浇注CL-20基混合炸药的高速破片撞击安全性

焦纲领,陈鹏万,王志浩,张丁雄,刘 睿,陈 轶

(1.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室,北京 100081;2.海军研究院,北京 100072)

引 言

随着武器弹药的不断发展,在追求高能量、高威力的同时,弹药安全问题也备受关注[1],其中高速破片作为战场上较常见的威胁场景,相关考核标准已经纳入到美国和北约等弹药不敏感测试项目中[2-3]。

国内外学者对于高速破片撞击已经进行了大量研究,并且通过数值模拟计算和试验验证等方法形成了较为成熟的理论。其中杨洋等[4]通过LS-DYNA数值模拟软件计算了双钨球同时冲击带壳装药的情况,分析了双破片较单破片的冲击起爆临界速度更低的原因;孙宝平等[5]研究了破片撞击受冲击波损失装药点火机理,通过数值模拟和实验验证得到破片撞击点火的临界撞击速度;刘鹏飞等[6]研究了六棱柱和圆柱钨合金破片冲击起爆屏蔽B炸药的比动能阈值,得到了长径比和比动能对起爆屏蔽B炸药的影响;屈可朋等[7]开展了高速破片撞击带壳装药下防护试验研究,分析了装药的反应状态,并且采用数值模拟进行了验证计算,提出了带壳装药的防护结构;文雯等[8]通过高速破片撞击试验现象,研究了撞击速度、传爆药以及高温等条件下对TATB基PBX及其与HNS复合装药的高速破片撞击安全性,验证了加入传爆药和高温环境可恶化装药的高速撞击安全性;吴亚琛等[9]研究了浇注CL-20基混合炸药的驱动性能,并且对炸药的快速烤燃、慢速烤燃和枪弹撞击试验进行了测试,均发生了燃烧反应,证明了浇注CL-20基混合炸药的不敏感性能较好。

六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)作为目前能量最高的单质炸药,在混合炸药方面应用前景广泛,目前国内外已经开展了多项CL-20混合炸药的应用[10-11],但关于其在安全方面的相关研究和报道较少。本研究聚焦CL-20基混合炸药的高速破片撞击安全性,通过制备一种CL-20基混合炸药(简称为GW),设计并开展了静爆试验和高速破片撞击试验;通过分析对比试验结果,研究在不同速度和不同质量破片的高速撞击下CL-20基混合炸药的反应等级,以期为后续CL-20炸药的应用和安全性研究提供参考。

1 试 验

1.1 试验样品

GW炸药由重庆红宇精密工业有限责任公司提供,配方(质量分数)为87%的CL-20和13%的HTPB黏结剂体系,其中CL-20采用高品质ε-CL-20,经过重结晶、球形化处理(如图1所示);黏结剂体系为HTPB和PLAH(一种由酯类和烃类组成的复合增塑剂),自制。装药尺寸为Ф82mm×240mm,装药密度为1.75g/cm3,装药质量为2.24kg。

图1 高品质ε-CL-20Fig.1 High quality ε-CL-20

试验样品由前后端盖和壳体组成,前后端盖采用螺纹连接,材料采用45号钢,壳体厚度为3mm。炸药样品尺寸及实物如图2所示。

图2 试验样品尺寸和实物图Fig.2 Dimensions and physical photograph of test sample

1.2 试验装置

此次试验破片形状采用MIL-STD-2105D标准进行设计,材料为10号钢,破片质量为16g和50g,尺寸分别为Ф13.6mm×15.6mm和Ф19.9mm×22.8mm,如图3(a)所示。将破片放入驱动装置加速达到规定的速度,进而产生高速破片撞击炸药装药。其中爆轰驱动装置的弹托采用尼龙材料,发射管和发射壳体采用45号钢,具体尺寸可以根据发射破片的质量和速度进行调节,发射药柱采用钝化黑索今,可以控制发射药质量、调节破片速度,实物如图3(b)所示。

图3 破片及其驱动装置Fig.3 The fragment and fragment driving device

1.3 试验测试系统搭建与方案设计

为进一步准确判断高速破片撞击试验的反应等级,需要在炸药完全爆轰状态下收集超压、壳体破片速度数据和见证板的破坏情况,因此,在开展破片撞击试验前安排一发静爆试验。静爆试验平面布局如图4所示。试验装置中心高度为1.2m;超压测试布置高度为1.2m,布放距离超压计算值为0.1MPa,确定在4m处布放。测速网靶采用断靶网,数量为3个,距离试验弹1m,断靶网之间的距离为1m;见证板采用2块Q235钢板,厚度为5mm,高度为1.5m,宽度为1m,布放在距离试验样品4m处位置;利用摄像机观察试验反应过程。试验现场如图5所示。

图4 静爆试验俯视平面图Fig.4 Top view of static explosive experiment

图5 静爆试验现场Fig.5 The static explosive experiment site

高速破片撞击试验采用破片驱动装置将破片加载到预期试验速度,当破片撞击试验件后,通过收集超压、壳体破片速度数据和见证板的破坏情况,将试验现象和试验数据与爆轰状态下的静爆试验数据作对比,综合判断分析试验的反应等级。

高速破片撞击试验平面布局如图6所示。试验装置中心高度为1.2m;破片驱动装置沿轴线水平放置在托架上,距试验装置为3m,在破片发射装置约0.5m处布置过滤板,其中心孔洞与破片发射装置轴线齐平。超压测试装置、测速网靶以及见证板的布置情况与静爆试验相同。高速破片撞击试验现场如图7所示。

图6 高速破片撞击试验俯视平面图Fig.6 Top view of the fragment impact experiment

图7 高速破片撞击试验现场Fig.7 The fragment impact experiment site

使用破片驱动装置驱动不同质量的破片到不同的速度,观察破片撞击试验装置后的超压数据、影像资料和见证板破坏情况,分析炸药装药的反应等级,试验工况如表1所示。

表1 高速破片撞击试验条件Table 1 Test conditions of high-speed fragment impact

1.4 反应等级评估

目前,国外标准[2]通常将反映等级划分为爆轰(Ⅰ级)、部分爆轰(Ⅱ级)、爆炸(Ⅲ级)、爆燃(Ⅳ级)、燃烧(Ⅴ级)、无反应(Ⅵ级)6个等级。通常根据壳体破裂程度和破片速度、冲击波超压、见证板、含能材料残余和地面炸坑、影像和声音等进行综合评估。其中,爆轰反应等级与静爆试验现象相似,超压测试结果和壳体破片速度相近,无剩余炸药。部分爆轰与爆炸试验现象较为接近,和爆轰反应相比,超压测试结果和壳体破片速度低于静爆试验结果。爆燃与燃烧反应相近,区别在于爆燃反应通常认为会测到超压结果,而燃烧反应无超压测试结果。无反应指在遭受外部刺激时含能材料不反应或无持续外部刺激时反应立即熄灭,无爆炸火团和燃烧火焰。

本研究通过分析与对比静爆试验与高速破片撞击试验的壳体破裂程度和破片速度、冲击波超压、见证板、含能材料残余等进行综合评估。

2 结果与讨论

2.1 静爆试验结果

静爆试验现场见证板情况及摄像影像如图8所示。由图8可知,爆炸产生了巨大的火球和烟尘,无剩余壳体和含能材料,见证板上产生两个破片穿孔。

图8 静爆试验后现场情况Fig.8 Damage after static explosive experiment

静爆试验获得了4m处的超压数据分别为0.101和0.0806MPa,另外一个测点数据线被打断,无超压数据,平均超压值为0.0908MPa,超压测试曲线如图9所示,与布放超压传感器距离的理论超压计算值相当,证明GW炸药完全爆轰。

图9 超压测试曲线Fig.9 Overpressure curves of tests

爆轰产生壳体破片速度为1435m/s,与文献[12]中HMX基的JO-8炸药破片驱动速度提高30.1%,4m处见证板上有两处破片穿孔,证明GW炸药具有良好的破片驱动性能。

2.2 高速破片撞击试验结果

高速破片撞击试验现场情况及摄像影像如图10所示。从图10(a)中可以看出,破片质量为16g,速度为1818m/s时,试验样品壳体正面发生剪切和撕裂,背面无穿孔,装药壳体有过火痕迹,炸药在壳体内较为完整且发生黑化炭化,通过录像视频截图可知现场发生燃烧反应,试验支架和见证板完好无损,未检测到超压信号;在图10(b)中,当破片质量为16g、速度为2167m/s时,试验样品壳体发生破碎,断裂成两截,壳体发生大面积撕裂,有明显烧蚀过火痕迹,剩余炸药较少且发生黑化炭化,见证板无穿孔,试验支架被燃烧完全,未检测到超压信号;从图10(c)中可以看出,当破片质量为50g,速度为1412m/s时,现场无剩余壳体和炸药残骸,试验样品下方有明显凹坑和燃烧痕迹,支架被折断,见证板上产生38处穿孔,79处凹坑,超压信号线被壳体产生的破片打断,未获得超压数据。

2.3 反应等级评估及分析

通过对比破片撞击试验现场破片情况与静爆试验现场情况,分析见证板上破片穿孔情况,将试验反应现象与反应等级评估进行对照,得到GW炸药的反应等级,见表2。

表2 高速破片撞击反应等级Table 2 Reaction level of high-speed fragment impact

从图10(a)中可以看出,当破片质量为16g、速度为1818m/s时,壳体有一处撕裂开孔,上下端盖较为完整,未见明显膨胀,并未产生破片;炸药发生燃烧反应,直至燃烧完全,表面黑炭化;见证板完整,无破片穿孔情况,综合分析反应等级为燃烧。从图10(b)中可以看出,当破片质量为16g、速度为2167m/s时,壳体大面积撕裂,大块破片脱离壳体飞出,壳体撕裂,上盖螺纹连接部分飞出;部分炸药抛出弹体后燃烧,少量剩余炸药在壳体内完全燃烧,表面同样黑炭化;见证钢板上无破片穿孔,综合分析反应等级为燃烧。从图10(c)中可以看出,当破片质量为50g、速度为1412m/s时,现场破坏较为严重,壳体完全破碎,现场未发现较为完整的破片;无剩余炸药;见证板上产生38处穿孔,79处凹坑。虽然试验超压数据未采集到,但是通过现场现象和见证板破坏情况,对比静爆试验结果,综合分析反应等级为爆轰。通过对比试验现象可知,随着破片速度提高,GW炸药反应也更加剧烈,当撞击速度高达2167m/s时,炸药也只是发生了燃烧反应,证明该炸药在16g破片撞击下具有良好的安全性,与文献[9]中浇注CL-20混合炸药不敏感性能较好的结论一致;当破片质量增加到50g,在撞击速度为1412m/s时发生了爆轰反应,证明GW炸药在50g破片高速刺激下较16g破片高速刺激的响应程度更为剧烈。

GW炸药在破片撞击下安全性提升是因为采用了较高品质的CL-20和HTPB黏结剂体系。重结晶、球形化的ε-CL-20较工业品的ε-CL-20形状更加规则,接近球形,表面较光滑,晶体内部裂纹较少,在浇注过程中可以通过颗粒级配降低炸药之间的空隙,提高装药密度,达到降低炸药感度的目的;HTPB黏结剂体系有较好的力学性能,可以产生大变形,起到较好地包覆和保护作用,避免在破片撞击过程中产生更加剧烈的反应。

3 结 论

(1)GW炸药静爆试验测得壳体破片速度为1435m/s,4m处的超压均值为0.09MPa。试验结果表明该炸药具有良好的破片驱动能力。

(2)在破片质量为16g时,随着破片速度提高至2167m/s时,GW炸药仅发生了燃烧反应,但是当破片质量增加到50g、速度为1412m/s时,GW炸药发生爆轰反应。

(3)重结晶、球形化的ε-CL-20是影响CL-20基混合炸药的关键因素;HTPB黏结剂体系是影响CL-20基混合炸药的重要因素。