Steven 试验中含TNT 类炸药的响应特性

代晓淦,文玉史,李敬明

(中国工程物理研究院化工材料研究所,四川 绵阳621900)

引 言

炸药柱撞击感度是评价炸药安全性能的主要指标之一,目前主要采用苏珊试验、Steven 试验等方法进行表征。苏珊试验方法[1]对炸药受到刺激时内部的压力、应变变化情况缺乏数据,难以进行定量分析;Steven 试验可获得撞击条件下更多的炸药反应历程信息,使其测试结果便于数值模拟计算,预估炸药在撞击情况下的安全性能。

国外Idar 等人[2-3]采用Steven 试验方法研究了HMX 基炸药,如LX-04、PBX9404、PBX9501 等的反应程度,并进行了数值计算,通过对比锰铜压力计、碳压力计和PVDF 计等测得的压力曲线,获得了炸药的反应速率方程参数。国内研究者[4]也采用S teven 试验研究了老化前后HMX 基PBX-2 炸药撞击感度的变化。

目前,在安全性试验中均是针对特定尺寸,与实际应用中的装药相差甚远。因此,需要在安全性试验中研究不同尺寸炸药的响应规律,然而,对于TNT 类炸药在撞击作用下不同尺寸装药的响应规律研究报道较少,难以评估此类实际应用环境下的安全性能。为了获得Steven 试验中含TNT 类炸药的响应特性,本研究开展了不同尺寸下含TN T 类炸药的安全性能研究,获得了其撞击响应规律。

1 实 验

试样样品盒试件结构示意图见图1,由炸药试样、样品盒、钢盖板、聚四氟乙烯环、压力计等组成。对TNT 炸药和B 炸药(m(TNT):m(RDX)=40 ∶60)进行试验,TNT 药柱尺寸Ф98 mm ×13mm,装药量160g 。B 炸药药柱采用两种尺寸:Ф98 mm ×13 mm,装药量155.8 g;Ф98 mm ×39 mm,装药量494 g。样品盒底厚度为 19 mm ,盖板厚度为3.5 mm,材料为Q235 钢。2 kg 试验弹结构示意图见图2,弹体材料为2A12 铝,弹头材料为Q235 钢,球面半径SR31mm。

用高速摄像记录试验弹的撞靶速度以及撞靶至点火爆炸的过程;通过压力测试,获得试样受撞击过程的受力变化;用空气冲击波超压测试系统测量试样发生爆炸时产生的空气冲击波超压。

2 结果与分析

2.1 撞击速度对炸药反应程度的影响

图3是弹丸撞击不同尺寸B 炸药过程的高速摄像照片。从图3可以看出,对于Ф98 mm ×13mm样品,弹丸撞击到样品盒试件后继续运动,在延迟一段时间后高速摄像记录有发光现象,表明此时B炸药已发生反应,随着弹丸继续运动,点火逐渐熄灭,未能增长。对于Ф98 mm ×39mm 样品,弹丸撞击到样品盒试件后继续运动,在延迟一段时间后高速摄像记录有发光现象,表明此时B 炸药已发生反应;随着弹丸的继续运动,点火逐渐增长。

图4是回收的TNT 炸药残骸照片。当弹丸分别以43.55、88.31、195.64 和215.54 m/s 速度撞击样品盒时,试验中均没有出现反应,除样品盒中心被撞击出现凹坑、盖板变形外,样品盒上的螺钉完好均未被拉断,且在215.54 m/s撞击速度下TNT 炸药发生了较大流动。对于Ф98mm×13 mm 的TN T 炸药,在以上撞击速度下均未测到冲击波超压,表明TNT炸药均未发生反应。

图5是不同尺寸B 炸药试验的残骸照片。对于Ф98 mm×13 mm 样品,当弹丸以64.1 m/s 的速度撞击时,炸药被撞出一个凹坑,并未发生反应;当弹速为163.3 m/s 时,炸药表面有凹坑,并有明显的发黑痕迹,表明炸药发生了燃烧反应;当弹速为229.6 m/s 时,无剩余炸药,螺钉被拉断,表明炸药发生了爆燃反应;当弹丸以66m/s 的速度撞击时,炸药仅有一个凹坑,炸药发生较大塑性流动,未发生反应;当弹速为76.9 m/s 时,炸药有反应痕迹;当弹速为93.2 m/s 时,无剩余样品,螺钉被拉断,但样品盒完整,说明炸药发生反应的程度比较温和。

图5 不同尺寸B 炸药试验残骸照片Fig.5 Photographs of recovered sample for composite B in Steven test

表1 为不同尺寸B 炸药Steven 撞击试验结果。从表1可看出,对于Ф98 mm ×13 mm 炸药,反应超压(Δp)稳定在4 ～6 kPa,且在撞击速度229.6 m/s后才发生爆燃反应。对于Ф98 mm ×39 mm 炸药,在撞击速度约76 m/s 后开始发生反应,且反应超压明显高于13 mm 厚炸药。

表2 不同B 炸药S teven 撞击试验结果Table 2 The results of different size Com posite B in Steven test

2.2 炸药尺寸对射弹起爆速度阈值的影响

由表1可知,B 炸药的厚度对射弹速度阈值影响很大。Ф98mm ×13 mm 和Ф98 mm ×39 mm 炸药的射弹起爆速度阈值分别为184.2 ～229.6 m/s和66 ～76.9 m/s。可见,随着B 炸药厚度的增加,其射弹起爆速度阈值有所降低。

国外学者对Susan 试验和Steven 试验进行了数值模拟[5],认为炸药的起爆是由于碰撞所产生塑性流和绝热剪切带局部热效应所引起,同时国外研究表明[6]:摩擦、剪切、塑性流动(大变形)是Steven试验的主要点火反应机制。因而,对于13 mm 厚的TNT 和B 炸药,由于TN T 的熔点仅为80.9 ℃,当受到撞击作用时,摩擦、剪切等作用产生的高温可导致TN T 熔化,使得材料具有较强的流动性,从图4 和图5 也发现这一现象。熔化吸收了撞击过程中产生的大量热能,同时由于样品只有13 mm 厚度,塑性流动产生的热能小于39 mm 厚的样品,使得13 mm 厚TN T 、B 炸药的撞击起爆速度阈值在180 m/s 以上。而对于39mm 的厚B 炸药,撞击下塑性流动较13 mm 样品更大,产生的热能也更多,因此其撞击起爆速度阈值比13 mm 厚样品的低。

2.3 压力测试分析

图6 为Steven 试验中B 炸药底部的压力-时间曲线。从图6 中可以看出,对于Ф98 mm ×13mm B 炸药,当弹速为184.2 m/s 时,炸药底部受力在17μs 时达到约0.30 GPa;当弹速为229.6 m/s 时,炸药底部受力在15 μs 时达到约0.40GPa。对于Ф98 mm×39 mm B 炸药,当弹速为93.2 m/s 时,炸药底部受力最大约0.14GPa,压力持续作用时间达到600μs,在630 μs 时 跳变 至0.4 GPa;当 弹速 为229.6 m/s 时,炸药底部受力在30 μs 时才开始发生变化,45 μs 时达到约0.17 GPa,随后持续增长至0.5GPa。因此,对于B 炸药,炸药厚度变化对炸药底部受力有显著的影响。

图6 Steven 试验中B 炸药底部的压力-时间曲线Fig.6 The pressure vs.time curves for composite B in Steven test

3 结 论

(1)Steven 试验中,由于撞击产生高温可导致TN T 熔化,使其具有较强的流动性,因此TNT 炸药在射弹速度200m/s 左右撞击下没有发生反应。对于Ф98 mm×13 mm 的B 炸药,射弹起爆速度阈值为184.2 ～229.6 m/s,Ф98 mm ×39 mm 的B 炸药,射弹起爆速度阈值约为66 ～76.9 m/s。

(2)随着B 炸药厚度的增加,射弹起爆速度阈值逐渐降低,反应超压增加,且炸药厚度变化对炸药底部压力有显著影响。

[1]GJB772A-1997.炸药试验方法[S].北京:国防科学技术工业委员会,1997.

[2]Idar D J ,Lucht R A ,S traight J W ,et al.Low amplitude insult project:PBX9501 high explosive violent reaction experiments[C]//11th International Detonation Symposium.Snow mass:[s.n.],1998,101-110.

[3]Vandersall K S,Chidester S K,Forbes J W ,et al.Experimental and modeling studies of crush,puncture,and perforation scenarios in the Steven test[C]//12th International Detonation Symposium.San Diego:[s.n.],2002.

[4]代晓淦,向永.两种塑料粘结炸药的Steven 试验及撞击感度研究[J].含能材料,2006,14(1):10-13.

DAI Xiao-gan,XIANG Yong.Study of steven test and impact sensitivity for two explosives[J].Energetic M aterial,2006,14(1):10-13.

[5]Partom Y.A threshold criterion for impact ignition[C]//12th International Detonation Symposium.San Diego:[s.n.]:2002.

[6]董海山,周芬芬.高能炸药及相关物性能[M].北京:科学出版社,1989.