炸藥裝藥密度對(duì)慢速烤燃響應(yīng)特性的影響＊

智小琦，胡雙啟

（1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原030051；2.中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原030051）

研究影響炸藥裝藥易損性的因素對(duì)彈藥的安全使用起著重要作用。慢速烤燃實(shí)驗(yàn)是彈藥危險(xiǎn)性評(píng)估實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)烤燃響應(yīng)劇烈程度的影響方面［2－3］，并通過(guò)測(cè)量烤燃過(guò)程中炸藥裝藥內(nèi)不同點(diǎn)的溫度及殼體在烤燃過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變情況了解烤燃反應(yīng)機(jī)理，這些研究成果為研制低易損炸藥和了解烤燃機(jī)制奠定了基礎(chǔ)；而烤燃實(shí)驗(yàn)是高危險(xiǎn)性和高代價(jià)的實(shí)驗(yàn)，烤燃過(guò)程包括熱傳導(dǎo)、化學(xué)分解、力學(xué)響應(yīng)等多個(gè)物理和化學(xué)過(guò)程，這些過(guò)程的相互作用和耦合影響了最終的響應(yīng)溫度和響應(yīng)的劇烈程度。為簡(jiǎn)化烤燃工作、降低實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性并深入分析烤燃響應(yīng)的機(jī)制，在采用微斷層攝影等先進(jìn)技術(shù)觀測(cè)烤燃過(guò)程的基礎(chǔ)上，三維數(shù)值模擬炸藥烤燃實(shí)驗(yàn)的技術(shù)也在迅速發(fā)展［4－6］，增加了人們對(duì)烤燃機(jī)制的認(rèn)識(shí)；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(duì)慢速烤燃響應(yīng)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(duì)烤燃響應(yīng)劇烈程度的影響，以期發(fā)現(xiàn)裝藥密度與熱烤響應(yīng)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(guò)程中的作用提供技術(shù)支持。

1 實(shí) 驗(yàn)

烤燃彈試樣如圖1所示，圓柱體長(zhǎng)29mm、內(nèi)徑23mm、壁厚3mm，兩端用螺紋與端蓋鏈接，端蓋壁厚1mm，長(zhǎng)徑比1.26，尺寸規(guī)格類(lèi)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(jìn)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(duì)應(yīng)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(shí)驗(yàn)。

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

慢烤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)程序如圖2所示。在烤燃過(guò)程中，電熱絲為烤燃彈提供熱源，以傳導(dǎo)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(diǎn)分隔90°固定2只鎳鉻／鎳硅熱電偶，精度0.004T（T 為測(cè)量溫度），以測(cè)定烤燃彈發(fā)生反應(yīng)時(shí)的環(huán)境溫度。計(jì)算機(jī)與熱電偶和MR13溫度控制／顯示儀連接，通過(guò)自行設(shè)計(jì)的DC 軟件實(shí)時(shí)采集烤燃過(guò)程中的溫度－時(shí)間曲線。實(shí)驗(yàn)前首先對(duì)升溫速率做標(biāo)定，確保升溫速率在設(shè)定范圍，當(dāng)試樣溫度為（25±1）℃時(shí)開(kāi)始升溫。

圖2 慢烤實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)狀態(tài)及響應(yīng)結(jié)果，表中ρ／ρTMD 為相對(duì)密度，t 為響應(yīng)時(shí)間，T 為反應(yīng)溫度。圖3為響應(yīng)后所收集的破片狀態(tài)。從表1和圖3可以看出，烤燃響應(yīng)特性隨裝藥密度的不同而變化。當(dāng)ρ／ρTMD＝94.5%時(shí)，發(fā)生了壓力脹裂［11］；當(dāng)ρ／ρTMD為93.2%～85.6%時(shí)，隨著密度的降低，烤燃反應(yīng)的劇烈程度增加；當(dāng)ρ／ρTMD≈80%時(shí)產(chǎn)生了燃燒轉(zhuǎn)爆轟現(xiàn)象；當(dāng)ρ／ρTMD＜75.20%時(shí)，隨著密度的降低，反應(yīng)的劇烈程度也隨之降低，當(dāng)ρ／ρTMD≈70%時(shí)出現(xiàn)了爆燃現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中沒(méi)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(yīng)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(yīng)機(jī)制目前普遍被接受的是二階段理論，即熱點(diǎn)火階段和由熱點(diǎn)引起的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z階段的理論。影響熱點(diǎn)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(yīng)特性。在壓藥過(guò)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?jī)?chǔ)存在凹穴或氣孔的表面，稱(chēng)為表面能［12］。當(dāng)烤燃彈受熱后，炸藥裝藥經(jīng)受殼體傳導(dǎo)傳熱、輻射傳熱的共同作用后發(fā)生熱分解反應(yīng)，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?chē)慕橘|(zhì)，使溫度升高，形成熱點(diǎn)。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(jì)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(jì)算的平均升溫ΔT ＝810℃?？梢?jiàn)，此時(shí)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(diǎn)進(jìn)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(guò)程中藥柱中心分解產(chǎn)生的高溫氣體容易滲透到周?chē)膮^(qū)域，使局部溫度升高，分解反應(yīng)加速，熱量增加，同樣也會(huì)致反應(yīng)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(shí)，達(dá)到臨界溫度的熱點(diǎn)數(shù)增多，起爆面積增大，導(dǎo)致反應(yīng)劇烈程度增加。

特別地，當(dāng)ρ／ρTMD 達(dá)到80%時(shí)，烤燃響應(yīng)結(jié)果出現(xiàn)了燃燒轉(zhuǎn)爆轟現(xiàn)象，這與文獻(xiàn)［11］的研究結(jié)果類(lèi)似。可見(jiàn)，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(yīng)。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(shí)發(fā)生了爆燃轉(zhuǎn)爆轟現(xiàn)象，爆速達(dá)到7 452m／s；裝藥密度為1.654g／cm3時(shí)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(méi)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(xì)致的研究。

當(dāng)ρ／ρTMD＞94%時(shí)，由于裝藥的孔隙率很低，在慢速烤燃過(guò)程中藥柱中心分解產(chǎn)生的高溫氣體很難向周?chē)鷿B透，壓力急劇增長(zhǎng)；同時(shí)由于炸藥的熱導(dǎo)系數(shù)較低，導(dǎo)熱性能差，使藥柱中心分解產(chǎn)生的熱量急劇增高，反應(yīng)速度強(qiáng)線性增加，因此導(dǎo)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(dǎo)性差，藥柱中心達(dá)到分解溫度的時(shí)間較長(zhǎng)，因此，耐烤燃時(shí)間也較長(zhǎng)。

但是，當(dāng)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(yīng)劇烈程度降低。除此之外，當(dāng)裝藥密度較低時(shí)，限定空間內(nèi)的壓力增長(zhǎng)率減小，溫度增長(zhǎng)率減慢，導(dǎo)致反應(yīng)劇烈程度降低。同時(shí)，由于殼體材料達(dá)到極限強(qiáng)度的時(shí)間增加，因此，耐烤燃時(shí)間有所增加。

雖然在MIL－STD－2105C中，把響應(yīng)的劇烈水平作為衡量鈍感彈藥的唯一標(biāo)準(zhǔn)。但是，從一定意義上講，烤燃彈響應(yīng)的劇烈水平、反應(yīng)溫度或耐烤燃時(shí)間均是衡量彈藥易損性指標(biāo)的重要參數(shù)，因此，提高耐烤燃時(shí)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(duì)炸藥的慢速烤燃響應(yīng)特性有重要影響。對(duì)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(shí)慢速烤燃響應(yīng)會(huì)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(jī)理研究及炸藥熱安全性研究提供一定的參考。

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