銷毀彈噴管喉部截面積對未爆彈作用效能的影響

張啟功，李金明，安振濤，孫立明

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銷毀彈噴管喉部截面積對未爆彈作用效能的影響

張啟功，李金明，安振濤，孫立明

（軍械工程學(xué)院，河北 石家莊，050003）

以Q235鋼板模擬彈丸殼體，通過改變銷毀彈噴管喉部截面積，研究其對銷毀彈工作時間及熔穿效果的影響。結(jié)果表明：喉部截面積過小會導(dǎo)致噴管堵塞，作業(yè)效果差。喉部截面積為4πmm2時，熔穿后剩余燃燒時間達(dá)到3.48s，熔穿孔的直徑達(dá)到8.91mm，可以使炸藥燃燒產(chǎn)物順利釋放出去，提高了銷毀未爆彈的作用效能。而喉部截面積過大，熔穿時間增加，熔穿剩余作業(yè)時間縮短，不利于銷毀作業(yè)。

銷毀彈；噴管喉部截面積；未爆彈；銷毀

部隊作戰(zhàn)訓(xùn)練過程中常常出現(xiàn)射擊未爆彈，此類彈藥嚴(yán)重干擾部隊行動，當(dāng)前排除此類彈藥多采用引爆法銷毀[1]。雖然此方法銷毀可靠，但也潛藏巨大風(fēng)險和不便，主要表現(xiàn)在銷毀人員需要近距離觸及未爆彈藥，同時，引爆法銷毀需要用到炸藥、雷管等點(diǎn)火起爆器材，工作準(zhǔn)備時間長、效率低、風(fēng)險高[1-3]。鑒于以上弊端，結(jié)合彈藥結(jié)構(gòu)和彈丸裝藥燃爆屬性，筆者提出引燃非引爆的銷毀方法，制作了一款引燃銷毀彈。噴管是銷毀彈重要組成部分，其中喉部截面積大小影響銷毀彈內(nèi)部的燃燒壓強(qiáng)、燃燒產(chǎn)物流速、流量等重要技術(shù)參數(shù)，本文在已知燃燒劑組分、幾何形狀、尺寸、環(huán)境溫度等條件下，分析銷毀彈喉部截面積對銷毀作業(yè)效能的影響。

1 銷毀彈結(jié)構(gòu)及工作原理

引燃銷毀彈由殼體、燃燒劑、底部引火裝置、噴管等組成，如圖1所示。燃燒劑由含鋁高熱劑加入多種改性藥劑混合擠壓成型，封裝在殼體內(nèi)；燃燒劑為中空柱體，中心孔為引燃孔，一端緊貼彈底部引火裝置，一端緊貼噴管。噴管由耐高溫石墨材料壓制而成。其工作原理是當(dāng)?shù)撞恳鹧b置擊發(fā)后，引燃引火藥，點(diǎn)燃燃燒劑，燃燒劑燃燒釋放大量熱量，使生成物保持其熔融態(tài)，熔融態(tài)混合物在氣流的推動下從噴管噴出。這種高溫熔融態(tài)物質(zhì)（溫度可達(dá)2 300~3 500℃）具有熔穿金屬、引燃易燃物質(zhì)特性，可用于熔穿殼體較薄的彈丸金屬殼體，引燃彈藥主裝藥，以達(dá)到銷毀未爆彈的目的。

圖1 銷毀彈的結(jié)構(gòu)

為避免未爆彈內(nèi)部炸藥在銷毀的過程中被引爆，需控制炸藥燃燒壓力。炸藥燃燒壓力受炸藥燃速和彈丸殼體熔穿孔面積的影響。如果炸藥燃速過快，穿孔面積過小，就會在彈丸主裝藥內(nèi)形成快速疊加的壓縮波，可能會使炸藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟。為避免燃燒轉(zhuǎn)爆轟現(xiàn)象出現(xiàn)，首先，銷毀彈熔融物的流量不易過小，流量過小，熔穿彈丸殼體時間較長，熔穿孔面積較??；其次，流速不易過小，流速小不能高效地在彈丸殼體上開孔。因此，在銷毀彈的燃燒劑質(zhì)量和燃燒面積一定的情況下，減小銷毀彈喉部截面積，能夠提高燃燒產(chǎn)物的流速、作業(yè)時間，增大彈丸殼體上開孔面積，使炸藥燃燒產(chǎn)物能夠順利釋放出去，從而避免了燃燒轉(zhuǎn)爆轟現(xiàn)象發(fā)生，達(dá)到燃燒銷毀危險品彈藥的目的。

2 銷毀彈噴管喉部截面積對壓強(qiáng)的影響分析

銷毀彈的噴管位于殼體的尾部，由收斂段和喉部兩部分組成，如圖2所示。

控制喉部截面積的大小，從而控制燃燒產(chǎn)物的流速、流量，調(diào)整熔穿時間，提高銷毀效率。在給定燃燒劑成分、裝藥幾何尺寸、工作環(huán)境溫度等條件下假設(shè)：

（1）燃燒劑藥柱的燃燒面積保持不變；

（2）殼體內(nèi)部的氣體壓強(qiáng)處處相等，生成燃?xì)饷芏?i>ρ保持不變；

（3）壓強(qiáng)變化和侵蝕引起的局部燃燒變化忽略不計，藥柱燃面上各點(diǎn)的燃速相等且可用式（1）[4]表達(dá)：

式（1）中：、均為常數(shù)；為燃燒劑的平均燃燒速率；為殼體內(nèi)部的氣體壓強(qiáng)；

（4）假設(shè)燃燒產(chǎn)物全部經(jīng)噴管噴出，不計殘留。

圖2 噴管結(jié)構(gòu)

可得噴管喉部截面積與壓力關(guān)系式為：

式（2）中：s為噴管喉部截面積；為殼體內(nèi)部的氣體壓強(qiáng)；s為熔融物密度；為燃燒劑密度；A為燃燒面積；其中A、、s均為常值。

由此可得出下列結(jié)論：

（2）銷毀彈的吹除力是燃燒室的壓強(qiáng)、噴管喉部截面積A和吹除力系數(shù)的乘積：

（3）

吹除力系數(shù)為：

式（4）中：p為銷毀彈周圍環(huán)境壓強(qiáng)；p=；A為擴(kuò)張段截面積，其中A=A；為比熱比函數(shù)：

將式（2）、（4）代入式（3）得：

由吹除力公式（3），可知彈內(nèi)壓強(qiáng)的變化直接決定銷毀彈的吹除力大小，由式（5）可見，隨著壓強(qiáng)的升高，吹除力隨之增大。其中，彈內(nèi)壓強(qiáng)受喉部截面積控制，進(jìn)而噴喉的面積是決定銷毀彈吹除力的重要因素。

（3）燃燒劑作用時間為，則有：

式（6）中：為裝藥總質(zhì)量；u為金屬熔流噴出速度；A為噴管喉部截面積；ρ為射流密度。

將平均燃燒速率代入式（6）得：

在燃燒劑的成分和裝藥的幾何尺寸一定時，彈內(nèi)壓強(qiáng)受喉部截面積控制，喉部截面積越大，彈內(nèi)壓強(qiáng)越小，燃燒劑的燃速越小，裝藥燃盡的時間越長，因此，噴喉的面積又是決定銷毀彈工作時間的重要因素。

3 實(shí)驗與分析

3.1 噴管喉部截面積與工作時間的關(guān)系

3.1.1實(shí)驗結(jié)果

銷毀彈采用壓制成型的燃燒劑藥柱，藥柱密度為2.28g/cm3，藥柱外徑25mm、內(nèi)孔6mm、長90mm；噴管噴孔收斂角為45°，曲率直徑與喉徑比1/D=0.5。在以上參數(shù)不變的條件下，喉部截面積由噴喉直徑D表征，通過分別取D為3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm改變喉部截面積進(jìn)行對比實(shí)驗。采用秒表計時，將厚10mm的Q235鋼作為靶板，鋼靶距離銷毀彈噴口10mm，實(shí)驗記錄銷毀彈點(diǎn)火時間、靶板熔穿時間、靶板熔穿后剩余燃燒時間，實(shí)驗結(jié)果如表1所示。

3.1.2銷毀彈點(diǎn)火時間分析

從表1中2~6組試驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)火時間隨著喉部截面積的減小而縮短。從1組實(shí)驗現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)，銷毀彈擊發(fā)后，未噴射出高溫熔融物，而在噴口產(chǎn)生小股火焰；在13.60s時，銷毀彈復(fù)燃斷續(xù)噴射熔融物，持續(xù)到19.29s銷毀彈熄滅。收集殘余物發(fā)現(xiàn)噴管口部有掛渣，噴管殼體燒蝕嚴(yán)重。實(shí)驗研究表明，在點(diǎn)火初期，熔融物通過壓力和重力作用向噴管移動，由于初始階段彈內(nèi)壓強(qiáng)較低，受噴管的阻力作用，熔融物易滯留在噴管表面，當(dāng)喉部截面積較小時，易堵塞噴管，造成斷續(xù)作業(yè)，甚至發(fā)生彈殼破裂形成危險。銷毀彈的點(diǎn)火時間受藥柱體積裝填分?jǐn)?shù)和喉部截面積影響，在確定藥柱體積裝填分?jǐn)?shù)下，改變喉部截面積，可調(diào)節(jié)壓強(qiáng)上升速度，控制點(diǎn)火時間。

表1 銷毀彈不同喉部截面積下工作時間實(shí)驗結(jié)果

Tab.1 The working time of disposal ammunition with different nozzle throat caliber

3.1.3銷毀彈熔穿時間

從表1中靶板熔穿時間可見，熔穿時間隨著噴喉截面積的減小而縮短。靶板熔渣堆積情況如圖3所示。由圖3可見，熔渣堆積量隨著截面積減小而減少，彈內(nèi)壓強(qiáng)隨著噴管喉部截面積減少而不斷增加，導(dǎo)致銷毀彈所產(chǎn)生的吹除力不斷增大。實(shí)驗研究表明，調(diào)節(jié)喉部截面積，可以控制銷毀彈內(nèi)壓強(qiáng)，提高熔融物噴出速度和吹除力，增加沖刷熔化效果，縮短銷毀彈熔穿時間。

圖3 不同喉部截面積下的熔渣堆積量

3.1.4銷毀彈剩余燃燒時間

銷毀彈剩余燃燒時間是靶板熔穿后熔融物對主裝藥實(shí)施火焰刺激的持續(xù)時間。由表1中可見隨著噴喉直徑的不斷減少，靶板熔穿時間縮短，剩余燃燒時間隨之增加。其中2組實(shí)驗的銷毀彈剩余燃燒時間較長，可以使主裝藥有充足的能量達(dá)到穩(wěn)定燃燒。實(shí)驗表明，彈內(nèi)壓強(qiáng)隨噴管面積減小而增加，導(dǎo)致作業(yè)時間和靶板熔穿時間變化，進(jìn)而增加了剩余燃燒時間。

3.2 噴管喉部截面積與熔穿孔徑的關(guān)系

將6組不同喉部截面積的銷毀彈裝入特制的實(shí)驗架內(nèi)，實(shí)驗記錄取各組銷毀彈的開孔特征參數(shù)，研究喉部截面積和銷毀性能的對應(yīng)關(guān)系，實(shí)驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同喉部截面積下銷毀彈實(shí)驗開孔孔徑結(jié)果

Tab.2 The cutting aperture of disposal ammunition with different nozzle area

銷毀彈主要依靠金屬熔融物的熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)熔穿金屬。金屬熔融物從噴口高速射向靶板，利用金屬熔融物的熱效應(yīng)對表層靶板進(jìn)行熔化，對下層靶板進(jìn)行預(yù)熱；利用金屬熔融物的機(jī)械效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)繼續(xù)沖刷下層靶板，直至靶板熔穿。靶板熔穿后，在靶板下表面形成小孔，加大了噴管與作用面的距離，導(dǎo)致金屬熔融物的沖刷速度不斷減小，噴射錐角逐漸加大，邊界擾動增大，對底層的沖刷作用不斷降低，直接影響內(nèi)孔孔徑的變化。實(shí)驗效果如圖4所示。

圖4 不同喉部截面積下的開孔孔徑

由表 2可見，1組的斷續(xù)作業(yè)嚴(yán)重影響開孔的孔徑和深度。2~6組，內(nèi)孔孔徑隨著喉部截面積的不斷減小而增加，外孔孔徑不隨喉部截面積變化而變化。實(shí)驗結(jié)果表明，彈內(nèi)壓強(qiáng)隨喉部截面積的不斷增加而逐漸減小，導(dǎo)致熔融物的流速不斷減小，致使銷毀彈對靶板的沖刷能力降低。對于主要依靠沖刷作用的內(nèi)孔，隨著喉部截面積不斷增大，沖刷作用下降，開孔孔徑也隨之減少。而對于主要依靠熔化作用的外孔，喉部截面積變化對外孔的影響較小。由此可見，喉部截面積與內(nèi)孔孔徑有明顯的相關(guān)性，對外孔無明顯影響。

4 結(jié)論

（1）銷毀彈是一種采用引燃非引爆的銷毀思路設(shè)計的未爆彈藥銷毀設(shè)備，銷毀彈噴管喉部截面積影響著彈內(nèi)壓強(qiáng)變化趨勢，進(jìn)而影響彈藥銷毀的作用效能。喉部截面積過小會導(dǎo)致噴管堵塞，斷續(xù)作業(yè)，不利于銷毀作業(yè)的進(jìn)行，喉部截面積過大時，導(dǎo)致彈內(nèi)壓強(qiáng)降低，吹除力和沖刷力降低，銷毀彈作業(yè)效果差。對本型號銷毀彈，噴喉直徑D=4mm為宜，此時熔穿時間、熔穿效果都較好。

（2）作業(yè)時間對彈藥銷毀的作業(yè)效能有著重要的影響，銷毀彈持續(xù)時間越長，主裝藥越穩(wěn)定燃燒，提高了銷毀未爆彈的作用效能。銷毀彈噴管喉部截面積通過剩余燃燒時間進(jìn)而影響銷毀彈的作業(yè)效能。

[1] 李金明,雷彬,丁玉奎.通用彈藥銷毀處理技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2012.

[2] 婁建武,龍源,謝興博.廢棄火炸藥和常規(guī)彈藥的處置與銷毀技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007.

[3] 王澤山,張麗華,曹欣茂.廢棄火炸藥的處理與再利用[M].北京:國防工業(yè)出版社,1999.

[4] 王光林.固體火箭發(fā)動機(jī)設(shè)計[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,1994.

[5] 王森.裝備結(jié)構(gòu)鋼燃燒型切割彈切割技術(shù)的研究[D].石家莊,軍械工程學(xué)院,2012.

Influence of Nozzle Throat Area of Disposal Ammunition on Destruction Effect

ZHANG Qi-gong, LI Jin-ming, AN Zhen-tao, SUN Li-ming

(Ordnance Engineering College，Shijiazhuang，050003)

With Q235 steel plate as the ammunition shell material, through changing the nozzle throat area, its effect on destruction to unexploded ammunition was experimental studied. The results show that, for this destroying device, when the throat area was small, the nozzle was plugged and the destroying effect was poor. While the caliber of the throat area is about 4mm, the after-effect period reaches 3.48s, and the ammunition can cut steel plate with the perforation caliber of 8.91mm, the ammunition destruction effect is improved. However, with the increase of nozzle throat area, the perforation time is increased, and the after-effect period time is shorten, which lead the poor destroying operation.

Disposal ammunition；Nozzle throat area；Unexploded ammunition；Disposal

1003-1480（2015）03-0010-04

TJ450.89

A

2015-03-04

張啟功（1990-），男，在讀碩士研究生，從事彈藥保障與安全技術(shù)研究。