火焰射流型高熱劑在廢舊彈藥銷毀中的應(yīng)用初探

宋佳星，方 向，周 鵬，丁 文，劉 濤，郭 濤

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火焰射流型高熱劑在廢舊彈藥銷毀中的應(yīng)用初探

宋佳星1，方 向1，周 鵬2，丁 文1，劉 濤3，郭 濤1

（1.解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇南京，210007； 2.裝備發(fā)展部裝備技術(shù)合作局，北京，100034；3.裝甲兵學(xué)院，安徽蚌埠，233050）

針對(duì)熔渣型高熱劑彈藥銷毀法存在的缺陷，基于火焰射流型高熱劑進(jìn)行彈藥銷毀的原理和優(yōu)點(diǎn)，采用不同藥量的二氧化錳火焰射流型高熱劑對(duì)模擬彈體材料進(jìn)行了彈藥外殼熔穿實(shí)驗(yàn)，并對(duì)其燃燒溫度進(jìn)行理論計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該類高熱劑能夠快速有效熔穿模擬彈體材料，并且提高銷毀的安全性。

高熱劑；彈藥銷毀；火焰射流；二氧化錳；安全

高熱劑是由金屬或非金屬單質(zhì)與其他元素的氧化物組成的煙火藥劑，其燃燒反應(yīng)類似置換反應(yīng)，生成另一種單質(zhì)及氧化物的熔渣[1-3]。隨著高熱劑在軍事中的廣泛應(yīng)用，研究人員考慮利用高熱劑對(duì)廢舊彈藥進(jìn)行銷毀。目前，普遍采用的銷毀器裝藥類型是鐵鋁高熱劑，其銷毀彈藥的原理是利用鋁熱反應(yīng)產(chǎn)生超過2 000K的高溫灼熱液態(tài)熔渣[4]，迅速熔穿彈藥的外殼（彈藥外殼的材質(zhì)包括金屬和塑料），進(jìn)而點(diǎn)燃彈體內(nèi)部的主裝藥，使炸藥燃燒殆盡而不產(chǎn)生爆轟，從而達(dá)到銷毀的目的。

易建坤[5-7]通過實(shí)驗(yàn)研究了Fe2O3/Al高熱劑的反應(yīng)現(xiàn)象、原理和配方，在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了配方的優(yōu)化，得出了鐵鋁高熱劑與添加劑的最佳配比和反應(yīng)密度。美國(guó)的Saint[8]等主要對(duì)高熱劑的紅外效應(yīng)以及添加劑的性能進(jìn)行了研究。

雖然鐵鋁高熱劑應(yīng)用于高能燃燒法銷毀廢舊彈藥具有良好的應(yīng)用效果，然而，這種類型的高熱劑在實(shí)際銷毀作業(yè)中還是存在一定的局限性。由于鐵鋁高熱劑是利用燃燒產(chǎn)生的液態(tài)高溫熔渣進(jìn)行銷毀，在重力的作用下，液態(tài)熔渣會(huì)向下流動(dòng)，為保證良好的熔穿效果，圓柱形的銷毀器必須垂直設(shè)置在被銷毀彈體的正上方，銷毀器底部裝藥必須與被銷毀彈藥外殼接觸，并要保證在銷毀器作業(yè)燃燒的過程中不能發(fā)生傾斜或倒伏。這對(duì)銷毀器的設(shè)置要求較高，通常需要配備特殊的固定裝置等器材，提高了銷毀作業(yè)成本，延長(zhǎng)了銷毀作業(yè)時(shí)間。

針對(duì)鐵鋁高熱劑存在的上述不足，本文討論了新型的火焰射流型高熱劑在廢舊彈藥高能燃燒法銷毀中的應(yīng)用，使用二氧化錳配制的火焰射流型高熱劑裝填銷毀器材，在銷毀作業(yè)中，可將銷毀器設(shè)置于被銷毀彈藥的上方、側(cè)面或下方，并且設(shè)置時(shí)銷毀器不需要接觸彈體，銷毀器作業(yè)時(shí)利用口部噴出的高溫火焰射流迅速熔穿彈藥殼體，點(diǎn)燃內(nèi)部主裝藥，達(dá)到銷毀廢舊彈藥的目的。這種類型的高熱劑銷毀器材能夠有效彌補(bǔ)熔渣型高熱劑銷毀器材存在的缺陷，能夠滿足實(shí)際作業(yè)的應(yīng)用需求，并保證銷毀作業(yè)高效、安全、可靠地進(jìn)行。

1 火焰射流型高熱劑銷毀彈藥原理

火焰射流型高熱劑銷毀彈藥主要是利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的高溫火焰射流（通常溫度在2 000~3 000℃，形成高溫氣體或氣液混合體產(chǎn)物）對(duì)目標(biāo)進(jìn)行燃燒銷毀。對(duì)于帶金屬殼體的裝藥，例如GLD213型防坦克地雷（72式鐵殼）和GSL210型火箭掃雷彈等，通常在待銷毀彈體目標(biāo)的側(cè)方或下方放置高熱劑，高熱劑反應(yīng)噴射出的高溫火焰射流可直接熔穿金屬殼體形成開孔，同時(shí)將內(nèi)部裝藥點(diǎn)燃，利用開孔將燃燒產(chǎn)生的氣體釋放出去，并使高溫熔融的內(nèi)部裝藥流出殼體燃燒，不至于因殼體的外部約束而形成內(nèi)部高壓，導(dǎo)致燃燒轉(zhuǎn)爆轟，保證了燃燒銷毀的安全性，也提高了銷毀速率。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 配方選擇與優(yōu)化

根據(jù)煙火劑中燃燒劑的配方原理，考慮到金屬Al的氧化物生成熱高，燃燒猛烈，具有很高的火焰溫度，選用金屬Al作為還原劑，二氧化錳作高熱劑中的氧化劑成分。因此，二氧化錳高熱劑的主要成分為Al和MnO2，其熱化學(xué)反應(yīng)方程式為：

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式可計(jì)算得到的高熱劑裝藥配方為：MnO2/Al=70/30。按照銷毀器的尺寸和藥量要求，可得到高熱劑的裝填密度為2.596g/cm3。按化學(xué)計(jì)量比MnO2/Al=70/30配制的高熱劑在燃燒時(shí)，平均每克二氧化錳高熱劑放出熱量為4.768kJ，即理論熱效應(yīng)為4.768kJ/g，平均每克高熱劑可以產(chǎn)生0.45g金屬錳單質(zhì)[8]。

2.2 模型描述與鋼板燒蝕實(shí)驗(yàn)

由于炸藥的易燃特性，在實(shí)際銷毀作業(yè)中，點(diǎn)燃彈體內(nèi)的主裝藥通常比較容易。因此，銷毀作業(yè)能夠順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素是能夠迅速熔穿彈藥的金屬殼體，將殼體內(nèi)的壓力釋放出來(lái)，防止燃燒轉(zhuǎn)爆轟現(xiàn)象的發(fā)生。在初步的探討中，本文重點(diǎn)研究了二氧化錳高熱劑對(duì)金屬殼體的熔穿作用。

航空炸彈、榴彈和破障彈等常規(guī)武器彈體常用鋼質(zhì)材料制成，也有采用剛性鑄鐵和高強(qiáng)度合金鋼制成[9]。本實(shí)驗(yàn)選用了A3鋼板模擬彈藥金屬殼體材料，既來(lái)源廣泛又與實(shí)際彈殼材料相差不大。二氧化錳高熱劑燒蝕A3鋼板的實(shí)驗(yàn)示意圖見圖1。如圖1所示，鋼板設(shè)置在裝填了高熱劑的銷毀器的上方，相距一定距離。

圖1 高熱劑銷毀器熔穿模擬彈藥金屬殼體實(shí)驗(yàn)示意圖

2.3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

根據(jù)不同藥量配置不同厚度的A3鋼板和不同的距離，選擇配方為MnO2/Al=70/30的藥劑，分別以50g、100g、200g和500g藥量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。燃燒過程中可以觀察到MnO2和Al反應(yīng)劇烈，發(fā)出強(qiáng)烈的白光，有明顯的上沖火焰射流區(qū)域，同時(shí)有大量灼熱熔渣從上方噴射出，與火焰的噴射方向一致，并伴有聲響和黃色煙霧，可在較短時(shí)間內(nèi)將實(shí)驗(yàn)A3鋼板熔穿。圖2是二氧化錳高熱劑反應(yīng)時(shí)的現(xiàn)象，圖3顯示了各組實(shí)驗(yàn)反應(yīng)后的A3鋼板表面燒蝕效果及二氧化錳高熱劑反應(yīng)后產(chǎn)生的極少量熔渣，表1列出了不同藥量各組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(a) 點(diǎn)火前 （b） 燃燒現(xiàn)象

圖2 二氧化錳高熱劑的燃燒現(xiàn)象

Fig.2 The combustion phenomena of manganese dioxide thermite

圖3 各組模擬彈體表面燃燒穿孔實(shí)驗(yàn)效果

結(jié)合以上實(shí)驗(yàn)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，零氧平衡下所計(jì)算出的配比為MnO2/Al=70/30的二氧化錳型高熱劑，其粉狀裝藥點(diǎn)火性能良好，燃速較快，點(diǎn)火后能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定燃燒。各組實(shí)驗(yàn)均能夠熔穿A3鋼質(zhì)的目標(biāo)靶板，其中實(shí)驗(yàn)的最小藥量為50g，就可在3s內(nèi)迅速用高熱火焰射流燒穿2mm厚的A3鋼板。

表1 各組模擬彈體表面燃燒穿孔實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及燃燒時(shí)間

Tab.1 The perforated surface combustion experimental results and time of simulated projectile

3 燃燒溫度計(jì)算與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

3.1 燃燒溫度計(jì)算

高熱劑燃燒反應(yīng)的最高溫度[10]可以按下式進(jìn)行計(jì)算：

式（1）中：為反應(yīng)溫度；為反應(yīng)放熱量；為反應(yīng)產(chǎn)物的熔化熱和汽化熱總和；為反應(yīng)產(chǎn)物的總熱容。

根據(jù)二氧化錳高熱劑的熱化學(xué)反應(yīng)方程式，Mn的熔點(diǎn)為1 244℃，沸點(diǎn)為2 061℃，Al2O3的熔點(diǎn)為2 050℃，沸點(diǎn)為2 980℃。其中，Q(Mn)=8.4kJ、Q(Al2O3)=33.4kJ、Q(Mn)=0.08×(2 061+273)= 186.7kJ[11-12]。

∑(Q+Q)=(484.9+33.4) ×2 +(186.7+8.4) ×3=1 621.9kJ （2）

查得金屬M(fèi)n和金屬氧化物Al2O3的熱熔為C(Mn)=24.64J·mol-1·℃-1。C(Al2O3)=24.64J·mol-1·℃-1[11-12]。則：

∑C=24.64×3+129.6×2=333.12 J·mol-1·℃-1

計(jì)算得出的溫度很低，因此反應(yīng)產(chǎn)物不能全部汽化，須將沸點(diǎn)最高的反應(yīng)產(chǎn)物Al2O3的汽化熱去除，重新計(jì)算后得到：

計(jì)算得出的溫度又高于產(chǎn)物Al2O3的沸點(diǎn)，因此，計(jì)算結(jié)果不能代表實(shí)際反應(yīng)的溫度。但從此計(jì)算中可以得出，反應(yīng)的實(shí)際溫度高于Mn的沸點(diǎn)，低于Al2O3的沸點(diǎn)，即二氧化錳高熱劑的反應(yīng)溫度為2 061~2 980℃。

3.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象討論與分析

由此分析二氧化錳高熱劑反應(yīng)的現(xiàn)象，由于金屬M(fèi)n的熔點(diǎn)較低，僅有1 244℃，沸點(diǎn)也較金屬Fe低得多，在2 061~2 980℃的高溫燃燒產(chǎn)物中，金屬M(fèi)n初始狀態(tài)主要為氣態(tài)，也可能同時(shí)存在少量的液態(tài)金屬M(fèi)n，以小液滴的形式存在；此外，該類高熱劑的顆粒度尺寸相對(duì)較大，裝藥結(jié)構(gòu)比較疏松，顆粒與顆粒之間有一定的空氣間隙，而藥劑中的雜質(zhì)參與反應(yīng)，也可能產(chǎn)生一定量的氣體；此外，相較于鐵鋁型高熱劑，二氧化錳與鋁的反應(yīng)更加迅速，導(dǎo)致反應(yīng)生成的高熱使混合藥劑中的氣體迅速膨脹，將生成的大量氣態(tài)或氣液混合態(tài)的金屬M(fèi)n以具有一定壓力和速度的金屬蒸汽射流的形式噴出，利用其高溫金屬射流對(duì)A3鋼板靶板進(jìn)行穿孔。此外，由于這種高熱劑的高溫產(chǎn)物主要分布在氣相中，火焰壓力大，火焰溫度極高，隨著火焰上下區(qū)域的分布，燃燒時(shí)高熱產(chǎn)物及能量分布有較大不同。因此，燃燒目標(biāo)靶板在火焰中所處的位置不同，其受熱和燒蝕熔穿效果也會(huì)有很大的區(qū)別。

4 結(jié)論

（1）與鐵鋁高熱劑相比，二氧化錳高熱劑利用高溫火焰射流，可在多角度以及不觸碰彈體的情況下完成銷毀作業(yè)，可對(duì)各種規(guī)格、形狀的常規(guī)武器廢棄彈藥進(jìn)行有效銷毀，也可對(duì)一些勘明的簡(jiǎn)易爆炸裝置進(jìn)行現(xiàn)地銷毀（化學(xué)武器、生物武器的銷毀不能采用常規(guī)方法，如果提出該說(shuō)法必須注明可靠的引用文獻(xiàn)出處）。使用該類高熱劑裝填銷毀器材，具有以下優(yōu)點(diǎn)：其適用的銷毀對(duì)象范圍更加廣泛；對(duì)銷毀作業(yè)場(chǎng)地要求較低；器材設(shè)置簡(jiǎn)單，縮短了銷毀作業(yè)所需的時(shí)間，增加了銷毀作業(yè)的效率；不需觸碰被銷毀的彈體，提高了銷毀的安全性。

（2）由于金屬M(fèi)n的理化特性導(dǎo)致高熱劑在燃燒完畢后，在裝藥底部幾乎沒有熔融的灼熱金屬熔渣產(chǎn)生，因此在之前的研究中并未在彈藥銷毀方面得到廣泛應(yīng)用。而本文的實(shí)驗(yàn)研究表明，該類高熱劑可作為新型高溫火焰射流型高熱劑對(duì)廢棄彈藥進(jìn)行銷毀，并且其應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)突出，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)的熔渣型鐵鋁高熱劑的一些不足之處，在高能燃燒銷毀技術(shù)以及對(duì)一定厚度的金屬殼體進(jìn)行快速切割穿孔等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Preliminary Investigation into Application of Flame Jet Thermite to Scrap Ammunition Destruction

SONG Jia-xing1，F(xiàn)ANG Xiang1，ZHOU Peng2，DING Wen1，LIU Tao3，GUO Tao1

(1. The Field Engineering College of PLA University of Science and Technology,Nanjing,210007；2.Equipment Technical Cooperation Agency of Equipment Development Department,Beijing,100034；3.Armored Force College,Bengbu,233050 )

Aimed at the defects of using slag thermite to disposal ammunition, based on the principle and advantages of flame jet thermite, the flame jet thermites of manganese dioxide with different mass were adopted, then the disposal experiment of simulated material of ammunition had been carried out, and the theoretical combustion temperature was calculated. Test result showed that the flame jet thermite could melt through simulation material of ammunition quickly and effectively, and the disposal safety was improved.

Thermite；Ammunition destruction；Flame jet；Manganese dioxide；Safety

1003-1480（2016）05-0046-04

TQ567.7

A

2016-04-28

宋佳星（1993 -），男，在讀碩士研究生，主要從事兵器科學(xué)與技術(shù)研究工作。