裝藥直徑對HMX基炸藥慢速烤燃性能的影響

【化學(xué)工程與材料科學(xué)】

裝藥直徑對HMX基炸藥慢速烤燃性能的影響

楊建,王建靈,高贊,韋國平,嚴(yán)家佳

(西安近代化學(xué)研究所，西安710065)

摘要：為了研究裝藥直徑對HMX基炸藥慢速烤燃性能的影響，以某種典型的HMX基炸藥為研究對象，開展了不同裝藥直徑對慢速烤燃性能的影響研究。研究結(jié)果表明：裝藥直徑對HMX基炸藥響應(yīng)等級沒有明顯影響；反應(yīng)時間和環(huán)境溫度均隨裝藥直徑增大而增大，中心溫度隨裝藥直徑增大而減小；環(huán)境溫度、中心溫度隨裝藥直徑呈規(guī)律性變化。

關(guān)鍵詞：裝藥直徑；HMX基炸藥；慢速烤燃

收稿日期：2015-01-12

作者簡介：楊建(1976—)，男，碩士，高級工程師，主要從事炸藥性能評估研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.06.029

中圖分類號：E913

文章編號：1006-0707(2015)06-0117-04

收稿日期：2014-10-30

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51179200)

本文引用格式：楊建,王建靈,高贊,等.裝藥直徑對HMX基炸藥慢速烤燃性能的影響[J].四川兵工學(xué)報，2015(6):117-119.

Citationformat:YANGJian,WANGJian-Ling,GAOZan,etal.ResearchonChargeDiameter’sInfluencetoSCOCharacterofHMXBaseExplosives[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(6):117-119.

ResearchonChargeDiameter’sInfluenceto

SCOCharacterofHMXBaseExplosives

YANGJian,WANGJian-Ling,GAOZan,WEIGuo-ping,YANJia-jia

(Xi’anModernChemistryResearchInstitute,Xi’an710065,China)

Abstract:To Research charge diameter’s influence to SCO, characters of HMX base explosives by typical HMX base explosives’ SCO were analyzed. The results indicate that there is no obvious influence to HMX base explosives’ reactive class from charge diameter. Reactive time and environmental temperature increase with charge diameter increase. Central temperature reduces with charge diameter. Environmental temperature and central temperature disciplinarily change with charge diameter.

Keywords:chargediameter;HMXbaseexplosives;SCO

1973年提出低易損性(LOVA)彈藥概念之后，其相關(guān)研究受到世界各國的高度重視并成為國際會議的重要主題[1-4]。因此，美國制定了彈藥危險性評估測試標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-2105C，其中包括快速烤燃/FCO試驗和慢速烤燃試驗/SCO，慢速烤燃試驗用于評價炸藥等含能材料在外部緩慢加熱條件下對熱作用的敏感程度和發(fā)生反應(yīng)的劇烈程度，它主要是針對炸藥等含能材料在制造、儲存、運(yùn)輸及實戰(zhàn)環(huán)境中可能會遭受意外的熱刺激而設(shè)計的。J.H.G.Scholtes等[5-6]研究了HTPB/AP、PPG/AP/AN推進(jìn)劑的烤燃試驗，介紹了烤燃過程中壓力和溫度的測量方法和烤燃試驗結(jié)果；王曉峰[7]研究了傳爆藥的烤燃試驗方法和烤燃結(jié)果；馮長根等[8]以RDX炸藥為研究對象，進(jìn)行了熱烤試驗和數(shù)值模擬，得出了與熱爆炸理論相吻合的結(jié)論；楊麗俠等[9]建立了快烤和慢烤系統(tǒng)，以典型發(fā)射藥為對象研究了易損性響應(yīng)特性及影響因素。但是所研究的裝藥直徑一般都較小，不能完全反應(yīng)大藥量條件下炸藥慢速烤燃性能，裝藥直徑對炸藥慢烤性能的影響，特別是對HMX基炸藥的影響報道卻較少。我國現(xiàn)有裝備武器中還沒有大規(guī)模應(yīng)用HMX基的炸藥，因此系統(tǒng)研究裝藥直徑對HMX基炸藥的慢速烤燃響應(yīng)溫度及響應(yīng)等級的影響，對于預(yù)測HMX基炸藥裝藥系統(tǒng)的熱響應(yīng)安全性具有重要的指導(dǎo)意義。

1試驗裝置及試驗方法

1.1試驗裝置

試驗裝置為自行研制的慢速烤燃系統(tǒng)，主要由加熱套、控溫箱、控制計算機(jī)、熱電偶、保溫材料組成，可同時測量4路溫度數(shù)據(jù)，試驗藥量最大可達(dá)到20kg，如圖1所示。加熱套根據(jù)試樣尺寸定做，加熱功率為400～4 000W可調(diào)；控溫箱由控溫儀表、顯示儀表及功率調(diào)節(jié)模塊等組成，根據(jù)需要由控制計算機(jī)設(shè)定不同的PID參數(shù)，控制加熱的升溫速率，控溫精度可達(dá)±0.2 ℃/min；控制計算機(jī)可設(shè)定、控制控溫儀的升溫過程并記錄實驗過程的溫度-時間歷程、繪制出溫度-時間曲線；熱電偶測量試驗過程中環(huán)境及試樣中心的溫度，精度等級為A級，本試驗使用的是OMEGAGG-K-40型熱電偶感溫線；保溫材料包覆在彈體外表面，減小試驗過程中熱量的散失。

試驗彈體由45#鋼加工而成，如圖2所示。彈體壁厚為4mm，內(nèi)部尺寸分別為φ20×80、φ60×240、φ97.5×400，φ148×600，兩端用同厚度帶螺紋的端蓋進(jìn)行密封，其中一個端蓋中心留有φ2的通孔。

圖1　慢速烤燃裝置示意圖

圖2　試驗彈體示意圖

1.2試驗方法及試驗條件

將某種典型的HMX基粘結(jié)炸藥(HMX∶粘結(jié)劑=95∶5)分別壓制成φ20×20、φ60×60、φ97.5×100、φ148×100藥柱，壓藥密度為1.73g/cm3。將壓制好的藥柱分別裝入φ20×80、φ60×240、φ97.5×400、φ148×600試驗彈體中；一支熱電偶固定在彈體外壁中心處測量彈體外壁中心處的溫度，另一支熱電偶固定在藥柱中心測量藥柱中心處溫度。并用耐高溫密封膠對端蓋上的孔洞進(jìn)行密封，密封好的試樣按圖1所示作絕緣、保溫處理。同一裝藥直徑各準(zhǔn)備兩發(fā)試樣做平行性實驗。

將處理好的試樣懸掛在專用鋼性支架上，并在支架四周的3個方向距試樣1m遠(yuǎn)各放置一塊鍍鋅鐵皮作為見證板，沒有放置見證板的方向安裝視頻監(jiān)控，如圖3所示；試驗過程中采用1 ℃/min升溫速率對試樣進(jìn)行加熱，直到試樣發(fā)生反應(yīng)或溫度到達(dá)400℃時停止；試驗過程中用計算機(jī)跟蹤記錄試驗過程中彈體外壁中心及藥柱中心位置的溫度隨時間的變化歷程；用硬盤錄像機(jī)實時拍攝試驗現(xiàn)場試樣的響應(yīng)情況，根據(jù)殼體的變形和收集到的見證板、破片情況衡量反應(yīng)響應(yīng)等級。慢速烤然試驗典型溫度-時間曲線如圖4、圖5所示。

圖3　慢烤試驗現(xiàn)場布置圖

圖4　慢烤試驗環(huán)境溫度-時間典型曲線

圖5　慢烤試驗裝藥中心溫度-時間典型曲線

2結(jié)果與討論

2.1試驗結(jié)果

將計算機(jī)采集到的環(huán)境溫度(彈體外壁中心位置溫度)-時間數(shù)據(jù)升溫段按最小二乘法進(jìn)行擬合得到不同裝藥直徑試樣試驗過程中的升溫速率，用于標(biāo)定試驗過程中的升溫速率，如表1所示。

表1　升溫速率擬合參數(shù)

從表1升溫速率擬合數(shù)據(jù)標(biāo)定試驗過程中彈體升溫速率均控制在(1±0.02)℃/min以內(nèi)，試驗過程中的升溫速率穩(wěn)定可靠。

將試驗得到的溫度-時間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到不同裝藥直徑試樣發(fā)生反應(yīng)時的環(huán)境溫度、裝藥中心溫度、反應(yīng)時間，從試驗現(xiàn)場獲取反應(yīng)后見證板、烤燃彈體的狀態(tài)分析可以得到響應(yīng)等級，試驗狀態(tài)及結(jié)果如表2所示。

表2　不同尺度試樣的慢速烤燃試驗結(jié)果

注：環(huán)境溫度為殼體外壁中心位置傳感器測量溫度。

將不同裝藥直徑試樣發(fā)生反應(yīng)時的環(huán)境溫度-裝藥直徑、中心溫度-裝藥直徑進(jìn)行擬合，得到溫度隨裝藥直徑變化及擬合曲線圖及函數(shù)關(guān)系式，如圖6所示。

圖6　T-d曲線及擬合曲線

2.2裝藥直徑對響應(yīng)等級的影響

美國MIL-STD-2105C標(biāo)準(zhǔn)將慢烤試驗結(jié)果分為5個等級：Ⅰ類為爆轟反應(yīng)；Ⅱ類為部分爆轟反應(yīng)；Ⅲ類為爆炸反應(yīng)；IV類為爆燃反應(yīng)；V類為燃燒反應(yīng)。目前反應(yīng)的劇烈性還不能作定量判定，只能通過殼體的變形、破裂程度及見證板狀態(tài)來進(jìn)行定性評價；從反應(yīng)后搜集到的支架、彈體碎片及見證板的狀態(tài)進(jìn)行分析，4種不同裝藥直徑的試樣反應(yīng)等級均為Ⅰ類爆轟反應(yīng)，裝藥直徑對反應(yīng)的響應(yīng)等級沒有明顯影響。

2.3裝藥直徑對發(fā)生反應(yīng)時環(huán)境溫度及中心溫度的影響

從表2、圖6可以發(fā)現(xiàn)隨著裝藥直徑增大，試樣發(fā)生反應(yīng)時的環(huán)境溫度呈規(guī)律性升高，中心溫度呈規(guī)律性下降。熱量從試樣金屬殼體的外表面?zhèn)鬟f到內(nèi)表面然后再傳遞到試樣及試樣中心的過程主要是以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行。根據(jù)傳熱學(xué)理論，單位時間內(nèi)的傳熱量與厚度成反比[10]，隨著裝藥直徑的增大，單位時間內(nèi)熱量由藥柱表面?zhèn)鬟f到藥柱中心的時間就越長，因此發(fā)生反應(yīng)時中心溫度逐漸降低，由于慢速烤燃試樣是以恒定升溫速率進(jìn)行升溫，因此試樣發(fā)生反應(yīng)時的環(huán)境溫度隨試樣直徑的增加而升高。從圖6可以發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度、中心溫度隨著裝藥直徑呈規(guī)律性變化，環(huán)境溫度和中心溫度隨裝藥直徑數(shù)值進(jìn)行擬合得到函數(shù)關(guān)系式如圖6所示，擬合曲線與試驗曲線符合很好。

3結(jié)論

通過對不同裝藥直徑的HMX基炸藥慢烤試驗結(jié)果進(jìn)行分析研究后可以得到如下結(jié)論：

1) 裝藥直徑對HMX基炸藥慢速烤燃性能響應(yīng)等級沒有明顯影響

2) 環(huán)境溫度、中心溫度隨裝藥直徑增加呈規(guī)律性變化，且環(huán)境溫度、中心溫度隨裝藥直徑變化符合二次多項式規(guī)律。

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(責(zé)任編輯蒲東)