炸药装药侵彻安全性模拟实验方法研究

屈可朋，肖 玮，李亮亮

炸药装药侵彻安全性模拟实验方法研究

屈可朋，肖 玮，李亮亮

（西安近代化学研究所，陕西西安，710065）

为使炸药装药侵彻安全性模拟试验环境更接近炸药装药实弹侵彻过程中的受力环境，基于“应力率等效”和“摩擦功率密度等效”原则，分别建立了压缩载荷模拟实验方法和摩擦载荷模拟实验方法。实验结果表明，模拟实验中药柱所受应力率和摩擦功率密度的量值与实弹侵彻过程中炸药装药所受量值相近，能够模拟炸药装药实弹侵彻过程中的受力环境，并利用“比较法”验证了模拟实验方法的有效性。

炸药装药；侵彻安全性；模拟实验；压缩载荷；摩擦载荷

近年来，侵彻战斗部已经成为攻击地下深层目标或舰艇的重要手段。战斗部在攻击目标靶的过程中，其炸药装药承受的载荷主要包括两方面：一是炸药装药自身惯性作用使弹体头部对其产生强烈的压缩作用；二是炸药装药与壳体内壁或炸药装药内部产生的摩擦作用[1]。战斗部装药的侵彻过程就是应力载荷的动态施加过程，可导致炸药装药损伤、结构完整性破坏甚至早炸等，影响战斗部的使用安全性和作战效能。因此，需要开展炸药装药在侵彻条件下的安全评价。

目前，实验室研究炸药装药在压缩载荷作用下安全性的方法主要有：落锤加载试验[2]、小型后作冲击模拟试验[3]、霍普金斯试验[4-5]等，这些试验方法加载速率较低，加载时间一般为毫秒量级，无法等效侵彻过程中炸药装药所受应力载荷；对于炸药装药在摩擦载荷作用下安全性的研究主要是采用标准摩擦装置[6]，适用于毫克级粉状或浆状材料，并以爆炸概率表征其摩擦感度，但不能定量测量出摩擦载荷的量值，亦不能评价炸药装药在侵彻环境下的摩擦安全性。

本文提出了一种新的炸药装药侵彻安全性模拟实验方法，能较好地模拟炸药装药实弹侵彻时所受应力载荷，并基于“比较法”验证了模拟实验方法的有效性，为科学评价炸药装药侵彻安全性提供技术支撑。

1 实验方法

1.1 压缩载荷模拟实验方法

压缩载荷模拟实验采用“应力率等效”原则，即模型实验中炸药装药所承受的应力率与炸药装药侵彻过程中所受应力率相等效。实验所用压缩载荷模拟实验装置如图1所示。

图1 压缩载荷模拟实验装置

通过高速弹丸撞击上击柱，由上击柱对药柱施加轴向压缩应力，从而实现对炸药装药的压缩加载，击柱底部的传感器记录炸药装药在压缩过程中所受的应力波形。可通过调节重量、速度及增加缓冲装置的方法调整应力率，观测药柱在不同应力率下的反应情况，然后与炸药装药使用环境下的应力率进行对比，即可考核装药在实际使用过程中的压缩安全性。

1.2 摩擦载荷模拟实验方法

摩擦载荷模拟实验采用“摩擦功率密度等效”原则，即模型实验中炸药装药所承受的摩擦功率密度与炸药装药侵彻过程中所受摩擦功率密度相等效。

实验所用摩擦载荷模拟实验装置如图2所示。通过自由落体的重物撞击端盖，对模拟药和药柱施加轴向压缩应力，并利用传力柱的最大运行距离控制摩擦载荷的作用距离，药柱与传力柱间的模拟药是为了避免传力柱金属端面与药柱端面直接接触，而药柱另一侧的模拟药在轴向压应力作用下，先于药柱与摩擦筒内壁发生摩擦，使摩擦筒尚未与药柱发生摩擦的内壁温度上升，以模拟炸药装药的真实使用环境；由于套筒的内孔为变径中心孔，快速冲压作用使得摩擦筒内的模拟药和药柱产生周向膨胀，由粘贴于摩擦筒侧壁外圆周上的应变片测量其周向应变。为了更准确地模拟弹体装药的真实环境，可在摩擦筒内壁涂覆与真实弹体内壁同样的各类涂层，如铁红漆、沥青漆等。

图2 摩擦载荷模拟试验装置

依据厚壁圆筒弹性理论[7]，可算出药柱摩擦过程中所受周向压力。

式（1）中：，分别为厚壁圆筒的内、外半径；1为厚壁圆筒材料的杨氏模量；为套筒外壁环向应变。通过周向压力及速度，进而可得到摩擦功率密度，通过与炸药装药使用环境下的摩擦功率密度做比较，即可考核装药在实际使用过程中的摩擦安全性。

2 实验结果及分析

2.1 压缩载荷模拟实验

文献[8]的研究结果表明，某型航弹以500m/s速度侵彻C30混凝土靶时，炸药装药所受的压缩应力峰值约为500MPa，应力的上升前沿约100μs，故其应力率为5MPa/μs。采用上述压缩载荷模拟实验装置，上、下击柱及套筒均采用高强度钢加工而成，套筒内径为40mm，缓冲垫为聚乙烯材料，尺寸为φ40mm×5mm，药柱为φ40mm×40mm的圆柱体，端面平整。以一级轻气炮作用加载源，弹丸以400~450m/s的速度撞击上击柱，药柱在不同应力率下的力学响应特性列于表1。

表 1 不同应力率加载条件下药柱的响应特性

Tab.1 Response characteristics of explosive under the different stress rate loading condition

由表1可见，模拟实验中药柱所受的应力率与实弹侵彻条件下炸药装药所受应力率在量值上相等效，能够考核装药在实际使用过程中的压缩安全性。

2.2 摩擦载荷模拟实验

文献[9]的研究结果表明：某型航弹以500m/s速度侵彻C30混凝土靶时，炸药装药的摩擦最大载荷出现在装药尾部，此处，炸药装药与弹体的最大相对位移为80mm，最大摩擦功率密度为9.38×107W/m2（假定摩擦系数为0.1）。采用上述摩擦载荷模拟实验装置，摩擦筒内径为40mm，模拟药柱尺寸分别为φ40mm×10mm和φ40mm×80mm，炸药药柱尺寸为φ40mm×20mm。依据文献[9]的研究结果，弹体中炸药装药和壳体的最大相对位移为80mm，故传力柱的最大压缩量也设定为80mm。在摩擦筒内壁涂覆约0.5mm铁红漆。

实验中，利用400kg重锤从不同高度自由落体对样弹击柱施加轴向应力，药柱在不同摩擦功率密度作用下的力学响应特性列于表2。由表2可知，模拟实验中药柱所受的摩擦功率密度与实弹侵彻条件下炸药装药所受摩擦功率密度在量值上相等效，能够考核装药在实际使用过程中的摩擦安全性。

表 2 不同摩擦功率密度作用下的药柱的响应特性

Tab.2 Response characteristics of explosive under different friction power density loading condition

2.3 模拟实验方法的有效性验证

由于工程实验中难以直接获取炸药装药所受应力，故采用“比较法”验证炸药装药侵彻安全性模拟实验方法的有效性，即：以已成功应用于工程试验验证的炸药装药为基准，采用本文的模拟实验方法，考核新型高能炸药的侵彻安全性，从而说明新型高能炸药在工程试验中的适用性。有效性验证实验采用HMX基温压炸药与已成功应用于某型侵彻弹的RDX基PBX炸药装药进行对比，该RDX基PBX炸药装药以500m/s速度穿透4m厚的C30混凝土靶，装药安定。

设计了4种HMX基温压炸药（采用了不同的配方或成型工艺），分别采用RDX基PBX炸药最大未反应应力率和最大未反应摩擦功率密度时的加载条件，测试4种HMX基温压炸药的响应特性，结果见表3。

表 3 不同HMX基温压炸药的响应特性

Tab.3 Response characteristics of different HMX-based thermobaric explosive

由表3可见，未燃未爆的炸药配方或成型工艺能够满足工程实验的要求，反之，则不满足要求。在模拟实验中未燃未爆的2#样品顺利通过了炸药装药侵彻安定性实弹考核（以500m/s速度穿透4m厚的C30混凝土靶），说明了该实验方法的有效性。

3 结论

（1）模拟实验中药柱所受应力率和摩擦功率密度的量值与实弹侵彻条件下炸药装药所受量值相等效，能较好地模拟炸药装药实弹侵彻时所受应力载荷。（2）采用“比较法”能够定性评价新型高能炸药在工程试验中的侵彻安全性，为炸药装药侵彻安定性评估提供了技术支撑。

[1] 梁增友.炸药冲击损伤与起爆特性[M].北京:电子工业出版社,2009.

[2] Joshi V.S., Richmond C.T. Characterization of ignition threshold of PBXN-110 using hybrid drop weight-Hopkinson bar [C]//14th Detonation Symposium Proceedings.Idaho: Office of Naval Research,2010.

[3] 周培毅,徐更光,张景云,等.改B炸药装药发射安全性实验研究[J].火炸药学报,1994(4):34-36.

[4] Balzer J. E, Siviour C. R, Walley S. M,et al.Behaviour of ammonium perchlorate-based propellants and apolymer -bonded explosive under impact loading[J]. Proc.R.Soc. Lond.A,2004(460):181-806.

[5] 张子敏,许碧英,仲恺,等.冲击载荷作用下JH-14C传爆药的动态响应实验研究[J]. 火炸药学报, 2010, 33(1):57-59.

[6] 胡双启,赵海霞,肖忠良.火炸药安全技术[M].北京:北京理工大学出版社,2014.

[7] 徐芝纶. 弹性力学(第三版)[M].北京：高等教育出版社,1990.

[8] 赵生伟,初哲,李明.抗侵彻过载战斗部装药安定性实验研究[J]. 兵工学报,2010,31(增刊1):284-287.

[9] 谷鸿平,冯伟,李鹏飞.侵彻载荷下装药与壳体摩擦生热对炸药安定性影响数值计算[C]//第十二届全国战斗部与毁伤技术学术交流会论文集,2011.

Study on Simulating Experimental Method for the Safety of Explosive Charge during Penetration

QU Ke-peng, XIAO Wei, LI Liang-liang

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an, 710065)

In order to make the simulating experimental environment approach to the practical stress environment of explosive charge during the penetration, based on equivalent principle stress rate and that of friction power density, the compression load simulating experimental method and friction load simulating experimental method were established respectively. The results showed that the numerical value of stress rate and friction power density in simulating experiment are similar to that in practical penetration, therefore the simulating experiment can simulate the practical stress environment of explosive charge during the penetration. Meanwhile, the validity of simulating experiment method is verified by comparative law.

Explosive charge；Penetration safety；Simulating experiment；Compression load；Friction load

1003-1480（2017）01-0046-03

TQ560.72

A

2016-09-09

屈可朋（1983 -），男，副研究员，主要从事弹药材料动态力学响应及安全性评估研究。

国家重大基础科研专项（EPYSYZ01）。