炸药在异常环境下的安全性一直是含能材料领域研究的重点, 异常环境包括力、热耦合刺激, 如高温撞击。在低冲击载荷下, 炸药会发生严重的机械损伤、失效、变形及流动, 导致点火, 更复杂的是损伤(热、机械损伤)导致炸药性能变化, 以致影响炸药点火及之后的反应发展过程, 使得炸药的点火阈值及反应程度发生变化。因此, 研究炸药在撞击载荷下的点火阈值及响应特性对炸药使用及运输过程中的安全性评估具有重要的意义。

目前, 国外主要针对高温下炸药的撞击/冲击安全性变化开展了大量的研究, 主要集中在受热炸药的冲击起爆方面(即输入压力大于2 GPa)。如Dallman等^[1]研究了PBX-9502和LX-17炸药在常温、75 ℃和252 ℃下到爆轰距离与引爆压力关系; Urtiew等^[2-5]以及Tarver等^[6]广泛开展了三氨基三硝基苯(TATB)基以及奥克托今(HMX)基高聚物粘结炸药(PBX)受热冲击起爆, 获得了炸药热损伤后的冲击起爆响应特性。对于输入压力小于2 GPa受热炸药非冲击点火安全性问题, 国内, 代晓淦等^[7-8]设计了射弹撞击试验开展了初步的研究, 发现HMX高温相变显著影响PBX炸药撞击安全性; 李金河等^[9]采用火炮飞片加载以及电磁粒子测速技术研究了HMX基炸药常温下的反应阈值, 获得了炸药的化学反应以及点火反应阈值, 但未考虑力、热耦合作用以及炸药状态对反应阈值的影响。由于高温和撞击耦合加载作用实验比较困难, 同时受热炸药撞击作用机制更复杂, 涉及力、温度等多种因素的相互影响, 不确定性较大。因此, 不同输入压力下加热炸药的撞击安全性问题研究相对较少。

为此, 本研究在常温和75 ℃下, 以射弹撞击加载方式, 研究不同撞击速度时PBX-2炸药射弹的响应特性, 分析了不同输入压力对常温和75 ℃ PBX-2炸药射弹撞击响应的影响, 为评估力、热耦合作用下炸药的安全性提供参考。

采用的高温下PBX炸药射弹撞击试验(简称为高温撞击试验)装置如图 1所示^[7-8]。试验时, 将炸药柱放入装置壳体内, 首先利用加热装置以一定的升温速率加热装置壳体, 热量通过热传导方式从壳体传入炸药柱内, 将炸药加热。当炸药加热至预定温度时发射射弹, 撞击装有炸药的壳体, 使炸药样品受到热、撞击、剪切等多种刺激的综合作用, 导致炸药样品发生不同程度的反应。根据高速摄像图像、空气冲击波超压、试验件残骸, 进行综合分析, 评价加热前后炸药的撞击安全性变化。

图 1(Fig. 1)

图 1 高温射弹撞击试验示意图 1—金属挡板, 2—电加热带, 3—炸药, 4—射弹, 5—发射装置, 6—冲击波超压传感器, 7—支撑架, 8—热电偶 Fig.1 Schematic diagram of projectile impact test at high temperature 1—metal baffle, 2—electric heating device, 3—explosive, 4—projectile, 5—launch device, 6—shock-wave overpressure sensor, 7—underprop, 8—thermocouple

试验过程中主要采用MEMRECAM GX-1高速录像机, 观测射弹撞击炸药点火反应情况; 在距离撞击点3 m位置处用冲击波超压测试系统(冲击波超压传感器、YE6600电荷放大器以及泰克示波器组成)测量炸药反应超压; 采用K型热电偶监测炸药边缘的温度。

高温撞击试验中装药壳体结构示意图见图 2所示, 由炸药试样、壳体、压盖等组成。炸药尺寸Φ50 mm×50 mm, 压盖厚度为4 mm, 材料为Q235钢; 压环、壳体材料均为Q235钢。试验时在装药壳体外套上电加热带, 实现对装置加热, 具体见图 3所示。对常温和75 ℃两种状态下的PBX-2炸药(主要由HMX、TATB和粘结剂组成)开展试验研究。射弹尺寸为Φ20 mm×20 mm, 材料为Q235钢, 加载速度可达1000 m·s^-1。

图 2(Fig. 2)

图 2 高温射弹撞击试验中装药壳体结构示意图 1—螺钉, 2—压盖, 3—压环, 4—炸药试样, 5—壳体, 6—热电偶 Fig.2 Schematic diagram of charge shell configuration of projectile impact test at high temperature 1—cover plate, 2—bolt, 3—retaining ring, 4—explosive sample, 5—shell, 6—thermocouple

图 3(Fig. 3)

图 3 PBX炸药高温射弹撞击试验装置照片 Fig.3 The photograph of projectile impact test for PBX device at high temperature

由于试验中压力测试困难, 故采用计算方法模拟分析PBX-2炸药受力过程, 为此, 建立了射弹撞击计算模型, 如图 4所示, 图中标注点A位于压盖与炸药接触面, 计算网格尺寸为1 mm×1 mm。对炸药采用PLASTIC_KINEMATIC模型计算射弹撞击过程中炸药受力, 钢壳体材料模型为JOHNSON_COOK, 常温和75 ℃两种温度下炸药力学参数见表 1^[10]。

图 4(Fig. 4)

图 4 射弹撞击计算模型 Fig.4 Model of calculating the projectile impact

表 1(Tab. 1)

表 1 PBX-2炸药力学参数 Tab. 1 Mechanical parameters of PBX-2 explosive materials test condition density /g·cm-3 compressive module /GPa compressive strength /MPa PBX-2 ambient temperature 1.849 10.1 44.9 75 ℃ 1.835 1.9 6.3

表 1 PBX-2炸药力学参数 Tab.1 Mechanical parameters of PBX-2 explosive

采用有限元程序LS-DYNA对该撞击试验进行了数值计算, 给出了常温400 m·s^-1射弹撞击下计算的典型应力云图, 如图 5所示; 计算了常温和75 ℃条件下不同速度撞击时A点的受力曲线, 结果如图 6所示。由图 5a可见, 在400 m·s^-1射弹速度撞击下, 在撞击后23 μs时压盖已发生较大变形, 此时射弹未击穿压盖; 从图 5b可知, 在撞击后42 μs时射弹已击穿压盖, 并剪切形成圆片, 可见撞击过程中射弹边缘接触处有明显的剪切作用, 该射弹撞击试验中对炸药作用的主导机制是强剪切作用。

图 5(Fig. 5)

图 5 计算得到的常温400 m·s-1撞击下典型应力云图 Fig.5 Typical stress distribution at ambient temperature and 400 m·s-1 obtained by calculation

图 6(Fig. 6)

图 6 计算的常温和75 ℃时不同撞击速度下A点受力曲线 Fig.6 Stress curves of the point A under various projectile velocities at ambient temperature and 75 ℃

从图 6可看出, 对于常温PBX-2炸药, 在200 m·s^-1撞击速度下, 撞击峰值压力约为0.52 GPa; 在800 m·s^-1速度下, 撞击峰值压力约为2.6 GPa。对于75 ℃ PBX-2炸药, 在200 m·s^-1撞击速度下, 撞击峰值压力约0.33 GPa, 在800 m·s^-1撞击速度下, 撞击峰值压力达到约为1.54 GPa。由此可见, 由于75 ℃时PBX-2炸药的力学性能改变, 导致在相同速度撞击下PBX-2炸药受力均远低于常温条件。因此, 相比于常温, 要使加热至75 ℃时PBX-2炸药发生点火反应, 就需要更高的撞击速度。

图 7是回收的射弹撞击常温以及75 ℃ PBX-2炸药的试验装置残骸照片。从图 7a中可以看出^[7], 对于常温炸药, 当速度在237 m·s^-1时, PBX-2炸药表面有一凹坑, 装置完好, 表明此时炸药没有发生反应; 当速度在269.9, 321.2 m·s^-1时, 壳内无剩余样品, 表明此时炸药发生了反应; 以786.3 m·s^-1速度撞击, 压盖被击穿, 约束壳体裂为两块; 以844 m·s^-1速度撞击, 未回收有壳体残骸, 见证板上留有壳体高速撞击的凹坑, 连接件上有明显反应导致的痕迹, 表明此时炸药发生了高烈度反应; 1033 m·s^-1撞击下的结果与844 m·s^-1速度撞击结果基本一致。

图 7(Fig. 7)

图 7 回收的常温和75 ℃时试验装置残骸照片 Fig.7 Photographs of recover wreckages of test device at ambient temperature and 75 ℃

炸药被加热至75 ℃时, 在射弹速度为276, 294 m·s^-1时, PBX-2炸药表面有一凹坑, 壳体完好, 高速录像测试发现未有点火出光现象, 表明炸药未反应; 当速度在367 m·s^-1左右时, 壳内未有剩余样品, 撞击过程中有点火出光现象, 表明此时炸药发生了反应; 在553 m·s^-1速度撞击下, 约束壳体裂为两块, 底板未被击穿; 在786 m·s^-1撞击下, 约束壳体裂为三块, 底板被击穿, 表明炸药未发生剧烈反应; 在830 m·s^-1撞击下, 反应形成了小破片, 表明此时炸药发生了高烈度反应。

图 8为射弹撞击常温和75 ℃下PBX-2炸药超压与弹速曲线, 结合图 7结果照片综合分析, 对于常温PBX-2样品, 在237, 247.2, 263.5 m·s^-1时PBX-2炸药没有发生反应; 而在速度为269.9, 305.6 m·s^-1时反应超压在15 kPa附近, 表明炸药发生了爆燃反应; 在321.2 m·s^-1时PBX-2炸药反应超压达到了约22 kPa, 仅比同等条件下雷管起爆PBX-2炸药(即射弹撞击试验装置中PBX-2炸药完全爆轰时产生的超压)产生的超压差5 kPa左右, 表明PBX-2炸药发生的反应接近爆轰; 在700~800 m·s^-1时, 反应超压在15 kPa附近, 表明炸药发生了爆燃反应; 在844, 879, 1033 m·s^-1时, 反应超压为22~24 kPa, 接近同等条件下雷管起爆PBX-2炸药产生的超压。加热至75 ℃时, 射弹以276, 294, 316 m·s^-1的速度撞击PBX-2, 炸药均未发生反应; 速度为367 m·s^-1时反应超压约4 kPa, 发生了爆燃反应; 在553, 786 m·s^-1速度撞击下反应超压均小于10 kPa, 显著低于常温样品, 而在速度830, 879 m·s^-1时, 反应超压约为25 kPa, 均高于同等条件下常温样品。

图 8(Fig. 8)

图 8 常温和75 ℃下射弹撞击PBX-2炸药超压与弹速曲线 Fig.8 Curves of impact velocity-overpressure of PBX-2 explosive at ambient temperature and 75 ℃

试验结果表明, 常温PBX-2炸药撞击点火反应速度阈值为263.5~269.9 m·s^-1; 加热至75 ℃时, PBX-2炸药撞击点火反应速度阈值为316~367 m·s^-1。相比常温条件, 75 ℃下PBX-2炸药的力学性能显著降低, 其撞击点火反应速度阈值显著升高。在非冲击点火条件下^[11], 75 ℃时PBX-2炸药反应超压明显低于常温状态, 主要原因^[12-13]是炸药被加热至75 ℃后, 粘结剂明显发生了流动, 填补了原有孔隙, 相比常温炸药, 加热后炸药柱中缺乏孔隙而不易形成对流燃烧, 炸药燃烧面积相对较小, 气体生成速率和能量释放速率都受到很大的限制, 使得炸药反应超压低于常温状态。

由图 6压力计算结果和图 8超压结果可知, 相比常温状态, 射弹以大于800 m·s^-1的速度撞击75 ℃ PBX-2炸药需要较低的输入压力, 就能使其产生更为剧烈的反应。

加热至75 ℃时, PBX-2炸药的力学性能显著降低, 导致受力明显低于常温条件。

高温撞击试验中, 当射弹速度小于800 m·s^-1时, 常温PBX-2炸药撞击点火反应速度阈值为263.5~269.9 m·s^-1之间; 加热至75 ℃时, PBX-2炸药撞击点火反应速度阈值为316~367 m·s^-1。相比于常温条件, 在射弹撞击速度高于800 m·s^-1时, 约1.54 GPa的输入压力就能使75 ℃下的PBX-2炸药产生更为剧烈的反应。

温度和力学性能耦合作用导致加热前后PBX-2炸药撞击响应特性变化, 相比温度敏化效应, 加热导致的力学性能变化是影响75 ℃下PBX-2炸药的撞击响应特性(点火反应速度阈值、反应程度)的主导因素, 75 ℃时PBX-2炸药撞击点火速度阈值显著提升, 反应程度明显下降。