CN113030425A - 一种等效模拟弹体侵彻钢靶的炸药安定性评估实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种等效模拟弹体侵彻钢靶的装药安定性评估实验装置，属于炸药安定性测试领域。包括起爆系统、平面波发生器、主炸药、飞片、应力计、导线和示波器、第一波形调节器、第二波形调节器、试样、支撑架、回收挡板、压力测试系统以及高速摄影仪。本发明采用了爆炸驱动飞片撞击试样的方式来满足对试样形成1～10Gpa的压力强度，选择聚氨酯橡胶作为波形调整器，实现对试样形成的正弦波波形的加载环境，调节聚氨酯橡胶以满足对试样形成的200us脉冲宽度的加载条件，克服了现有技术对压力强度和脉冲宽度以及波形要求只能满足一项的缺点，完全等效了弹体侵彻钢靶时炸药的加载作用环境，大大节约了实弹打靶测试的成本。
Description
技术领域
本发明涉及炸药安定性测试领域，特别涉及一种等效模拟弹体侵彻钢靶的炸药安定性评估实验装置。
背景技术
关于炸药安定性测试的现有技术主要有隔板实验法和落锤法。隔板法是在标准主发药和受试被发药之间加惰性隔板，主发药柱产生的冲击波经过惰性隔板材料衰减后作用于受试被发药，通过改变惰性隔板厚度调节输入受试被发药中的冲击波强度，爆轰率为50％的惰性隔板厚度用来表征受试被发药的冲击感度。落锤法是通过控制机构将落锤提升到一定高度后落下，撞击待测炸药，通过改变落锤下落的高度来调整撞击强度。
弹体侵彻钢靶时，弹体内部炸药承受的加载有1～10GPa，脉冲宽度为200us左右，波形类似半正弦波。而现有的这两种测试技术都无法完全满足上述条件。隔板法是靠主发药起爆形成的爆轰波对待测炸药进行加载，波形是强间断的三角波，与弹体侵彻实际波形不符合。另外由于是爆轰波加载，尽管可以实现1～10GPa的加载强度，但是脉冲宽度只有1～10us量级，完全无法实现弹体侵彻实际过程的200us脉冲宽度；落锤法是靠机械撞击加载，波形和脉冲宽度均能达到弹体侵彻过程的实际要求，但是由于自由落体的速度有限，导致加载在炸药上的强度通常不超过0.1GPa，因此也不符合等效弹体侵彻钢靶实际过程的要求。
综上所述，现有的技术要么只能满足弹体侵彻钢靶的加载强度要求，要么只能满足脉冲宽度和波形要求，无法同时满足，即不能实现对弹体侵彻钢靶时炸药受加载状态的完全等效。
发明内容
为了实现对弹体侵彻钢靶时炸药受加载状态的完全等效，本发明提供一种等效模拟弹体侵彻钢靶的炸药安定性评估实验装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种等效模拟弹体侵彻钢靶的炸药安定性评估实验装置，其包括起爆系统、平面波发生器、主炸药、垫片、飞片、应力计、导线和示波器、第一波形调节器、试样、第二波形调节器、支撑架、螺栓、回收挡板和高速摄影仪，其中：
所述起爆系统粘连在所述平面波发生器顶部中轴线位置，所述平面波发生器底部粘连所述主炸药；所述支撑架分为上支撑架和下支撑架，上支撑架和下支撑架通过多个螺栓连接，所述上支撑架的中部设有预留孔，所述飞片黏在所述预留孔中，所述垫片紧贴接触所述主炸药和所述飞片，所述试样位于所述下支撑架上，所述试样和所述飞片处于同一轴线，所述应力计和所述示波器通过导线连接，所述试样的上表面和下表面各紧贴一枚所述应力计后分别与第一波形调节器和所述第二波形调节器粘连，所述第一波形调节器和所述第二波形调节器由一层或多层聚氨酯橡胶构成，所述回收挡板围绕所述支撑架外侧设置，所述高速摄影仪置于爆炸安全区的掩体中。
可选地，所述起爆系统由雷管和传爆药组成，所述雷管插入所述传爆药中，所述传爆药粘连在所述平面波发生器顶部中轴线位置。
可选地，所述应力计为锰铜压阻应力计。
可选地，所述聚氨酯橡胶分为三层，每层厚度均为110mm，每层直径均为60mm。
可选地，所述飞片的材料为铜，所述垫片的材料为橡胶。
可选地，所述主炸药选用RDX。
可选地，所述支撑架和所述回收挡板的材料均为Q235钢。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明采用了爆炸驱动飞片撞击试样的方式，实现了对试样形成1～10GPa的压力强度；选择聚氨酯橡胶来作为波形调整器，实现了对试样形成的正弦波波形的加载环境；通过调节聚氨酯橡胶的厚度来满足对试样形成的200us脉冲宽度的加载环境；克服了现有技术对压力强度和脉冲宽度以及波形要求只能满足一项的缺点，完全等效了弹体侵彻钢靶时炸药的加载作用环境，大大节约了实弹打靶测试的成本。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明的结构示意图。
附图标记说明
1.雷管；2.传爆药；3.平面波发生器；4.主炸药；5.垫片；6.飞片；7.应力计；8.示波器；9.第一波形调节器；10.试样；11.第二波形调节器；12.支撑架；121.上支撑架；122.下支撑架；13.螺栓；14.回收挡板；15.高速摄影仪。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供了一种等效模拟弹体侵彻钢靶的炸药安定性评估实验装置，包括起爆系统、平面波发生器3、主炸药4、垫片5、飞片6、应力计7、导线和示波器8、第一波形调节器9、试样10、第二波形调节器11、支撑架12、回收挡板14、和高速摄影仪15，其中：
所述起爆系统粘连在所述平面波发生器3顶部中轴线位置，所述平面波发生器3底部粘连所述主炸药4；
所述支撑架12分为上支撑架121和下支撑架122，上支撑架121和下支撑架122通过多个螺栓13连接，所述上支撑架121的中部设有预留孔，所述飞片6黏在所述预留孔中，所述垫片5紧贴接触所述主炸药4和所述飞片6，所述试样10位于所述下支撑架122上，所述试样10和所述飞片6处于同一轴线，所述应力计7和示波器8通过导线连接，所述试样10的上表面和下表面各紧贴一枚所述应力计7后分别与第一波形调节器9和所述第二波形调节器11粘连，所述第一波形调节器9和所述第二波形调节器11由一层或多层聚氨酯橡胶构成，所述回收挡板14围绕所述支撑架12外侧设置，所述高速摄影仪15置于爆炸安全区的掩体中。
其中，所述垫片5用于缓冲主炸药4爆炸形成的爆轰波。所述主炸药4用于起爆驱动飞片6。本发明通过调节聚氨酯橡胶的厚度来控制加载波形的脉宽。
使用时，将各部件依次连接好，然后引爆起爆系统，起爆系统进而将平面波发生器3引爆，平面波发生器3中产生的平面波再将其底部粘连的主炸药4引爆，主炸药4爆炸产生的爆轰波穿过垫片5将飞片6击飞，飞片6直接撞击到第一波形调节器9并间接影响到第二波形调节器11，撞击形成的冲击波通过第一波形调节器9和第二波形调节器11调整后传入到试样10，示波器8通过试样10上下表面各贴合的一枚应力计7检测到压力和脉宽数据，通过回收挡板14记录试样10的响应程度，高速摄影仪15记录飞片6的速度以及试样10的响应现象。
可选地，起爆系统由雷管1和传爆药2组成，所述雷管1插入所述传爆药2中，所述传爆药2粘连在所述平面波发生器3顶部中轴线位置。传爆药2可以选用特屈儿。雷管1采用电起爆器起爆，起爆方式更加安全可靠。
可选地，应力计7为锰铜压阻应力计。
可选地，所述聚氨酯橡胶分为三层，每层厚度均为110mm，每层直径均为60mm。
可选地，所述飞片6的材料为铜，所述垫片5的材料为橡胶。飞片6和垫片5进行车加工处理，飞片6和垫片5的表面经机械研磨以保证表面粗糙度Ra小于0.4μm，平面度优于2μm。
可选地，所述主炸药4选用RDX。
可选地，所述支撑架12和所述回收挡板14的材料均为Q235钢。选用Q235钢以保证支撑架12和回收挡板14在实验过程中不会受到损坏。
工作原理：
通过选取适当的冲击阻抗材料作为主炸药4与试样10之间的飞片6，不仅能够提高加载值，还可以实现对试样10进行所需压力的连续加载。根据Gurney方程，主炸药4对飞片6的驱动速度为：
公式(1)中，M为飞片6质量，C为主炸药4质量，E为主炸药4的化学能。通过改变主炸药4的厚度以及飞片6的厚度即可实现飞片6速度的可控性，进而控制飞片6撞击在试样10(即待测炸药)上的冲击压力。
根据阻抗匹配方法，界面连续，波形调节器(第一波形调节器9和第二波形调节器11)和试样10(即待测炸药)界面间Hugoniot参数满足下式：
P2＝ρ02(C2+S2Up2)Up2 (3)
Us＝C0+SUp (4)
在选定波形调节器材料后，即可通过式(2)～(4)计算出加载到试样10上的压力。由于脉冲宽度为碰撞界面形成的冲击波传播到自由面形成卸载波再反射回来的时间，因此可近似看作脉冲宽度t＝2×d/Us。式(2)～(4)中，d为第一波形调节器9和第二波形调节器11的厚度，Us为冲击波在第一波形调节器9和第二波形调节器11中的传播速度，其中下标为1或01的为撞击物界面参数，下标为2或02的参量为被撞击物界面参数，Up为粒子速度，Us为冲击波传播速度，ρ为密度，VD为撞击物运动速度，C为声速，S为Hugoniot参数。这样就可以通过改变第一波形调节器9和第二波形调节器11的厚度来调节加载在试样10上的脉冲宽度。
综上所述，通过选定合适厚度的聚氨酯橡胶用于第一波形调节器9和第二波形调节器11，即可控制加载在试样10上的压力强度和脉冲宽度。本发明为了等效弹体侵彻钢靶的真实环境，选用厚度为0.28～0.4m的聚氨酯橡胶作为波形调节器。
下面以等效模拟弹体侵彻钢靶时炸药受到的2.8GPa压力强度，250us脉冲宽度的半正弦波加载环境为例，对本发明的系统组成进行举例说明。
1.实验装置组成
实验装置由起爆系统、平面波发生器3、主炸药4、垫片5、飞片6、第一波形调节器9、试样10、第二波形调节器11、支撑架12、螺栓13、回收挡板14、压力测试系统以及高速摄影仪15组成。实验装置示意图如图1所示。
①起爆系统
由雷管1、传爆药2(特屈儿)组成，置于实验系统顶部中轴线位置，采用电起爆方式。其中，雷管1插入传爆药2(特屈儿)中。
②平面波发生器
平面波发生器3以铸装TNT/RDX(40/60)作为外层高爆速炸药，以Baratol(TNT/Ba(NO3)222/78)作为内层低爆速炸药，两层炸药交界面取双曲面。用于将球面爆轰波调整成为平面波。其中，传爆药2(特屈儿)置于平面波发生器3顶部轴线位置，传爆药2(特屈儿)下底面与平面波发生器3上顶面粘连。平面波发生器为圆台形，底面直径为80mm。
③主炸药
主炸药4选用RDX。与平面波发生器3粘连，用于起爆驱动飞片6。主炸药4为圆柱形，直径80mm，厚60mm。
④飞片、垫片
垫片5厚度3mm，直径80mm，材料选用橡胶。位于飞片6和主炸药4之间，紧贴接触，用于缓冲爆轰波。飞片6用于对试样10进行冲击加载。通过改变飞片6和主炸药4的厚度来控制加载在试样10上的压力强度，飞片厚度为25mm，直径60mm。飞片6材料选用铜。垫片5和飞片6车加工后，表面经机械研磨以保证其表面粗糙度Ra小于0.4μm，平面度优于2μm。雷管1、传爆药2(特屈儿)、平面波发生器3、主炸药4和垫片5均放于支撑架12的上支撑架121之上。飞片6通过胶带粘于上支撑架121的预留孔中。
⑤压力测试系统
压力测试系统由锰铜压阻应力计7、导线、示波器8组成。每发待测的试样10的上表面和下表面分别紧贴一枚应力计，应力计厚20μm，两边用0.05mm厚的聚乙烯醇缩甲乙醛作衬底，起支撑和包封作用，最外层使用0.1mm厚的聚四氟乙烯薄膜进行包封。测量试样10加载压力与时间的关系曲线。
⑥波形调节器
由第一波形调节器9和第二波形调节器11组成，第一波形调节器9和第二波形调节器11均由一层或多层聚氨酯橡胶构成(根据需要的脉冲宽度调整)，通过调节聚氨酯橡胶的厚度来控制加载波形的脉宽。聚氨酯橡胶共分三层，每层厚度为110mm，直径均为60mm。第一波形调节器9和第二波形调节器11与试样10为上下粘连关系。
⑦试样
试样10为圆柱形的待测炸药，直径60mm，厚度60mm。
⑧支架、回收挡板
支撑架12分为上支撑架121和下支撑架122，用于支撑起爆系统以及放置待测炸药。材料选用Q235钢。上支撑架121和下支撑架122之间采用螺栓13(M20×200)相连，支撑架12整体高0.5m。回收挡板14用于阻挡试样10碎片飞散以及验证试样10响应程度，材料选用Q235钢，高0.5m，厚2cm，长100mm。
⑨高速摄影仪
高速摄影仪15用于对驱动飞片6撞击的过程进行拍摄记录。置于安全区的掩体中。
2.工作流程
实验前将各部件按照前述方式组装好置于支撑架12上(示波器8由导线连接置于安全区掩体内)，用螺栓13固定好支撑架12，支起回收挡板14，调试好压力测试系统和波形调节器。
通过电起爆器起爆雷管1。雷管1将传爆药2(特屈儿)引爆，传爆药2(特屈儿)将平面波发生器3引爆，形成平面波传至并引爆主炸药4，主炸药4形成的爆轰波通过垫片5传至飞片6，驱动飞片6撞击向第一波形调节器9。撞击形成的冲击波通过第一波形调节器9和第二波形调节器11调整传入试样10，压力测试系统检测到压力和脉宽数据。通过回收挡板14记录试样10的响应程度。高速摄影仪15记录飞片6的速度以及试样10的响应现象。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (7)
1.一种等效模拟弹体侵彻钢靶的炸药安定性评估实验装置，其特征在于，包括起爆系统、平面波发生器(3)、主炸药(4)、垫片(5)、飞片(6)、应力计(7)、导线和示波器(8)、第一波形调节器(9)、试样(10)、第二波形调节器(11)、支撑架(12)、螺栓(13)、回收挡板(14)和高速摄影仪(15)，其中：
所述起爆系统粘连在所述平面波发生器(3)顶部中轴线位置，所述平面波发生器(3)底部粘连所述主炸药(4)；所述支撑架(12)分为上支撑架(121)和下支撑架(122)，上支撑架(121)和下支撑架(122)通过多个螺栓(13)连接，所述上支撑架(121)的中部设有预留孔，所述飞片(6)黏在所述预留孔中，所述垫片(5)紧贴接触所述主炸药(4)和所述飞片(6)，所述试样(10)位于所述下支撑架(122)上，所述试样(10)和所述飞片(6)处于同一轴线，所述应力计(7)和所述示波器(8)通过导线连接，所述试样(10)的上表面和下表面各紧贴一枚所述应力计(7)后分别与第一波形调节器(9)和所述第二波形调节器(11)粘连，所述第一波形调节器(9)和所述第二波形调节器(11)由一层或多层聚氨酯橡胶构成，所述回收挡板(14)围绕所述支撑架(12)外侧设置，所述高速摄影仪(15)置于爆炸安全区的掩体中。
2.根据权利要求1所述的一种等效模拟弹体侵彻钢靶的炸药安定性评估实验装置，其特征在于，所述起爆系统由雷管(1)和传爆药(2)组成，所述雷管(1)插入所述传爆药(2)中，所述传爆药(2)粘连在所述平面波发生器(3)顶部中轴线位置。
3.根据权利要求1所述的一种等效模拟弹体侵彻钢靶的炸药安定性评估实验装置，其特征在于，所述应力计(7)为锰铜压阻应力计。
4.根据权利要求1所述的一种等效模拟弹体侵彻钢靶的炸药安定性评估实验装置，其特征在于，所述聚氨酯橡胶分为三层，每层厚度均为110mm，每层直径均为60mm。
5.根据权利要求1所述的一种等效模拟弹体侵彻钢靶的炸药安定性评估实验装置，其特征在于，所述飞片(6)的材料为铜，所述垫片(5)的材料为橡胶。
6.根据权利要求1所述的一种等效模拟弹体侵彻钢靶的炸药安定性评估实验装置，其特征在于，所述主炸药(4)选用RDX。
7.根据权利要求1所述的一种等效模拟弹体侵彻钢靶的炸药安定性评估实验装置，其特征在于，所述支撑架(12)和所述回收挡板(14)的材料均为Q235钢。
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