殼體參數(shù)對炸藥快速烤燃響應(yīng)的影響

孫培培，南 海

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殼體參數(shù)對炸藥快速烤燃響應(yīng)的影響

孫培培，南 海

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

對不同殼體直徑與不同殼體約束的TNT與PBXN-109兩種炸藥進(jìn)行了快速烤燃試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示：在固定殼體約束條件下，殼體直徑對炸藥烤燃響應(yīng)無影響，炸藥烤燃特性僅由炸藥自身特性決定；不同殼體約束對炸藥的烤燃響應(yīng)有影響，隨著殼體約束增強(qiáng)，炸藥的快速烤燃等級增強(qiáng)；炸藥的快速烤燃響應(yīng)特性由炸藥自身特性和殼體約束決定。

炸藥；快速烤燃；殼體直徑；殼體約束

自提出低易損彈藥概念后，炸藥的快速烤燃特性作為其中一項(xiàng)受到了高度重視[1-3]?？焖倏救荚囼?yàn)是將殼裝炸藥直接放在燃料火焰（如汽油、煤油、木料等）或氣體火焰（如丙烷）中進(jìn)行烤燃，火焰平均溫度高于800℃，反應(yīng)時間為數(shù)分鐘，試驗(yàn)以收集到的破片來評價其響應(yīng)等級。

呂子劍等[4]以推進(jìn)劑為燃料對JB-9014和JOB- 9003炸藥件進(jìn)行快烤試驗(yàn)，認(rèn)為炸藥中心溫度很低；美國ArmyArmament研究中心的M Witherell等[5]對30mm口徑的炮用燃燒彈進(jìn)行了快速烤燃試驗(yàn)，并用有限差分法進(jìn)行了模擬計(jì)算。關(guān)于殼體參數(shù)對炸藥烤燃性能的影響，目前國內(nèi)外研究較多的是殼體參數(shù)對炸藥慢速烤燃的影響，如西安近代化學(xué)研究所的馮曉軍、王曉峰[6]等進(jìn)行了炸藥裝藥尺寸對慢速烤燃響應(yīng)的研究，得出了隨著炸藥裝藥尺寸的增大，炸藥慢速烤燃反應(yīng)的環(huán)境溫度和發(fā)生反應(yīng)的劇烈程度都會增大的規(guī)律；國防科技大學(xué)荊松吉[7]認(rèn)為炸藥尺寸對烤燃特性的影響主要為炸藥尺寸對臨界溫度和點(diǎn)火時間的影響；英國的Octávia Frota and Alan Bailey[8]對不同尺度的小型烤燃試驗(yàn)裝置進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著尺寸的增大，反應(yīng)劇烈程度增大。

為了了解殼體參數(shù)變化對炸藥快速烤燃性能的影響，本文固定殼體長徑比為4:1，通過改變殼體直徑和殼體約束，研究殼體參數(shù)變化對炸藥快速烤燃性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置與儀器

圖1為快速烤燃試驗(yàn)裝置實(shí)物圖，裝置主要由燃料槽體、支架、試驗(yàn)樣彈組成。采用航空煤油作為加熱材料，溫度傳感器選用能耐1 200℃高溫的鎳鉻－鎳硅熱電偶，數(shù)據(jù)采集儀器選用彩色無紙記錄儀，能夠每1s測量記錄1次溫度數(shù)據(jù)，試驗(yàn)測得的典型溫度——時間曲線如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)裝置圖

圖2 典型溫度——時間曲線圖

1.2 試驗(yàn)方法

將試驗(yàn)樣彈放入燃料槽體中心支架上，在測試樣品的中心水平的前、后、左、右4個方向上距殼體約30mm分別布置1支溫度傳感器，溫度傳感器的布置圖如圖3所示。將溫度傳感器與數(shù)據(jù)采集儀連接并保證正常工作。為安全起見，采用遠(yuǎn)程點(diǎn)火方式點(diǎn)燃航空煤油。試驗(yàn)過程通過數(shù)據(jù)采集儀采集火焰溫度信息，通過回收殼體碎片情況判定炸藥的響應(yīng)等級。

圖3 傳感器布置圖

1.3 試驗(yàn)樣品

本文選用TNT與PBXN-109炸藥兩種炸藥進(jìn)行快速烤燃試驗(yàn)， TNT炸藥采用熔鑄方式注入試驗(yàn)樣彈中，PBXN-109采用澆注方式進(jìn)行裝填。試驗(yàn)固定長徑比為4:1、殼體厚度為3mm時，直徑分別為40mm、60mm、80mm、150mm；在直徑為60mm時，殼體約束分別為2mm（端蓋帶排氣孔）、2mm、4mm、6mm，所采用的樣彈結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 彈體結(jié)構(gòu)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

表1為不同尺度條件下兩種炸藥的響應(yīng)結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果顯示，TNT炸藥直徑在40mm到150mm之間變化，快速烤燃響應(yīng)均為爆炸，PBXN-109炸藥直徑在40mm到150mm之間變化，快速烤燃響應(yīng)均為燃燒，盡管兩種炸藥殼體直徑發(fā)生了變化，炸藥裝藥質(zhì)量提高，但炸藥裝藥對快速烤燃試驗(yàn)的整體響應(yīng)沒有發(fā)生改變。

表1 不同殼體直徑條件下炸藥快速烤燃響應(yīng)結(jié)果

Tab.1 Fast cook-off results of explosives with different shell diameters

表2為不同殼體約束條件下兩種炸藥快速烤燃響應(yīng)結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果顯示，對于TNT炸藥，當(dāng)殼體厚度為2mm端蓋帶放氣孔時，響應(yīng)為燃燒，后面隨著殼體厚度的增加，反應(yīng)等級由爆炸增長到爆轟；而PBXN-109當(dāng)殼體厚度在2mm至6mm之間變化時，快速烤燃響應(yīng)均為燃燒。

表2 不同殼體約束條件下炸藥快速烤燃響應(yīng)結(jié)果

Tab.2 Fast cook-off results of explosives with different shell constraints

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，在殼體厚度為3mm條件下，直徑的變化對快速烤燃響應(yīng)結(jié)果基本沒有影響，響應(yīng)結(jié)果由炸藥自身特性決定，TNT對快速烤燃響應(yīng)敏感，4種直徑下均為爆炸，PBXN-109自身為低易損性炸藥，4種直徑下均為燃燒；而由TNT的試驗(yàn)結(jié)果可知，殼體約束對炸藥的快速烤燃響應(yīng)是有影響的，當(dāng)約束弱時，響應(yīng)相對降低，隨著約束的增強(qiáng)，TNT的快速烤燃響應(yīng)等級隨之增加。

2.2 討論

炸藥的快速烤燃過程是炸藥快速受熱分解放出氣體，烤燃彈內(nèi)壓力上升，發(fā)生響應(yīng)的一個過程，發(fā)生響應(yīng)的點(diǎn)位于烤燃火焰溫度最高處，通常位于烤燃彈體的底部。

在固定殼體約束情況下，分解過程受炸藥自身特點(diǎn)的控制，直徑變化僅僅改變了炸藥裝藥的質(zhì)量，并沒有提高炸藥反應(yīng)速率和能量釋放，因此整體上直徑的變化對炸藥快速烤燃響應(yīng)的影響不大，不同炸藥分解溫度和特性不同，響應(yīng)結(jié)果就不同；而約束對炸藥的分解過程是有影響的，當(dāng)約束強(qiáng)時，烤燃彈內(nèi)的壓力迅速上升，壓力的增加導(dǎo)致炸藥的反應(yīng)速率和能量釋放速率加快，并最終導(dǎo)致炸藥發(fā)生響應(yīng)，當(dāng)約束弱時，壓力的增加可通過約束薄弱點(diǎn)進(jìn)行釋放，炸藥響應(yīng)等級減弱。

3 結(jié)論

炸藥快速烤燃中彈體底表面先發(fā)生響應(yīng)，進(jìn)而引起整個炸藥的響應(yīng)；在固定殼體約束的條件下，殼體直徑對炸藥快速烤燃響應(yīng)無影響，炸藥烤燃響應(yīng)僅由炸藥的自身特性決定；殼體約束對炸藥快速烤燃響應(yīng)有影響，隨著殼體約束的增強(qiáng)，炸藥的快速烤燃響應(yīng)等級增加；炸藥的快速烤燃響應(yīng)特性由炸藥自身特性和殼體約束決定。

參考文獻(xiàn)：

[1] Anderson C M and Pakulak J M. Cook-off studies one the general purpose cast explosives PBXC-116 and PBXC-117[R]. NWC TP 5629, AD-A026525, 1976.

[2] 張蕊,馮長根,陳朗.彈藥的熱烤(Cook-off)實(shí)驗(yàn)[J].火工品, 2002(4):37-39．

[3] 王曉峰,戴蓉蘭,涂健.傳爆藥的烤燃實(shí)驗(yàn)[J].火工品,2001(2): 5-7.

[4] 呂子劍,申春迎,向永.以推進(jìn)劑為燃料對炸藥的快速烤燃試驗(yàn)[R].綿陽:中國工程物理研究院科技年報,2003．

[5] Witherell M，Pflegl G．Prediction of propellant and explosive cook-off for the 30 mm Hel-T and raufoss MPLD-T rounds chambered in a hot MK44 Barrel advanced amphibious assault vehicle-AAAV[R].ADA388280,2001．

[6] 馮曉軍,王曉峰,韓助龍.炸藥裝藥尺寸對慢速烤燃響應(yīng)的研究[J].爆炸與沖擊,2005,25(3):285-288．

[7] 荊松吉,張振宇.炸藥圓柱體烤燃二維數(shù)值模擬[J].含能材料,2004(12):521-525.

[8] Octávia Frota1,Alan Bailey. Effect of scale on cook-off studies of explosives[C]//Proceedings of the 26th International Pyrotechnic Seminar,1999.

The Influence of Shell Parameters on Fast Cook-off Reaction of Explosives

SUN Pei-pei，NAN Hai

（Xi’an Modern Chemistry Research Institute，Xi’an，710065）

Fast cook-off test of TNT and PBXN-109 explosives with different shell diameters and different shell constraints were both carried out, the test results show that the shell diameters have no influence on fast cook-off reaction of explosive, fast cook-off reaction is only decided by the characterities of the explosives itself, but the shell constraints have some influences. The stronger the shell constraints ,the higher the explosives’fast cook-off reaction level. The study indicate that explosives’fast cook-off reaction is decided by the characterities of the explosives and the shell constraints.

Explosives；Fast cook-off；Shell diameters；Shell constrains

1003-1480（2016）04-0029-03

TQ564

A

2016-04-16

孫培培（1984 -），女，工程師，主要從事混合炸藥配方與工藝研究。