強(qiáng)約束下典型熔鑄和澆注炸藥的烤燃特性對比

【化學(xué)工程與材料科學(xué)】

強(qiáng)約束下典型熔鑄和澆注炸藥的烤燃特性對比

陳科全a,b，黃亨建a,b，路中華a,b，聶少云a,b，蔣治海a,b

(中國工程物理研究院a.化工材料研究所；b.安全彈藥研發(fā)中心，四川 綿陽621900)

摘要：利用自行設(shè)計(jì)的烤燃試驗(yàn)裝置，以熔鑄RHT-1和澆注GHL-1 2種典型炸藥為研究對象，試驗(yàn)研究了厚殼體強(qiáng)約束下2種炸藥慢速烤燃和火燒時(shí)的反應(yīng)特性，并將試驗(yàn)結(jié)果與薄殼體和相關(guān)戰(zhàn)斗部的烤燃結(jié)果進(jìn)行了對比。研究表明：在所研究的厚殼體強(qiáng)約束情況下，澆注炸藥火燒時(shí)的安全性顯著優(yōu)于熔鑄炸藥，而其慢速烤燃時(shí)的安全性略高于熔鑄炸藥；熔鑄裝藥戰(zhàn)斗部可以通過換裝澆注炸藥提高其安全性。

關(guān)鍵詞：炸藥；厚殼體強(qiáng)約束；慢速烤燃；快速烤燃

收稿日期：2014-07-29

基金項(xiàng)目：中物院化材所青年人才培養(yǎng)基金(QNRC-201312)；中物院學(xué)科發(fā)展基金(2012B0201019)

作者簡介：陳科全(1983—)，男，博士，助理研究員，主要從事彈藥工程與數(shù)值模擬研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.037

中圖分類號：TJ55；O64

文章編號：1006-0707(2015)01-0133-04

本文引用格式：陳科全，黃亨建,路中華，等.強(qiáng)約束下典型熔鑄和澆注炸藥的烤燃特性對比[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(1):133-136.

Citation format:CHEN Ke-quan, HUANG Heng-jian, LU Zhong-hua, et al.Experimental Study on Cook-Off Test for Melt-Cast and Cast- Cured Explosive at Strong Constraint[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(1):133-136.

Experimental Study on Cook-Off Test for Melt-Cast and

Cast- Cured Explosive at Strong Constraint

CHEN Ke-quana,b, HUANG Heng-jiana,b, LU Zhong-huaa,b,

NIE Shao-yuna,b, JIANG Zhi-haia,b

(a.Institute of Chemical Materials; b.Robust Munitions Center,

China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Abstract:The slow cook-off and fast cook-off tests for melt-cast explosive RHT-1 and cast-cured explosive GHL-1 were carried out by using the thick shell and strong constraint apparatus designed by ourselves, and the test results were compared with those of thin shell and related warheads. In the case of the study, it shows that the reaction type of cast-cured explosive on the fast cook-off test is obviously lower than that of melt-cast explosive, and its safety under slow cook-off test is a little higher than that of melt-cast explosive. The security of warhead packing melt-cast explosive can be improved by being replaced with cast-cured explosive.

Key words: explosive; thick shell and strong constraint; slow cook-off; fast cook-off

現(xiàn)代戰(zhàn)爭的快速變化與發(fā)展，對于彈藥的能量與安全性提出了越來越高的要求。低易損性鈍感高能炸藥的研制是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，而熱刺激條件下炸藥的易損性則是鈍感高能炸藥的重要研究內(nèi)容之一。由于熱作用下炸藥的反應(yīng)特性與其約束條件、分解動力學(xué)特性和熱點(diǎn)增長特性等相關(guān)，機(jī)理研究十分復(fù)雜，目前國內(nèi)外主要通過烤燃試驗(yàn)評價(jià)炸藥的熱易損性。

炸藥烤燃試驗(yàn)包括慢速烤燃和快速烤燃2類條件。慢速烤燃試驗(yàn)評估的是彈藥受到外部間接加熱時(shí)的響應(yīng)特性。1984年，Parker等[1]最早設(shè)計(jì)了小型烤燃彈試驗(yàn)(SCB)，被認(rèn)為是炸藥慢速烤燃試驗(yàn)的雛形。Scholtes等[2]改進(jìn)了SCB試驗(yàn)系統(tǒng)，建立了含升溫速率控制裝置的TNO-PLM慢烤試驗(yàn)。Chidester等[3]利用類似TNO-PLM的慢烤試驗(yàn)裝置，通過在不同位置布置測溫?zé)犭娕嫉姆绞窖芯苛苏ㄋ幍狞c(diǎn)火位置等。國內(nèi)，炸藥的慢烤試驗(yàn)基本都建立在TNO-PLM模式之上。包括國標(biāo) GB/T14372—2005《危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸爆炸品認(rèn)可、分項(xiàng)試驗(yàn)方法和判據(jù)》[4]和國軍標(biāo)GJB772A—1997《炸藥試驗(yàn)方法》[5]中均規(guī)定了類似 TNO-PLM的烤燃試驗(yàn)裝置。近年來，張蕊[6]、智小琦[7]等學(xué)者也針對起爆藥和傳爆藥等含能材料進(jìn)行了慢速烤燃試驗(yàn)研究，得到了它們的耐熱性和反應(yīng)溫度等?？焖倏救荚囼?yàn)考核的是彈藥直接受到大火烘烤時(shí)的響應(yīng)特性，亦稱為火燒試驗(yàn)。在快速烤燃方面，Witherell等[8]試驗(yàn)研究了30 mm燃燒彈快速烤燃時(shí)的反應(yīng)特性，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果吻合較好。呂子劍等[9]以推進(jìn)劑為燃料對JB-9014和JOB-9003炸藥進(jìn)行了快速烤燃試驗(yàn)。楊麗俠等[10]則研究了發(fā)射藥快速烤燃時(shí)的反應(yīng)特性，獲得了發(fā)射藥易損性的響應(yīng)特性和影響因素。代曉淦等[11]針對不同尺寸的PBX-2炸藥進(jìn)行了快速烤燃試驗(yàn)，得到裝藥尺寸與反應(yīng)劇烈程度間的定性關(guān)系。

值得一提的是，雖然國內(nèi)外對于炸藥的烤燃特性已開展了較多的試驗(yàn)研究，但使用的試驗(yàn)彈殼體均較薄，無法模擬侵徹反艦類厚殼體強(qiáng)約束戰(zhàn)斗部的烤燃反應(yīng)特性。為此，本文利用自行設(shè)計(jì)的厚殼體強(qiáng)約束模擬試驗(yàn)彈，研究了熔鑄RHT-1和澆鑄GHL-1 2種典型炸藥慢速烤燃和火燒時(shí)的反應(yīng)特性，并與薄殼體和相關(guān)戰(zhàn)斗部的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，獲得了一些規(guī)律性的認(rèn)識。研究結(jié)果可為侵徹反艦類戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)提供參考。

1試驗(yàn)裝置及方法

1.1試驗(yàn)裝置

調(diào)研表明，現(xiàn)有烤燃試驗(yàn)裝置的殼體厚度多為2～4 mm[7,10-12]，不適于模擬侵徹反艦類戰(zhàn)斗部的烤燃特性。為此，這里參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了圖1所示的厚殼體強(qiáng)約束烤燃試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)系統(tǒng)包括試驗(yàn)彈、加熱帶、熱電偶、壓力傳感器、控溫測溫系統(tǒng)和油池等。試驗(yàn)彈外筒與端蓋之間通過細(xì)螺紋連接，并采用耐熱密封圈保證裝藥內(nèi)腔具有良好的密封性；端蓋上設(shè)有熱電偶插口，熱電偶敏感部分置于炸藥

1-下夾板；2-夾緊螺栓；3,11-烤燃彈體；4-電加熱帶；

中斷面徑向不同位置處，通過信號線與電腦專用系統(tǒng)記錄殼體和炸藥溫度的變化過程?？救荚囼?yàn)裝置實(shí)物圖如圖2所示。

圖2　烤燃試驗(yàn)裝置

模擬試驗(yàn)彈殼體厚度為8 mm，材料為45#鋼。裝藥尺寸為Ф50 mm×100 mm，裝填熔鑄RHT-1(TNT/RDX/其他)和澆注GHL-1(RDX/AL/其他)2種典型炸藥。

1.2試驗(yàn)方法

慢速烤燃試驗(yàn)通過電加熱帶給模擬試驗(yàn)彈外殼加熱，并用控溫系統(tǒng)控制其升溫速率。為減少試驗(yàn)成本，在不影響試驗(yàn)結(jié)果的情況下，首先從常溫開始(以實(shí)測為準(zhǔn))以5℃/min的升溫速率對模擬試驗(yàn)彈加熱，當(dāng)其殼體溫度達(dá)到160℃左右時(shí)，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。

火燒試驗(yàn)時(shí)，用鐵絲將試驗(yàn)彈固定在油池中心上方40 cm 處，并用航空煤油對模擬試驗(yàn)彈進(jìn)行加熱。在離試驗(yàn)彈上下表面約50 mm處各安裝一個熱電偶，以測試彈體周圍火焰溫度的變化過程。

針對熔鑄RHT-1和澆注GHL-1兩種炸藥，分別進(jìn)行了慢速烤燃和火燒試驗(yàn)研究。試驗(yàn)過程中，實(shí)測炸藥中心(R0)、半徑(R1/2)和其表面(R1)溫度隨時(shí)間的變化曲線，并利用壓電式壓力傳感器測得試驗(yàn)彈反應(yīng)后的沖擊波超壓。此外，裝藥反應(yīng)等級參照美軍標(biāo)MIL-STD-2105D確定[13]。

2結(jié)果與討論

2.1慢速烤燃試驗(yàn)結(jié)果及分析

針對設(shè)計(jì)的厚殼體強(qiáng)約束模擬試驗(yàn)彈，分別以熔鑄炸藥RHT-1和澆注炸藥GHL-1為研究對象，開展慢速烤燃試驗(yàn)。

試驗(yàn)測得炸藥不同位置溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示,主要結(jié)果如表1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)， 熔鑄炸藥模擬試驗(yàn)彈發(fā)生爆響的時(shí)間小于澆注裝藥的情況，因此其爆響時(shí)加熱帶的溫度也較小。同時(shí)， 熔鑄炸藥反應(yīng)時(shí)的溫度約為213.1℃，而澆注炸藥的反應(yīng)溫度僅177.1℃，兩者相差較大。究其原因是，2種炸藥的組分完全不同，熔鑄炸藥RHT-1中的TNT在100℃以下就會熔融，因此其加熱后期的溫度分布較均勻，反之澆注炸藥主要成分RDX的熔點(diǎn)約為205℃，其分解較難，導(dǎo)致加熱過程中容易形成較多的局部熱點(diǎn)，因此其反應(yīng)時(shí)的溫度較低。

圖3　慢速烤燃過程中炸藥不同位置溫度測試結(jié)果

試驗(yàn)工況環(huán)境溫度/℃爆響時(shí)間/min3m處超壓/kPa反應(yīng)等級爆響時(shí)溫度/℃加熱帶炸藥I-1(RHT-1)16.591.03—爆炸227.6213.1I-2(GHL-1)14.8103.6825.7爆炸246.2177.1

模擬試驗(yàn)彈慢速烤燃后的殼體殘骸如圖4所示?？梢?，在所研究的厚殼體強(qiáng)約束情況下，兩發(fā)試驗(yàn)彈均發(fā)生爆炸，但形成的破片存在一定差異。其中，澆注裝藥試驗(yàn)彈殼體形成一個完整破片，而熔鑄炸藥形成了多個破片。結(jié)合2種炸藥反應(yīng)時(shí)間的差異，可見強(qiáng)約束條件下澆注炸藥慢速烤燃時(shí)的安全性略高于熔鑄炸藥。

圖4　熔鑄和澆注兩種炸藥慢烤試驗(yàn)殘骸

2.2快速烤燃試驗(yàn)結(jié)果及分析

仍以前述2種炸藥為對象，研究厚殼體強(qiáng)約束下炸藥快速烤燃時(shí)的反應(yīng)特性。

快速烤燃時(shí)，熔鑄裝藥試驗(yàn)彈上下表面火焰溫度和炸藥不同位置的溫度變化過程如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，火焰溫度基本維持在500～830℃之間，滿足試驗(yàn)要求。從圖5(b)可以看出，快烤過程中炸藥的溫度分布極不均勻，其外表面的溫度上升較快，而其內(nèi)部的溫度直至炸藥發(fā)生反應(yīng)時(shí)仍然較低，這與相關(guān)文獻(xiàn)[11,14]報(bào)道的結(jié)果一致。澆注炸藥溫度變化趨勢與熔鑄裝藥試驗(yàn)結(jié)果一致，這里不再贅述。

圖5　熔鑄裝藥試驗(yàn)彈快烤時(shí)火焰溫度

圖6所示為熔鑄炸藥RHT-1和澆注炸藥GHL-1模擬試驗(yàn)彈火燒后的殼體殘骸，主要試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。可見，在所研究的厚殼體強(qiáng)約束情況下，雖然兩發(fā)試驗(yàn)彈發(fā)生反應(yīng)的時(shí)間差異較小，但熔鑄裝藥試驗(yàn)彈形成的破片很小，僅回收到少量破片，反應(yīng)等級為爆轟，反之澆注裝藥試驗(yàn)彈的端蓋被沖開，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，即強(qiáng)約束條件下澆注炸藥火燒時(shí)的安全性顯著優(yōu)于熔鑄炸藥。

表2　熔鑄RHT-1和澆注GHL-1炸藥火燒試驗(yàn)結(jié)果

圖6　熔鑄和澆注2種炸藥快烤試驗(yàn)殘骸

2.3烤燃試驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)戰(zhàn)斗部反應(yīng)特性對比

為分析不同約束情況下炸藥烤燃反應(yīng)等級之間的差異，以及它們與真實(shí)戰(zhàn)斗部反應(yīng)特性之間的聯(lián)系，在此將厚殼體強(qiáng)約束模擬試驗(yàn)彈的結(jié)果與薄殼體試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)戰(zhàn)斗部的反應(yīng)特性進(jìn)行了對比，如表3所列。其中，M933與M934戰(zhàn)斗部主裝藥為B炸藥，其組分與熔鑄炸藥RHT-1相近?？梢园l(fā)現(xiàn)，不同殼體厚度下，熔鑄炸藥慢速烤燃和火燒時(shí)的反應(yīng)程度均較劇烈，而澆注炸藥的熱安全性相對較高，這進(jìn)一步證實(shí)了澆注炸藥烤燃安全性高于熔鑄炸藥的結(jié)論[15]。因此建議熔鑄裝藥戰(zhàn)斗部可以通過換裝澆注炸藥提高其安全性。模擬烤燃試驗(yàn)彈與真實(shí)戰(zhàn)斗部烤燃結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)，兩者的反應(yīng)等級存在一定差異，而各種戰(zhàn)斗部的殼體厚度和結(jié)構(gòu)組成各不相同，相應(yīng)的烤燃反應(yīng)特性也不能一概而論，對真實(shí)戰(zhàn)斗部的烤燃安全性尚需從反應(yīng)機(jī)理方面進(jìn)一步深入研究。

表3　不同約束下炸藥烤燃結(jié)果與戰(zhàn)斗部反應(yīng)特性的對比

注：M933、M934裝填炸藥為B炸藥

3結(jié)論

利用自行設(shè)計(jì)的烤燃試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)研究了熔鑄RHT-1和澆注GHL-1兩種典型炸藥慢速烤燃和火燒時(shí)的反應(yīng)特性，并與薄殼體和相關(guān)戰(zhàn)斗部的烤燃結(jié)果進(jìn)行了對比。獲得結(jié)論如下：

1) 厚殼體強(qiáng)約束情況下，澆注炸藥慢速烤燃條件下發(fā)生爆響的時(shí)間大于熔鑄裝藥的情況，且其形成的破片也更少，澆注炸藥慢速烤燃時(shí)的安全性略高于熔鑄炸藥；

2) 快速烤燃時(shí)，澆注炸藥的安全性顯著優(yōu)于熔鑄炸藥，其中熔鑄裝藥試驗(yàn)彈的反應(yīng)等級為爆轟，而澆注裝藥僅發(fā)生燃燒反應(yīng)；

3) 不同殼體厚度下，熔鑄炸藥慢速烤燃和火燒時(shí)的反應(yīng)等級均較高，而澆注炸藥的熱安全性相對較好，建議熔鑄裝藥戰(zhàn)斗部可以通過換裝澆注炸藥提高其安全性。

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(責(zé)任編輯蒲東)