带壳装药在不同材质破片撞击下的响应特性

张广华，韩秀凤，沈 飞，贺元吉，王 辉

(1.西安近代化学研究所， 西安 710065； 2.中国人民解放军96901部队， 北京 100094)

1 引言

随着弹药技术的不断发展，对其在存储、使用等过程中的安全性要求日益提高，不敏感弹药设计受到了越来越多的关注。破片撞击，是弹药在全寿命周期内受到的典型外界刺激之一，弹药在破片撞击下的响应特性分析是不敏感弹药设计的重要组成部分。弹药在破片撞击下的响应过程是一个高温、高压、高应变率的非定常反应过程，相关研究中，通常将其等效为破片撞击带壳装药问题。

国内外关于破片撞击带壳装药问题开展过较多研究，并取得了一些研究成果。从已发表的文献资料来看，多数以冲击起爆作为炸药反应的主控机制，通过数值仿真、理论计算及试验等方法获取炸药的点火判据、响应特性与反应机理。王昕等采用AUTODYN软件，开展了钨球撞击不同曲率半径柱面钢壳B炸药的数值模拟，分析了钨球撞击位置对炸药冲击起爆特性的影响；陈卫东等分别开展了钢、铜、钨破片撞击不同厚度屏蔽装药的数值仿真及试验研究，得到了临界起爆判据；辛建国等通过分析破片冲击下装药的响应特性，得出了破片及破碎壳体对壳体内装药的撞击、摩擦等机械作用是导致装药反应的主要原因。屈可朋等对带有不同厚度防护板的装药开展了撞击试验，结果表明，随着防护板厚度的增加，破片撞靶后更容易形成密集分布的碎片群，进而在装药内部形成多个热点，使装药发生更为剧烈的反应。

目前，关于带壳装药在不同材质破片撞击下的响应特性研究相对较少，因此，本文中分别开展了钨、钢破片撞击带壳装药及钢壳试验，分析了破片材质对带壳装药响应特性的影响规律。

2 不同材质破片撞击带壳装药试验

2.1 试验系统

装药结构由前、后端盖、套筒及装药组成，如图1(a)所示：套筒、前、后端盖均采用Q235A钢加工而成，套筒内径200 mm，壁厚10 mm，高度为300 mm；前、后端盖厚度相同，端盖厚度分别为8 mm、10 mm、12 mm；装药由西安近代化学研究所提供，配方(质量分数)为：75%HMX、17%铝粉及8%粘结剂，通过模具压装成型，密度为1.82 g/cm，单节药柱尺寸为200×100 mm，每发试验弹内装填3节药柱；通过6根长螺杆将套筒及装药固定在前、后端盖之间。采用25 mm弹道炮作为破片加载装置，破片材质、尺寸如表1所示，试验现场布局如图1(b)所示。

图1 装药结构和试验现场布局图Fig.1 Charge structure and layout diagram of the test

表1 破片参数Table 1 Fragment parameter

2.2 试验结果及分析

1) 试验结果

通过弹道炮驱动破片以1 600 m/s速度撞击带壳装药，获取装药的响应特性如表2所示，不同条件下，装药发生了爆轰或局部爆然反应，典型响应状态下试验结果的高速摄影照片如图2、图3所示。

表2 装药响应特性参数Table 2 Reaction characteristics paremeterof the charge

图2 爆轰反应的高速摄影照片(钨破片，端盖厚度10 mm)Fig.2 High speed photographic screenshot of detonation reaction (Tungsten fragment,shell thickness 10 mm)

图3 局部爆燃反应的试验残骸和高速摄影照片Fig.3 Wreckage and high speed photographic screenshot of local deflagration reaction

图2为爆轰反应的高速摄影截图，试验现场未找到任何壳体或装药残骸；图3(a)为发生局部爆燃反应后的试样残骸：部分螺杆被从根部拉断，通过断裂面判断为剪切破坏所致，这是由于装药反应后产生的压力破坏装药结构的薄弱环节(套筒与端盖连接处)所致；套筒迎弹面一侧产生径向膨胀，这是由于破片高速撞击装药产生的径向物理膨胀以及局部装药反应导致该区域压力过高共同导致的；现场回收到残药852 g。图3(b)、图3(c)为局部爆燃反应的高速摄影截图，可以看出，该反应状态下典型时刻的火球面积远远小于爆轰反应。

2) 结果分析

H.R.James、M.D.Cook等人认为，破片撞击带壳装药时，壳体的作用在于减小了炸药的受载面积，即，相当于把破片直径减小后撞击裸装药的情况，并推导出了破片撞击带壳装药时的等效半径：

(1)

式(1)中：为破片半径，为壳体厚度，为壳体的冲击压缩声速，为壳体内的冲击波速度，为壳体内粒子速度，根据撞击时的动量守恒定律及界面上的连续性条件得出：

(2)

式(2)中：、分别为撞击瞬间作用在破片、壳体上的冲击波压力；为破片内粒子速度；、分别为破片、壳体密度；、为破片材料的冲击雨贡纽参数，、为壳体材料的冲击雨贡纽参数；为破片撞击速度。

壳体内的冲击波速度通过壳体材料的冲击压缩规律得出：

=+

(3)

由于破片形状为立方体，飞行过程中会存在不规律的翻转运动，导致撞击壳体时具有一定的随机性，为了便于分析，将其等效为标准破片，并按照文献[21]提供的方法对其迎风面积进行计算：

(4)

式(4)中：为破片质量，为破片密度，、、为破片尺寸，通过该式得到破片的初始等效半径：

(5)

对于给定条件的破片及带壳装药，通过式(1)可得破片冲击起爆带壳装药的临界壳体厚度：

(6)

通过计算得到本文试验中不同材质破片冲击起爆带壳装药的临界壳体厚度如表3所示。

表3 临界壳体厚度Table 3 Critical shell thickness

通过表3所示内容可知，本文中试验条件下，钨破片冲击起爆装药的临界壳体厚度为11.8 mm，钢破片为8.8 mm，由此判断：当端盖厚度为8 mm时，冲击起爆是装药发生爆轰的主控机制；当端盖厚度为10 mm时，虽然装药均发生了爆轰反应，但不同材质破片导致装药爆轰的主控机制是有区别的：对于钨破片，冲击起爆仍是装药爆轰的主要原因，而对于钢破片，由于端盖厚度超过了冲击起爆带壳装药的临界壳体厚度，因此，装药爆轰是在冲击波和机械刺激的共同作用下产生的；当端盖厚度为12 mm时，无论钨破片还是钢破片，经端盖衰减后进入装药的冲击波不足以将装药冲击起爆，该条件下带壳装药在钨破片撞击下发生了爆轰反应，在钢破片作用下仅发生了局部爆燃反应，由此推测，钨破片穿靶后具有更强的后效作用，碎片残骸对装药的剪切、摩擦等机械刺激更加剧烈，加之碎片形成过程中会有大量塑性功转变成热能，使其具有较高温度，因此，使得装药在力-热耦合作用下产生多个热点，继而更容易发生剧烈反应。

为了对上述推测进行验证，开展了钨、钢破片撞击钢壳试验，通过后效靶上的穿孔形貌分析不同材质破片的穿靶后效。

3 不同材质破片撞击钢壳试验

3.1 试验系统

通过14.5 mm弹道枪驱动破片以1 600 m/s速度撞击8 mm、10 mm、12 mm厚的Q235A钢板，钢板后250 mm处放置3 mm厚LY12硬铝后效靶，靶板距离枪口7.15 m；距枪口4 m、6 m处布设测速靶，用于测量距枪口5 m处的破片速度。试验现场布局如图4所示，试验用破片参数如表4所示。

图4 弹道枪试验现场布局图Fig.4 Layout of bllistic gun experiment

表4 破片参数Table 4 Fragment parameter

3.2 试验结果及分析

通过试验得到不同条件下的后效靶形态如表5所示。

表5 试验后的后效靶形态Table 5 Aftereffect target morphology after the experiment

通过表5所示内容可以看出，相同条件下，钨破片穿靶后在后效靶上形成的凹坑(图中圆圈所示)数量及穿孔直径均高于钢破片，表明钨破片撞靶后更容易产生密集碎片群，且碎片侵彻后效也相对钢破片更高，试验结果与上一节所作推论一致。

4 结论

1) 端盖厚度为10 mm时，对于钨破片，冲击起爆是装药响应的主控机制，而对于钢破片，装药反应则是在冲击波、机械刺激的共同作用下发生的；端盖厚度为12 mm时，带壳装药在钨破片作用下发生了爆轰反应，在钢破片作用下仅发生局部爆燃反应。

2) 相对于钢破片，钨破片撞击钢板后更容易产生具有较高侵彻后效的碎片群，因此，当装药壳体较厚，即机械刺激是装药响应的主控机制时，带壳装药在钨破片作用下更易发生剧烈反应。