Penetration overloading to concrete target for several typical primary explosives
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摘要: 为考核战斗部引信用火工品中起爆药的抗过载性能及适应性，通过火炮实弹射击的混凝土靶侵彻过载模拟实验，分析了典型起爆药在模拟弹中真实的力学环境、失效特性及承载能力。测试与计算结果表明：实验弹丸过载8.7×104g、脉宽持续时间约2 ms、最大速度708 m/s、侵彻深度0.57 m、起爆药惯性载荷最大瞬态作用力为85.34 N、冲量70.17 mN·s、最大瞬态作用能为0.466 8 J、总能量18.656 1 J。在此力学环境下，由于起爆药质量较小，实际承受加速度引起的作用力较小，与静态撞击感度测试作用势能数量级相当，起爆药在实验弹中未发现损伤。Abstract: In order to examine the overloading resistance performance and adaptability of primary explosive in detonator used for fuse, several typical primary explosives' mechanical conditions, failure character and overloading resistance capability in the simulating bomb was analyzed by the penetration experiment on concrete target. Results from test and calculation showed: The overloading value of tested bullet is 8.7×104g, time is 2 ms, the maximal velocity is 708 m/s, penetrating depth is 0.57 m; The maximal transient acting force of primary explosives in inertial load is 85.34 N; Impulse is 70.17 mN·s; The maximal transient action energy is 0.466 8 J; The total energy is 18.656 1 J. Under this mechanical condition, the actual acting force aroused for acceleration is less due to primary explosive' less mass, and it is comparative to impact sensitivity potential energy at static state of primary explosive. No damage and failure of the primary explosive were found in the tested bullet.
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现代战争要求常规钻地弹具有较大的侵彻深度, 要求战斗部引信和装药的安定性必须满足高过载要求, 其中引信中火工品的过载特性最重要[1-3]。而火工品能否承受高过载首先是建立在对侵彻过程中火工品中起爆药过载特性的准确认识基础上。
目前, 我国侵彻弹药与国外比较穿透深度浅, 毁伤效果弱, 着靶时偶尔会发生表面爆炸与提前爆炸或哑弹的现象。其重要原因之一是火工品及药剂抗过载能力弱, 具体现象有:火工品中药剂与换能元及药剂层面之间界面分离、敏感药剂惯性冲击下意外起爆与点火, 装药密度发生变化, 装药药柱松散开裂变型等等。存在的本质问题是火工药剂力学环境下损伤特性与响应机理没有得到解决, 导致抗过载火工品用药剂的设计缺乏理论依据。
文献[4-7]报道了混凝土靶中样品侵彻与贯穿的过载估算方法以及起爆药化学结构与感度的关系, 对起爆药抗力学过载性能的研究报道很少, 文献[8-10]报道了延期元件和几种典型起爆药的抗过载特性、能力及受力模型。本文中进行几种典型起爆药着靶侵彻过载实验研究, 分析混凝土着靶的力学环境数据, 考核与验证几种常用起爆药在混凝土高过载着靶侵彻实验中抵御高过载的能力, 为抗力学冲击环境下火工药剂的设计与研制提供基础支撑。
1. 火炮实弹射击的混凝土靶侵彻过载实验
改进的大口径57炮发射实验弹, 炮口与靶板距离约10 m。混凝土靶标尺寸为∅2 000 mm×1 000 mm, 混凝土靶板抗压强度为40 MPa, 实验弹理论初速为650 m/s。弹载存储记录器安装在实验弹上, 当实验弹着靶时实时记录弹丸着靶过程的侵彻过载, 并能良好回收。弹丸参数为∅62 mm×218 mm, 质量3.2 kg, 材料为35CrMn5。
起爆药验证样品:按照典型军用雷管的尺寸与质量, 设计管壳为∅5.08 mm×7.50 mm, 内径4.65 mm, 装药量100 mg, 装药条件见表 1。表中BNCP表示高氯酸·四氨·双(5-硝基四唑)合钴(Ⅲ), LA表示叠氮化铅, LTNR表示斯蒂芬酸铅, p为压药压力。
表 1 火炮过载实验起爆药样品装药条件Table 1. Charging conditions of primary explosives in artillery样品 起爆药 p/MPa 7 BNCP 100 9 LA 100 15 LA 50 17 LTNR 50 19 BNCP 50 6个实验样品安装在1个测试弹上, 包括弹载记录器, 弹载记录器装有加速度传感器, 如图 1所示。
图 1 火炮过载实验样品与工装Figure 1. Overloading experiment samples and device of primary explosives in artillery测试弹回收良好, 测试数据有效。加速度传感器测试得到实验件承受的最大过载峰值为8.7×104g, 脉宽持续时间约2 ms, 如图 2所示。
图 2 火炮混凝土过载实验侵彻图片及记录曲线Figure 2. Intruding photograph and recording curve of overloading experiment2. 测试结果分析与讨论
从测试弹上取出起爆药样品, 进行损伤程度与功能失效的鉴定检查与测试, 如图 3~4所示。
图 3 火炮过载起爆药X光照片Figure 3. X-ray photographs of primary explosives before and after overloading experiment
图 4 火炮过载起爆药CT图像Figure 4. CT photographs of primary explosives before and after overloading experiment从X光照片和CT照片可以看出, 过载前后起爆药壳体及药柱尺寸没有发生变形。从视频显微系统的形貌观察, 起爆药微观结构没有发生变化, 如图 5所示。
图 5 起爆药动态过载后的微观形貌Figure 5. Microscopical photographs of primary explosives after overloading experiment通过数据处理, 可以获得整个实验弹的着靶速度-时间曲线和位移-时间曲线, 如图 6所示。从速度图上可以读出着靶的最大速度为708 m/s, 从位移图可以看出炮弹侵彻深度为0.57 m。
根据F=ma、I=Fs、E=FD, 可以获得加载在起爆药上的实际惯性瞬态作用力F、冲量I、能量E, 如图 7所示。从图 7可知:起爆药的惯性载荷最大瞬态作用力为85.34 N, 平均作用力为32.73 N, 冲量I=70.17 mN·s, 最大惯性载荷瞬态作用能E=0.466 8 J, 着靶时程内平均作用能E平=0.133 0 J, 累计总能量E总=18.656 1 J。
图 7 起爆药的力学参数分析图Figure 7. Mechanical parameters analytic curve of the primary explosives高过载主要分为惯性载荷、冲击载荷以及交变载荷。实验中测试工装件和实验弹体给予起爆药以强大的约束保护, 几乎没有受到冲击与挤压。如果仅考虑起爆药的惯性载荷, 则起爆药在最大瞬态作用力85.34 N、冲量70.17 mN·s; 最大瞬态作用能0.466 8 J、累计总能量18.656 1 J下未受到损伤。
对比静态环境下火工药剂的力学性能, 撞击感度是主要临界特征参数值之一。撞击感度的落锤质量、重力加速度与高度的乘积是样品接受的最大能量临界值。表 2是起爆药与对比典型炸药撞击感度的力学性能参数值, 表中H50表示50%落高, m为落锤质量, E为作用势能。
表 2 起爆药的撞击感度的力学性能参数Table 2. Mechanical performance parameters of impact sensitivity of primary explosives at static state试样 H50/cm m/kg E/J BNCP 10.6 0.8 0.831 0 LA 27.4 0.4 1.074 1 LTNR 8.2 0.8 0.642 3 PETN 12.0 2.5 2.940 0 RDX 24.0 2.5 5.880 0 对比着靶侵彻实验, 起爆药承受的最大瞬态作用能与静态撞击感度在同一数量级, 并小于撞击感度的作用势能, 而实际着靶时程内累计的总能量比作用势能高一个数量级, 在这种条件下起爆药没有发现损伤和失效。
3. 结论
对侵彻弹引信火工品中典型起爆药装药进行了混凝土着靶侵彻过载实验, 对弹丸的过载过程力学环境进行了实验测试和数据分析, 结果表明:实验弹丸最大过载峰值为8.7×104g, 脉宽持续时间约2 ms, 最大速度为708 m/s, 侵彻深度为0.57 m。
通过计算获得:起爆药惯性载荷最大瞬态作用力为85.34 N, 平均作用力为32.73 N, 冲量I=70.17 mN·s, 最大瞬态作用能E= 0.466 8 J, 着靶时程内平均作用能E平=0.133 0 J, 累计总能量E总=18.656 1 J。在此力学环境下, 由于起爆药质量较小, 实际承受加速度引起的质点作用力较小, 与静态撞击感度测试的作用势能数量级相当, 因此起爆药在实验弹中未发现损伤。
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图 1 火炮过载实验样品与工装
Figure 1. Overloading experiment samples and device of primary explosives in artillery
图 2 火炮混凝土过载实验侵彻图片及记录曲线
Figure 2. Intruding photograph and recording curve of overloading experiment
图 3 火炮过载起爆药X光照片
Figure 3. X-ray photographs of primary explosives before and after overloading experiment
图 4 火炮过载起爆药CT图像
Figure 4. CT photographs of primary explosives before and after overloading experiment
图 5 起爆药动态过载后的微观形貌
Figure 5. Microscopical photographs of primary explosives after overloading experiment
图 7 起爆药的力学参数分析图
Figure 7. Mechanical parameters analytic curve of the primary explosives
表 1 火炮过载实验起爆药样品装药条件
Table 1. Charging conditions of primary explosives in artillery
样品 起爆药 p/MPa 7 BNCP 100 9 LA 100 15 LA 50 17 LTNR 50 19 BNCP 50 
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表 2 起爆药的撞击感度的力学性能参数
Table 2. Mechanical performance parameters of impact sensitivity of primary explosives at static state
试样 H50/cm m/kg E/J BNCP 10.6 0.8 0.831 0 LA 27.4 0.4 1.074 1 LTNR 8.2 0.8 0.642 3 PETN 12.0 2.5 2.940 0 RDX 24.0 2.5 5.880 0
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