两次冲击作用下压装炸药损伤规律研究
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第 ５０ 卷 第 ６ 期 爆 破 器 材 Ｖｏｌ. ５０ Ｎｏ. ６
２０２１ 年 １２ 月
Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｄｅｃ. ２０２１
１ － 高压气室ꎻ２ － 子弹ꎻ３ － 炮管ꎻ４ － 测速装置ꎻ５ － 端盖 １ ＃ ꎻ
６ － 端盖 ２ ＃ ꎻ７ － 定位板ꎻ８ － 实验装置ꎻ９ － 砧体ꎮ
图 ２ 实验装置示意图
特性ꎮ 结合扫描电子显微镜( ＳＥＭ) 分析了损伤模
Ｆｉｇ. ２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｙｓｔｅｍ
ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｌｏａｄｉｎｇ.
[ ＫＥＹＷＯＲＤＳ] ｓｈｏｃｋꎻ ｐｒｅｓｓｅｄ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓꎻ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｄａｍａｇｅꎻ ｇａｓ ｇｕｎꎻ ｄａｍａｇｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ
有重要意义ꎮ
引言
国内外针对单次冲击作用下的装药损伤做了大
量工作ꎬ主要采用实验的方法进行研究ꎬ也有学者结
合 模拟实验对损伤的演化进行分析ꎮ蔡宣明 等 [３]
利用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ 压杆 实 验 ꎬ对 高 应 变 率 下 的 含 能 材
料的动态力 学 性 能 及 微 观 损 伤 进 行 研 究 ꎮ王 芳 芳
等 [４] 对高温加速老化下的浇注炸药在高速冲击下
的 损伤模式进行研究ꎬ得到了不同老化时间下的失
效应变ꎬ并比较了微观损伤形式ꎮ 杨昆等 [５] 仿真研
ＺＨＡＮＧ Ｍｅｎｇｚｈａｏꎬ ＱＵ Ｋｅｐｅｎｇꎬ ＺＨＯＵ Ｔａｏꎬ ＳＨＥＮ Ｆｅｉꎬ ＨＵ Ｘｕｅｙａｏ
Ｘｉａｎ Ｍｏｄｅｒｎ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ( Ｓｈａａｎｘｉ Ｘｉａｎꎬ ７１００６５)
[ ＡＢＳＴＲＡＣＴ] Ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ｉｓ ｐｒｏｎｅ ｔｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄａｍａｇｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｉｍｐａｃｔｓꎬ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｆｏｒｍ ｈｏｔ ｓｐｏｔｓ
展变化规律ꎬ以期对侵彻弹药装药选型及设计提供
式中:ｄ 为击柱直径ꎬｍｉｎꎻｈ 为端盖厚度ꎬｍｍꎻτ 为端
参考ꎮ
盖剪切强度ꎬＭＰａꎮ
式ꎬ对比单次及两次冲击加载条件下装药损伤的发
ｆ ＝ πｄｈτꎮ
(１)
端盖材料 ４５ ＃ 钢的动态剪切强度约为 ３６０ ＭＰａꎮ
１ 实验
如端盖厚度为 １０ ｍｍꎬ击柱直径为 ４０ ｍｍꎬ则所得作
Ｎｉｃｈｏｌｓｏｎ 提出的能量模型
理论计 算 方 法
[１２]
[１１]
对炸药脱黏应力进行
求得晶体颗粒断裂临界应力为
上下击柱、套筒及砧体材料均为 Ｔ１０ 钢ꎮ
单次冲击加载时ꎬ仅使用端盖 ２ ＃ ꎬ厚度为 １０ ｍｍ
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３２
爆 破 器 材 第 ５０ 卷第 ６ 期
用一级轻气炮为加载源ꎬ设计了冲击加载模拟实验装置ꎬ分别开展了单个 １０ ｍｍ 、单个 １２ ｍｍ、两个 １０ ｍｍ 和两个
１２ ｍቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 厚端盖 ４ 种工况的冲击加载试验ꎮ 结合仿真模拟和扫描电子显微镜( ＳＥＭ) ꎬ获取了装药内部应力分布规律
及损伤特征ꎬ分析了加载次数对装药损伤的影响ꎮ 结果表明:与单次冲击加载相比ꎬ炸药在连续两次冲击加载条件
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２０２１ 年 １２ 月 两次冲击作用下压装炸药损伤规律研究 张萌昭ꎬ等
３１
理ꎬ发现剪切裂纹易引发炸药点火ꎮ 张馨予等 [６] 对
弹体侵彻混凝土薄靶过程进行模拟发现ꎬ加载初期
ｃａｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｗａｒｈｅａｄ ｔｏ ｐｒｅ￣ｉｇｎｉｔｅ ｏｒ ｅｖｅｎ ｄｅｔｏｎａｔｅ. Ａｎ ｉｍｐａｃｔ ｌｏａｄｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ
ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｏｎｅ￣ｓｔａｇｅ ｇａｓ ｇｕｎ. Ｉｍｐａｃｔ ｌｏａｄｉｎｇ ｔｅｓｔｓ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｕｎｄｅｒ ｆｏｕｒ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ａ ｓｉｎｇｌｅ １０ ｍｍꎬ ａ ｓｉｎｇｌｅ
装药头部承受较大压力ꎬ而尾部则需承受拉伸波作
用与壳体表面碰撞ꎬ损伤易发生于装药的头部和尾
部ꎮ 也有科研人员设计不同实验以模拟装药在多次
脉冲条件下的受力情况ꎬ进而分析损伤特点与点火
机理ꎮ 李亮亮等 [７] 采用夹心弹结构ꎬ在分离式 Ｈｏｐ￣
ｋｉｎｓｏｎ 压杆实验装置上实现了对炸药的双脉冲加
载ꎬ发现应变率越大ꎬ炸药晶体损伤越严重ꎮ 聂少云
下损伤模式仍以拉伸断裂为主ꎻ但试样表面裂纹条数增多、分布范围更广、拉伸波叠加以及损伤演化速率提高等因
素使得二次冲击加载时炸药内部微裂纹更易发展成为宏观裂纹ꎮ
[ 关键词] 冲击ꎻ压装炸药ꎻ微观损伤ꎻ轻气炮ꎻ损伤演化
[ 分类号] ＴＪ５５
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｄａｍａｇｅ Ｌａｗ ｏｆ Ｐｒｅｓｓｅｄ Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ ｕｎｄｅｒ Ｄｏｕｂｌｅ￣Ｐｕｌｓｅ Ｌｏａｄｉｎｇ
面均出现破碎ꎬ但未发生点火反应ꎮ 上述研究都是
基于装药的最终损伤情况进行讨论ꎬ而关于装药在
多次脉冲载荷下的损伤发展过程及演化规律研究报
道较少ꎮ
本文中ꎬ以一级轻气炮为加载源ꎬ采用自行设计
的模拟冲击加载装置ꎬ对典型奥克托今( ＨＭＸ) 基浇
注聚合物黏结炸药( ＰＢＸ) 的压装炸药进行了冲击加
载试验ꎬ获取了单次和两次脉冲载荷下装药的损伤
１２ ｍｍ ｔｗｏ １０ ｍｍ ａｎｄ ｔｗｏ １２ ｍｍ ｔｈｉｃｋ ｅｎｄ ｃａｐｓ. Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ( ＳＥＭ) ꎬ
ｉｎｔｅｒｎａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｌａｗ ａｎｄ ｄａｍａｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｌｏａｄｉｎｇ ｔｉｍｅ ｏｎ
高速侵彻弹药是打击海上、地下高价值目标的
主要手段ꎮ 随着撞击速度的不断提高ꎬ侵彻弹装药
的抗过载安定性已成为关注的重点ꎮ 尤其是侵彻多
层目标靶时ꎬ装药需要承受两次或多次冲击载荷作
用ꎬ受力过程更为复杂和苛刻ꎬ极易产生结构损伤而
形成热点ꎬ使得战斗部提前点火甚至起爆
[１￣２]
ꎮ 因
此ꎬ研究装药在多次连续冲击作用下的损伤规律具
过增减端盖厚度及端盖数量调整加载方式ꎮ
击柱直径 ｄ３ 为 ４０ ｍｍꎬ长度 Ｌ２ 为 ７０ ｍｍꎮ 套筒内直
实现对装药的连续两次冲击作用( 图 １ ~ 图 ２) ꎮ 通
为选定合适的端盖厚度ꎬ对产生装药损伤的最
钢ꎮ 上击柱直径 ｄ２ 为 ４０ ｍｍꎬ长度 Ｌ１ 为 １１５ ｍｍꎻ下
径与击 柱 直 径 相 同ꎬ 外 直 径 Ｄ３ 为 ８８ ｍｍꎬ 长 度 为
在口径为 １３０ ｍｍ 的一级轻气炮上完成实验ꎮ
采样率为 ５ × １０ ６ ｓ － １ ꎮ 设计实验装置尺寸如下:盖
ｄ１ 为 ６０ ｍｍꎻ盖板 ２ ＃ 直径 Ｄ２ 为 ８８ ｍｍꎬ厚度 ｈ２ 为
不均产生剪切力ꎬ端盖容易断裂ꎮ 设计双端盖结构ꎬ
１０、１２ ｍｍꎻ两个盖板间隔 ｌ１ 为 ２０ ｍｍꎬ材料均为 ４５ ＃
１ － 端盖 １ ＃ ꎻ２ － 端盖 ２ ＃ ꎻ３ － 上击柱ꎻ４ － 套筒ꎻ５ － 上垫片ꎻ
６ － 套环ꎻ７ － 炸药ꎻ８ － 下垫片ꎻ９ － 下击柱ꎻ１０ － 砧体ꎮ
等 [８] 设计多层落锤撞击压缩试验装置ꎬ对比了不同
图 １ 加载示意图
工况下装药结构安定情况ꎬ发现多种工况下装药表
Ｆｉｇ. １ Ｌｏａｄｉｎｇ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ
ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔꎬ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｓｉｎｇｌｅ ｌｏａｄｉｎｇꎬ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｍｏｄｅ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ
ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｗｏ ｃｏｎｓｅｃｕｔｉｖｅ ｌｏａｄｉｎｇｓ ｉｓ ｓｔｉｌｌ ｍａｉｎｌｙ ｔｅｎｓｉｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ. Ｈｏｗｅｖｅｒꎬ ｆａｃｔｏｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｕｍ￣
板 １ ＃ 直径 Ｄ１ 为 ９９ ｍｍꎬ厚度 ｈ１ 为 １０、１２ ｍｍꎬ内径
试样采用模具压制成型ꎬ尺寸⌀３０ ｍｍ × ３０ ｍｍꎬ密
３
ｍｍ、长度为 ３０ ｍｍ 的套环内ꎬ用两个直径 ４０ ｍｍ、厚
以模拟装药的真实受力环境ꎮ
压装炸药受到子弹冲击时ꎬ由于上、下两侧受力
比观测更强冲击作用下材料的损伤情况ꎬ此时加载
究了两种不同装药在缝隙挤压条件下的损伤点火机
❋ 收稿日期:２０２１￣０３￣２３
基金项目:国家安全重大基础研究专项ꎻ西安近代化学研究所开放合作创新基金( ＳＹＪＪ￣４１)
第一作者:张萌昭(１９９７ － ) ꎬ女ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事装药损伤的研究ꎮ Ｅ￣ｍａｉｌ:ｚｍｚ＿１５＠ １６３. ｃｏｍ
通信作者:周涛(１９７９ － ) ꎬ男ꎬ研究员ꎬ主要从事爆炸力学及战斗部设计研究ꎮ Ｅ￣ｍａｉｌ:ｐｅｐ２９６８＠ １６３. ｃｏｍ
ｄｏｉ:１０. ３９６９ / ｊ. ｉｓｓｎ. １００１￣８３５２. ２０２１. ０６. ００５
两次冲击作用下压装炸药损伤规律研究
❋
张萌昭 屈可朋 周 涛 沈 飞 胡雪垚
西安近代化学研究所( 陕西西安ꎬ７１００６５)
[ 摘 要] 针对装药在多次冲击作用下易产生结构损伤ꎬ进而形成热点ꎬ引起战斗部提前点火甚至起爆的问题ꎬ采
１. １ 实验样品
作用于装药的应力( 加载强度) 约为 ６４０ ＭＰａꎬ远大
用力 ｆ 约为 ４. ５２ × １０ ５ Ｎꎻ炸药的直径为 ３０ ｍｍꎬ则
ＨＭＸ、ＰＢＸ 由西安近代化学研究所提供ꎬ配方
于晶体颗粒断裂临界应力ꎬ在该应力作用下ꎬ药柱表
( 质量分数) 为:６５％ ＨＭＸ、３０％ 铝粉和 ５％ 黏结剂ꎮ
面可出现宏观损伤ꎮ 同时ꎬ选用 １２ ｍｍ 厚端盖以对
度 １. ８５ ｇ / ｃｍ ꎮ 将药 柱 装 入 外 径 ４０ ｍｍ、 内 径 ３０
强度提升 １. ２ 倍ꎬ为 ７６８ ＭＰａꎮ
５ ｍｍ 的聚乙烯塑料( ＰＥ) 垫片密封药柱两个端面ꎬ
子弹撞击速度由激光测速仪及示波器测算ꎬ示波器
１. ２ 实验装置设计及计算分析
小临界应力进行计算分析ꎮ 参考文献[９￣１０] ꎬ基于
１５０ ｍｍꎻ砧体直径 Ｄ４ 为 １２０ ｍｍꎬ厚度 ｈ３ 为 ２０ ｍｍꎻ
计算ꎬ求得脱黏应力为 ０. ６ ＭＰａꎻ利用晶体断裂强度
１. ３ 实验方法
８０. ８ ＭＰａꎮ 在实验中ꎬ加载于端盖的作用力 ｆ 为:
或 １２ ｍｍꎮ 连续两次冲击加载时ꎬ端盖 １ ＃ 和端盖 ２ ＃
的厚度均为 １０ ｍｍ 或均为 １２ ｍｍꎮ ２. ５ ｋｇ 塑料弹丸
经高压气室驱动ꎬ以 ４００ ｍ / ｓ 速度撞击端盖 １ ＃ ꎬ应力
波通过端盖 ２ ＃ 及上击柱作用于炸药ꎬ实现对装药的
第 １ 次压缩加载ꎮ 端盖 ２ ＃ 因受力不均匀在凹槽处
剪切断裂ꎬ装药受力卸载ꎮ 子弹推动端盖 １ ＃ 继续向
ｂｅｒ ｏｆ ｃｒａｃｋｓ ｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅꎬ ｗｉｄｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｒａｎｇｅꎬ ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｎｓｉｌｅ ｗａｖｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｄａｍａｇｅ
ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｍａｋｅ ｉｔ ｅａｓｉｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｍｉｃｒｏｃｒａｃｋｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ｉｎｔｏ ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｃｒａｃｋｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ
２０２１ 年 １２ 月
Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｄｅｃ. ２０２１
１ － 高压气室ꎻ２ － 子弹ꎻ３ － 炮管ꎻ４ － 测速装置ꎻ５ － 端盖 １ ＃ ꎻ
６ － 端盖 ２ ＃ ꎻ７ － 定位板ꎻ８ － 实验装置ꎻ９ － 砧体ꎮ
图 ２ 实验装置示意图
特性ꎮ 结合扫描电子显微镜( ＳＥＭ) 分析了损伤模
Ｆｉｇ. ２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｙｓｔｅｍ
ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｌｏａｄｉｎｇ.
[ ＫＥＹＷＯＲＤＳ] ｓｈｏｃｋꎻ ｐｒｅｓｓｅｄ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓꎻ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｄａｍａｇｅꎻ ｇａｓ ｇｕｎꎻ ｄａｍａｇｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ
有重要意义ꎮ
引言
国内外针对单次冲击作用下的装药损伤做了大
量工作ꎬ主要采用实验的方法进行研究ꎬ也有学者结
合 模拟实验对损伤的演化进行分析ꎮ蔡宣明 等 [３]
利用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ 压杆 实 验 ꎬ对 高 应 变 率 下 的 含 能 材
料的动态力 学 性 能 及 微 观 损 伤 进 行 研 究 ꎮ王 芳 芳
等 [４] 对高温加速老化下的浇注炸药在高速冲击下
的 损伤模式进行研究ꎬ得到了不同老化时间下的失
效应变ꎬ并比较了微观损伤形式ꎮ 杨昆等 [５] 仿真研
ＺＨＡＮＧ Ｍｅｎｇｚｈａｏꎬ ＱＵ Ｋｅｐｅｎｇꎬ ＺＨＯＵ Ｔａｏꎬ ＳＨＥＮ Ｆｅｉꎬ ＨＵ Ｘｕｅｙａｏ
Ｘｉａｎ Ｍｏｄｅｒｎ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ( Ｓｈａａｎｘｉ Ｘｉａｎꎬ ７１００６５)
[ ＡＢＳＴＲＡＣＴ] Ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ｉｓ ｐｒｏｎｅ ｔｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄａｍａｇｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｉｍｐａｃｔｓꎬ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｆｏｒｍ ｈｏｔ ｓｐｏｔｓ
展变化规律ꎬ以期对侵彻弹药装药选型及设计提供
式中:ｄ 为击柱直径ꎬｍｉｎꎻｈ 为端盖厚度ꎬｍｍꎻτ 为端
参考ꎮ
盖剪切强度ꎬＭＰａꎮ
式ꎬ对比单次及两次冲击加载条件下装药损伤的发
ｆ ＝ πｄｈτꎮ
(１)
端盖材料 ４５ ＃ 钢的动态剪切强度约为 ３６０ ＭＰａꎮ
１ 实验
如端盖厚度为 １０ ｍｍꎬ击柱直径为 ４０ ｍｍꎬ则所得作
Ｎｉｃｈｏｌｓｏｎ 提出的能量模型
理论计 算 方 法
[１２]
[１１]
对炸药脱黏应力进行
求得晶体颗粒断裂临界应力为
上下击柱、套筒及砧体材料均为 Ｔ１０ 钢ꎮ
单次冲击加载时ꎬ仅使用端盖 ２ ＃ ꎬ厚度为 １０ ｍｍ
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３２
爆 破 器 材 第 ５０ 卷第 ６ 期
用一级轻气炮为加载源ꎬ设计了冲击加载模拟实验装置ꎬ分别开展了单个 １０ ｍｍ 、单个 １２ ｍｍ、两个 １０ ｍｍ 和两个
１２ ｍቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 厚端盖 ４ 种工况的冲击加载试验ꎮ 结合仿真模拟和扫描电子显微镜( ＳＥＭ) ꎬ获取了装药内部应力分布规律
及损伤特征ꎬ分析了加载次数对装药损伤的影响ꎮ 结果表明:与单次冲击加载相比ꎬ炸药在连续两次冲击加载条件
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２０２１ 年 １２ 月 两次冲击作用下压装炸药损伤规律研究 张萌昭ꎬ等
３１
理ꎬ发现剪切裂纹易引发炸药点火ꎮ 张馨予等 [６] 对
弹体侵彻混凝土薄靶过程进行模拟发现ꎬ加载初期
ｃａｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｗａｒｈｅａｄ ｔｏ ｐｒｅ￣ｉｇｎｉｔｅ ｏｒ ｅｖｅｎ ｄｅｔｏｎａｔｅ. Ａｎ ｉｍｐａｃｔ ｌｏａｄｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ
ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｏｎｅ￣ｓｔａｇｅ ｇａｓ ｇｕｎ. Ｉｍｐａｃｔ ｌｏａｄｉｎｇ ｔｅｓｔｓ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｕｎｄｅｒ ｆｏｕｒ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ａ ｓｉｎｇｌｅ １０ ｍｍꎬ ａ ｓｉｎｇｌｅ
装药头部承受较大压力ꎬ而尾部则需承受拉伸波作
用与壳体表面碰撞ꎬ损伤易发生于装药的头部和尾
部ꎮ 也有科研人员设计不同实验以模拟装药在多次
脉冲条件下的受力情况ꎬ进而分析损伤特点与点火
机理ꎮ 李亮亮等 [７] 采用夹心弹结构ꎬ在分离式 Ｈｏｐ￣
ｋｉｎｓｏｎ 压杆实验装置上实现了对炸药的双脉冲加
载ꎬ发现应变率越大ꎬ炸药晶体损伤越严重ꎮ 聂少云
下损伤模式仍以拉伸断裂为主ꎻ但试样表面裂纹条数增多、分布范围更广、拉伸波叠加以及损伤演化速率提高等因
素使得二次冲击加载时炸药内部微裂纹更易发展成为宏观裂纹ꎮ
[ 关键词] 冲击ꎻ压装炸药ꎻ微观损伤ꎻ轻气炮ꎻ损伤演化
[ 分类号] ＴＪ５５
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｄａｍａｇｅ Ｌａｗ ｏｆ Ｐｒｅｓｓｅｄ Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ ｕｎｄｅｒ Ｄｏｕｂｌｅ￣Ｐｕｌｓｅ Ｌｏａｄｉｎｇ
面均出现破碎ꎬ但未发生点火反应ꎮ 上述研究都是
基于装药的最终损伤情况进行讨论ꎬ而关于装药在
多次脉冲载荷下的损伤发展过程及演化规律研究报
道较少ꎮ
本文中ꎬ以一级轻气炮为加载源ꎬ采用自行设计
的模拟冲击加载装置ꎬ对典型奥克托今( ＨＭＸ) 基浇
注聚合物黏结炸药( ＰＢＸ) 的压装炸药进行了冲击加
载试验ꎬ获取了单次和两次脉冲载荷下装药的损伤
１２ ｍｍ ｔｗｏ １０ ｍｍ ａｎｄ ｔｗｏ １２ ｍｍ ｔｈｉｃｋ ｅｎｄ ｃａｐｓ. Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ( ＳＥＭ) ꎬ
ｉｎｔｅｒｎａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｌａｗ ａｎｄ ｄａｍａｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｌｏａｄｉｎｇ ｔｉｍｅ ｏｎ
高速侵彻弹药是打击海上、地下高价值目标的
主要手段ꎮ 随着撞击速度的不断提高ꎬ侵彻弹装药
的抗过载安定性已成为关注的重点ꎮ 尤其是侵彻多
层目标靶时ꎬ装药需要承受两次或多次冲击载荷作
用ꎬ受力过程更为复杂和苛刻ꎬ极易产生结构损伤而
形成热点ꎬ使得战斗部提前点火甚至起爆
[１￣２]
ꎮ 因
此ꎬ研究装药在多次连续冲击作用下的损伤规律具
过增减端盖厚度及端盖数量调整加载方式ꎮ
击柱直径 ｄ３ 为 ４０ ｍｍꎬ长度 Ｌ２ 为 ７０ ｍｍꎮ 套筒内直
实现对装药的连续两次冲击作用( 图 １ ~ 图 ２) ꎮ 通
为选定合适的端盖厚度ꎬ对产生装药损伤的最
钢ꎮ 上击柱直径 ｄ２ 为 ４０ ｍｍꎬ长度 Ｌ１ 为 １１５ ｍｍꎻ下
径与击 柱 直 径 相 同ꎬ 外 直 径 Ｄ３ 为 ８８ ｍｍꎬ 长 度 为
在口径为 １３０ ｍｍ 的一级轻气炮上完成实验ꎮ
采样率为 ５ × １０ ６ ｓ － １ ꎮ 设计实验装置尺寸如下:盖
ｄ１ 为 ６０ ｍｍꎻ盖板 ２ ＃ 直径 Ｄ２ 为 ８８ ｍｍꎬ厚度 ｈ２ 为
不均产生剪切力ꎬ端盖容易断裂ꎮ 设计双端盖结构ꎬ
１０、１２ ｍｍꎻ两个盖板间隔 ｌ１ 为 ２０ ｍｍꎬ材料均为 ４５ ＃
１ － 端盖 １ ＃ ꎻ２ － 端盖 ２ ＃ ꎻ３ － 上击柱ꎻ４ － 套筒ꎻ５ － 上垫片ꎻ
６ － 套环ꎻ７ － 炸药ꎻ８ － 下垫片ꎻ９ － 下击柱ꎻ１０ － 砧体ꎮ
等 [８] 设计多层落锤撞击压缩试验装置ꎬ对比了不同
图 １ 加载示意图
工况下装药结构安定情况ꎬ发现多种工况下装药表
Ｆｉｇ. １ Ｌｏａｄｉｎｇ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ
ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔꎬ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｓｉｎｇｌｅ ｌｏａｄｉｎｇꎬ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｍｏｄｅ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ
ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｗｏ ｃｏｎｓｅｃｕｔｉｖｅ ｌｏａｄｉｎｇｓ ｉｓ ｓｔｉｌｌ ｍａｉｎｌｙ ｔｅｎｓｉｌｅ ｆｒａｃｔｕｒｅ. Ｈｏｗｅｖｅｒꎬ ｆａｃｔｏｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｕｍ￣
板 １ ＃ 直径 Ｄ１ 为 ９９ ｍｍꎬ厚度 ｈ１ 为 １０、１２ ｍｍꎬ内径
试样采用模具压制成型ꎬ尺寸⌀３０ ｍｍ × ３０ ｍｍꎬ密
３
ｍｍ、长度为 ３０ ｍｍ 的套环内ꎬ用两个直径 ４０ ｍｍ、厚
以模拟装药的真实受力环境ꎮ
压装炸药受到子弹冲击时ꎬ由于上、下两侧受力
比观测更强冲击作用下材料的损伤情况ꎬ此时加载
究了两种不同装药在缝隙挤压条件下的损伤点火机
❋ 收稿日期:２０２１￣０３￣２３
基金项目:国家安全重大基础研究专项ꎻ西安近代化学研究所开放合作创新基金( ＳＹＪＪ￣４１)
第一作者:张萌昭(１９９７ － ) ꎬ女ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事装药损伤的研究ꎮ Ｅ￣ｍａｉｌ:ｚｍｚ＿１５＠ １６３. ｃｏｍ
通信作者:周涛(１９７９ － ) ꎬ男ꎬ研究员ꎬ主要从事爆炸力学及战斗部设计研究ꎮ Ｅ￣ｍａｉｌ:ｐｅｐ２９６８＠ １６３. ｃｏｍ
ｄｏｉ:１０. ３９６９ / ｊ. ｉｓｓｎ. １００１￣８３５２. ２０２１. ０６. ００５
两次冲击作用下压装炸药损伤规律研究
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张萌昭 屈可朋 周 涛 沈 飞 胡雪垚
西安近代化学研究所( 陕西西安ꎬ７１００６５)
[ 摘 要] 针对装药在多次冲击作用下易产生结构损伤ꎬ进而形成热点ꎬ引起战斗部提前点火甚至起爆的问题ꎬ采
１. １ 实验样品
作用于装药的应力( 加载强度) 约为 ６４０ ＭＰａꎬ远大
用力 ｆ 约为 ４. ５２ × １０ ５ Ｎꎻ炸药的直径为 ３０ ｍｍꎬ则
ＨＭＸ、ＰＢＸ 由西安近代化学研究所提供ꎬ配方
于晶体颗粒断裂临界应力ꎬ在该应力作用下ꎬ药柱表
( 质量分数) 为:６５％ ＨＭＸ、３０％ 铝粉和 ５％ 黏结剂ꎮ
面可出现宏观损伤ꎮ 同时ꎬ选用 １２ ｍｍ 厚端盖以对
度 １. ８５ ｇ / ｃｍ ꎮ 将药 柱 装 入 外 径 ４０ ｍｍ、 内 径 ３０
强度提升 １. ２ 倍ꎬ为 ７６８ ＭＰａꎮ
５ ｍｍ 的聚乙烯塑料( ＰＥ) 垫片密封药柱两个端面ꎬ
子弹撞击速度由激光测速仪及示波器测算ꎬ示波器
１. ２ 实验装置设计及计算分析
小临界应力进行计算分析ꎮ 参考文献[９￣１０] ꎬ基于
１５０ ｍｍꎻ砧体直径 Ｄ４ 为 １２０ ｍｍꎬ厚度 ｈ３ 为 ２０ ｍｍꎻ
计算ꎬ求得脱黏应力为 ０. ６ ＭＰａꎻ利用晶体断裂强度
１. ３ 实验方法
８０. ８ ＭＰａꎮ 在实验中ꎬ加载于端盖的作用力 ｆ 为:
或 １２ ｍｍꎮ 连续两次冲击加载时ꎬ端盖 １ ＃ 和端盖 ２ ＃
的厚度均为 １０ ｍｍ 或均为 １２ ｍｍꎮ ２. ５ ｋｇ 塑料弹丸
经高压气室驱动ꎬ以 ４００ ｍ / ｓ 速度撞击端盖 １ ＃ ꎬ应力
波通过端盖 ２ ＃ 及上击柱作用于炸药ꎬ实现对装药的
第 １ 次压缩加载ꎮ 端盖 ２ ＃ 因受力不均匀在凹槽处
剪切断裂ꎬ装药受力卸载ꎮ 子弹推动端盖 １ ＃ 继续向
ｂｅｒ ｏｆ ｃｒａｃｋｓ ｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅꎬ ｗｉｄｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｒａｎｇｅꎬ ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｎｓｉｌｅ ｗａｖｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｄａｍａｇｅ
ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｍａｋｅ ｉｔ ｅａｓｉｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｍｉｃｒｏｃｒａｃｋｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ｉｎｔｏ ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｃｒａｃｋｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ