不同約束條件下B炸藥的慢烤響應(yīng)特性

鄧 海 ，沈 飛，梁爭峰，王 輝

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引 言

烤燃實驗是為彈藥在制造、貯存、運輸及實戰(zhàn)環(huán)境中可能遭受的意外熱刺激而設(shè)計的工程熱安全研究方法[1-2]，對炸藥使用過程中熱安全性的分析和評價具有重要意義。慢速烤燃是一種衡量炸藥在持續(xù)升溫刺激條件下所表現(xiàn)出來的反應(yīng)劇烈程度的試驗方法，在對火炸藥危險性分級、工藝過程安全防范指導(dǎo)和不敏感彈藥鑒定驗收等方面具有不可或缺的作用[3]，加之目前對不敏感彈藥需求的迫切性，因此對裝藥慢烤響應(yīng)特性的研究有非常重要的現(xiàn)實意義。

目前，國內(nèi)外主要從炸藥的物理性質(zhì)(如裝藥密度[4]、孔隙率[5])、約束條件(如殼體厚度[6]、密封條件[7])、升溫條件(如升溫速率[8]、不同熱通量[9])等方面研究了其對炸藥烤燃響應(yīng)特性的影響。Lori等[10]對HTPB等3種水下炸藥在全封閉條件和有排氣孔工況下進行了慢烤實驗研究，結(jié)果表明，對于同一種炸藥，全封閉比帶排氣孔時響應(yīng)劇烈；Nichols等[11]在已有的ALE3D方程中增加了用于描述炸藥孔隙率的變量，添加了早期熱分解產(chǎn)生氣體的狀態(tài)方程，模擬了熱刺激下炸藥的烤燃行為，研究了炸藥的相變；王紅星等[12]通過對DNAN的慢速烤燃實驗研究得出了DNAN的自發(fā)火溫度、熱爆炸延滯期和熱爆炸臨界溫度，并與TNT進行對比，得出了新型熔鑄載體炸藥DNAN的熱感度優(yōu)于TNT；陳科全等[13]設(shè)計了一種排氣緩釋結(jié)構(gòu)，對熔鑄裝藥RHT-1進行了慢速烤燃和快速烤燃試驗，結(jié)果表明排氣緩釋結(jié)構(gòu)顯著降低了快速烤燃時的反應(yīng)等級，延長了慢速烤燃的反應(yīng)時間。

上述文獻主要是通過模擬或?qū)嶒灲Y(jié)果對炸藥的熱安定性進行比較及評價，針對同一種熔鑄裝藥的烤燃過程與響應(yīng)特點系統(tǒng)研究鮮有報道。熔鑄炸藥是各國大型航彈、各種榴彈及部分導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的主裝藥，應(yīng)用非常廣泛，并且當今戰(zhàn)場環(huán)境日趨復(fù)雜，彈藥面臨更嚴峻的安全性考驗，裝藥必須要滿足不敏感性的要求，而B炸藥作為一種典型的熔鑄炸藥，具有較強的代表性，因此本研究利用烤燃裝置，對B炸藥進行了無約束、帶不同孔徑排氣孔及全密閉約束3種狀態(tài)的慢速烤燃實驗，對B炸藥在不同約束條件下的慢烤安全性進行了研究，為不敏感戰(zhàn)斗部的設(shè)計提供理論支持。

1 實 驗

1.1 樣品及裝置

實驗樣品為熔鑄B炸藥(TNT與RDX質(zhì)量比為40∶60)，密度1.65g/cm3,無約束實驗樣品尺寸為Ф40mm×60mm，有約束實驗樣品尺寸為Ф25mm×50mm。

烤燃彈殼體厚度5mm，內(nèi)腔尺寸為Ф25mm×50mm，材料為45#鋼，端蓋分別設(shè)計為無排氣孔、Ф4mm排氣孔及Ф8mm排氣孔3種結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2 實驗系統(tǒng)及原理

實驗系統(tǒng)(見圖2)包括加熱烤箱、熱電偶、控溫儀器、視屏監(jiān)控儀器和計算機，其中，加熱烤箱具有良好的保溫性，加熱功約3000W，通過箱內(nèi)電熱絲加熱，由控溫儀控制烤箱內(nèi)空氣域的溫度，控溫范圍0～300℃，烤箱的一側(cè)用鋼化玻璃作為擋板，在烤箱內(nèi)試樣安放架后側(cè)斜45°布置兩塊反射鏡，以便視屏監(jiān)控裝置能在慢烤過程中對試樣進行全角度觀察。

圖1 烤燃彈結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of cook-off bomb

圖2 慢烤裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of slow cook-off set-up

無約束炸藥烤燃實驗時，把試樣放于透明玻璃容器內(nèi)，固定在試樣安放架上，在玻璃容器內(nèi)布置測溫?zé)犭娕?，用于測量炸藥相變前周圍空氣域的溫度和相變后炸藥的溫度，另外在箱內(nèi)布置控溫?zé)犭娕迹糜跍y量箱內(nèi)溫度，并反饋給控溫系統(tǒng)，進行精準控溫。用計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對實驗數(shù)據(jù)進行記錄和處理。

帶排氣孔約束烤燃實驗時，布置3只熱電偶，控溫?zé)犭娕及惭b在箱子內(nèi)部，用于控溫系統(tǒng)控制升溫速率，一只測溫?zé)犭娕紡呐艢饪撞迦霚y量炸藥的溫度，并且在熱電偶上端安裝配重塊，保證熱電偶隨炸藥的熔化能不斷下降，另一只安裝在殼體表面，用于測量其溫度隨時間的變化情況。

無排氣孔全密閉約束烤燃實驗時，在殼體表面和箱內(nèi)安裝熱電偶，測量劇烈反應(yīng)時的溫度。

實驗時在鋼化玻璃正對面安放視頻監(jiān)控裝置，對慢烤的過程進行全程監(jiān)控，采取1℃/min的升溫速率進行加熱，加熱至試樣發(fā)生劇烈反應(yīng)為止。通過實驗可以清楚觀察到試樣慢速升溫的響應(yīng)過程及現(xiàn)象，獲得相應(yīng)溫度隨時間的變化曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 無約束時B炸藥的慢烤響應(yīng)

無約束條件下熱電偶測得的溫度隨時間的變化曲線如圖3所示。曲線1為箱內(nèi)的溫度隨時間的升溫曲線，曲線2為炸藥熔化前玻璃容器內(nèi)空氣域的升溫曲線，曲線3為炸藥熔化至劇烈反應(yīng)的溫度隨時間的變化曲線。

圖3 無約束時B炸藥慢烤的溫度-時間曲線Fig.3 T—t curves measured by slow cook-off of composition B when unconstrained

從圖3可以看出，無約束條件下B炸藥的慢速烤燃過程可分為4個過程：固體升溫、熔化/相變、液體升溫、加速分解至點火。

熔鑄炸藥要求其載體熔點低、熱穩(wěn)定性好，B炸藥以TNT為載體，有較好的熱穩(wěn)定性，在發(fā)生相變前幾乎不會發(fā)生分解反應(yīng)，因此固體升溫階段可忽略炸藥的自熱反應(yīng)，只是炸藥由表及里的熱傳導(dǎo)過程。

從圖3可知，炸藥升溫到99℃時，曲線3開始出現(xiàn)溫度平臺，這時炸藥開始熔化，熔化過程如圖4所示，由于熱量從炸藥表面?zhèn)魅雰?nèi)部需要時間，炸藥內(nèi)部會存在一定的溫度差，因此炸藥的表層首先開始熔化，在重力作用下，流向杯底淹沒了布置在杯底的溫度傳感器，此時所測得的溫度由燒杯內(nèi)空氣域溫度變?yōu)橐簯B(tài)炸藥的溫度，由于熔化過程吸熱，同時熱量要向未熔化的炸藥傳熱，導(dǎo)致溫度上升緩慢，幾乎處于平臺上下波動；經(jīng)過36min左右，炸藥幾乎全部熔化，此后由于增加了對流換熱作用，使炸藥內(nèi)部熱量交換速率加快，炸藥內(nèi)部溫度趨于均勻，隨著烤箱的升溫，液態(tài)炸藥整體以幾乎相同的升溫速率繼續(xù)升溫。

溫度升至197℃時，炸藥的升溫速率明顯加快，這時炸藥發(fā)生了更加顯著的自熱分解反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量不能及時擴散，使炸藥內(nèi)部溫度迅速升高，進一步加劇炸藥分解反應(yīng)的劇烈程度。此時反應(yīng)狀態(tài)如圖5所示，液態(tài)炸藥內(nèi)部明顯有氣泡產(chǎn)生，開始出現(xiàn)沸騰，炸藥液面上不斷有氣泡冒出，伴隨著氣泡破裂氣體逸出，部分熱量被帶走，炸藥內(nèi)部升溫速率出現(xiàn)短暫降低，液面也變得稍微清澈。但隨后炸藥在自熱反應(yīng)的作用下，熱量不斷累積，溫度又再次迅速升高，高溫環(huán)境使得分解放熱速率急劇加快，炸藥內(nèi)部重新產(chǎn)生更多氣泡，液面劇烈沸騰，大量氣體從杯口逸出，同時液面不斷升高甚至噴濺溢出燒杯，最后發(fā)生點火燃燒。

圖4 B炸藥的相變過程圖Fig.4 The phase change process of composition B

圖5 加速反應(yīng)的狀態(tài)圖Fig.5 The state diagrams of the accelerating reaction

實驗后的殘骸如圖6所示，可以看出箱體連接處被撐開，箱體玻璃面無破損玻璃容器完好，說明熔鑄B炸藥在無約束條件下，分解產(chǎn)生的氣體能順利擴散，不能形成高壓的環(huán)境，因此點火后反應(yīng)烈度不會增長，炸藥只發(fā)生燃燒反應(yīng)。

圖6 實驗后殘骸的圖片F(xiàn)ig.6 The images of wrecks after the experiment

2.2 帶排氣孔約束條件下B炸藥的響應(yīng)特點

2.2.1 帶Φ8mm排氣孔約束B炸藥慢烤響應(yīng)

在帶排氣孔約束條件下，設(shè)置了兩種開孔大小的工況。帶Ф8mm排氣孔實驗時3個熱電偶測得的溫度隨時間的變化曲線如圖7所示。由圖7炸藥升溫曲線可以看出，烤燃彈裝藥的慢烤升溫過程和裸裝炸藥慢烤的升溫過程有相同的特征，都存在明顯的表征相變溫度平臺和加速自熱分解反應(yīng)過程。

圖7 帶Φ8mm排氣孔B炸藥慢烤溫度-時間曲線Fig.7 T-t curves measured by slow cook-off of composition B with 8mm vent

由圖7可以看出，炸藥溫度在91.7℃左右開始出現(xiàn)溫度平臺，炸藥開始熔化。相對于裸藥柱相變過程是一個溫度平臺，帶殼裝藥呈現(xiàn)降低的趨勢，這是由于熔化是一個吸熱過程，此時殼體和炸藥表層的溫差較小，向炸藥內(nèi)傳入熱量的速率低于吸收和散失造成的熱損失速率；對比裸裝藥在99℃出現(xiàn)溫度平臺，帶殼裝藥為91.7℃，這是由于兩次實驗熱電偶的布置位置不同，裸裝炸藥慢烤時，測的是炸藥熔化后流到杯底后的溫度，而本實驗測的是炸藥熔化界面處的溫度，會比熔化一段時間后的炸藥溫度低。

溫度平臺約歷經(jīng)20min，炸藥已熔化為液體，此后整體以一個更高的升溫速率繼續(xù)升溫。在炸藥溫度升至132℃時，開始從排氣孔里溢出液體炸藥，并隨溫度的增加，溢出速率越來越快，到后期炸藥溫度升至163℃時，溢出的液態(tài)炸藥有明顯的氣泡出現(xiàn)，實驗現(xiàn)象如圖8所示，烤箱底面溢出的炸藥出現(xiàn)了白色泡沫，說明炸藥的自熱分解速率在不斷加快，并伴有氣體排出。實驗后的殘骸如圖9所示，烤燃彈結(jié)構(gòu)完好，在排氣孔周圍有大量炸藥溢出后燒蝕的殘渣，可判斷發(fā)生了燃燒反應(yīng)。

圖8 炸藥升溫過程現(xiàn)象圖Fig.8 Photos of explosive heating process

圖9 帶Ф8mm排氣孔慢烤實驗后殘骸 Fig.9 Wreck after slow cook-off experiment with Φ8mm vent

從圖7炸藥升溫曲線可知，當炸藥溫度升至197℃時升溫速率迅速增大，說明溫度的升高引起了系統(tǒng)熱積累與熱損失的嚴重失衡，熱生成速率呈指數(shù)式升高，這時從排氣孔處能明顯觀察到液態(tài)炸藥不斷沸騰，并伴隨著氣體持續(xù)從排氣孔快速涌出，由于箱底溫度較高、箱內(nèi)氧氣充足，落在箱底的炸藥首先發(fā)生了點火，同時烤燃彈內(nèi)的炸藥自熱反應(yīng)速率不斷加強，內(nèi)部溫度迅速升高到炸藥的點火溫度，緊接著排氣孔處的炸藥也發(fā)生了點火燃燒，點火過程如圖10所示。

圖10 實驗彈點火過程圖Fig.10 Photos of ignition process for testing bomb

2.2.2 帶Φ4mm排氣孔約束B炸藥慢烤響應(yīng)

從帶Ф8mm排氣孔烤燃彈的慢烤實驗可得出排氣孔能有效地泄壓，抑制了殼體內(nèi)壓力快速增長。為研究排氣孔的大小對慢烤響應(yīng)特性的影響，進行了Ф4mm排氣孔烤燃彈的慢烤實驗，實驗結(jié)果顯示炸藥溫度在138℃時，從排氣孔處有大量的氣體排出，實驗現(xiàn)象如圖11所示，經(jīng)過40s左右發(fā)生了劇烈反應(yīng)，實驗后收集的殘骸如圖12，殼體呈向外膨脹式破裂，端蓋向外凸起，這是由于殼體內(nèi)部壓力過大，沒能及時泄壓，導(dǎo)致殼體被撐破為大塊碎片，通過劇烈反應(yīng)時的聲響及烤燃彈殘骸，可以判斷排氣孔為Ф4mm時，發(fā)生了爆燃反應(yīng)。

圖11 實驗彈排氣狀態(tài)圖Fig.11 The state photos of venting process

圖12 帶Ф4mm排氣孔慢烤實驗后殘骸Fig.12 Wrecks after slow cook-off experiment with Φ4mm vent

2.3 全密閉約束條件下B炸藥的慢烤響應(yīng)

無排氣孔時烤燃彈在殼體溫度升到171℃發(fā)生了劇烈反應(yīng)，試驗后的殘骸如圖13所示，可以看出殼體被炸成了碎塊，依據(jù)標準的NATO響應(yīng)描述，可知發(fā)生了爆炸反應(yīng)。對比帶Ф4mm排氣孔時發(fā)生爆燃反應(yīng)，帶Ф8mm排氣孔時發(fā)生燃燒反應(yīng)，這是由于熔鑄炸藥相變后,已經(jīng)開始發(fā)生緩慢分解反應(yīng)，不斷有氣體排出。當排氣孔較大或無約束時，液態(tài)炸藥伴隨氣體能及時向外擴散，保證了反應(yīng)區(qū)內(nèi)部壓力不會持續(xù)升高，炸藥進行穩(wěn)定、緩慢的反應(yīng)，最終僅發(fā)生了燃燒反應(yīng)；當排氣孔較小時，液態(tài)炸藥和氣體不能快速及時排出，殼體內(nèi)部壓力逐漸升高，導(dǎo)致炸藥分解反應(yīng)速率進一步加快，熱積累逐漸增多，同時炸藥接觸到了氧氣，在溫度較低時就發(fā)生了較為劇烈的爆燃反應(yīng)；而沒有排氣孔時，液態(tài)炸藥和氣體無法排出，殼體內(nèi)的壓力快速升高，導(dǎo)致炸藥分解反應(yīng)速率和熱積累迅速加快，溫度和壓力不斷升高，達到一定閾值后，發(fā)生了劇烈的爆炸反應(yīng)。

圖13 無排氣孔時慢烤實驗后的殘骸Fig.13 Wrecks after slow cook-off experiment without vent

3 結(jié) 論

(1)不同約束狀態(tài)的B炸藥在慢速升溫的作用下都存在相變、沸騰、冒氣和加速反應(yīng)的過程，殼體預(yù)設(shè)的排氣孔可以有效地排出氣體和液態(tài)炸藥，能可靠泄壓，抑制殼體內(nèi)部壓力的升高，因此，可在殼體上采用緩釋措施來降低裝藥的慢烤易損性。

(2)4種不同約束條件下B炸藥在實驗中的響應(yīng)表現(xiàn)出規(guī)律性變化,隨著密封性的增強，反應(yīng)烈度增加，延遲時間變短，殼體的破壞程度逐漸增大；無殼體約束和帶Φ8mm排氣孔時，反應(yīng)類型為燃燒反應(yīng)；帶Φ4mm排氣孔時為爆燃反應(yīng)；無開孔全密閉時為爆炸反應(yīng)。