未爆彈彈丸裝藥穩(wěn)定燃燒仿真研究

李政陽(yáng)，安振濤，李金明，張啟功

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未爆彈彈丸裝藥穩(wěn)定燃燒仿真研究

李政陽(yáng)1，安振濤1，李金明1，張啟功2

（1.軍械工程學(xué)院彈藥工程系，河北石家莊，050003；2.75170部隊(duì)，廣西桂林，541000）

針對(duì)金屬熔流銷(xiāo)毀未爆彈過(guò)程中未爆彈彈丸主裝炸藥易發(fā)生爆轟，對(duì)人員安全造成巨大威脅的問(wèn)題，基于燃燒轉(zhuǎn)爆轟的機(jī)理，提出作業(yè)中控制彈丸裝藥穩(wěn)定燃燒的方法。構(gòu)建計(jì)算模型，以某型迫擊炮彈為例進(jìn)行實(shí)例仿真計(jì)算，并分析生成曲線(xiàn)。結(jié)果表明熔孔直徑越大，銷(xiāo)毀未爆彈時(shí)發(fā)生爆轟的概率越小，該迫擊炮彈最小熔孔直徑為12.2mm。

未爆彈銷(xiāo)毀；金屬熔流；燃燒；爆轟；熔孔直徑

未爆彈銷(xiāo)毀是軍事訓(xùn)練和軍事行動(dòng)不可缺少的保障性工作[1]。我軍現(xiàn)行的銷(xiāo)毀方法存在危險(xiǎn)、繁瑣、效率低下的問(wèn)題，并且強(qiáng)度較大[2]，近年來(lái)國(guó)內(nèi)研究出一種引燃非引爆的新型未爆彈銷(xiāo)毀方法，即金屬熔流銷(xiāo)毀法[3]。該方法利用金屬熔流的熱熔效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)，熔穿未爆彈金屬殼體，并引燃主裝炸藥（以下簡(jiǎn)稱(chēng)裝藥），達(dá)到銷(xiāo)毀目的，然而該方法的隱患是金屬熔流引燃裝藥后易發(fā)生爆轟，對(duì)人員和環(huán)境造成巨大威脅[4]。

本文結(jié)合炸藥的燃燒過(guò)程，根據(jù)燃燒轉(zhuǎn)爆轟的機(jī)理，在彈丸裝藥穩(wěn)定燃燒階段討論壓力作用對(duì)彈丸裝藥的影響，提出在銷(xiāo)毀未爆彈作業(yè)中控制彈丸裝藥穩(wěn)定燃燒的方法，從而減少銷(xiāo)毀過(guò)程中對(duì)人員的威脅和對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。

1 理論分析

1.1 炸藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟的條件

炸藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟主要有兩種機(jī)理：一種認(rèn)為炸藥被點(diǎn)燃后，產(chǎn)生壓縮波，壓縮波反作用加速炸藥的燃燒，使壓縮波不斷加強(qiáng)，形成強(qiáng)沖擊波，當(dāng)沖擊波到達(dá)臨界強(qiáng)度時(shí)誘發(fā)爆轟。另一種認(rèn)為炸藥點(diǎn)燃后，壓力隨時(shí)間不斷呈線(xiàn)性增加，在爆轟附近，能量突然釋放，壓力急劇上升，向前傳播的壓縮波不斷累積導(dǎo)致爆轟[5-6]。這兩個(gè)機(jī)理都說(shuō)明，燃燒向爆轟轉(zhuǎn)變時(shí)，都有一個(gè)壓力積累的過(guò)程，多是由于氣體的釋放和產(chǎn)生失去了平衡導(dǎo)致的。因而可通過(guò)控制壓力變化范圍，使其在較安全區(qū)域變化，減弱從燃燒向爆轟轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，從而降低發(fā)生爆轟的可能。

1.2 影響穩(wěn)定燃燒的主要因素

在金屬熔流熔穿未爆彈金屬殼體階段，其內(nèi)部裝藥處于密閉狀態(tài)，當(dāng)能量累積達(dá)到炸藥活化能臨界點(diǎn)時(shí)，內(nèi)部裝藥被引燃。若未爆彈殼體還未被熔穿，則彈藥內(nèi)部壓力將急劇上升，增大了向爆轟轉(zhuǎn)變的概率。當(dāng)金屬熔流熔穿殼體時(shí)，形成了泄壓孔，炸藥氣體生成產(chǎn)物在彈內(nèi)壓力的作用下，向外界釋放，若彈內(nèi)壓力依舊持續(xù)升高，氣體產(chǎn)物從熔孔噴出的速度也將提高，可使彈藥內(nèi)部壓力保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上所述，在金屬熔流銷(xiāo)毀未爆彈作業(yè)中，壓力是控制彈丸裝藥穩(wěn)定燃燒的主要因素。

2 仿真計(jì)算

2.1 彈丸裝藥安全燃燒控制的理論計(jì)算

采用金屬熔流銷(xiāo)毀法時(shí)可以通過(guò)控制彈丸殼體的泄壓孔的大小，使彈藥內(nèi)部壓力保持相對(duì)穩(wěn)定，從而減弱燃燒向爆轟轉(zhuǎn)換的趨勢(shì)。

彈丸裝藥被引燃后，假設(shè)內(nèi)部裝藥狀態(tài)處處相等，炸藥燃燒服從燃燒定律，生成產(chǎn)物為氣體，服從氣體狀態(tài)方程。當(dāng)內(nèi)部裝藥穩(wěn)定燃燒時(shí)，內(nèi)部裝藥燃燒生成產(chǎn)物質(zhì)量等于從熔穿孔釋放產(chǎn)物的質(zhì)量和殼體內(nèi)燃燒產(chǎn)物的質(zhì)量，即：

式（1）中：A為裝藥燃燒面積；為裝藥密度；為燃燒速度；為燃燒產(chǎn)物的溫度；為裝藥燃燒產(chǎn)物的平均密度；為單位時(shí)間內(nèi)燃燒產(chǎn)物從熔孔排出的質(zhì)量；為燃燒產(chǎn)物所占的體積；R為摩爾氣體常數(shù)。

炸藥燃燒符合指數(shù)燃速定律：

式（2）中：，為常數(shù)；為壓力指數(shù)；為內(nèi)部壓強(qiáng)。

根據(jù)完全氣體狀態(tài)方程=R可得：

式（3）中：為熔孔的面積；0為從熔孔排出的燃燒產(chǎn)物的平均密度；為質(zhì)點(diǎn)的平均速度；0為從熔孔排出的燃燒產(chǎn)物的壓力；0為從熔孔排出的燃燒產(chǎn)物的溫度。

裝藥在殼體內(nèi)燃燒時(shí)，殼體內(nèi)的壓力處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，并產(chǎn)生大量的熱和氣體產(chǎn)物，氣體和溫度的堆積使彈內(nèi)壓力增加，當(dāng)大于外界大氣壓力時(shí)，燃燒生成產(chǎn)物從熔穿孔迅速向外排出，彈內(nèi)壓力隨之下降，彈丸內(nèi)部裝藥燃燒逐漸保持穩(wěn)定，彈內(nèi)壓力回歸穩(wěn)定狀態(tài)。熔孔排出炸藥燃燒產(chǎn)物的過(guò)程可以看作等熵膨脹過(guò)程，在外界稀疏波作用下內(nèi)部裝藥燃燒產(chǎn)物產(chǎn)生向外飛散的速度，當(dāng)燃燒產(chǎn)物膨脹與外界保持等壓，燃燒保持穩(wěn)定。

由稀疏波前和波后的壓力關(guān)系可得波后質(zhì)點(diǎn)的飛散速度與彈丸殼體內(nèi)壓力的關(guān)系：

（4）

式（4）中：為絕熱指數(shù)；為反應(yīng)產(chǎn)物中的音速。

由于從熔孔排出炸藥燃燒產(chǎn)物的質(zhì)點(diǎn)飛散與外界向彈內(nèi)稀疏波傳播方向相反，質(zhì)點(diǎn)速度為負(fù)數(shù)，所以將式（4）取絕對(duì)值代入式（3），可得：

將式（2）和式（4）代入式（1）得：

（6）

式（7）可用來(lái)表示彈體內(nèi)部壓力變化趨勢(shì)，將式（7）進(jìn)行分解，通過(guò)實(shí)例仿真計(jì)算氣體產(chǎn)物的生成速率和熔孔氣體釋放速率之間的關(guān)系：

（8）

（9）

2.2 彈丸裝藥穩(wěn)定燃燒計(jì)算實(shí)例

以某型未爆迫擊炮彈為研究對(duì)象，彈丸裝藥為注裝梯黑炸藥，裝藥密度為1.58g/cm3，質(zhì)量為889g，裝藥高度為12cm，直徑為7.7cm，其遵循幾何燃燒定律，逐層進(jìn)行燃燒。梯黑炸藥的威力和猛度均小于黑索今，為更好地研究彈丸裝藥燃燒變化趨勢(shì)，做如下處理：簡(jiǎn)化迫擊炮彈的內(nèi)部裝藥為黑索今（RDX）；內(nèi)部裝藥近似為直徑8cm、高度12cm的圓柱體藥柱。通過(guò)查取相關(guān)文獻(xiàn)得到相關(guān)參數(shù)，如表1所示[7]。

表1 RDX燃燒主要特征參數(shù)

Tab.1 RDX combustion main characteristic parameters

利用已知參數(shù)，設(shè)定熔孔直徑為13mm，采用MATLAB軟件計(jì)算式（8）~（10），并生成0、1、2的曲線(xiàn)，如圖1所示。

注：熔孔直徑D為13mm

產(chǎn)物生成速率0由裝藥本身的燃燒特性決定，氣體釋放速率1由開(kāi)孔面積、外界環(huán)境以及燃燒生成產(chǎn)物的性質(zhì)決定。

圖1中，曲線(xiàn)0為彈丸裝藥氣體產(chǎn)物的生成速率，曲線(xiàn)1為熔孔氣體釋放速率，曲線(xiàn)2代表0和1的差，曲線(xiàn)2與橫軸的交點(diǎn)e、f表示壓力平衡位置，與曲線(xiàn)0和1的交點(diǎn)E、F對(duì)應(yīng)。在彈丸裝藥被金屬熔流點(diǎn)燃初期，曲線(xiàn)處于AE和BE段，氣體產(chǎn)物生成速率大于熔孔氣體釋放速率，氣體產(chǎn)物在彈內(nèi)積累，彈內(nèi)壓力隨之升高；隨著壓力的不斷升高，熔孔氣體釋放速率不斷增大，且增大速度大于氣體產(chǎn)物生成速率的增長(zhǎng)速度；當(dāng)增大到E點(diǎn)時(shí)，氣體產(chǎn)物生成速率與釋放速率相等，到達(dá)平衡狀態(tài)。且由于慣性的作用，氣體釋放速率會(huì)繼續(xù)快速升高一段時(shí)間，即EF段。此階段由于氣體產(chǎn)物生成速率小于釋放速率，彈丸殼體內(nèi)部的壓力不斷下降，氣體產(chǎn)物生成速率和釋放速率下降，1回歸到壓力平衡點(diǎn)F，氣體產(chǎn)物生成速率與釋放速率達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

若彈丸裝藥持續(xù)與金屬熔流接觸，彈內(nèi)反應(yīng)生成速率突破F點(diǎn)，進(jìn)入FC和FD段時(shí)，生成速率大于釋放速率，彈內(nèi)氣體產(chǎn)物不斷堆積，彈內(nèi)壓力不斷升高，當(dāng)達(dá)到一定值時(shí)，彈丸裝藥將會(huì)由燃燒轉(zhuǎn)化為爆轟。因此，在彈藥銷(xiāo)毀過(guò)程中應(yīng)盡量控制熔穿后熔流向彈丸內(nèi)部傳遞的時(shí)間。同時(shí)提高熔穿金屬殼體的速度，降低彈丸裝藥在密閉環(huán)境下的熱化學(xué)反應(yīng)時(shí)間，減少氣體產(chǎn)物生成，降低彈內(nèi)部壓力。

改變?nèi)劭字睆綖?2mm、15mm，生成的0、1、2曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 不同熔孔直徑條件下生成氣體速率與釋放速率的關(guān)系

對(duì)比圖1，發(fā)現(xiàn)當(dāng)熔穿孔直徑減小時(shí)，EF不斷減小，E點(diǎn)向上移動(dòng)，燃燒壓力波動(dòng)范圍小，易出現(xiàn)燃燒轉(zhuǎn)爆轟現(xiàn)象的發(fā)生。未爆彈銷(xiāo)毀作業(yè)時(shí)，應(yīng)盡量增大熔孔面積，提高燃燒銷(xiāo)毀的穩(wěn)定性。當(dāng)曲線(xiàn)0與1相切時(shí)，對(duì)應(yīng)最小熔孔直徑，當(dāng)熔孔直徑小于最小熔孔直徑時(shí)，彈丸裝藥的氣體生成速率大于產(chǎn)物釋放速率，在這種情況下彈丸內(nèi)部壓力逐漸增加，炸藥燃燒存在燃燒向爆轟轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。根據(jù)計(jì)算可得，本迫擊炮彈的最小開(kāi)孔直徑約12.2mm。因此，通過(guò)控制熔孔直徑可以控制燃燒壓力變化，在燃燒過(guò)程中控制其燃燒壓力就可以避免爆轟的發(fā)生。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究，得出主要結(jié)論如下：

（1）熔流引燃未爆彈彈丸裝藥過(guò)程中，控制壓力的增長(zhǎng)是使炸藥在穩(wěn)定條件下燃燒直至消耗殆盡的關(guān)鍵。

（2）金屬熔流銷(xiāo)毀未爆彈過(guò)程中應(yīng)盡量控制熔穿后熔流向彈丸內(nèi)部傳遞的時(shí)間，同時(shí)提高熔穿金屬殼體的速度，降低彈丸裝藥在密閉環(huán)境下的熱化學(xué)反應(yīng)時(shí)間，減少氣體產(chǎn)物生成，降低彈內(nèi)部壓力，防止爆轟發(fā)生。

（3）未爆彈彈丸殼體熔孔越大，彈丸裝藥燃燒時(shí)殼體內(nèi)部壓力越小，作業(yè)過(guò)程中發(fā)生爆轟的概率越小。

（4）某型迫擊炮彈金屬熔流銷(xiāo)毀作業(yè)時(shí)，最小開(kāi)孔直徑約為12.2mm。

[1] 李金明,雷彬,丁玉奎.通用彈藥銷(xiāo)毀處理技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2012.

[2] 谷智國(guó),張懷智,杜潤(rùn)生,等.廢舊彈藥銷(xiāo)毀方法探究[J].工程爆破,2012,18(1):97-99.

[3] 張啟功.基于金屬熔流的未爆彈銷(xiāo)毀方法與實(shí)驗(yàn)研究[D].石家莊:軍械工程學(xué)院,2015.

[4] 劉濤.高熱劑應(yīng)用于銷(xiāo)毀廢棄彈藥的相關(guān)研究[D].南京:解放軍理工大學(xué),2013.

[5] 段寶福,宋錦泉,汪旭光.炸藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟(DDT)研究現(xiàn)狀[J].有色金屬(礦山部分),2003,55(1):31-35.

[6] 劉鵬,張懷智,郭勝?gòu)?qiáng),等.廢炸藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟的原因分析及對(duì)安全銷(xiāo)毀炸藥的啟示[J].爆破器材,2009,38(1): 31-34.

[7] 吳成義,謝子章, 張麗英.粉末冶金不等高制品壓制規(guī)律的探討[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),1981(1):148-154.

Simulation Calculation on the Stable Combustion Stage of Explosive Projectile Charge

LI Zheng-yang1，AN Zhen-tao1，LI Jin-ming1，ZHANG Qi-gong2

(1. Ammunition Engineering Department of Ordnance Engineering College，Shijiazhuang，050003；2. 75170 Unit，Guilin，54100）

In the process of the destruction of the metal melt, the main explosive charge of the projectile is easy to explode, which poses a great threat to the safety of personnel. To solve this problem, based on the mechanism of combustion to detonation, a method for controlling the stable combustion of the projectile charge in the destruction of non explosive projectile was proposed. A computing model was established, taking a certain type of mortar shell as an example, the simulation results were obtained. It is considered that the larger the hole diameter is, the lower the probability of detonation occurs during the destruction, and the minimum hole diameter of the mortar shell is 12.2mm.

Non explosive destruction；Metal melt flow；Combustion；Detonation；Hole diameter

1003-1480（2017）02-0053-04

TQ560.79

A

2016-12-29

李政陽(yáng)（1995 -），男，在讀碩士研究生，主要從事彈藥儲(chǔ)存、供應(yīng)與銷(xiāo)毀方面研究。