HTPB固体推进剂落锤撞击试验及点火响应模拟

HTPB复合固体推进剂在低幅值长脉冲压力作用下可能发生意外点火,进而发展成燃烧或爆轰导致严重后果。为研究HTPB复合固体推进剂药片在撞击作用下的受力状态及点火机制,建立了卡斯特落锤仪的冲击力测试系统,并获得了落锤撞击作用下推进剂药片特性落高值及其不同高度时药片的落锤冲击力载荷曲线。基于落锤撞击测试装置建模,开展推进剂药片的落锤撞击点火试验数值模拟。研究结果表明,药片在2 kg落锤下的特性落高值H50为29.5 cm,药片表面受到冲击力峰值36.9 kN及作用时间0.40 ms;数值模拟结果显示,药片发生点火的特性落高在28~30 cm之间,与试验结果相吻合;药片受到落锤冲击发生径向变形,且表面局部应力集中,同时HTPB粘结剂发生塑性流动及摩擦,导致药片局部点高温,直至诱发AP颗粒热分解发生点火响应;模拟计算得到了2 kg落锤撞击药片点火的压力峰值470.9 MPa,点火时间约为0.30 ms。

RDX/HMX颗粒炸药落锤撞击点火-燃烧机理

对单质炸药受低速撞击的力学和化学响应研究,是进行炸药敏感性评价的基础。利用配备了光学观测的落锤撞击装置,实现了频率为1.5×105 s-1的实时观测,不但可以区分样品的"爆"或"不爆",而且可以获取RDX和HMX颗粒炸药受落锤低速撞击变形、破碎、溅射、点火和燃烧随时间演化的特征。结果表明:RDX颗粒是在液相中点火,而HMX颗粒在固相中点火;燃烧反应前常常发生剧烈的溅射现象,溅射是由气相反应产物释放能量推动破碎的颗粒所致。对比了单个和单层颗粒炸药响应的特点,多个颗粒由于热点密集和破碎后相互作用,其燃烧反应比单个颗粒燃烧反应更剧烈。根据图像处理估算燃烧波传播速度,很好地表征了样品宏观燃烧反应的剧烈程度。

叠氮硝胺发射药强度的落锤撞击实验研究

为研究高能叠氮硝胺发射药的动态力学强度及影响因素,以现有配方DAGR1为基础,通过调节组分设计制备了4种21/19粒状发射药,低温(-40℃)下对其进行了落锤撞击试验。结果表明,撞击初速为4.0m/s时,DAGR1的临界撞击能约为33J/cm2;在配方中添加质量分数1.5%的热塑性弹性体(ETPE)及混合增塑剂总含量不变增加DIANP含量均可提高样品的低温抗撞击损伤强度。

发射药落锤撞击试验及评价方法研究

提出了一种新的评价高能发射药动态力学强度的方法,即采用落锤撞击发射药粒,用药粒发生临界损伤时的撞击能和极限抗冲应力来表征发射药的动态力学性能。结果表明,该方法能够定量评价发射药的动态力学强度,并得到太根药、硝胺药、硝基胍药等3种发射药的临界撞击能分别为18.8 J/cm2、14.2 J/cm2、3.8 J/cm2,极限抗冲应力分别为247.2 MPa、214.2 MPa、118.5 MPa。

落锤撞击下非均匀炸药点火特性实验研究

对落锤实验装置进行改进,由落锤直接撞击炸药样品改为使落锤先撞击上击柱,再由上击柱对颗粒炸药样品进行加载。采用改进的落锤实验装置,结合高速数字相机和PVDF压力计测量,实时记录了以HMX为基的黏结炸药在低速撞击条件下的响应过程图像及其压力变化过程。结果表明:非均匀炸药在低压长脉冲加载下基本都要经历压实→塑性扩展→颗粒破碎→形成局部高温区域→点火→燃烧→熄灭的典型非冲击点火过程,但由于炸药在细观尺度上存在不均匀性,导致相同实验条件下不同样品中局部高温区域点火出现的位置、持续时间以及反应强度都存在差异。

药片落锤撞击试验中B炸药的响应特性

设计了药片落锤撞击试验装置,落锤质量约20kg,测试了Φ20mm×5mm、Φ20mm×9mm成型B炸药在撞击压缩中的响应特性,采用锰铜压力计测试样品中压力的变化过程,通过高速录像照片分析了撞击点火反应过程,通过冲击波超压传感器测量了炸药的反应超压,分析了B炸药在药片落锤撞击试验中的响应规律。结果表明,B炸药的反应落高阈值随着B炸药药片厚度的增加而降低。

受落锤撞击钢框架结构的动力响应及其梁-柱连接性能比较

国内外对钢框架梁-柱节点冲击动力性能的研究较少,对承受冲击、爆炸等强动荷载的钢结构设计缺乏相关的规定,因此进行相关问题的深入研究显得尤为重要。给出了3种不同梁-柱连接形式的钢框架落锤撞击试验的试验结果,并进行了相应的有限元模拟分析,讨论了不同节点形式在冲击荷载下的破坏模式。提出了能量转化比的概念,用以表征框架吸收冲击能的能力。试验和数值模拟结果表明:平齐式节点抗冲击性能较差,螺栓呈脆性断裂;钢框架能量转化比与节点形式无关,当初始动能相同时,钢框架吸收等量的冲击能;外伸式节点可以将冲击能更加分散地分配至结构组成各部分,避免了钢框架(尤其是节点区域)应力和变形的集中发展,具有更好的抗冲击性能。

奥克托今/黑索今颗粒炸药在落锤撞击下碎片分布的实验分析

在落锤撞击过程中,奥克托今/黑索今(HMX/RDX)大颗粒的碎片大小和分布是影响热点形成以及燃烧速率的一个重要原因,因此对落锤撞击下碎片大小及其分布的分析是研究落锤撞击下热点形成的一个必要前提。用落锤撞击装置对HMX/RDX大颗粒进行破碎实验分析。运用Mastersizer 2000激光粒度分析仪对破碎后的HMX/RDX碎片样品进行粒度分析,得到了HMX/RDX在不同落锤高度下碎片的分布曲线和碎片平均尺寸。从实验结果发现,随着落锤高度的增加,碎片的尺寸不断减小,但减小的幅值在变小。另外,在同样的落高下,HMX大颗粒的碎片比RDX大颗粒的碎片尺寸大。

RDX粉末炸药在极低温环境下的落锤撞击敏感性研究

为研究环三亚甲基三硝胺(RDX)在低温环境下的撞击敏感性,设计了低温环境下的可视化落锤试验装置,研究了RDX粉末炸药在低温环境、不同落锤高度下的力-化学响应特征及相应的点火概率,并进行点火机理分析。研究结果表明:RDX粉末炸药的点火概率随环境温度的降低而降低,在-50℃和-100℃时,RDX粉末炸药很难发生点火;RDX粉末在落锤撞击过程中经历缓慢的径向扩散、融化、快速流动以及溅射或者点火燃烧,其点火机理主要是粘性热。

基于IG模型的丁羟推进剂落锤撞击的数值模拟

为研究典型丁羟推进剂在非冲击作用下的点火机理,基于三项式点火增长反应速率模型,对丁羟推进剂进行小落锤试验的数值模拟,分析整个撞击过程中推进剂的动态力学响应,得到在不同落锤质量、落高加载条件下的σ-t曲线。研究结果表明:落高40 cm的σ-t曲线与有关文献实验结果吻合较好,可以很好地模拟丁羟推进剂在非冲击作用下的力学响应。

落锤冲击加载下炸药基体内不同粒度AP颗粒破碎特征

为研究炸药基体内不同粒度高氯酸铵（AP）颗粒在落锤冲击加载下的破碎特征,用中粒径为6--8,130,300μm的AP制备了三种AP/HTPB样品,用落锤冲击加载损毁样品。回收冲击试验后样品,用扫描电镜（SEM）研究AP颗粒的破碎特征。分析炸药基体内不同粒度AP颗粒在落锤冲击加载下的破碎特征。结果表明,冲击加载后,三种样品内的AP颗粒均发生脆性破裂,部分晶体上清晰可见剪切带现象,且粒度越大颗粒破碎越严重。破碎后AP颗粒尺寸均在10--100μm,最小颗粒小于10μm。结合材料剪切理论、AP颗粒破碎特征和破碎尺度,可推断：在落锤冲击下AP颗粒由于样品内部的剪切作用发生脆性断裂,且AP颗粒破碎尺度特征与材料剪切现象中的剪切带尺寸特征相类似。

HMX颗粒炸药低速撞击点火实验研究

改造落锤撞击仪器,在落锤与撞击底座中增加光学系统和压力测试部件,利用高速摄像仪,拍摄了HMX颗粒炸药受撞击加载过程中微秒量级时间的变形-熔化-点火-燃烧过程图像。研究了下落高度、颗粒松散程度对变形和点火时间长短及燃烧剧烈程度的影响。结果表明,落锤下落高度越高,塑性扩展持续时间越短,易发生点火而不易发生喷射现象;较低的落锤下落高度易导致剧烈的喷射,而不易发生点火。颗粒排列越松散的样品,塑性扩展时间越短,更容易形成多个点火位置,从而使热点聚合导致燃烧的机会越大。

低速撞击下HMX颗粒炸药点火燃烧实验研究

为了研究低速撞击下颗粒炸药的点火燃烧特性,对落锤实验装置进行改进,由落锤直接撞击炸药样品改为由落锤先撞击上击柱,再由上击柱对颗粒炸药样品进行加载,结合数字高速相机,全程记录了环四亚甲基四硝胺(cyclotetramethylenete-tranitramine,HMX)颗粒炸药在低速撞击条件下的响应过程。通过改变落锤下落高度,研究了撞击速度对HMX颗粒炸药低速撞击响应过程的影响。结果表明:撞击速度越高,颗粒炸药更容易发生点火燃烧;撞击速度越低,颗粒炸药更容易发生喷射。

亚微米炸药的感度选择性

采用亚微米粉体炸药 (0 .1～ 1 μm )与普通粉体炸药 (>1 0 μm )进行了落锤撞击感度和冲击片 (高压短脉冲 )起爆感度对比试验 ,发现亚微米粉体炸药有在常见环境力 (一般的撞击、摩擦 )条件下比较安全 ,而在特定激励 (冲击片 )作用下起爆可靠性提高的感度选择性特点 ,并从理论上对上述特性进行了探讨。研究表明 ,亚微米粉体炸药具有非常好的应用前景。

TATB、石蜡、石墨钝感作用的讨论

研究TATB、石蜡、石墨在落锤撞击试验条件下的变化及试样的撞击加速度-时间曲线,探讨了这些钝感剂对HMX、RDX等炸药的钝感机理及产生不同钝感效果的原因。对一些高聚物粘结炸药落锤试验、苏珊试验的结果进行了分析讨论。

温度对粒状发射药动态力学性能的影响

为了解不同温度条件下粒状发射药动态力学性能的变化，用落锤撞击试验研究了粒状发射药在一60～50℃下的撞击损伤状态及应力曲线的变化。结果表明，在不同温度条件下粒状发射药的落锤撞击损伤状态和应力曲线的变化很大，温度低于-20℃时，发射药可能发生破碎，应力峰值高、作用时间短，温度高于0℃时，发射药发生塑性形变、峰值低、作用时间长。认为随着温度的逐渐升高，粒状发射药由脆性断裂逐渐改为塑性变形，药粒不易破碎，而低温下的冷脆断裂对发射药在极端低温下的应用不利。

高能发射药动态力学强度的影响因素研究

对19孔的高能发射药进行落锤撞击试验,观测药粒撞击损伤状态以及F-t曲线,研究药粒受力方向、撞击能以及温度等对高能发射药动态力学强度的影响。结果表明,改变受力方向,裂纹和破碎均在沿发射药的轴线方向上出现,表明发射药力学强度的各向异性;因为受径向撞击作用时,发射药粒易于破碎,故装药设计时,可使发射药的主要受力方向为轴向排布,可有效防止发射药的撞击破碎。随着撞击能提高,发射药的损伤百分数增加,F-t曲线上峰值逐渐增大,增大的幅度不断减小。随着温度升高,F-t曲线峰值由25.0 k N降为5.8 k N,脉宽由1.6 ms增加至5.1 ms,发射药的响应情况由脆性断裂逐渐转变为塑性形变。

糖颗粒对HMX和RDX两种单质炸药非冲击点火的影响

为了研究惰性糖颗粒对奥克托今(HMX)和黑索今(RDX)两种单质炸药非冲击点火机理的影响,利用配备了光学观测系统的落锤撞击装置,捕获了含惰性糖颗粒的HMX和RDX经历的破碎、熔化、溅射、点火和燃烧过程。结果表明,在含糖HMX颗粒炸药和含糖RDX粉末炸药中,点火易发生在糖颗粒的周围,燃烧会沿着糖颗粒周围向外部传播;燃烧反应前两者均发生剧烈的溅射现象;含糖HMX颗粒在固相中发生点火;在含糖RDX粉末炸药中,靠近糖颗粒周围的炸药先进入熔融状态,随后熔融区域逐渐扩展,点火点易出现在糖颗粒边缘处的RDX熔融液相中。对比了在HMX/RDX单质炸药中分别加入一个和三个糖颗粒情况下的点火频率,结果表明,三个糖颗粒的情况更容易引起炸药点火;三个糖颗粒由于破碎后产生较多的碎片,其与HMX或RDX单质炸药具有较强的相互作用,可能会在多个位置形成热点,其导致的燃烧反应会比单个糖颗粒的情况更为剧烈。采用上下极限法分析得到,糖颗粒的加入对HMX颗粒炸药的点火具有抑制作用,对于RDX粉末炸药的点火具有促进作用。

PTFE/Al/Fe_2O_3三元反应材料的力学及反应性能

为研究PTFE/Al/Fe_2O_3反应材料在准静态压缩和落锤撞击条件下的力学响应和反应特性,在PTFE/Al基础配方中加入不同体积分数的Fe_2O_3,制备了PTFE/Al/Fe_2O_3三元反应材料,采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对材料进行了表征,并用准静态压缩和落锤撞击试验研究了材料的力学和反应性能。结果表明,随着Fe_2O_3含量的增加,PTFE/Al/Fe_2O_3反应材料压缩强度先增加后减小,当Fe_2O_3体积分数为15%时,材料的压缩强度达到最大,为88MPa;含Fe_2O_3体积分数5%的反应材料在准静态压缩和落锤撞击条件下均能发生剧烈的爆炸反应,但对其反应产物的XRD分析表明,Fe_2O_3与Al之间的铝热反应并未被触发;Fe_2O_3体积分数为15%和25%的反应材料在准静态压缩条件下未见发火现象,但在落锤撞击试验中,发生了剧烈的爆炸和燃烧,并在其反应产物中检测到了AlF_3、Al_2O_3、Fe、FeF_2、FeO(OH)的衍射峰,表明发生了铝热反应。