的密度, ρ_j为射流(铜药型罩)的密度^[23], 临界速度v_cr和直径d, 即为仿真计算的临界隔板厚度下, 射流头部剩余速度v(图 5所示)和相应的直径d。参数和临界起爆阈值I_cr的计算结果见表 4。

表 4(Tab. 4)

表 4 参数与计算结果 Tab. 4 Parameters and calculation results sample ρe /g·cm-3 ρj /g·cm-3 vcr /mm·μs-1 d /mm Icr /mm3·μs-2 ANPyO 8701 1.62 8.93 3.70 1.52 4.8 6.3 32.3 7.16

表 4 参数与计算结果 Tab.4 Parameters and calculation results

由表 4可见, ANPyO临界起爆时对应的射流临界速度为3.70 mm·μs^-1, 比8701炸药对应的速度高, 且ANPyO的临界阈值I_cr也大得多, 临界起爆所对应的射流刺激更加强烈, ANPyO比8701炸药对射流刺激更钝感。

新型炸药ANPyO的聚能射流冲击感度试验研究结果表明: ANPyO的临界隔板厚度为68 mm, 相对于8701炸药而言, 减小了57.5%, 相同条件下ANPyO反应强度较弱; 两种炸药的猛度比较接近, ANPyO比8701略低; ANPyO临界起爆阈值I_cr为32.3 mm³·μs^-2, 是相同密度的8701炸药阈值的4.5倍, 可见, ANPyO炸药钝感得多。因此, ANPyO是一种射流冲击敏感度很低的高能炸药, 可作为射流冲击不敏感战斗部的炸药。