射流撞击下发射装药的易损性响应特性

杨丽侠，张玉成，张邹邹，赵 瑛，张 衡，宋长文

（西安近代化学研究所，陕西 西安 710065）

引 言

易损性是指火炸药由于事故（碰撞）、严酷环境（火灾）或敌方的攻击（冲击波或高速破片）而发生意外的敏感程度和产生爆炸作用剧烈程度的综合［1］。因刺激源不同，发射装药的易损性响应也不同。为了评判其易损性响应，世界各国建立了不同的模拟试验装置和方法［2-7］。美军标［2］规定使用快速烤燃、慢速烤燃、子弹撞击、破片撞击、殉爆试验、空心装药射流和热破片撞击共7种刺激源试验，来评判战场环境下弹药的易损性。英美等国研究认为［8-9］，在众多危险性刺激中，最严厉的刺激是空心装药射流撞击，并将这种刺激作为一种筛选工具用来筛选评价发射药配方。

为了建立我国发射药易损性试验方法和判据，本试验研究了4种典型发射装药在射流撞击下的响应特性，通过测量冲击波压力值，观察底见证板及反应现象等表征发射装药的易损特性，分析装药约束条件、尺度效应等对响应的影响规律，并对现役发射药射流撞击响应评价和排序。为筛选现役发射药、促进低敏感发射药的研究提供技术依据。

1 实 验

空心装药射流源为西安近代化学研究所研制的Φ50mm 标准射流源，主装药为聚黑-16；密度1.73g／cm3；爆速约8 390m／s，能量为360m3／μs2，药型罩直径50mm，锥角60°。4种发射药配方组分及火药力见表1。

表1 4种发射药配方组分及火药力Table 1 Ingredient and impetus of the four gun propellants

发射装药样弹主要模拟我国中小口径火炮弹药的设计结构、药室容积、装填密度、壳体材料和厚度等，因此，试验采用两种约束条件，强约束条件模拟金属药筒结构，45 号钢密闭圆柱桶，Φ82mm×281mm，厚度为3mm，上盖设计有薄弱处，可模拟制式弹的拔断力；弱约束为可燃药筒结构，密封圆柱桶，壳体材料为NC，厚度约2mm，装药量为1kg和2.5kg两种。试验时，将药型罩置于被试样品侧面，距离为100mm（2 倍射流源直径），底面放置1块300mm×300mm×12mm 的钢质见证板。两支壁面压力传感器（瑞士Kistler公司生产）布置在距离样品中心3.8m 处，用于测量冲击波压力曲线，由雷管引爆空心装药，产生射流撞击发射装药样弹。

2 结果及分析

2.1 不同配方发射药的响应特性

将4种发射药装于可燃壳体（弱约束），射流撞击试验结果见图1。由图1可看出，单基药（1kg）在金属射流粒子的冲击下底见证板发生了半球形弯曲变形，其中部凹坑拱高约为9cm，可燃壳体被炸成碎片，冲击波峰压值为68.5kPa；太根药（1kg）反应后其见证板也发生了弯曲变形，凹坑拱高约7cm，壳体炸成碎片，冲击波峰压值为61.5kPa；硝基胍药（1kg）在射流粒子冲击后，试验现场反应明显，底见证板严重弯曲，并形成剪切孔，孔的周围有大面积灼烧痕迹，现场有碎末状壳体残骸，冲击波峰压值为92.5kPa；硝胺药（1kg）受射流冲击后，现场振动明显加剧，底见证板整体卷曲，样弹底部剪切穿出圆形孔，周围有撕裂状，试验现场有碎末状药筒残骸，冲击波峰压为117.5kPa，4种发射药样弹射流撞击后均未发现残药。根据冲击波峰压、见证板及试验现场综合分析，发射装药射流反应的剧烈程度取决于发射药配方，响应由弱到强的排序为太根药、单基药、硝基胍药和硝胺药，在太根药配方中低敏感的太根可降低发射药射流撞击的易损性。

图1 弱约束装药射流撞击后底见证板Fig.1 Witness plates in feeble restrict condition under shaped charge jet impact

2.2 约束条件对发射装药响应的影响

将药粒置于45号钢壳体内（强约束），射流撞击试验结果见图2。单基药（1kg）射流冲击后，底见证板半球形弯曲，中部凹坑深度约为6～7cm，距爆心1.5m 范围内见到多个小钢片，端盖位于爆心1m处，5m 处捡到较大钢碎片，冲击波峰压值为56kPa，试验现场未见到残药；太根药的底见证板凹坑为4～5cm，距爆心2.5m 处见到碎钢片，6m 处捡到剪切的顶端盖，并发现了残药药粒，冲击波峰压值为50.5kPa；硝基胍药的底见证板剪切穿出不规则圆孔，有大面积灼烧痕迹，现场见2cm2左右碎铁片，碎片最远飞至50m 处，未见残药，冲击波峰压值为78kPa；硝胺药的底见证板穿孔直径约为12cm，呈撕裂状，铁片多个，约1.2×2.0cm，冲击波峰压值为94kPa，无残药。综合分析强约束下的冲击波峰压、见证板的凹坑深度、穿孔及变形、金属壳体碎片大小等，约束条件对发射装药射流刺激有影响，射流穿透金属壳体后会衰减其撞击速度，减弱对装药的冲击，如强约束下4种发射药的冲击波峰压均比弱约束下减少10～20kPa，但不影响其射流撞击响应由弱到强的排序。

参照美军标MIL-STD-2105C 危险性评估试验判据［2］，受到射流撞击后金属壳体破裂成碎片，见证板明显凹坑变形，但未穿孔，为爆炸反应；样品受到射流撞击后金属壳体破碎成小碎片，见证板塑性穿孔变形，可能有残药，为部分爆轰反应类型。因此，根据弱、强约束下发射装药射流撞击的试验结果，单基药和太根药发生了爆炸反应；硝基胍药和硝胺药的反应类型为部分爆轰；4种发射装药在强弱约束下的反应类型一致，无论模拟金属药筒装药的强约束，还是可燃药筒装药的弱约束，均不影响对发射药易损性反应类型的评价。

图2 强约束装药射流撞击后底见证板Fig.2 Witness plates in strong restrict condition under shaped charge jet impact

2.3 尺度效应分析

以中小口径和海军舰炮为背景，选用装药量为1kg的试验样弹，为扩大应用范围，将2.5kg单基药和太根药分别装于可燃壳体内，射流撞击试验结果见图1。图1结果表明，单基药受射流撞击后底见证板严重变形，凹坑深度为9～11cm，有明显灼烧痕迹，现场见到碎末状药壳残骸，呈扇形分布于6m 范围内，未见残药，冲击波峰压值为60kPa；太根药见证板中部凹坑深度约为7cm，壳体粉碎，8m处捡到有破碎的药粒，残药内孔径变大，呈部分燃烧。在1kg和2.5kg条件下，两种发射药的易损性响应剧烈程度相当，同属爆炸反应类型，分析说明该射流源撞击可使1kg单基药发生爆炸反应，增加装药量未使反应机理改变从而导致反应速率剧增，也未改变反应类型，因此在公斤级药量下，尺度效应对射流撞击下发射装药反应类型的影响不明显。

3 结 论

（1）在特定的空心装药射流刺激下，4种典型发射装药均发生较为强烈的反应，由弱到强的排序为太根药、单基药、硝基胍药和硝胺药。其反应类型依次为爆炸、爆炸、部分爆轰和部分爆轰。

（2）约束条件对发射装药射流刺激有影响，射流穿透金属壳体后衰减其撞击速度，会减弱对装药的冲击，但不改变反应类型；试验评价发射药的易损性响应，起主导作用的仍然是发射药配方本身。

（3）在公斤级药量下，尺度效应未改变发射药反应机理使反应速率剧增，也未改变反应类型。

［1］王泽山.火炸药理论与实践［M］.北京：中国北方化学工业总公司，2001：326-327.

［2］MIL-STD-2105C，Hazard Assessment Tests For Non-Nuclear Muni-tion［S］.2003.

［3］杨丽侠，张邹邹，刘来东.发射装药热刺激下的易损性响应试验研究［J］.火炸药学报，2008，31（3）：71-74.

YANG Li-xia，ZHANG Zou-zou，LIU Lai-dong.experimental study on vulnerability response of propelling charge to thermal stimuli［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，2008，31（3）：71-74.

［4］王建灵，俞统昌，郭炜.一种射流源和炸药射流感度的研究［J］.爆炸与冲击，2007，27（4）：370-374.

WANG Jian-ling，YU Tong-chang，GUO Wei.studies on a shaped charge jet and jet sensitivity of explosives［J］.Explosion and Shock Waves，2007，27（4）：370-374.

［5］张邹邹，杨丽侠，刘来东，等.子弹撞击对发射药易损性响应影响研究［J］.含能材料，2011，19（6）：715-719.

ZHANG Zou-Zou，YANG Li-xia，LIU Lai-Dong，et al.Vulnerabile response of gun propellant by bullet impact test［J］.Chinese Journal of Energetic Materials，2011，19（6）：715-719.

［6］Doolan C.A two-stage light gas gun for the study of high speed impact in propellants［R］.［s.n.］：DSTO Aeronautical and Maritime Research Laboratory，2001.

［7］申春迎，向永，代晓淦，等.高聚物黏结炸药的冲塞试验研究［J］.火炸药学报，2010，33（2）：29-32.

SHEN Chun-ying，XIANG Yong，DAI Xiao-gan，et al.study on the spigot tests of polymer bonded explosive［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，2010，33（2）：29-32.

［8］Leach C，Kelly J.Factors affecting the vulnerability of composite LOVA gun propellants［C］／／Insensitive Munitions ＆ Energetic Materials Technology Symposium.Arlington：NDIA，2000.

［9］Brithwaite P.The promise of energetic TPE gun propellant from notebook to full scale verification［C］／／NDIA 37th Annual Gun and Ammunition Symposium.San Diego：NDIA，2002.