藥量和升溫速率對DNAN基熔鑄炸藥烤燃特性的影響*

劉子德,智小琦,周 捷,王 帥

(中北大學(xué)地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030051)

彈藥的烤燃實(shí)驗(yàn)是用來檢驗(yàn)彈藥對意外熱刺激的敏感程度和發(fā)生反應(yīng)時(shí)劇烈程度的一種重要方法[1]。針對彈藥的熱易損性能，已有了大量的烤燃實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬，并得出了許多有價(jià)值的結(jié)論。Tringe等[2]通過烤燃實(shí)驗(yàn)，分析比較了以HMX為基的LX-10和PBX9501兩種炸藥的響應(yīng)劇烈程度，結(jié)果表明，黏結(jié)劑差異導(dǎo)致點(diǎn)火位置不同，最終導(dǎo)致響應(yīng)劇烈程度的差異。McClelland等[3]對B炸藥進(jìn)行烤燃加熱，并基于ALE3D程序構(gòu)建了RDX-TNT混合懸浮液的熱-流耦合可溶性和黏性模型，結(jié)果表明，炸藥自然對流使得點(diǎn)火位置出現(xiàn)在炸藥上方。陳朗等[4]進(jìn)行了DNAN炸藥的烤燃實(shí)驗(yàn)，分析了炸藥熔化和反應(yīng)情況，并計(jì)算了6種不同升溫速率下的DNAN炸藥的烤燃特征，研究發(fā)現(xiàn)，炸藥熔化成液態(tài)后，對流作用會使炸藥內(nèi)部溫度分布趨于均勻，使炸藥點(diǎn)火區(qū)域擴(kuò)大，進(jìn)而增強(qiáng)炸藥點(diǎn)火后的反應(yīng)激烈程度。此外，還有關(guān)于裝藥密度、約束條件、裝藥尺寸等因素對烤燃響應(yīng)特性影響的報(bào)道[5-7]。然而，裝藥量對彈藥熱安全性及其響應(yīng)特性的影響研究尚不完善，考慮到全尺寸烤燃實(shí)驗(yàn)成本高且對實(shí)驗(yàn)場所的要求相對苛刻，很多時(shí)候需要對彈藥進(jìn)行縮比，因此研究小尺寸裝藥量變化對彈藥的烤燃響應(yīng)特性的影響對彈藥的熱安全性具有重要的實(shí)際意義。

2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)具有撞擊感度低和摩擦感度低的特點(diǎn)，添加少量高氯酸銨(AP) 后，能彌補(bǔ)其能量上的不足，與常規(guī)熔鑄載體炸藥TNT相比具有良好的熱安定性[8]。在我國，對DNAN基熔鑄混合炸藥的烤燃特征研究較少。為了深入認(rèn)識DNAN基混合炸藥中的熱反應(yīng)情況，獲得藥量和升溫速率對熱反應(yīng)規(guī)律的影響，本文中以DNAN基RDX熔鑄混合炸藥為研究對象，以1 ℃/min和0.055 ℃/min (3.3 ℃/h)升溫速率進(jìn)行不同狀態(tài)藥量下的烤燃實(shí)驗(yàn)，觀測響應(yīng)結(jié)果，并對烤燃過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 裝置

烤燃實(shí)驗(yàn)裝置主要由烤燃爐、計(jì)算機(jī)、Fluke溫控儀(調(diào)節(jié)精度0.1 ℃)、KX溫度補(bǔ)償線以及K型熱電偶組成。溫控儀通過監(jiān)測殼體外壁的溫度以反饋調(diào)節(jié)輸出電壓，控制殼體外壁以一定的升溫速率升溫。利用自行設(shè)計(jì)的SFO計(jì)算機(jī)軟件實(shí)時(shí)采集烤燃實(shí)驗(yàn)過程中溫度曲線。

1.2 試樣

烤燃彈由殼體、上下端蓋、藥柱3部分組成，殼體與端蓋之間采用螺紋連接，殼體材料為45鋼，殼體厚度為3 mm，端蓋厚度分別為1和3 mm。炸藥配方質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：w(RDX)=41%,w(DNAN)=31.6%,w(Al)=25%,w(添加劑)=2.4%，藥柱裝填密度為1.80 g/cm3?？救紡棾叽缫?guī)格見表1。

表1 不同裝藥量下的烤燃實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of roasting experiment with different explosive masses

1.3 方法

圖1 烤燃彈結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of cook-off bomb

預(yù)加熱烤燃彈至30 ℃，保溫1 h以確保每發(fā)烤燃彈的初始狀態(tài)相同。0.055 ℃/min升溫速率烤燃實(shí)驗(yàn)分兩個(gè)階段進(jìn)行，第1階段將烤燃彈以0.2 ℃/min升溫速率加熱至120 ℃，第2階段從120 ℃開始以0.055 ℃/min升溫速率對烤燃彈加熱，直至發(fā)生響應(yīng)。

為了解炸藥內(nèi)部溫度分布情況，每發(fā)烤燃彈使用3支K裝微型熱電偶監(jiān)測溫度變化。其中監(jiān)測點(diǎn)1為烤燃彈殼體圓柱部中點(diǎn)(T1)；監(jiān)測點(diǎn)2為藥柱幾何中心(T2)；監(jiān)測點(diǎn)3為與監(jiān)測點(diǎn)2徑向距離6 mm處(T3)，烤燃彈放置時(shí)均保證3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處于同一水平面。當(dāng)藥柱監(jiān)測點(diǎn)溫度驟然上升時(shí)，認(rèn)為藥柱發(fā)生點(diǎn)火反應(yīng)。回收破片并通過殼體變形及破碎程度判斷響應(yīng)劇烈程度。烤燃彈示意圖如圖1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)果

表1為不同狀態(tài)裝藥量下的烤燃實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表1可見，實(shí)驗(yàn)狀態(tài)相同的情況下，隨著裝藥量的增加，實(shí)驗(yàn)1與5、4與8、7與8響應(yīng)時(shí)刻3個(gè)測點(diǎn)溫度均呈下降趨勢，且T2>T3>T1，即響應(yīng)時(shí)刻烤燃彈由內(nèi)到外溫度下降，點(diǎn)火發(fā)生在藥柱中心區(qū)域。

圖2展示了烤燃彈在不同狀態(tài)下的反應(yīng)結(jié)果。在1 ℃/min升溫速率下，實(shí)驗(yàn)1與2僅存在放置方式的區(qū)別，實(shí)驗(yàn)1中烤燃彈水平放置，兩端1 mm端蓋均被沖開，實(shí)驗(yàn)2中烤燃彈豎直放置，一端端蓋被沖開，另一端有輕微鼓包。這是由于DNAN基RDX熔鑄混合炸藥達(dá)到相變溫度以后，DNAN炸藥完全融化并且黏度較小，RDX顆粒度大小對在DNAN溶液中的溶解度幾乎沒有影響且溶解度最大僅為10.28 g[9],所以少量RDX顆粒會溶解在DNAN炸藥中，RDX顆粒密度高于DNAN密度，大部分未溶解的RDX顆粒會由于重力作用產(chǎn)生下沉?？救紡椝綑M放時(shí)，RDX顆粒會沉積在圓柱部，當(dāng)炸藥產(chǎn)生自熱反應(yīng)以后，兩端蓋所承受的壓力大致相等，端蓋厚度僅為1 mm，所能承受的強(qiáng)度極限較低，當(dāng)炸藥并未反應(yīng)完全時(shí)，兩端蓋即被剪切；烤燃彈豎直放置時(shí)，大量RDX顆粒會沉積在底部端蓋上，RDX反應(yīng)猛度高于DNAN，所以底部端蓋被剪切，頂部端蓋輕微鼓包。

由圖2可知，實(shí)驗(yàn)3中烤燃彈僅有一端端蓋被沖開，實(shí)驗(yàn)4中烤燃彈兩端端蓋均被沖開，螺紋連接失效。實(shí)驗(yàn)3和4中烤燃彈裝藥量相同，實(shí)驗(yàn)4相較于實(shí)驗(yàn)3響應(yīng)劇烈程度有所增加，說明升溫速率是影響響應(yīng)劇烈程度的重要因素。由表1可知，響應(yīng)時(shí)刻實(shí)驗(yàn)3的3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的溫度均高于實(shí)驗(yàn)4的3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的溫度，結(jié)合實(shí)驗(yàn)3和4的響應(yīng)劇烈程度，表明在0.055 ℃/min升溫速率下檢驗(yàn)彈藥的熱易損性更為有意義。

實(shí)驗(yàn)5中烤燃彈兩端端蓋被剪切，為燃燒反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)6中收集到兩個(gè)大破片和幾個(gè)殘存小破片，與殼體原有質(zhì)量相差較多，表明殼體大部分被炸碎，為爆炸反應(yīng)。由于端蓋厚度僅為1 mm，端蓋所能承受的應(yīng)力較小，兩者響應(yīng)劇烈程度的差異進(jìn)一步說明了升溫速率對響應(yīng)劇烈程度的影響。由表1可知，0.055 ℃/min升溫速率相較于1 ℃/min升溫速率，相同烤燃彈響應(yīng)劇烈程度會有所增加，并且響應(yīng)時(shí)刻外壁溫度較低，這與實(shí)驗(yàn)3和4所得監(jiān)測點(diǎn)溫度變化趨勢相同。

實(shí)驗(yàn)7中烤燃彈裝藥質(zhì)量為38.1 g(略低于實(shí)驗(yàn)5和6中烤燃彈的質(zhì)量)，烤燃彈兩個(gè)端蓋被剪切，收集到數(shù)個(gè)小破片，表明烤燃彈發(fā)生爆轟反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)6和7中，由于端蓋厚度的差異，并不能直接得出裝藥量一定時(shí)，烤燃彈的尺寸設(shè)計(jì)對響應(yīng)劇烈程度存在影響。但是與實(shí)驗(yàn)5相比較，可以反映裝藥量相同時(shí)，升溫速率是影響響應(yīng)劇烈程度的重要因素。

實(shí)驗(yàn)8中烤燃彈裝藥質(zhì)量為150.0 g，殼體破碎為數(shù)個(gè)均勻破片，為爆轟反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)4、6、8和4、7、8升溫速率均為0.055 ℃/min，響應(yīng)結(jié)果表明隨著裝藥量的升高，烤燃彈的響應(yīng)劇烈程度逐漸增加，并且響應(yīng)時(shí)刻外壁溫度呈下降趨勢，表明裝藥量對炸藥慢速烤燃的響應(yīng)等級存在重要影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定的約束條件下，裝藥量和升溫速率是影響烤燃響應(yīng)劇烈程度的重要因素。但在本研究條件下，對應(yīng)兩種升溫速率發(fā)生劇烈反應(yīng)的臨界藥量還有待做深入的研究。

圖2 烤燃彈的反應(yīng)結(jié)果Fig.2 Reaction results of roasting bombs

2.2 實(shí)驗(yàn)過程熱特征

圖3為實(shí)驗(yàn)3中烤燃彈相變過程及自熱反應(yīng)過程實(shí)驗(yàn)曲線。純凈的DNAN在94 ℃左右達(dá)到熔點(diǎn)[10]。

由圖3(a)可知：監(jiān)測點(diǎn)T2和T3在77 ℃左右升溫速率即變緩慢，這是由于DNAN基RDX熔鑄混合炸藥融化吸熱引起的；兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)溫度升高到80 ℃左右時(shí)，升溫速率迅速升高，表明藥柱中心溫度升高到80 ℃時(shí)，炸藥內(nèi)部相變階段完成，藥柱中心最后融化，與周圍已經(jīng)融化的炸藥存在較大的溫度差，會發(fā)生短暫的強(qiáng)制對流換熱，直至達(dá)到一個(gè)由導(dǎo)熱系數(shù)決定的穩(wěn)定的溫度梯度。

由圖3(b)可知，監(jiān)測點(diǎn)T2和T3達(dá)到174 ℃時(shí)，升溫速率會發(fā)生明顯改變，表明DNAN基RDX混合炸藥在174 ℃時(shí)即發(fā)生自熱反應(yīng)，在響應(yīng)發(fā)生前120 s內(nèi)，兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)溫度變化產(chǎn)生趨勢完全相同。在固體炸藥溫度烤燃實(shí)驗(yàn)中，監(jiān)測點(diǎn)溫度會一直保持平滑直至熱爆炸，因此推測在熱爆炸反應(yīng)前的最后階段，炸藥分解產(chǎn)生的氣體會在液態(tài)炸藥中產(chǎn)生氣泡，此時(shí)炸藥內(nèi)部溫度分布不均勻，對流傳熱起主導(dǎo)作用，且T2和T3兩個(gè)測點(diǎn)相距較近，所以有相同波動(dòng)的情況。

圖3 相變過程和自熱反應(yīng)過程的實(shí)驗(yàn)曲線Fig.3 Experimental curves of phase transition and aotothermal reaction processes

3 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)研究了不同狀態(tài)裝藥量對DNAN基RDX熔鑄炸藥的烤燃響應(yīng)特性，得到如下結(jié)論。

(1) 1 ℃/min升溫速率下，3種藥量的烤燃彈均發(fā)生燃燒反應(yīng)，同種藥量在烤燃彈升溫速率為0.055 ℃/min(3.3 ℃/h)時(shí)，響應(yīng)劇烈程度更高；同種藥量烤燃彈放置姿態(tài)不同，響應(yīng)劇烈程度不同；相同升溫速率下烤燃彈藥量增加時(shí)響應(yīng)劇烈程度提高；表明裝藥量、升溫速率、烤燃彈放置姿態(tài)是影響響應(yīng)劇烈程度的重要因素，0.055 ℃/min升溫速率下檢驗(yàn)彈藥的熱易損性能通過標(biāo)準(zhǔn)更為苛刻。

(2) DNAN基RDX混合炸藥產(chǎn)生自熱反應(yīng)的溫度與RDX分解的溫度很接近，表明此種混合炸藥的響應(yīng)溫度主要受配方中的RDX影響。在0.055 ℃/min升溫速率下，當(dāng)裝藥量增加到一定值時(shí)，炸藥達(dá)到自熱反應(yīng)溫度即有可能發(fā)生點(diǎn)火反應(yīng)。