破片杀伤战斗部和杀爆战斗部是目前常规武器中使用较多的战斗部, 它利用高能炸药引爆后形成高速破片、射流、爆炸成型弹丸(EFP)、高温以及高压等, 对目标产生穿透引燃或结构性毁伤。以格尼系数为关键特征参数的金属加速能力是评价其性能的主要指标。目前, 我国已有的金属加速炸药主要是以TNT为基的熔铸炸药及以HMX为基的压装高聚物粘结炸药(PBX)炸药, 炸药能量和金属加速能力等综合毁伤威力较好, 但安全性较差, 意外情况下易引发事故。不断研究和发展高威力低易损炸药, 已成为弹药研究发展的重要方向[1-2]。浇注PBX具有能量高、易损性好、机械性能优良等特点, 已成为现代军用炸药发展的重点[3-5]。
国外高格尼能钝感浇注PBX炸药的代表配方有PBXTH3(HMX/丁羟粘结剂87/13)、PBXGH3(HMX/GAP粘结剂87/13)[6], 美国的PBXN-110(HMX/丁羟粘结剂88/12)[7]、法国新研制的B2263A(RDX/丁羟粘结剂88/12)、B2265A(RDX/丁羟粘结剂90/10)、B2273A(HMX/丁羟粘结剂90/10)、B2276A(RDX/丁羟粘结剂91/9)[8], 部分炸药安全性已通过法国国防部STANAG4170标准的鉴定, 适用于不敏感装药的起爆药, 有望作为主装药在战斗部、中口径弹药中获得应用。而国内类似配方还很少, 由于浇注PBX炸药成型过程中的流变性及固相含量限制(最高90%左右), 进一步提高能量和低易损性具有较高难度。为此, 本研究以获得类似于法国B2273A的高固相低感浇注PBX炸药配方为主要研究目标, 通过分析HMX含量对爆速的影响规律及复合钝感剂含量对配方机械感度的影响规律, 设计制备出一种具有高格尼能钝感特征的HMX基浇注PBX炸药GO-1, 开展了爆轰性能、圆筒试验、机械感度和火烧、枪击、冲击波等易损性试验和力学性能、热性能研究, 该炸药综合性能优良, 有望在破片杀伤战斗部和杀爆战斗部得到应用。
2 试验部分 2.1 材料及仪器HMX, 甘肃银光化学工业集团有限公司; 端羟基聚丁二烯(HTPB), 甲苯二异氰酸酯(TDI), 均由黎明化工研究院提供; 复合钝感剂, 自制。
北京桂光厂JXF-H200型光学显微镜, 采用折光匹配显微方法。
2.2 试验样品制备将干燥处理的HTPB、HMX、TDI、复合钝感剂按比例混合, 65 ℃下真空浇注至模具, 加热固化5 d, 开模后加工成各类试验件。为研究HMX含量对爆速的影响规律及HMX品质对安全性的影响, 设计了系列浇注PBX炸药配方GO-1(HMX/丁羟粘结剂90/10)、GO-2(HMX/丁羟粘结剂88/12)、GO-3(HMX/丁羟粘结剂87/13)和GO-4(HMX/丁羟粘结剂92/8), 其HMX含量分别为90%、88%、87%和92%, 其中GO-1使用的HMX为高品质颗粒, 其它配方均使用普通HMX, 测试了相应的爆速、爆压、摩擦感度、撞击感度和冲击波感度。
2.3 测试方法和条件(1) 爆轰性能
爆速与爆压测试分别按照GJB 772A-1997方法702.1(爆速-电测法)和704.2(爆压-锰铜压力传感器法)进行, 圆筒试验按GJB 772A-1997方法705.2标准圆筒试验法进行。
(2) 感度
撞击感度采用GJB 772A-1997炸药试验方法609.1(药片撞击感度-落锤仪法)进行, 药量50 mg, 落锤质量为10 kg。摩擦感度采用GJB 772A-1997炸药试验方法602.1(摩擦感度-爆炸概率法), 药量30 mg, 落锤质量为10 kg。特性落高采用GJB 772A-1997炸药试验方法601.2(特性落高法), 药量30 mg, 落锤质量为5 kg。冲击波感度测试采用铝隔板法, 样品尺寸为Φ20 mm × 20 mm, 以JO-9159炸药作为主发药, 用被测样品产生50%概率爆轰的隔板厚度(即临界隔板厚度L50)来表示受试炸药的冲击波感度。
(3) 易损性
枪击试验测试采用GJB 772A-1997 603.2试验方法, 使用12.7 mm机枪, 药柱尺寸为Ф50 mm×76 mm, 壳体厚度3 mm。
烤燃试验模拟弹体内径60 mm、高120 mm、壁厚3 mm, 装填约0.6 kg的GO-1炸药, 弹体两端用端盖封堵, 端盖与弹体通过螺纹连接, 装配图如图 1所示, 弹体及端盖材料均为45#钢。试验过程采用热电偶测试炸药不同位置处的温度变化, 热电偶的具体排布方式见图 2, A和B分别表示装药壳体内壁、中心处。分别以1, 3, 10, 100 ℃·min-1的升温速率对炸药进行加热, 其中100 ℃·min-1的升温条件由火烧试验获得。
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图 1 烤燃试验件装配实物 Fig.1 Sample assembled for cook-off test |
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图 2 热电偶测试炸药不同位置排布情况 Fig.2 Arrangement of thermocouples in the explosive |
(4) 力学性能
抗压强度采用GJB772A-1997方法416.1(抗压强度-压缩法), 试样规格Φ20 mm×20 mm; 抗剪强度采用GTSB-210方法, 试样规格为Φ20 mm×30 mm; 抗拉强度采用GJB772A-1997方法413.1(抗拉强度-直拉法), 试样规格为Φ15 mm×65 mm哑铃。
(5) 热性能
热安定性法采用GJB 772A-1997方法501.2(真空安定性试验——压力传感器法)、方法502.3(安定性和相容性——100 ℃加热法); 爆发点采用GJB 772A-1997方法606.1(爆发点——5 s延滞期)。
3 结果与讨论 3.1 钝感浇注PBX的设计 3.1.1 HMX含量对爆速的影响Asfaw[9]认为金属加速能力主要取决于炸药的爆速和爆炸威力, 如表 1所示, 几种炸药的圆筒试验结果也表明, 单质炸药的爆速越高, 圆筒试验壁速也越高(TNT＜TATB＜CE＜RDX＜HMX)[10], 金属加速能力与炸药的爆速高度一致。因此, 在混合炸药设计时, 兼顾爆速、金属加速能力、安全性等综合因素和潜在的应用需求, 本研究选用HMX作为金属加速炸药的主炸药。
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表 1 几种炸药在不同膨胀距离(R-R0)的壁速[9-10] Tab.1 The velocity of cylinder wall of several explosives at different expansion distance (R-R0) [9-10] |
按GJB772A-1997方法702.1测试GO-1、GO-2、GO-3和GO-4的爆速, 结果如图 3所示。据图 3对爆速和HMX质量含量(87%~92%)进行线性拟合, 得Y=5454.9+33.4X(X为HMX的质量分数, %; Y为实测爆速, m·s-1)。该式仅以固相含量(HMX的质量分数)来估算混合炸药爆速, 避免了BKW、VLW状态方程、KamLet方法等繁琐的数学计算。此线性拟合的相关系数为98.9%, 爆速计算误差比传统方法小, 可以作为高固相含量浇注PBX炸药爆速精确设计的一种简便方法。
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图 3 HMX含量和实测爆速的拟合关系式 Fig.3 Fitted relationship between HMX content and practical detonation velociety |
炸药爆速随固相含量的增加而升高, 但炸药固相含量还受到制备工艺的制约, HMX含量在87%以下的炸药配方, 其制备工艺已日臻成熟, 但当HMX含量超过90%时, PBX炸药成型过程的流变性、成分均匀性和成型质量均大幅下降, 法国Mahé也仅于2012年获得工艺可靠的高固相浇注PBX炸药B2273A(HMX/丁羟粘结剂90/10)[8], 因此本研究选取固含量为90%的HMX基浇注PBX炸药GO-1作为高格尼能钝感金属加速炸药配方, 对其爆轰、安全等性能进行研究。
3.1.2 高品质HMX对安全性的影响对普通HMX的钝化处理, 可使炸药晶体缺陷更少、外形更光滑、晶体密度更高, 有利于降低炸药的感度, 提高安全性。中国工程物理研究院化工材料研究所在HMX钝化处理方面做了大量的研究工作[11-13], 采用经钝化处理后的HMX作为原材料进行安全性能试验, 与普通HMX相比, 处理后的HMX的晶体缺陷和孪晶显著减少, 如图 4所示。
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图 4 HMX的折光匹配光学显微镜图片 Fig.4 Optical microscopy photographs of HMX with matching refractive index |
GO-1、GO-2、GO-3的机械感度和冲击波感度结果见表 2。由表 2可见, GO-1的机械感度和冲击波感度低于GO-2和GO-3, 这是因为GO-1配方中含有高品质晶体HMX, 而且含量较高(90%), 说明HMX的颗粒品质对混合炸药的机械感度和冲击波感度的影响显著。
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表 2 普通HMX和高品质HMX炸药配方的机械感度 Tab.2 Mechanical sensitivity of various formulations using normal HMX and high quality HMX |
钝感剂是浇注炸药粘结剂体系的重要组成部分, 采用合适的钝感剂及用量对降低配方中高固含量的HMX的感度具有重要意义。钝感剂用量过少, 达不到良好的降感效果, 若其用量过高, 则会影响其成型性能和贮存性能, 甚至降低配方的整体密度, 从而降低配方能量, 因此本研究自制了一种复合钝感剂, 与炸药相容性好, 兼有一定的粘结成粒作用, 研究了其含量分别为0%、1%、2%、3%、4%时对混合炸药GO-1机械感度的影响, 如图 5所示。
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图 5 自制复合钝感剂对GO-1配方机械感度的影响 Fig.5 Influence of self-made deterrent content on the mechanical sensitivity of GO-1 |
由图 5可见, 随着复合钝感剂用量的增加, 摩擦感度和撞击感度均呈下降趋势, 当用量为2%时两者已分别降至5%和0;而继续增加复合钝感剂用量至3%和4%时, 摩擦感度和撞击感度基本不变。分析其原因为复合钝感剂含量低于2%时, 对高固含量的HMX包覆不完全导致感度相对较高; 而含量达到2%后, 复合钝感剂和HMX粒子已充分浸润包覆, 同时由于材料间本身物化性质的限制, 机械感度在达到一定值后不再发生明显变化, 故确定复合钝感剂含量为2%~3%。
根据以上研究, 最终确定了一种以高品质HMX为主炸药的浇注PBX炸药GO-1, 固相含量为90%, 钝感剂用量为3%, 实验测得特性落高(H50)大于112.2 cm, 其较低的机械感度为低易损性能奠定了良好基础。
3.2 GO-1炸药的能量特性 3.2.1 GO-1炸药的金属加速能力炸药的金属加速能力一般用格尼能, 即格尼系数来表示, 由GJB 772A-1997方法705.2标准圆筒试验测试得到, GO-1和GO-2配方的圆筒试验结果见表 3。由表 3可见, GO-1的壁速和比动能高于GO-2, 计算得到GO-1和GO-2的格尼系数为2.80和2.77, 说明GO-1驱动金属的作功能力较强, 在对破片威力要求高的杀伤类战斗部装药有更佳的应用前景。
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表 3 GO-1、GO-2的圆筒试验结果 Tab.3 Cylinder test results of GO-1 and GO-2 |
测试了GO-1炸药的密度、爆速、爆压, 结果见表 4。为了比较, 同时给出了PBXN-110、B2273A和B2276A的文献结果。由表 4可见, GO-1的爆速和爆压高于PBXN-110、B2273A和B2276A, 表明炸药GO-1具有较好的爆轰性能, 这主要是因为GO-1采用的是高品质HMX, 球形颗粒使材料的堆积更为致密, 孔隙率下降, 密度和爆速升高。
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表 4 炸药的密度和爆轰性能 Tab.4 Detonation properties and density of four explosives |
对GO-1进行了四发有效枪击试验, 结果见图 6。根据GJB 772A-1997 603.2试验方法对反应等级的判定, 四发GO-1炸药测试样品在被击中后反应等级均为燃烧, 且测得的超压约为3.0 kPa左右, 表明GO-1炸药在枪击作用下反应等级较低, 具有较好的抗子弹撞击能力。
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图 6 GO-1炸药枪击试验现象及回收残骸 Fig.6 Experimental phenomenon of bullet impact test and the recovered debris |
GO-1的烤燃试验结果见表 5和图 7, 除升温速率为100 ℃·min-1快烤试验外, 随着升温速率的增加, 壳体内壁的温度与炸药中心温度差值变大, 当壳体内壁温度超过200 ℃后出现了爆响, 随后炸药发生燃烧反应。由图 7可知, 试验后的壳体仅发生了破裂变形, 并没有出现破片, 可以确定在不同升温速率下GO-1炸药烤燃结果均为燃烧的低反应等级, 从图 7的试验样品及残骸表明, 升温速率愈小反应愈剧烈, 这是因为升温速率越小药柱表面达到爆响温度的时间越长, 炸药与环境间可进行充分的热量传递, 药柱中心的温度越高, 爆响前积聚的热量也越多, 从而使壳体的破坏更为明显。
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表 5 不同升温速率下GO-1炸药反应烈度 Tab.5 Response grade of explosive under different heating rate |
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图 7 试验样品及残骸 Fig.7 Samples before and after cook-off test at different heating rate |
依照力学标准试验方法测得GO-1炸药的抗压强度为3.82 MPa、抗剪强度为2.94 MPa、抗拉强度为1.19 MPa, 力学性能优于美国钝感弹药配方PBXN-110的仿制型GO-924 (GO-924, 抗压强度2.82 MPa、抗拉强度1.0 MPa), 具有较好的成型性能。
3.5 热性能采用真空安定性试验测得放气量为0.026 mL·g-1 (100 ℃, 48 h), 低于2.0 mL·g-1的通用标准, 安定性合格。100 ℃加热法测定结果为:第1个48 h增重0.12%, 第2个48 h(100 ℃)失重0.08%, 加热后GO-1炸药未发生爆炸。实验还测得其5 s爆发点为305 ℃, 测试结果表明GO-1炸药热安定性良好。
4 结论HMX含量为87% ~92%范围内的高固相浇注PBX炸药, 其爆速与HMX含量呈线性关系; 以高品质HMX取代普通HMX可以明显提高混合炸药的安全性; 机械感度随着复合钝感剂用量的增加而降低, 复合钝感剂用量在2%时, 摩擦感度和撞击感度分别为5%和0;以此确立了高格尼能钝感浇注PBX炸药GO-1的组成, 此混合炸药以高品质HMX为固相, 比例达90%, 钝感剂用量为3%, 格尼系数2.80, 爆速8587 m·s-1, 在枪击试验和快、慢烤燃等易损性试验中, 其反应程度均为低反应燃烧等级, 在对易损性要求较高的破片、杀爆类战斗部中有较好的应用前景。
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A new HMX based cast polymer bonded explosive(PBX) GO-1 with high solid loading content was designed, and a linear relationship was obtained by fitting the data between detonation velocity and HMX content. Both the influence of HMX particle property and the composite deterrent content on the mechanical sensitivity were investigated.