火炸药学报    2018, Vol. 41 Issue (2): 192-196   DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.02.015
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引用本文  

张邹邹, 张衡, 杨丽侠, 赵宝明, 靳建伟. 约束条件对发射装药机械冲击作用下敏感特性的影响[J]. 火炸药学报, 2018, 41(2): 192-196. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.02.015
ZHANG Zou-zou, ZHANG Heng, YANG Li-xia, ZHAO Bao-ming, JIN Jian-wei. Effect of Constraint Conditions on the Sensitive Characteristics of Gun Propellant Charges under Mechanical Impact[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2018, 41(2): 192-196. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.02.015

基金项目

国家安全重大基础研究项目

作者简介

张邹邹(1979-), 女, 副研究员, 从事发射药性能检测与评估技术研究。E-mail:393460647@qq.com

文章历史

收稿日期:2017-05-04
修回日期:2017-07-18
约束条件对发射装药机械冲击作用下敏感特性的影响
张邹邹, 张衡, 杨丽侠, 赵宝明, 靳建伟     
西安近代化学研究所, 陕西 西安 710065
摘要: 选用制式发射药进行了子弹撞击、破片撞击和空心装药射流撞击试验,研究了钢和可燃药筒的强、弱两种约束条件对发射药在机械冲击作用下敏感特性的影响。结果表明,在子弹撞击和破片撞击的高速机械冲击作用下,约束条件对发射装药的敏感特性响应结果影响明显;强约束条件下发射装药发生燃烧或爆炸响应,弱约束条件下发射装药无响应或发生燃烧响应,在空心装药射流的最强机械冲击作用下,约束条件对发射装药的敏感特性响应结果无明显影响,弱、强约束条件下发射装药的响应结果一致;在发射装药壳体上设计容易泄压的薄弱环节有利于降低发射装药受到意外机械冲击作用时的反应剧烈程度。
关键词: 子弹撞击     破片撞击     空心装药射流撞击     发射装药     约束条件    
引言

我国现役弹药在研发装备过程中主要考虑战技指标和发射安全性能,未进行不敏感化设计。在现代战场上,为了保证火力的持续性,往往携带的弹药基数都很大,受到敌方攻击时可能发生剧烈的燃爆乃至爆炸等响应。为了提高武器平台在战场上的生存能力,避免因自身装备弹药受刺激发生剧烈响应而损毁,国内外特别重视中大口径火炮弹药用高能不敏感发射药与装药的研发,子弹撞击、破片撞击和高速射流撞击试验涵盖了弹药受到不同口径型武器和破片类弹药攻击时评估和检验弹药敏感特性的重要实验[1]。国内首次结合型号对155mm火炮用模块装药的易损性评估通过“射流撞击”和“子弹撞击”两项试验,对大口径火炮用发射药进行了不敏感性能试验和研究[2];孙宝平等[3]研究了破片撞击速度对装药点火的影响;熊冉等[4]研究了破片冲击金属壳体引爆炸药的临界条件;杨建等[2, 5]对不同配方和药型发射药进行子弹撞击特性研究;杨丽侠等[6]进行了射流撞击下发射装药的易损性响应特性研究;韩博等[7]对某发射装药进行了子弹撞击和空心装药射流等实验。

本实验研究了约束条件对发射药在机械冲击作用下敏感特性响应剧烈程度的影响,为现役弹药不敏感性改进及新型不敏感弹药设计提供参考。

1 实验 1.1 实验样品及构件

实验样品为粒状单基药、粒状太根药,均为制式发射药。

构件A:壳体材料为45号钢,壁厚为3mm±0.04mm,采用两端带螺纹的端盖(端盖厚3mm±0.04mm)与圆柱部密封连接;

构件B:壳体材料为主要成分是NC的可燃药筒,壳体厚度为2mm。

发射装药样品构件主要模拟我国中小口径火炮弹药的设计结构、药室体积、装填密度、壳体材料和厚度等,因此,试验样品与构件A组成的样品构件模拟发射装药的强约束条件,试验样品与构件B组成的样品构件模拟发射装药的弱约束条件。

1.2 子弹撞击试验

子弹为制式12.7mm穿甲标准燃烧弹,枪口距离样品构件30m,子弹撞击速度为(850±20)m/s;见证板为5mm厚的L型45号钢板;根据试样发生反应后的破片数量、大小等状况判别反应的剧烈程度。试验装置布局见图 1

图 1 子弹撞击试验装置布局图 Figure 1 Layout map of the bullet impact test device
1.3 破片撞击试验

试验发射装置为海30制式火炮的药室结构和25mm口径身管组装的发射模拟装置,发射Φ12.7mm的锥形破片撞击样品构件,破片撞击速度为(1580±50)m/s,发射药受到刺激产生剧烈的化学反应,根据样品构件响应后的见证板状态、破片大小和数量等分析反应类型。试验装置示意图如图 2所示。

图 2 试验装置示意图 Figure 2 Schematic diagram of the test device
1.4 空心装药射流撞击试验

采用Φ50mm射流感度用的标准射流源撞击样品构件,在样品构件底面放置一块12mm×300mm×300mm的底见证板(45号钢板),两支压力传感器布置在距离样品中心3.8m处,根据试样响应后的见证板状态、破片大小和数量等数据分析反应类型。试验现场布局如图 3所示。

图 3 试验现场布局图 Figure 3 Layout map of testing site
2 结果与讨论 2.1 子弹撞击试验中约束条件对发射装药敏感特性的影响

子弹撞击试验模拟发射药在受到口径5.56~20mm的小型武器攻击时发生意外的敏感程度和产生爆炸作用的剧烈程度,试验结果如图 4所示。

图 4 典型发射装药子弹撞击试验结果 Figure 4 Testing results of bullet impact tests for the typical propellant gun charges

图 4可以看出,单基药与构件A组成的强约束条件在受到子弹撞击时,壳体大块撕裂,药粒四散,收集到极少量残药,药粒大部分燃烧,发生了爆炸响应;单基药与构件B组成的弱约束条件在受到子弹撞击时壳体大块撕裂,药粒四散,药粒表面完好,无燃烧反应;太根药与构件A组成的强约束条件受到子弹撞击时,壳体从子弹撞击处撕裂,大量残药四散,大部分药粒表面燃烧,发生了燃烧响应;太根药与构件B组成的弱约束条件在受到子弹撞击时,壳体撕裂,药粒四散,无燃烧反应。

约束条件对发射药在子弹撞击下的敏感特性响应影响明显,发射装药在强约束条件下发生爆炸或燃烧响应;而在弱约束条件下无燃烧反应。在强约束条件下构件A受到子弹撞击的破裂瞬间,发射药粒受到较高的温度流场和初始压力下的冲击和摩擦,形成热点,迅速分解燃烧,在壳体内形成一定压力,发生气固相反应,压力上升,发生剧烈反应,由于不同典型配方的发射药对机械冲击感度不同,在受到子弹撞击时发生了不同的化学物理反应——燃烧或更剧烈的爆炸响应,而在弱约束条件下构件B受到子弹高速撞击壳体破裂,药粒四散,造成热点无法集中,不能形成高温高压的局部环境,无燃烧反应发生。

对构件A的上端盖设计一处厚0.5mm、直径50mm的容易泄压的薄弱环节,进行子弹撞击试验,试验结果如图 5所示。

图 5 发射装药壳体设计薄弱环节对子弹撞击试验结果的影响 Figure 5 Effect of weak link designed on the shell of gun propellants on the results of bullet impact test

图 5可知,在强约束的钢密封构件上设计薄弱环节,有利于壳体内迅速聚集的压力冲破薄弱环节,降低反应剧烈程度。

2.2 破片撞击试验中约束条件对发射装药敏感特性的影响

破片撞击试验主要模拟受到破片类弹药攻击时发生意外的敏感程度和产生爆炸作用的剧烈程度,试验结果如图 6所示。

图 6 典型发射装药破片撞击试验结果 Figure 6 Testing results of fragment impact tests for the typical propellant gun charges

图 6可知,单基药与构件A组成的强约束条件受到破片撞击时壳体炸飞,撕裂成多个大小不一的碎片,少量残药四散,发生爆炸响应;单基药与构件B组成的弱约束条件,壳体破裂燃烧完全,有少量残药喷射燃烧,发生了燃烧响应;太根粒状药与构件A组成的强约束条件,壳体撕裂,大量残药四散,仅燃烧表面发生了爆炸响应;在构件A上增加薄弱环节,薄弱环节冲断,壳体破裂成碎片、收集到少量表面燃烧的残药,发生爆炸响应;太根粒状药与构件B组成的弱约束条件大片壳体残留,大量残药四散,部分燃烧,发生了燃烧响应。

在受到12.7mm锥形高速破片撞击时,约束条件对发射药在破片撞击下的敏感特性响应影响明显。构件B的弱约束条件受到高速破片撞击,以NC为主要成分的壳体与发射药粒受到高速摩擦着火,同时,NC壳体破裂,破裂的NC壳体和药粒四散继续燃烧,不发生比燃烧更剧烈的反应;在构件A的强约束条件下,发射药粒受到高速破片的冲击和摩擦,形成热点并发生分解燃烧反应,由于受到的机械刺激强度更高,壳体内的反应压力迅速聚集上升,发生剧烈反应——爆炸响应。在强约束条件下,尽管在端盖设计了0.5mm厚的薄弱环节,仍没有改变试样的响应剧烈程度,这是因为受到撞击速度约1580m/s的12.7mm锥形破片高速撞击摩擦,发射药粒迅速分解燃烧释放大量气体,壳体内压力急剧上升,瞬间撕裂壳体发生了剧烈反应,0.5mm的薄弱环节作用失效。

2.3 空心装药射流撞击试验中约束条件对发射装药敏感特性的影响

射流撞击试验主要是模拟发射药在受到口径40mm以上的重型武器攻击时,发生意外的敏感程度和产生爆炸作用的剧烈程度,试验结果如图 7所示。

图 7 空心装药射流撞击试验结果 Figure 7 Testing results of shaped charge by jet impact tests

图 7可以看出,在空心装药射流撞击的最强机械冲击作用下,单基药与构件A组成的强约束条件下壳体炸成小碎片,底部见证板弯曲变形,3.8m处的冲击波峰压值为56.5kPa,无残药,发生了爆炸响应;单基药与构件B组成的弱约束条件下壳体底部见证板弯曲变形,冲击波峰压值为68.5kPa,无残药,发生了爆炸响应;太根粒状药与构件A组成的强约束条件下壳体炸成碎片,见证板微变形,药粒表面燃烧,残药有的完整,也有破碎的药粒,发生了爆炸响应;太根粒状药与构件B组成的弱约束条件下壳体炸成碎片,未见残药,见证板变形,发生了爆炸响应。

根据试验现场破坏情况和爆轰波压力结果可知,在机械冲击刺激源更强的空心装药射流撞击下,约束条件对发射药敏感特性响应类型没有明显影响,这是因为在密集的高速金属粒子的机械冲击作用下,大量发射药粒同时燃烧,瞬间生成大量燃气,壳体内压力增加且大量燃气向未燃烧发射药粒渗透产生压缩波,加速了发射药粒燃烧,使得压力累积形成更强压缩波,发生剧烈反应。

3 结论

(1) 发射装药的约束条件对机械冲击作用下的敏感特性影响与冲击作用的类型有关,在子弹撞击和破片撞击的高速机械冲击作用下,约束条件对敏感特性影响明显,弱约束条件下发射装药不会发生比强约束条件更剧烈的反应。在空心装药射流的最强机械冲击作用下,约束条件对发射装药的敏感特性响应没有明显影响。

(2) 在不影响发射装药弹道性能指标的前提下,适当降低约束强度或设计容易泄压的薄弱环节,有利于减弱发射装药受到意外机械冲击作用的反应剧烈程度。


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Effect of Constraint Conditions on the Sensitive Characteristics of Gun Propellant Charges under Mechanical Impact
ZHANG Zou-zou, ZHANG Heng, YANG Li-xia, ZHAO Bao-ming, JIN Jian-wei     
Xi'an Modern Chemistry Research Institute, Xi'an 710065, China
Abstract: The tests of bullet impact, fragment impact and shaped charge jet impact of gun propellants were carried out. The effect of the two strong and weak constraint conditions of steel and combustible cartridge on the sensitive characteristics of gun propellants under mechanical shock action was studied. The results show that under high speed mechanical shock action of bullet impact and fragment impact, the effect of constraint conditions on the response results of sensitive characteristics of propellant charge is obvious.The propellant charge produces combustion or explosion response under the strong constraint, but no response or combustion response under the weaker constraint conditions. Under strongest mechanical impact action of shaped charge jet, the response results of constraint condition on the sensitive characteristics of propellant charge is insignificant, the response results of propellant charge is consistent under the weak and strong constraint conditions. The weak link of easy relieve pressure designed on the shell of propellant charge is conducive to reducing the acuteness of reaction of propellant charge from accidental mechanical shock.
Key words: bullet impact     fragment impact     shaped charge jet impact     propellant gun charge     constraint condition