王世英，李向东

(1. 西安近代化学研究所，陕西 西安710065;2. 南京理工大学，江苏 南京290014)

0 引言

长久以来，大口径榴弹装填高能炸药一直是各国提高压制武器威力的主要途径之一，但受发射安全性制约，高能炸药未能实现在压制武器上的广泛应用，这就使大口径榴弹的威力受到限制。

新型高能压装含铝炸药作为一种非梯基 (不含TNT)高能炸药，具有优良的成型性、安全性及环境适应性。俄罗斯已经利用压装工艺将含铝炸药装填于大口径榴弹中，使大口径榴弹的威力提高50%以上。为推动自主研制的新型压装含铝炸药在我国压制武器上的应用，需要研究解决该型含铝炸药装填大口径榴弹的发射安全性问题。

所谓榴弹发射时炸药装药安全性，即榴弹装药在膛内发射时，炸药装药因承受高过载引起的内应力作用所引发的膛炸的可能性。

为了对榴弹炸药装药在发射过程中的安全性做出评估，首先需了解炸药装药时发生膛内危险的引发条件，即炸药装药在膛内发射时早炸的因素。榴弹在膛内发射过程中，发射装药燃烧产生的高压气体［1］使炸药装药的惯性后坐所形成的应力，这对炸药的作用，将对装药发射安全性产生重大影响。当炸药装药内含有气泡、裂纹、底部间隙(底隙)等疵病时，后坐所产生的应力可能在这些缺陷处产生局部热点，引发炸药的爆炸反应，其起爆机制是热点起爆［2］。当装药无宏观缺陷时，炸药在发射过程中受到剪切作用或装药与壳体之间的摩擦，以及炸药晶体的破碎等［3］，也可能形成局部热点，引发炸药装药的“点火”。

目前，大口径榴弹装药更新换代，新型含铝炸药是较理想的选择方向。该炸药采用从俄罗斯引进的新型分步压装工艺，可以实现无宏观可见缺陷装药，可以大幅度提高其装药的安全性。

国内外评价炸药装药的发射安全性主要主试是通过数值计算、实验室试验研究和实弹射击试验验证。三种数值计算可以对炸药装药在膛内发射时的响应应力进行预估，实验室试验是判定一种炸药装药能否进行最终实弹射击试验验证的前提和基础。目前，国内外较为成熟的试验手段有大落锤模拟试验和膛压发生器试验。

本文就是通过对新型高能含铝炸药装药在155 mm火炮膛内发射时响应的主要应力进行预估，利用大落锤试验系统模拟主要的加载应力，对新型高能压装含铝炸药在无宏观装药缺陷下的安全性进行预判，为其开展实弹射击试验验证提供依据。

1 影响安全性分析

通常情况下，炸药装药的可见缺陷，如装药内含有气泡、裂纹、底部间隙(底隙)等是影响其发射安全性的主要因素，但新型高能含铝炸药采用分步压装工艺，可以从装药工艺上实现装药无宏观缺陷，保证其安全性，可能影响其发射安全性的因素就是装药的密实度，分步压装工艺的特点使新型高能含铝炸药装药相对密可度控制在94% 以内，另外，装药在长期储存后，在环境温度的作用下，可能影响其安全性。

因此，利用大落锤实验系统，本文设计了不同密实度装药和装药在温度循环后的模拟加载试验来考核其安全性能。

2 膛内发射时力学响应计算

2.1 计算参数的选择

对新型高能压装含铝高能炸药RL －F 在155 mm火炮膛内发射时的力学响应进行计算，模拟计算时炸药采用分段线性塑性模型(MAT_ PIECEWISE_ LINEAR_ PLASTICITY)，该模型可以向程序输入材料真实应力及真实应变之间的关系曲线。实际计算过程中，材料首先发生弹性变形，在材料应力到达屈服应力后，开始沿输入的材料应力等效应变曲线硬化。炸药的主要参数如表1 所示。

表1 炸药的材料参数

2.2 计算结果

弹丸在发射过程中主要受到火药气体压力、弹带赋予弹丸的导转侧力、弹丸在膛内运动时由于不均衡因素引起的不均衡力、弹丸和火炮内壁之间的摩擦力、旋转离心力等作用，在计算弹丸膛内运动过程中炸药装药安全性时，主要考虑火药气体压力和旋转离心力，其它力对装药的安全性影响较小，在计算过程中不予考虑。

在常温(20℃)、高温(50℃)和低温(－40℃)三种状态，结合对应的膛内最大压力作为输入参数，对炸药装药的应力响应进行计算。

弹底的压力采用内弹道的计算结果［4］，压力载荷的变化曲线如图1 所示，强加载弹底压力为高温弹底压力的1.3 倍，最大膛压接近480 MPa，最大弹底压力达到430 MPa。

通过计算得到的常温和高低温发射环境下的响应炸药轴向应力和mises 等效应力随时间变化曲线见图2、图3 和图4。

从图2，3，4 的计算结果可以看出，在常温、高温及低温三种温度环境条件下发射时，炸药的轴向应力最大值分别为159，181.1，139.1 MPa;mises 等效应力最大值分别为55.07，62.13，48.75 MPa。

图1 弹丸发射过程弹底压力曲线

图2 常温发射时炸药应力响应

图3 高温发射时炸药应力响应

图4 低温发射时炸药应力响应

3 落锤模拟试验研究

3.1 大口径火炮发射载荷分析

膛内发射条件下，通过155 mm 的膛压常温全装药实测p-t 曲线可以看出(见图5)，其最大加载应力为330 MPa，载荷前沿约6 ms。

图5 155mm 底凹弹全装药常温下的膛压(p－t)曲线

3.2 实验装置及模拟实验弹

在参考国外类似研究的基础上［5－6］，实验采用自行设计的大型落锤式加载系统，该系统能够模拟榴弹发射时膛内轴向应力状态。利用该系统测得的加载应力波形稳定，重复性好。

实验中落锤锤重达400 ㎏，通过调节落锤落高实现不同的应力加载。

模拟装药采用φ40 mm ×40 mm 的药柱装于套桶中［6］，药柱两端用密封垫密封，落锤释放后通过活塞实现对炸药装药的应力加载，刺激量通过调整落锤的落高来实现。大落锤模拟实验装置和模拟弹示意图见图6 和图7 所示［7］。

根据对大型撞击加载模拟装置的设计要求，主要模拟火炮发射状态下，炸药装药的轴向加载的主要力学环境，要求加载装置的加载应力上升时间能够与实际火炮发射时装药底部的应力上升时间一致或者更短，这样可以使对炸药装药作用的应力率大幅度提升。因为应力和应力率与炸药的安全性成正向关系，所以这样做可以达到强化加载的目的，使刺激的载荷较实际发射时更强，得到的试验数据的安全裕度更高。

图6 模拟实验装置示意图

图7 模拟弹示意图

为达到强化加载试验的目的，落锤加载曲线选择2倍膛压(660 MPa)进行模拟试验，加载的应力率强化1 倍(加载时间为3 ms)。图8 为落高为600 mm 时，落锤加载P-t 曲线。

图7 落锤加载p-t 曲线

3.3 不同密实度装药模拟试验

按照图7 的刺激载荷，对含铝炸药在不同相对密度装药，各进行了一组落锤安全性模拟试验，试验结果见表2。

表2 不同密度RL－F 药柱撞击加载实验结果

结果显示，随着装药密度的提高，炸药装药在同一加载条件下的响应无显著差异，且在落高为600 mm，即最大加载应力达到2 倍火炮膛压时，炸药装药未发生点火起爆反应，装药也是安全的。

3.4 装药经温度循环后的模拟试验

为了考核炸药装药在经过温度循环后的发射安全性，对常温和经高低温循环后的炸药装药，开展了大落锤实验，实验采用两种装药密度各两组，经－50 ～70 ℃温度循环7 天后，进行大落锤撞击试验。温度循环后，装药温度循环加载曲线如图9 所示。

图9 温度循环曲线

落锤模拟试验结果见表3。

表3 温度循环试验前后的大落锤试验结果对比

通过温度循环试验后样品的大落锤试验结果与常温试验结果的对比可以发现，压装含铝炸药RL －F 在经过高低温循环后，其落锤模拟的安全性与常温装药相比无显著变化，且其炸药装药响应应力在550 MPa是安全的。

4 结论

1)新型含铝炸药装药不同密度的试验结果表明，装药相对密度83% ～94%可以保证其2 倍膛压载荷的安全性要求。

2)通过温度循环试验后样品的大落锤试验结果与常温试验结果的对比可以发现，新型压装含铝炸药RL－F 在经过高低温循环后，其落锤模拟的安全性与常温装药相比无显著变化。

3)新型高能压装含铝炸药在无宏观缺陷装药的落锤模拟试验表明，炸药装药试验模拟弹在2 倍最大膛压的轴向应力加载时是安全的。根据榴弹装药发射时的膛内响应计算可知，落锤加载落高600 mm 时，炸药装药的响应应力达到574 MPa 是安全的，说明压装含铝炸药装药的抗载荷能力较火炮膛内发射载荷有较大余量。

［1］芮筱亭，冯宾宾，王国平. 发射装药发射安全性评估方法［J］. 兵工自动化，2011，30 (5):56 －60.

［2］章冠人，陈大年. 凝聚炸药起爆动力学［M］. 北京:国防工业出版社，1991，89 －127.

［3］田轩，王晓峰，等. 撞击加载下炸药晶体的破碎特征［J］. 火炸药学报，2012:35 (01)，27 －30.

［4］张柏生，李云蛾. 火炮与火箭内弹道理论［M］. 北京:北京理工大学出版社，1996，81 －83.

［5］Myers T F，Hershkowitz J. The effect of base gap on setbackshock sensitivities of composition B and TNT as determined by the NSWC setback－shock simulator ［C］ // Proceeding of the Seventh Symposium (International)on Detonation.Annapolis:U.S Naval Academy，1981，914 －923.

［6］Belanger C. Study of explosive shell filling with defeats in simulated gun launch Conditions ［C］ // Short J M. The Ninth Symposium (International)on Detonation.Portland:Office of the Chief Naval Research，1989，623 －640.

［7］王世英，王淑萍，胡焕性. 榴弹炸药装药发射早炸的模拟实验系统研究［J］. 兵工学报，2002，23 (4):541 －545.