1 引言
随着弹药技术的不断发展，对其在存储、使用等过程中的安全性要求日益提高，不敏感弹药设计受到了越来越多的关注。破片撞击，是弹药在全寿命周期内受到的典型外界刺激之一，弹药在破片撞击下的响应特性分析是不敏感弹药设计的重要组成部分。弹药在破片撞击下的响应过程是一个高温、高压、高应变率的非定常反应过程，相关研究中，通常将其等效为破片撞击带壳装药问题。
国内外关于破片撞击带壳装药问题开展过较多研究，并取得了一些研究成果[1-3]。从已发表的文献资料来看，多数以冲击起爆作为炸药反应的主控机制[4-5]，通过数值仿真[6-7]、理论计算[8]及试验[9-10]等方法获取炸药的点火判据[11]、响应特性与反应机理[12-13]。王昕等[14-15]采用AUTODYN软件，开展了钨球撞击不同曲率半径柱面钢壳B炸药的数值模拟，分析了钨球撞击位置对炸药冲击起爆特性的影响；陈卫东等[16]分别开展了钢、铜、钨破片撞击不同厚度屏蔽装药的数值仿真及试验研究，得到了临界起爆判据；辛建国等[17]通过分析破片冲击下装药的响应特性，得出了破片及破碎壳体对壳体内装药的撞击、摩擦等机械作用是导致装药反应的主要原因。屈可朋等[18]对带有不同厚度防护板的装药开展了撞击试验，结果表明，随着防护板厚度的增加，破片撞靶后更容易形成密集分布的碎片群，进而在装药内部形成多个热点，使装药发生更为剧烈的反应。
目前，关于带壳装药在不同材质破片撞击下的响应特性研究相对较少，因此，本文中分别开展了钨、钢破片撞击带壳装药及钢壳试验，分析了破片材质对带壳装药响应特性的影响规律。
2 不同材质破片撞击带壳装药试验
2.1 试验系统
装药结构由前、后端盖、套筒及装药组成，如图1(a)所示：套筒、前、后端盖均采用Q235A钢加工而成，套筒内径200 mm，壁厚10 mm，高度为300 mm；前、后端盖厚度相同，端盖厚度分别为8 mm、10 mm、12 mm；装药由西安近代化学研究所提供，配方(质量分数)为：75%HMX、17%铝粉及8%粘结剂，通过模具压装成型，密度为1.82 g/cm3，单节药柱尺寸为Φ200×100 mm，每发试验弹内装填3节药柱；通过6根长螺杆将套筒及装药固定在前、后端盖之间。采用Φ25 mm弹道炮作为破片加载装置，破片材质、尺寸如表1所示，试验现场布局如图1(b)所示。
图1 装药结构和试验现场布局图
Fig.1 Charge structure and layout diagram of the test
表1 破片参数
Table 1 Fragment parameter
材质尺寸/mm密度/(g·cm-3)质量/g93W8.4×8.4×8.417.610.445#钢11×11×117.8510.4
2.2 试验结果及分析
1) 试验结果
通过弹道炮驱动破片以1 600 m/s速度撞击带壳装药，获取装药的响应特性如表2所示，不同条件下，装药发生了爆轰或局部爆然反应，典型响应状态下试验结果的高速摄影照片如图2、图3所示。
表2 装药响应特性参数
Table 2 Reaction characteristics paremeterof the charge
破片材质端盖厚度/mm破片速度/(m·s-1)装药响应93W81 599爆轰101 614爆轰121 595爆轰45#钢81 603爆轰101 608爆轰121 612局部爆燃
图2 爆轰反应的高速摄影照片(钨破片，端盖厚度10 mm)
Fig.2 High speed photographic screenshot of detonation reaction (Tungsten fragment,shell thickness 10 mm)
图3 局部爆燃反应的试验残骸和高速摄影照片
Fig.3 Wreckage and high speed photographic screenshot of local deflagration reaction
图2为爆轰反应的高速摄影截图，试验现场未找到任何壳体或装药残骸；图3(a)为发生局部爆燃反应后的试样残骸：部分螺杆被从根部拉断，通过断裂面判断为剪切破坏所致，这是由于装药反应后产生的压力破坏装药结构的薄弱环节(套筒与端盖连接处)所致；套筒迎弹面一侧产生径向膨胀，这是由于破片高速撞击装药产生的径向物理膨胀以及局部装药反应导致该区域压力过高共同导致的；现场回收到残药852 g。图3(b)、图3(c)为局部爆燃反应的高速摄影截图，可以看出，该反应状态下典型时刻的火球面积远远小于爆轰反应。
2) 结果分析
H.R.James、M.D.Cook[19-20]等人认为，破片撞击带壳装药时，壳体的作用在于减小了炸药的受载面积，即，相当于把破片直径减小后撞击裸装药的情况，并推导出了破片撞击带壳装药时的等效半径Rc：
(1)
式(1)中：R0为破片半径，d为壳体厚度，c2为壳体的冲击压缩声速，w2为壳体内的冲击波速度，u2为壳体内粒子速度，u2根据撞击时的动量守恒定律及界面上的连续性条件得出：
(2)
式(2)中：P1、P2分别为撞击瞬间作用在破片、壳体上的冲击波压力；u1为破片内粒子速度； ρ1、ρ2分别为破片、壳体密度；a1、b1为破片材料的冲击雨贡纽参数，a2、b2为壳体材料的冲击雨贡纽参数；v为破片撞击速度。
壳体内的冲击波速度w2通过壳体材料的冲击压缩规律得出：
w2=a2+b2u2
(3)
由于破片形状为立方体，飞行过程中会存在不规律的翻转运动，导致撞击壳体时具有一定的随机性，为了便于分析，将其等效为标准破片，并按照文献[21]提供的方法对其迎风面积进行计算：
(4)
式(4)中：m为破片质量， ρ为破片密度，l1、l2、l3为破片尺寸，通过该式得到破片的初始等效半径R0：
(5)
对于给定条件的破片及带壳装药，通过式(1)可得破片冲击起爆带壳装药的临界壳体厚度dl：
(6)
通过计算得到本文试验中不同材质破片冲击起爆带壳装药的临界壳体厚度dl如表3所示。
表3 临界壳体厚度
Table 3 Critical shell thickness
破片材质ρ/(g·cm-3)m/g(l1×l2×l3)/mmv/(m·s-1)a1/(m·s-1)b1c1/(m·s-1)dl/mm93W17.610.48.4×8.4×8.41 6004 9201.3995 22011.845#钢7.8510.411×11×111 6004 5671.495 7808.8
通过表3所示内容可知，本文中试验条件下，钨破片冲击起爆装药的临界壳体厚度为11.8 mm，钢破片为8.8 mm，由此判断：当端盖厚度为8 mm时，冲击起爆是装药发生爆轰的主控机制；当端盖厚度为10 mm时，虽然装药均发生了爆轰反应，但不同材质破片导致装药爆轰的主控机制是有区别的：对于钨破片，冲击起爆仍是装药爆轰的主要原因，而对于钢破片，由于端盖厚度超过了冲击起爆带壳装药的临界壳体厚度，因此，装药爆轰是在冲击波和机械刺激的共同作用下产生的；当端盖厚度为12 mm时，无论钨破片还是钢破片，经端盖衰减后进入装药的冲击波不足以将装药冲击起爆，该条件下带壳装药在钨破片撞击下发生了爆轰反应，在钢破片作用下仅发生了局部爆燃反应，由此推测，钨破片穿靶后具有更强的后效作用，碎片残骸对装药的剪切、摩擦等机械刺激更加剧烈，加之碎片形成过程中会有大量塑性功转变成热能，使其具有较高温度，因此，使得装药在力-热耦合作用下产生多个热点，继而更容易发生剧烈反应[22]。
为了对上述推测进行验证，开展了钨、钢破片撞击钢壳试验，通过后效靶上的穿孔形貌分析不同材质破片的穿靶后效。
3 不同材质破片撞击钢壳试验
3.1 试验系统
通过Φ14.5 mm弹道枪驱动破片以1 600 m/s速度撞击8 mm、10 mm、12 mm厚的Q235A钢板，钢板后250 mm处放置3 mm厚LY12硬铝后效靶，靶板距离枪口7.15 m；距枪口4 m、6 m处布设测速靶，用于测量距枪口5 m处的破片速度。试验现场布局如图4所示，试验用破片参数如表4所示。
图4 弹道枪试验现场布局图
Fig.4 Layout of bllistic gun experiment
表4 破片参数
Table 4 Fragment parameter
破片类型破片材质尺寸/mm质量/gA45#钢8×8×84.01B93W7.95×5.47×5.474.16
3.2 试验结果及分析
通过试验得到不同条件下的后效靶形态如表5所示。
表5 试验后的后效靶形态
Table 5 Aftereffect target morphology after the experiment
破片材质靶板厚度/mm8101245#钢撞靶速度:1 633 m/s撞靶速度:1 615 m/s撞靶速度:1 616 m/s93W撞靶速度:1 630 m/s撞靶速度:1 592 m/s撞靶速度:1 615 m/s
通过表5所示内容可以看出，相同条件下，钨破片穿靶后在后效靶上形成的凹坑(图中圆圈所示)数量及穿孔直径均高于钢破片，表明钨破片撞靶后更容易产生密集碎片群，且碎片侵彻后效也相对钢破片更高，试验结果与上一节所作推论一致。
4 结论
1) 端盖厚度为10 mm时，对于钨破片，冲击起爆是装药响应的主控机制，而对于钢破片，装药反应则是在冲击波、机械刺激的共同作用下发生的；端盖厚度为12 mm时，带壳装药在钨破片作用下发生了爆轰反应，在钢破片作用下仅发生局部爆燃反应。
2) 相对于钢破片，钨破片撞击钢板后更容易产生具有较高侵彻后效的碎片群，因此，当装药壳体较厚，即机械刺激是装药响应的主控机制时，带壳装药在钨破片作用下更易发生剧烈反应。
[1] Victor A C.A simple method for calculating sympathetic detonation of cylindrical,cased explosive charges[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics,1996,21(02):90-99.
[2] 白志玲，段卓平，景莉,等.飞片冲击起爆高能钝感高聚物粘结炸药的实验研究[J].兵工学报，2016,37(08)：1464-1468.
Bai Z L,Duan Z P,Jing L,et al.Experimental research on initiation of insensitive high energy plastic bonded explosives by flyer impact[J].ACTA Armamentarii,2016,37(08):1464-1468.
[3] Curtis J P,Mills J T,Lynch N J,et al.An analytical model for high velocity impact on confined explosive configurations[J].Int J Impact Eng,2006,33(01):210-218.
[4] 李兵，陈曦，杜忠华，等.LEFP对带壳装药冲击起爆过程的数值模拟与试验[J].含能材料，2016,24(11)：1034-1040.
Li B,Chen X,Du Z H,et al.Numerical simulation and experimental study of LEFP on impact initiation process of charges with shell[J].Chinese Journal of Energetic Materials,2016,24(11):1034-1040.
[5] 张涛，刘雨生，高志鹏，等.垫层对破片冲击起爆带壳炸药影响的数值模拟[J].爆炸与冲击，2018,38(06)：1241-1246.
Zhang T,Liu Y S,Gao Z P,et al.Numerical simulation of the interlayer effects for fragments impacting steel-covered charge[J].Explosion and shock waves,2018,38(06):1241-1246.
[6] 李向荣，赵海龙，彭锐枫，等.破片对聚能装药战斗部冲击引爆数值模拟分析[J].北京理工大学学报，2014,34(10)：1018-1023.
Li X R,Zhao H L,Peng R F,et al.Numerical simulation on shock detonation of fragment to shaped charge[J].Transaction of Beijing Institute of Technology,2014,34(10):1018-1023.
[7] 崔凯华，洪滔，曹洁东.射弹冲击带盖板Comp B装药起爆过程数值模拟[J].含能材料，2010,18(03)：286-289.
Cui K H,Hong T,Cao J D.Numerical simulation of shock initiation in covered comp B by projectile impact[J].Chinese Journal of Energetic Materials,2010,18(03):286-289.
[8] 傅华，谭多望，李涛，等.钨射弹引爆带盖板炸药阈值工程计算方法[J].含能材料，2008,16(02):100-102.
Fu H,Tan D W,Li T,et al.Engineering calculation on threshold velocity of covered explosives impacted by Tungsten projectile[J].Chinese Journal of Energetic Materials,2008,16(02):100-102.
[9] 孙宝平,段卓平，张海英,等.破片撞击装药点火实验和数值模拟[J].爆炸与冲击，2013，33(05)：456-462.
Sun B P,Duan Z P,Zhang H Y,et al.Experiment and numerical simulation on ignition of charge by fragment impact[J].Explosion and shock waves,2013,33(05):456-462.
[10] 王树山，李朝君，马晓飞,等.钨合金破片对屏蔽装药撞击起爆的实验研究[J].兵工学报,2001,22(02):189-191.
Wang S S,Li C J,Ma X F,et al.An experimental study on the initiation of covered charge impacted by tungsten alloy fragments[J].ACTA Armamentarii,2001,22(02):189-191.
[11] 刘鹏飞，智小琦，杨宝良，等.六棱钨柱冲击起爆带壳B炸药比动能阈值研究[J].高压物理学报，2017，31(05)：637-642.
Liu P F,Zhi X Q,Yang B L,et,al.Specific kinetic energy threshold of impacting initiation coveredexplosive by six-prismed Tungsten fragment[J].Chinese Journal of High Pressure Physics,2017,31(05):637-642.
[12] 陈闯，郝永平，杨丽,等.双层介质隔板试验及被发炸药冲击起爆特性分析[J].兵工学报，2017，38(10)：1957-1964.
Chen C,Hao Y P,Yang L,et al.Research on double layer medium gap test and analysis of shock initiation characteristics of acceptor explosive[J].ACTA Armamentarii,2017,38(10):1957-1964.
[13] 张广华，沈飞，屈可朋等.壳体厚度对装药响应特性的影响[J].兵器装备工程学报，2019,40(8)：14-17.
Zhang G H,Shen F,Qu K P,et al.Influence of cover thickness on response characteristicsof shelled charge[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2019,40(08):14-17.
[14] 王昕，蒋建伟，王树有等.钨球对柱面带壳装药的冲击起爆数值模拟研究[J].兵工学报，2017，38(08)：1498-1505.
Wang X,Jiang J W,Wang S Y,et al.Numerical simulation on the initiation of cylindrical covered charge impacted by Tungsten sphere fragment[J].ACTA Armamentarii,2017，38(08)：1498-1505.
[15] 王昕，蒋建伟，王树有，等.破片撞击起爆柱面带壳装药的临界速度修正判据[J].爆炸与冲击，2019,39(01)：012302-1-012302-8.
Wang X,Jiang J W,Wang S Y,et al.Critical detonation velocity calculation model of cylindrical covered charge impacted by fragment[J].Explosion and shock waves,2019,39(01):012302-1-012302-8.
[16] 陈卫东，张忠，刘家良,等.破片对屏蔽炸药冲击起爆的数值模拟和分析[J].兵工学报，2009，30(9)：1187-1191.
Chen W D,Zhang Z,Liu J L,et al.Numerical simulation and analysis of shock initiation of shielded explosive impacted by fragments[J].ACTA Armamentarii,2009,30 (09):1187-1191.
[17] 辛建国，徐豫新，李超,等.破片冲击柱面薄壳装药实验[J].兵工学报，2014，35(S2)：222-227.
Xin J G，Xu Y X，Li C，et al.Experiment of fragment impact on cylinder charge covered with thin shell[J].ACTA Armamentarii,2014,35(S2):222-227.
[18] 屈可朋，赵志江，沈飞等.高速破片撞击下带壳装药响应及防护的试验研究[J].火炸药学报，2019,42(02)：185-190.
Qu K P,Zhao Z J,Shen F,et,al.Experimental study on response and protection of charge with shell under high velocity fragment impact[J].Chinese Journal of Explosives & Propellants,2019,42(02):185-190.
[19] James H R.Critical energy criterion for the shock initiation of explosivesby projectile impact[J].Propellant,Explosives,Pyrotechnics,1988,13(02):35-41.
[20] James H R,Haskins P J,Cook M D.Prompt shock initiation ofcased explosives by projectile impact[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics,1996,21(05):251-257.
[21] 北京工业学院八系《爆炸及其作用》编写组.爆炸及其作用：下册[M].北京:国防工业出版社，1979：45-48.
[22] 张广华，沈飞，王辉.破片撞击钢靶产生的碎片群特性分析[J].火工品，2022(02)：25-28.
Zhang G H,Shen F,Wang H.Analysis on Characteristics of debris group produced by fragment impacting steel target[J].Initiators & Pyrotechnics,2022(02):25-28.