炸藥裝藥密度對慢速烤燃響應特性的影響＊

智小琦，胡雙啟

（1.中北大學機電工程學院，山西 太原030051；2.中北大學化工與環(huán)境學院，山西 太原030051）

研究影響炸藥裝藥易損性的因素對彈藥的安全使用起著重要作用。慢速烤燃實驗是彈藥危險性評估實驗標準的重要組成部分［1］，這方面的研究也比較多。大多數(shù)的研究主要集中在改變炸藥的組分和配方對烤燃響應劇烈程度的影響方面［2－3］，并通過測量烤燃過程中炸藥裝藥內(nèi)不同點的溫度及殼體在烤燃過程中的應力、應變情況了解烤燃反應機理，這些研究成果為研制低易損炸藥和了解烤燃機制奠定了基礎(chǔ)；而烤燃實驗是高危險性和高代價的實驗，烤燃過程包括熱傳導、化學分解、力學響應等多個物理和化學過程，這些過程的相互作用和耦合影響了最終的響應溫度和響應的劇烈程度。為簡化烤燃工作、降低實驗的危險性并深入分析烤燃響應的機制，在采用微斷層攝影等先進技術(shù)觀測烤燃過程的基礎(chǔ)上，三維數(shù)值模擬炸藥烤燃實驗的技術(shù)也在迅速發(fā)展［4－6］，增加了人們對烤燃機制的認識；近幾年，研究殼體結(jié)構(gòu)［7－8］、炸藥裝藥與殼體的自由空間［9］、烤燃彈的密封性［10］等物理因素對慢速烤燃響應劇烈程度的影響，成為研究含能材料烤燃的又一發(fā)展方向。

本文中，擬采用以RDX 為基的高能炸藥，系統(tǒng)研究炸藥裝藥密度對烤燃響應劇烈程度的影響，以期發(fā)現(xiàn)裝藥密度與熱烤響應劇烈程度的關(guān)系，為炸藥裝藥在彈箭中的安全使用和研究孔隙率在烤燃過程中的作用提供技術(shù)支持。

1 實 驗

烤燃彈試樣如圖1所示，圓柱體長29mm、內(nèi)徑23mm、壁厚3mm，兩端用螺紋與端蓋鏈接，端蓋壁厚1mm，長徑比1.26，尺寸規(guī)格類似子母戰(zhàn)斗部中的子彈結(jié)構(gòu)或一些傳爆藥結(jié)構(gòu)。殼體材料為普通45鋼，未進行熱處理。炸藥是以RDX 為主的高能混合炸藥，其中RDX 質(zhì)量占95.0%，其余5.0%為添加劑。試樣平均密度分別為最大理論密度（TMD 為1.771 4g／cm3）的94.5%、93.2%、92.1%、85.6%、80.1%、75.2%和70.0%，對應的裝藥質(zhì)量的變化范圍在15.4～20.6g之間，每一試樣至少做3發(fā)平行實驗。

圖1 烤燃彈試樣結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Aschematic of the cook－off bombs

慢烤實驗系統(tǒng)程序如圖2所示。在烤燃過程中，電熱絲為烤燃彈提供熱源，以傳導傳熱和輻射傳熱為主；MR13溫度控制儀控制電熱絲的升溫速率，升溫速率為（1±0.2）℃／min；烤燃彈外壁的圓柱部中點分隔90°固定2只鎳鉻／鎳硅熱電偶，精度0.004T（T 為測量溫度），以測定烤燃彈發(fā)生反應時的環(huán)境溫度。計算機與熱電偶和MR13溫度控制／顯示儀連接，通過自行設(shè)計的DC 軟件實時采集烤燃過程中的溫度－時間曲線。實驗前首先對升溫速率做標定，確保升溫速率在設(shè)定范圍，當試樣溫度為（25±1）℃時開始升溫。

圖2 慢烤實驗系統(tǒng)示意圖Fig.2System sketch of slow cook－off experiment

2 結(jié)果與討論

表1 中為烤燃彈的實驗狀態(tài)及響應結(jié)果，表中ρ／ρTMD 為相對密度，t 為響應時間，T 為反應溫度。圖3為響應后所收集的破片狀態(tài)。從表1和圖3可以看出，烤燃響應特性隨裝藥密度的不同而變化。當ρ／ρTMD＝94.5%時，發(fā)生了壓力脹裂［11］；當ρ／ρTMD為93.2%～85.6%時，隨著密度的降低，烤燃反應的劇烈程度增加；當ρ／ρTMD≈80%時產(chǎn)生了燃燒轉(zhuǎn)爆轟現(xiàn)象；當ρ／ρTMD＜75.20%時，隨著密度的降低，反應的劇烈程度也隨之降低，當ρ／ρTMD≈70%時出現(xiàn)了爆燃現(xiàn)象。實驗中沒有發(fā)現(xiàn)殘藥。

表1 不同密度的烤燃結(jié)果Table 1 The results for different densities in cook－off

圖3 不同密度的烤燃彈響應后的破片狀態(tài)Fig.3 Fragments recovered from cook－off at different percent TMD

非均質(zhì)炸藥爆轟的響應機制目前普遍被接受的是二階段理論，即熱點火階段和由熱點引起的化學反應轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z階段的理論。影響熱點火階段的主要因素是炸藥顆粒間的尺寸和孔隙率。因此，在一定條件下，孔隙率（或裝藥密度）決定著炸藥裝藥的響應特性。在壓藥過程中，構(gòu)成孔隙的凹穴的形成或氣孔的產(chǎn)生必須要有另外的附加能量，這些能量儲存在凹穴或氣孔的表面，稱為表面能［12］。當烤燃彈受熱后，炸藥裝藥經(jīng)受殼體傳導傳熱、輻射傳熱的共同作用后發(fā)生熱分解反應，使凹穴或氣孔破壞，表面能釋放。釋放的表面能又加熱空穴或氣體周圍的介質(zhì)，使溫度升高，形成熱點。由爆轟物理可知，單位表面的表面能與溫度升高值之間的關(guān)系為

式中：rb為空穴的初始半徑，ρ 為炸藥的理論密度，cV為炸藥的比定容熱容，Es為炸藥的表面能。

如將表面能視為炸藥的特征常數(shù)，可用凝聚炸藥的Es代替。而Es可用以下經(jīng)典公式近似計算

式中：E 為炸藥的彈性模量；a 為原子間距，可近似用分子間的平均線性距離表示；M 為炸藥分子質(zhì)量；ρ 為炸藥晶體的密度；c 為聲速。

用RDX 的參數(shù)近似代替混合炸藥的參數(shù)，M ＝222kg，ρ ＝1.816g／cm3，c＝2.62km／s，代入式（2），得到Es＝728J／m2。將該值代入式（1），取rb＝1μm，cV＝1.12kJ／（kg·K），計算的平均升溫ΔT ＝810℃。可見，此時表面層早已破壞、熔化、蒸發(fā)變?yōu)闅怏w，并沖入空穴或氣孔內(nèi)，在空穴或氣孔內(nèi)形成熱點進而產(chǎn)生熱起爆。另一方面，在一定的密度范圍內(nèi)，隨著孔隙率的增加，在慢速烤燃過程中藥柱中心分解產(chǎn)生的高溫氣體容易滲透到周圍的區(qū)域，使局部溫度升高，分解反應加速，熱量增加，同樣也會致反應劇烈程度增加。因此，在ρ／ρTMD＝93.2%～80.1%的密度范圍內(nèi)，空隙率增加時，達到臨界溫度的熱點數(shù)增多，起爆面積增大，導致反應劇烈程度增加。

特別地，當ρ／ρTMD 達到80%時，烤燃響應結(jié)果出現(xiàn)了燃燒轉(zhuǎn)爆轟現(xiàn)象，這與文獻［11］的研究結(jié)果類似?？梢?，裝藥密度是凝聚炸藥在一定條件下產(chǎn)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟的重要因素。文尚剛等［13］壓制了3種密度水平的B炸藥（m（TNT）∶m（RDX）＝40∶60），用電探針和壓力傳感器研究了爆燃向爆轟轉(zhuǎn)變的DDT 效應。研究結(jié)果顯示，在容積限定的條件下，裝藥密度為1.597g／cm3時發(fā)生了爆燃轉(zhuǎn)爆轟現(xiàn)象，爆速達到7 452m／s；裝藥密度為1.654g／cm3時產(chǎn)生了低速爆轟現(xiàn)象，爆速為4 400m／s；而裝藥密度為1.681g／cm3的藥柱沒有發(fā)生爆轟。關(guān)于炸藥烤燃的燃燒轉(zhuǎn)爆轟現(xiàn)象還有待作更深入細致的研究。

當ρ／ρTMD＞94%時，由于裝藥的孔隙率很低，在慢速烤燃過程中藥柱中心分解產(chǎn)生的高溫氣體很難向周圍滲透，壓力急劇增長；同時由于炸藥的熱導系數(shù)較低，導熱性能差，使藥柱中心分解產(chǎn)生的熱量急劇增高，反應速度強線性增加，因此導致了壓力脹裂現(xiàn)象［11］產(chǎn)生。而且，由于裝藥密度高即孔隙率低，炸藥的熱導性差，藥柱中心達到分解溫度的時間較長，因此，耐烤燃時間也較長。

但是，當裝藥密度降低到一定值后，隨著裝藥密度的繼續(xù)減低，炸藥質(zhì)量減少，單位體積內(nèi)產(chǎn)生的能量及分解產(chǎn)生的高溫氣體量減少，因此反應劇烈程度降低。除此之外，當裝藥密度較低時，限定空間內(nèi)的壓力增長率減小，溫度增長率減慢，導致反應劇烈程度降低。同時，由于殼體材料達到極限強度的時間增加，因此，耐烤燃時間有所增加。

雖然在MIL－STD－2105C中，把響應的劇烈水平作為衡量鈍感彈藥的唯一標準。但是，從一定意義上講，烤燃彈響應的劇烈水平、反應溫度或耐烤燃時間均是衡量彈藥易損性指標的重要參數(shù)，因此，提高耐烤燃時間，在一定條件下也起到了降低彈藥易損性的作用。

3 結(jié) 論

（1）裝藥密度對炸藥的慢速烤燃響應特性有重要影響。對于以RDX 為基的高能炸藥所壓制的小藥柱而言，裝藥密度不同時慢速烤燃響應會產(chǎn)生壓力脹裂、部分爆轟、燃燒轉(zhuǎn)爆轟和燃燒等現(xiàn)象。

（2）上述研究結(jié)論能為炸藥慢速烤燃機理研究及炸藥熱安全性研究提供一定的參考。

［1］ MIL－STD－2105C.Military standard－h(huán)azard assessment tests for non－nuclear munitions［S］.2003.

［2］ Dagley L J，Parker R P.Simulation and moderation of the thermal response of confined pressed explosive compositions［J］.Combustion and Flame，1996，106（4）：428－441.

［3］ Maienschein J L，Wardell J F，Weese R K.Understanding and predicting the thermal explosion violence of HMXbased and RDX－based explosives－experimental measurements of material properties and reaction－violence［C］∥12th International Conference Symposium.SanDiego，Califormia，2002.

［4］ Atwood A I，Curran P D.Coupled thermal－chemical－mechanical modeling of validation cook－off experiments［C］∥19th Propulsion Systems Hazards Subcommittees Joint Meeting.Monterey CA，2000.

［5］ Nichpls A L，Anderson A，Needly R.A model for high explosive cook－off［C］∥12th International Conference Symposium.SanDiego，Califormia，2003.

［6］ 馮長根，張蕊，陳朗.RDX 炸藥熱烤（cook－off）實驗及數(shù)值模擬［J］.含能材料，2004，12（4）：193－198.Feng Chang－gen，Zhang Rui，Chen Lang.The cook－off test and its numerical simulation of RDX［J］.Chiness Journal of Energetic Materials，2004，12（4）：193－198.

［7］ Garcia F，Vandersall K S，F(xiàn)orbes J W，et al.Thermal cook－off experiments of the HMX based high explosive lx－04to characterize violence with varying confinement［R］.American Physical Society Meeting on Shock Compression of Condensed Matter.MD.UCRL－CONF－214058，2005.

［8］ 智小琦，胡雙啟，李娟娟，等.不同約束條件下鈍化黑索金炸藥的烤燃響應研究［J］.火炸藥學報，2009，32（3）：22－24.Zhi Xiao－qi，Hu Shuang－qi，Li Juan－juan，et al.Study on slow cook－off characteristic of passive RDX explosive under different restriction conditions［J］.Chinese Journal of Explosives ＆Propellants，2009，32（3）：22－24.

［9］ Atwood A I，Curran P O，Bui D T，et al.Energetic material response in a cook off model validation experiment［C］∥Proceedings of Twelfth International Detonation Symposium.Office of Naval Research，2002：112－117.

［10］ Madsen T，DeFisher S，Baker E L，et al.Warhead venting design technology development［R］.NJ07856－5000，USA，2008.

［11］ Atwood A I，Curran P O.The effect of initial porosity on cook off reaction violence［C］∥34th International Annual Conference of ICT 24－27.Karlsruhe，F(xiàn)ederal Republic of Germany，2003.

［12］ 章冠人，陳大年.凝聚炸藥起爆動力學［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1991：126－127.

［13］ 文尚剛，王勝強，黃文斌，等.密度對壓裝炸藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟性能的影響［J］.火炸藥學報，2006，29（5）：5－8.Wen Shang－gang，Wang Sheng－qiang，Huang Wen－bin，et al.The effect of density in composition B on deflagration－detonation－transition behavior［J］.Chinese Journal of Explosives ＆Propellants，2006，29（5）：5－8.