泄壓孔徑對(duì)引信慢速烤燃響應(yīng)程度的影響

馬 楠，牛蘭杰，趙 旭，范晨陽(yáng)

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

彈藥庫(kù)房、大型艦艇等重要設(shè)施，由于意外發(fā)生火災(zāi)或受到敵方打擊釀成的重大災(zāi)難，往往不是由這種外部因素直接造成的，而是由于這些外部因素誘發(fā)了彈藥的連環(huán)爆炸。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家首先注意到了這一現(xiàn)象，開(kāi)始考慮如何降低彈藥對(duì)于加熱、撞擊、彈藥攻擊等劇烈的外界刺激的敏感性，以提高作戰(zhàn)人員、武器裝備的生存能力。不敏感彈藥(IM-Isensitive Munition)就是指具有對(duì)加熱、沖擊、爆轟等外界刺激不敏感或在這種外界刺激下不會(huì)引起強(qiáng)烈反應(yīng)的彈藥。在不降低彈藥使用性能和作戰(zhàn)效率前提下降低意外刺激(烤爆、殉爆和撞擊)導(dǎo)致災(zāi)難性反應(yīng)的可能性，本質(zhì)上也是對(duì)彈藥的一種安全性要求。引信作為彈藥的重要組成部分，必然要滿足不敏感彈藥要求[1]。

慢速烤燃(SCO)作為不敏感彈藥評(píng)估的一項(xiàng)試驗(yàn)，是指彈藥被遠(yuǎn)距離熱源加熱，如臨近彈藥庫(kù)、倉(cāng)庫(kù)、車輛著火。試驗(yàn)過(guò)程中以3.3 ℃/h的恒定加熱速率對(duì)彈藥進(jìn)行加熱，直到彈藥發(fā)生反應(yīng)。北歐彈藥公司在70 mm火箭彈戰(zhàn)斗部殼體周圍有開(kāi)了12個(gè)圓孔，平時(shí)用塑料圓塊堵住，如果受到燃料火焰攻擊，戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)的炸藥燃燒形成的壓力就會(huì)推開(kāi)塑料圓塊釋放壓力，裝藥不會(huì)發(fā)生爆炸[2]。美國(guó)空軍和海軍一直在聯(lián)合研究提高通用炸彈安全性的方法，他們通過(guò)增加排氣孔的方式將BLU110、BLU111和BLU 117戰(zhàn)斗部的反應(yīng)程度降為了爆燃或燃燒，而侵徹戰(zhàn)斗部BLU109和BLU122在設(shè)計(jì)階段即已檢驗(yàn)了相應(yīng)排氣技術(shù)的有效性[3]。以上均是對(duì)戰(zhàn)斗部的泄壓進(jìn)行試驗(yàn)研究，而針對(duì)引信泄壓正處于研究階段。本文針對(duì)引信在慢速烤燃環(huán)境下傳爆藥會(huì)發(fā)生劇烈反應(yīng)的問(wèn)題，提出在引信體上設(shè)計(jì)泄壓孔的方式來(lái)降低傳爆藥的反應(yīng)程度。

1 引信泄壓原理及泄壓孔徑計(jì)算

1.1 泄壓原理

引信傳爆藥在受到熱刺激時(shí)會(huì)發(fā)生分解，產(chǎn)生的氣體使得引信體內(nèi)壓力逐漸增大，從而引發(fā)爆燃或爆炸。通過(guò)在引信體上設(shè)計(jì)泄壓孔，使傳爆藥經(jīng)化學(xué)燃燒反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體從泄壓孔中排出，釋放引信體內(nèi)的壓力，避免引信發(fā)生爆炸等劇烈反應(yīng)，從而降低傳爆藥的反應(yīng)程度。

泄壓孔通過(guò)螺紋塞進(jìn)行填充，螺紋塞材料為易熔金屬。當(dāng)引信受到外界熱刺激時(shí)，溫度達(dá)到易熔金屬的熔點(diǎn)時(shí)，螺紋塞熔化，傳爆藥經(jīng)化學(xué)燃燒反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體推出螺紋塞，通道打開(kāi)。引信泄壓結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 引信泄壓結(jié)構(gòu)原理圖Fig. 1 Schematic diagram of pressure relief structure of fuze

1.2 泄壓孔徑計(jì)算

引信泄壓孔設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是排氣孔尺寸的確定，解決該問(wèn)題的方法之一是建立引信體內(nèi)壓強(qiáng)增長(zhǎng)率與排氣孔壓強(qiáng)釋放率之間的平衡關(guān)系。根據(jù)Kinney[4]等的研究，引信體內(nèi)炸藥分解燃燒時(shí)的壓強(qiáng)增長(zhǎng)率可由下式計(jì)算:

(1)

式(1)中，T是溫度(K)；R為摩爾氣體常數(shù)，取8.314×10-5bar · m3/mol · K；V是體積( m3) ；dn/dt為氣體生成率；M是分子氣體生成量(kg/mol)；ρ為炸藥密度(kg/m3)；T0為炸藥初始溫度(K)；S是炸藥燃燒面積(m2)；P為絕對(duì)壓強(qiáng)(bar)；其中，a,A和B為炸藥材料常數(shù)。

排氣孔氣體壓強(qiáng)釋放率由下式計(jì)算[5]；

(2)

式(2)中，AV為排氣孔面積(m2)；CD是排氣系數(shù)0.6～1.0；a′為氣流速度(m/s)，可由下式計(jì)算:

(3)

如果引信體內(nèi)壓強(qiáng)增長(zhǎng)率小于等于排氣孔氣體壓強(qiáng)釋放率，則有：

(4)

則可以得到排氣孔的最小面積為：

(5)

因此，只要已知炸藥的相關(guān)物理化學(xué)參數(shù)，結(jié)合引信體的結(jié)構(gòu)特征，由式(5)即可求得相應(yīng)排氣孔的最小面積。由于暫無(wú)FOX-7傳爆藥的計(jì)算參數(shù)，無(wú)法根據(jù)前述設(shè)計(jì)原理準(zhǔn)確計(jì)算排氣孔的面積。Graham等在研究B炸藥排氣孔面積與燃燒面積之間的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)排氣孔面積不小于燃燒面積的1%時(shí)，排氣孔可以有效的降低B炸藥的反應(yīng)程度。為此參考文獻(xiàn)[5]，根據(jù)該引信傳爆藥柱燃燒面積，即可計(jì)算出排氣孔最小直徑約為5 mm。

2 試驗(yàn)方案

2.1 引信慢速烤燃試驗(yàn)裝置

烤燃試驗(yàn)裝置主要由烤燃試驗(yàn)爐、溫度控制儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、熱電偶等裝置組成，如圖2所示。烤燃試驗(yàn)爐具有良好的保溫性能和抗爆性能；溫度控制儀采用日本島電溫控儀，可通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)來(lái)獲得不同的升溫速率；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用自行編制的測(cè)點(diǎn)溫度與時(shí)間關(guān)系的采集軟件，可適時(shí)觀測(cè)到溫度隨時(shí)間的變化情況。熱電偶選用K型熱電偶，測(cè)量范圍0～800 ℃。

圖2 引信慢速烤燃試驗(yàn)裝置Fig.2 Fuse slow cook-off test device

2.2 引信烤燃試樣

試驗(yàn)以中大口徑榴彈引信為烤燃試樣，導(dǎo)爆管和傳爆管FOX-7裝藥，如圖3所示。試驗(yàn)中對(duì)于引信中控制系統(tǒng)等非爆炸部件采用模擬件代替，模擬件盡量與原引信系統(tǒng)保持一致(包括幾何尺寸和導(dǎo)熱系數(shù))。其中，引信中的火工品僅含導(dǎo)爆管、傳爆管。引信烤燃試件結(jié)構(gòu)中傳爆管殼壁厚為3 mm，下端蓋厚度為1 mm,傳爆管上端隔爆片厚度為4 mm,傳爆管與引信體通過(guò)螺紋連接，其中連接端的引信體厚度為3.5 mm。已知FOX-7在烤燃條件下的反應(yīng)溫度約為170 ℃，選用熔點(diǎn)為124 ℃的易熔金屬作為泄壓螺紋塞。

圖3 引信烤燃試樣Fig. 3 Fuze cook-off sample

2.3 試驗(yàn)方法

啟動(dòng)之前,以12 ℃/h的升溫速率快速升溫至120 ℃,然后試驗(yàn)件以3.3 ℃/h的升溫速率逐漸加熱直至反應(yīng)結(jié)束，并以時(shí)間-溫度曲線進(jìn)行記錄。在試驗(yàn)中，分別以無(wú)泄壓孔與泄壓孔徑為5 mm、6 mm的引信作為烤燃試件。每組試驗(yàn)做三發(fā)，升溫直至引信中傳爆藥在慢速烤燃條件下完全反應(yīng)。

用鐵絲將引信烤燃試件垂直固定在鐵架上，并放置在加熱爐的中心位置。分別在引信樣機(jī)的底部即傳爆管輸出端和引信體側(cè)面放置熱電偶，如圖4所示。當(dāng)引信發(fā)生熱爆炸產(chǎn)生聲響或溫度記錄有突變時(shí)，反應(yīng)結(jié)束，記錄反應(yīng)溫度，并根據(jù)回收到的引信破壞情況確定反應(yīng)劇烈程度。

圖4 烤燃試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 Cook-off test site

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 慢速烤燃試驗(yàn)結(jié)果

1) 無(wú)泄壓孔引信慢速烤燃試驗(yàn)

當(dāng)無(wú)泄壓孔時(shí)，有兩發(fā)反應(yīng)后，傳爆管的底部形成若干小破片，底部有塑性變形情況，傳爆管裝藥無(wú)殘留，傳爆管殼體有較大裂紋，判斷反應(yīng)程度高于燃燒；另一發(fā)反應(yīng)后，傳爆管的底部被剪切掉，形成兩邊較大碎片，底部無(wú)塑性變形，傳爆管內(nèi)裝藥發(fā)生碳化，殘留在傳爆管殼體內(nèi)部，引信殼體及傳爆管殼體無(wú)明顯變形及裂紋，導(dǎo)爆管座上有很淺的凹痕，無(wú)裂紋，判斷反應(yīng)劇烈程度為燃燒反應(yīng)。

圖5 慢速烤燃試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Slow cook-off test results

圖6 無(wú)泄壓孔慢速烤燃試驗(yàn)溫度-時(shí)間曲線Fig. 6 Temperature-time curve of slow cook-off test of non-pressure hole

2) 泄壓孔徑為5 mm的引信慢速烤燃試驗(yàn)

當(dāng)開(kāi)孔徑為5 mm時(shí)，兩發(fā)引信傳爆管的底部完整，引信殼體無(wú)明顯變形，低溫易熔金屬熔化，泄壓通道打開(kāi)，一部分藥粉粘在引信體上，另一部分藥粉落在烤燃爐底部，判斷反應(yīng)程度為燃燒，如圖7(2a)所示。另一發(fā)引信傳爆管的底部被剪切掉，形成較大碎片，引信殼體無(wú)明顯變形，低溫易熔金屬熔化，泄壓通道打開(kāi)，反應(yīng)劇烈程度較前兩發(fā)更高，判斷反應(yīng)程度高于燃燒反應(yīng)，如圖7(2c)所示。

圖7 泄壓孔徑為5mm的慢速烤燃試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Pressure relief aperture 5 mm slow cook-off test results

圖8 泄壓孔徑為5 mm的慢速烤燃試驗(yàn)溫度-時(shí)間曲線Fig.8 Pressure relief aperture 5 mm slow roast cook-off temperature-time curve

3) 泄壓孔徑為6 mm的引信慢速烤燃試驗(yàn)

當(dāng)泄壓孔徑為6 mm時(shí)，三發(fā)引信傳爆管的底部均完整，引信殼體無(wú)明顯變形，低溫易熔金屬熔化，泄壓通道打開(kāi)，一部分藥粉粘在引信體上，另一部分藥粉落在烤燃爐底部，傳爆藥經(jīng)化學(xué)燃燒反應(yīng)放熱所產(chǎn)生的氣體有效的排出引信體，如圖9所示，判斷反應(yīng)程度為燃燒反應(yīng)。

從三組試驗(yàn)測(cè)得的溫度曲線可以看出，在升溫到達(dá)傳爆序列裝藥的反應(yīng)溫度之前，引信殼體溫度一直以3.3℃/h的升溫速率平緩的變化，當(dāng)溫度到達(dá)反應(yīng)溫度時(shí)，殼體溫度發(fā)生劇烈變化，升溫速率迅速加快，直至反應(yīng)結(jié)束。

圖9 泄壓孔徑為6 mm的慢速烤燃試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Pressure relief aperture 6 mm slow cook-off test results

圖10 泄壓孔徑為6 mm的慢速烤燃試驗(yàn)溫度-時(shí)間曲線Fig.10 Pressure relief aperture 6 mm slow cook-off temperature-time curve

3.2 慢速烤燃試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)于烤燃反應(yīng)的劇烈性，目前還無(wú)法用定量指標(biāo)進(jìn)行衡量，常用殼體的變形和破裂程度來(lái)定性的評(píng)價(jià)[6]。將每次試驗(yàn)后的破片進(jìn)行搜集分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

導(dǎo)致不同響應(yīng)程度的原因在于引信是否具有泄壓孔。當(dāng)引信沒(méi)有泄壓孔時(shí)，傳爆藥燃燒、分解產(chǎn)生的氣體在引信體內(nèi)聚集，不能及時(shí)釋放到周圍環(huán)境中，使得引信體內(nèi)壓力增大，最終導(dǎo)致傳爆管的底部被剪切掉，形成碎片，如圖5所示。而當(dāng)引信有泄壓孔時(shí)，傳爆藥燃燒、分解產(chǎn)生的氣體壓力可以及時(shí)通過(guò)泄壓孔及時(shí)排出，降低了引信體內(nèi)的壓力，使得傳爆管的底部均完好無(wú)損，如圖9所示。增大泄壓孔徑，引信慢速烤燃響應(yīng)程度越小。

表1 不同孔徑時(shí)引信烤燃的試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文采用在引信體上設(shè)計(jì)泄壓孔的方式來(lái)降低傳爆藥的反應(yīng)程度。以中大口徑榴彈引信作為研究對(duì)象，在升溫速率為3.3 ℃/h條件下，分別對(duì)無(wú)泄壓孔，有泄壓孔徑的引信進(jìn)行慢速烤燃試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：引信通過(guò)設(shè)計(jì)泄壓孔能有效降低引信在烤燃條件下的反應(yīng)劇烈程度，隨著泄壓孔徑增大，反應(yīng)程度降低。

由于本文只是通過(guò)慢速烤燃試驗(yàn)的方法，研究引信泄壓孔徑對(duì)引信慢速烤燃響應(yīng)程度的影響，而帶泄壓孔的引信是否影響傳爆能力還在研究當(dāng)中。由于泄壓孔是對(duì)原有中大口徑榴彈引信現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，而當(dāng)引信與彈體通過(guò)螺紋相連接后，產(chǎn)生的氣體壓力并不能有效排除彈體，下一步還需在引信體內(nèi)設(shè)計(jì)相應(yīng)的泄壓通道進(jìn)行試驗(yàn)研究。