一種彈體排氣緩釋結(jié)構(gòu)設(shè)計方法與試驗研究*

陳科全，黃亨建，路中華，蔣治海，聶少云，陳紅霞

(1 中國工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽 621900;2 中國工程物理研究院安全彈藥研發(fā)中心，四川綿陽 621900)

0 引言

武器彈藥在生產(chǎn)、運(yùn)輸、貯存和使用過程中，受到火災(zāi)等異常熱刺激作用時可能引起炸藥的點火爆炸，甚至發(fā)展為連鎖爆炸等重大事故。因此，研究提高彈藥的熱安全性具有重要的現(xiàn)實意義。

熱刺激條件下彈藥反應(yīng)的劇烈程度與其裝藥的密封狀況密切相關(guān)，而彈體排氣緩釋結(jié)構(gòu)可以有效降低彈藥的反應(yīng)等級，因此受到廣泛重視。美歐等國較早的開始關(guān)注緩釋結(jié)構(gòu)設(shè)計在提高彈體安全性方面的應(yīng)用［1-4］，美國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，他們通過增加排氣孔的方式將BLU-110、BLU-111和BLU-117戰(zhàn)斗部的反應(yīng)等級降為了爆燃或燃燒，而侵徹戰(zhàn)斗部BLU-109和BLU-122在設(shè)計階段即已檢驗了相應(yīng)排氣技術(shù)的有效性［5］。Madsen等［6］則采用縮比試驗研究了B炸藥、PAX-28、PBXN-109和PBXN-9等四種炸藥在不同排氣孔尺寸下的烤燃特性，并分析了試驗彈的尺寸效應(yīng)和低熔點材料選取等問題。

國內(nèi)在這方面的公開報道還很少，徐雙培［7］和智小琦［8］等通過任意開孔的方式試驗研究了密封條件對快速烤燃(火燒)響應(yīng)特性的影響，發(fā)現(xiàn)殼體密封性是影響鈍化RDX傳爆藥烤燃特性的關(guān)鍵因素，但試驗彈孔徑的設(shè)計缺乏理論依據(jù)。

彈體排氣緩釋結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是如何確定排氣孔的尺寸，使其既能起到足夠的排氣泄壓作用，又滿足彈體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等的要求。目前，緩釋結(jié)構(gòu)排氣孔尺寸的設(shè)計多依據(jù)工程經(jīng)驗或大量實驗研究，缺乏相應(yīng)的理論支撐。為此，文中基于熱刺激條件下彈體內(nèi)炸藥分解、燃燒引起的壓強(qiáng)增長率與排氣孔壓強(qiáng)釋放率之間的平衡關(guān)系，設(shè)計了一種彈體排氣緩釋結(jié)構(gòu)。同時，以熔鑄炸藥RHT-1為研究對象，試驗研究了慢速烤燃和火燒時排氣緩釋結(jié)構(gòu)的作用效果。所得結(jié)果可為裝藥設(shè)計提供參考。

1 彈體排氣緩釋結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 緩釋結(jié)構(gòu)排氣孔尺寸設(shè)計原理

緩釋結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是排氣孔尺寸的確定，解決該問題的方法之一是建立彈體內(nèi)壓強(qiáng)增長率與排氣孔壓強(qiáng)釋放率之間的平衡關(guān)系。根據(jù)Kinney等［9］的研究，彈體內(nèi)炸藥分解燃燒時的壓強(qiáng)增長率可由下式計算:

式中:TB是火焰溫度(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為炸藥溫度(K);SB是炸藥燃燒面積(m2);P為絕對壓強(qiáng)(bar);α、A和B為材料常數(shù)。

排氣孔氣體壓強(qiáng)釋放率由下式計算［10］:

式中:AV為排氣孔面積(m2);CD是排氣系數(shù)，取0.6～1.0;a'為氣流速度(m/s)，它與氣體產(chǎn)物的溫度和壓縮性有關(guān)，可由下式計算:

如果彈體內(nèi)壓強(qiáng)增長率與排氣孔氣體壓強(qiáng)釋放率相等，則有:

即可得排氣孔的最小面積為:

因此，只要已知炸藥的相關(guān)物理化學(xué)參數(shù)，結(jié)合彈體的結(jié)構(gòu)特征，由式(3)和式(5)即可求得相應(yīng)排氣孔的最小面積。

1.2 排氣緩釋結(jié)構(gòu)設(shè)計

文中設(shè)計的排氣緩釋結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由低熔點材料組件和連接件等組成。該緩釋結(jié)構(gòu)的設(shè)計充分考慮了彈體內(nèi)炸藥受熱分解、燃燒釋放氣體熱量的特點，當(dāng)彈體受到意外熱刺激時，緩釋結(jié)構(gòu)中的低熔點材料組件逐漸軟化，在彈體內(nèi)氣體壓強(qiáng)的作用下迅速形成排氣通道，達(dá)到排氣泄壓的作用。已知炸藥烤燃條件下的反應(yīng)溫度約為130℃ ～230℃，通過文獻(xiàn)和市場調(diào)研，初步選擇了聚乙烯(PE)、工程塑料(PBT)、尼龍(PA-6)和聚碳酸酯(PC)四種常用工業(yè)材料，通過試驗對比分析，最終低熔點材料確定為聚乙烯(PE)。

圖1 排氣緩釋結(jié)構(gòu)圖

2 排氣緩釋結(jié)構(gòu)作用效果試驗研究

2.1 試驗裝置

針對慢速烤燃和火燒兩類熱刺激條件，分別設(shè)計了有、無排氣緩釋結(jié)構(gòu)兩類烤燃試驗裝置，含緩釋結(jié)構(gòu)的試驗裝置如圖2所示。其中，試驗彈殼體與端蓋之間，以及緩釋結(jié)構(gòu)與端蓋之間均通過細(xì)螺紋連接，且端蓋上設(shè)有熱電偶接口。試驗彈殼體厚度為8 mm，材料為45號鋼，裝藥尺寸為Ф50 mm×100 mm。

圖2 烤燃試驗裝置(含緩釋結(jié)構(gòu))

在進(jìn)行烤燃試驗裝置的緩釋結(jié)構(gòu)排氣孔尺寸設(shè)計時，由于暫無炸藥RHT-1的計算參數(shù)，無法根據(jù)前述設(shè)計原理準(zhǔn)確計算排氣孔的面積。Graham等［10］在研究B炸藥排氣孔面積與燃燒面積之間的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)排氣孔面積不小于燃燒面積的1%時，排氣孔可以有效的降低B炸藥的反應(yīng)等級。由于RHT-1炸藥與B炸藥的組分相近，為此參考文獻(xiàn)［10］給出的結(jié)論，設(shè)裝藥端面全部燃燒反應(yīng)，根據(jù)試驗件的裝藥尺寸即可得到相應(yīng)排氣孔的最小直徑為7.07 mm，在此將試驗件排氣孔的直徑設(shè)計為8 mm。

2.2 試驗方法

針對有、無排氣緩釋結(jié)構(gòu)兩種烤燃試驗裝置，分別進(jìn)行了慢速烤燃和火燒兩類試驗研究。通過將熱電偶置于炸藥中斷面徑向不同位置處，實測炸藥中心(R0)、半徑(R1/2)和其表面(R1)溫度的變化過程。試驗現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 烤燃試驗現(xiàn)場

慢速烤燃通過可以控制升溫速率的電加熱帶給試驗彈外殼加熱，為減少試驗成本，首先從常溫開始以5℃/min的升溫速率進(jìn)行加熱，當(dāng)試驗彈殼體溫度約為160℃時，再以1℃/min的恒定升溫速率加熱，直至發(fā)生爆響等反應(yīng)為止?；馃囼炦^程中，用鐵絲將試驗彈固定在燃燒池正上方40 cm處，并用航空煤油對其進(jìn)行加熱。在彈體上下表面各安裝一個熱電偶(約50 mm處)，以測試彈體周圍火焰溫度的變化過程。同時，在離試驗彈3 m處安裝兩個壓電式壓力傳感器，以測試試驗彈反應(yīng)后的沖擊波超壓。最后，根據(jù)試驗彈形成破片的大小、數(shù)量和超壓測試結(jié)果，參照美軍標(biāo)MIL-STD-2105D確定其反應(yīng)等級［11］。

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1 慢速烤燃試驗結(jié)果及分析

為研究慢速烤燃條件下排氣緩釋結(jié)構(gòu)的作用效果，針對圖2(a)所示模擬試驗彈開展了相關(guān)試驗，并研究了不含緩釋結(jié)構(gòu)時的反應(yīng)特性。

試驗過程中，含緩釋結(jié)構(gòu)試驗彈首先觀察到有少量炸藥粉末噴出，約30 min后可看見明顯的氣流從排氣孔噴出，如圖4所示。可見，緩釋結(jié)構(gòu)排氣效果很明顯，證實了設(shè)計的緩釋結(jié)構(gòu)能很好地形成排氣通道。

圖4 慢烤過程中不同時刻緩釋結(jié)構(gòu)作用效果圖

慢速烤燃后試驗彈形成的破片對比如圖5所示，試驗測試結(jié)果如表1所列。可以發(fā)現(xiàn)，排氣緩釋結(jié)構(gòu)不能降低熔鑄炸藥RHT-1慢速烤燃的反應(yīng)等級，但延遲了其反應(yīng)時間。分析其原因發(fā)現(xiàn)，含緩釋結(jié)構(gòu)試驗彈發(fā)生爆響的時間比未含緩釋結(jié)構(gòu)時延遲了37.96 min，除了試驗彈殼體溫度更高之外，炸藥的溫度也更高，達(dá)到了其組分RDX大量分解反應(yīng)時的溫度，因此發(fā)生了部分爆轟。值得一提的是，實際中彈藥受到的外部溫度不可能無限增加，因此從炸藥發(fā)生爆響的時間方面考慮，排氣緩釋結(jié)構(gòu)相對的提高了熔鑄炸藥慢速烤燃時的安全性。

圖5 慢速烤燃試驗殘骸

表1 慢速烤燃試驗結(jié)果

圖6所示為炸藥不同位置溫度隨時間的變化過程?？梢姡ㄋ庪x試驗彈殼體越遠(yuǎn)，其溫度越低，升溫速率也越小，但加熱過程中炸藥各處的溫度差異逐漸縮小。這是由于熔鑄炸藥RHT-1中的TNT在80℃左右就開始熔化，因此加熱后期的炸藥為熔融狀態(tài)所致。

圖6 慢速烤燃過程中炸藥不同位置溫度測試結(jié)果

2.3.2 火燒試驗結(jié)果及分析

仍以RHT-1炸藥為研究對象，試驗研究有、無排氣緩釋結(jié)構(gòu)兩種情況下炸藥火燒時的反應(yīng)特性。

火燒試驗后的殼體殘骸對比如圖7所示，主要測試結(jié)果如表2所列。可以發(fā)現(xiàn)，雖然有、無排氣緩釋結(jié)構(gòu)的試驗彈發(fā)生反應(yīng)的時間差異很小，但其反應(yīng)等級相差很大。不含排氣緩釋結(jié)構(gòu)時RHT-1裝藥的反應(yīng)等級為爆轟，而增加緩釋結(jié)構(gòu)后，試驗彈殼體保持完整，炸藥噴出后全部燃燒，其反應(yīng)等級僅為燃燒。因此，在所研究的情況下，排氣緩釋結(jié)構(gòu)顯著降低了熔鑄炸藥RHT-1火燒條件下的反應(yīng)等級。

圖7 火燒試驗殘骸

表2 火燒試驗結(jié)果

試驗測得彈體上表面(HT)、下表面(HL)的火焰溫度和炸藥中心、半徑及其表面溫度隨時間的變化曲線如圖8所示。可見，火焰溫度基本維持在500℃ ～830℃之間，受試驗彈的影響，彈體下表面的火焰溫度高于其上表面的火焰溫度。此外，炸藥的溫度分布極不均勻，其外表面的溫度相對較高，而其內(nèi)部的溫度直至炸藥發(fā)生反應(yīng)時仍然較低，這與相關(guān)文獻(xiàn)［12-13］報道的結(jié)論一致。

圖8 火燒試驗中火焰及炸藥不同位置溫度測試結(jié)果

3 結(jié)論

基于彈體內(nèi)炸藥分解、燃燒引起的壓強(qiáng)增長率與排氣孔壓強(qiáng)釋放率之間的平衡關(guān)系，設(shè)計了一種彈體排氣緩釋結(jié)構(gòu)，并利用烤燃裝置試驗研究了慢速烤燃和火燒條件下緩釋結(jié)構(gòu)的作用效果。獲得結(jié)論如下:

1)炸藥烤燃過程中，設(shè)計的排氣緩釋結(jié)構(gòu)能很好地形成排氣通道，可見明顯的氣流噴出;

2)緩釋結(jié)構(gòu)顯著降低了熔鑄炸藥RHT-1火燒時反應(yīng)的劇烈程度，反應(yīng)等級從爆轟降為燃燒;

3)慢速烤燃時，排氣緩釋結(jié)構(gòu)不能降低熔鑄炸藥RHT-1的反應(yīng)等級，但延遲了其反應(yīng)的時間，相對的提高了熔鑄炸藥慢速烤燃時的安全性。

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