某引信及其等效構(gòu)件的慢速烤燃研究

薛超陽， 智小琦， 王帥， 周捷

(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)

0 引言

引信是彈藥系統(tǒng)中的重要組成部分，發(fā)展鈍感引信技術(shù)對(duì)提高武器系統(tǒng)的安全性有重要意義[1]。在某些高價(jià)值武器的研制過程中已經(jīng)出現(xiàn)鈍感引信的試驗(yàn)要求，而國內(nèi)對(duì)鈍感引信的研究仍處于起步階段，僅參照國外相關(guān)要求對(duì)鈍感引信的基本原理進(jìn)行了探索，對(duì)引信直列式裝藥的選用標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)指標(biāo)、鈍感引信結(jié)構(gòu)材料選擇、鈍感引信試驗(yàn)評(píng)估體系等方面缺乏系統(tǒng)的研究[2-3]。傳爆藥在爆炸序列中起著至關(guān)重要的作用，其熱安全性是保證引信系統(tǒng)安全的關(guān)鍵[4]。唐鑫等[5]對(duì)聚奧-9C裝藥引信傳爆序列進(jìn)行了快速烤燃試驗(yàn)，結(jié)果表明：引信傳爆管點(diǎn)火時(shí)傳爆藥柱先發(fā)生熱反應(yīng)，引起導(dǎo)爆藥柱發(fā)生爆燃。袁俊明等[6]進(jìn)行了聚黑-14C的小尺寸傳爆管慢速烤燃試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)4種不同升溫速率下引信傳爆管的烤燃過程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明：烤燃裝置點(diǎn)火時(shí)傳爆藥柱先起爆，沖擊波經(jīng)管殼衰減后使導(dǎo)爆藥柱發(fā)生爆炸。以上研究成果主要以傳爆管為研究對(duì)象，側(cè)重于升溫速率對(duì)傳爆管點(diǎn)火位置的影響，對(duì)傳爆序列點(diǎn)火順序的機(jī)理分析較少，沒有對(duì)全引信的烤燃實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。

由于對(duì)全引信進(jìn)行烤燃試驗(yàn)的成本較高，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單有效的等效構(gòu)件對(duì)全引信的烤燃特性研究尤為重要。本文以裝填1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)導(dǎo)爆藥和傳爆藥的某引信為研究對(duì)象，進(jìn)行全引信烤燃試驗(yàn)。設(shè)計(jì)兩種等效構(gòu)件，通過對(duì)比全引信與等效構(gòu)件的烤燃試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了等效方法的正確性。

1 全引信烤燃試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

圖1所示為自行設(shè)計(jì)的烤燃試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。由圖1可見，試驗(yàn)裝置主要由計(jì)算機(jī)、日本島電公司產(chǎn)MR13溫控儀(調(diào)節(jié)精度為0.1 ℃)、導(dǎo)線、烤燃爐、穩(wěn)固架和熱電偶組成。其中，MR13溫控儀、烤燃爐和熱電偶組成溫控反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，控制引信外壁的升溫速率。利用自行設(shè)計(jì)的烤燃溫度- 時(shí)間采集(SFO)軟件實(shí)時(shí)采集烤燃過程中的溫度- 時(shí)間曲線。

1.2 試驗(yàn)方法

全引信殼體材料為45號(hào)鋼，導(dǎo)爆藥和傳爆藥為FOX-7，裝藥密度為1.600 g/cm3. 引信初始溫度為(25±1)℃. 為節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間，首先以0.2 ℃/min的升溫速率對(duì)引信加熱，當(dāng)溫度達(dá)到120 ℃后，以3.3 ℃/h的升溫速率加熱，直至發(fā)生響應(yīng)。試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)采集引信底部中心(測(cè)點(diǎn)1)和側(cè)壁距底部5 mm處(測(cè)點(diǎn)2)的溫度- 時(shí)間曲線，記錄響應(yīng)溫度、響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)劇烈程度。根據(jù)響應(yīng)后的彈體狀態(tài)評(píng)估響應(yīng)等級(jí)。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠，做3發(fā)平行試驗(yàn)。圖2所示為測(cè)點(diǎn)位置圖。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

引信烤燃試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知，3發(fā)平行試驗(yàn)響應(yīng)溫度較為集中，傳爆管底殼的破碎程度基本一致，響應(yīng)等級(jí)均為爆燃，無法根據(jù)彈體狀態(tài)判斷導(dǎo)爆藥與傳爆藥的點(diǎn)火順序。圖3所示為全引信響應(yīng)結(jié)果，圖4所示為編號(hào)為A1的引信響應(yīng)溫度- 時(shí)間曲線。

表1 全引信烤燃試驗(yàn)結(jié)果

注：響應(yīng)等級(jí)根據(jù)文獻(xiàn)[7]的判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定。

2 等效構(gòu)件設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

2.1 等效構(gòu)件設(shè)計(jì)方案

1) 方案1。全引信頭部錐體內(nèi)電路對(duì)傳爆序列的烤燃響應(yīng)特性影響較小，雷管座和安全系統(tǒng)為金屬件。因此，將引信頭部錐體內(nèi)的電路簡(jiǎn)化為等效件；將雷管座和安全系統(tǒng)簡(jiǎn)化為金屬塊，導(dǎo)爆藥、隔爆板和傳爆管均與全引信一致，引信殼體不變。

2) 方案2。在方案1的基礎(chǔ)上，去掉引信頭部錐體和雷管座部分，雷管座部分用鋼上蓋代替。圖5所示為等效構(gòu)件結(jié)構(gòu)圖。

2.2 等效構(gòu)件烤燃試驗(yàn)

試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法與全引信相同。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，等效構(gòu)件方案2沒有引信頭部錐體，強(qiáng)度降低，響應(yīng)后上蓋有輕度鼓包。兩種等效構(gòu)件與全引信響應(yīng)時(shí)各測(cè)點(diǎn)溫度和響應(yīng)時(shí)間均相差較小，傳爆管底殼的破碎程度與全引信相同，

注：響應(yīng)等級(jí)根據(jù)文獻(xiàn)[7]的判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定。

響應(yīng)等級(jí)均為爆燃。圖6所示為等效構(gòu)件響應(yīng)后彈體狀態(tài)。

由圖6可見，響應(yīng)溫度的小范圍波動(dòng)在彈藥實(shí)際烤燃情況下影響很小，而響應(yīng)等級(jí)體現(xiàn)了傳爆管烤燃響應(yīng)的破壞力，直接作用于主裝藥。兩等效構(gòu)件與全引信響應(yīng)等級(jí)相同，且傳爆管底殼的破碎程度也基本相同，因此兩種等效構(gòu)件均可代替全引信做烤燃研究。

等效構(gòu)件方案1較全引信改動(dòng)較小，因此具有普適性。即將引信中的金屬件簡(jiǎn)化為金屬塊，引信的烤燃響應(yīng)特性不變。由等效構(gòu)件方案2可知：如果引信中存在一部分非金屬區(qū)域，且此區(qū)域與傳爆序列中間有一定的金屬區(qū)域，則去掉非金屬部分可能不會(huì)影響傳爆序列的烤燃響應(yīng)特性；傳爆序列上方金屬塊厚度與結(jié)構(gòu)的小幅改動(dòng)，不會(huì)影響傳爆序列的烤燃響應(yīng)特性。

3 等效構(gòu)件1數(shù)值模擬

3.1 模型建立

為研究導(dǎo)爆藥與傳爆藥的點(diǎn)火順序，通過Fluent軟件對(duì)等效構(gòu)件方案1進(jìn)行烤燃數(shù)值模擬[8]。對(duì)烤燃計(jì)算模型做以下假設(shè)：1)藥柱反應(yīng)區(qū)域熱傳遞僅由熱傳導(dǎo)引起；2)烤燃過程中藥柱的物理化學(xué)參數(shù)保持不變；3)藥柱的自熱反應(yīng)遵循Arrhenius方程[9]。

計(jì)算模型遵循Frank-Kamenetskii方程[10]為

式中：ρ為反應(yīng)物密度(kg/m3)；cv為比熱容(J/(kg·K))；T為藥柱溫度(K)；t為反應(yīng)時(shí)間；λ為藥柱導(dǎo)熱系數(shù)(J/(m·K·s))；r、φ、z為藥柱內(nèi)任一點(diǎn)的柱坐標(biāo)；Q為反應(yīng)物的反應(yīng)熱(J/kg)；A為指前因子(s-1)；E為活化能(J/mol)；R為普適氣體常數(shù)(J/(mol·K))；f(a)為反應(yīng)機(jī)理函數(shù)，所用計(jì)算模型為0級(jí)反應(yīng)模型，因此f(a)=1.

由于等效構(gòu)件為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，建立1/4物理模型，采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，網(wǎng)格尺寸為0.4 mm. 模型中不同材料間的接觸面為耦合邊界。通過C語言編寫用戶定義函數(shù)(UDF)子程序，將模型外壁溫度邊界條件和藥柱自熱源項(xiàng)以子函數(shù)形式導(dǎo)入Fluent軟件中，從而控制外壁的升溫速率和藥柱的自熱反應(yīng)。

3.2 材料參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

表3所示為修正后的FOX-7化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果修正活化能，將差示掃描量熱法(DSC)數(shù)據(jù)計(jì)算所得值249.89 kJ/mol[11]修正為275.97 kJ/mol. 表4所示為材料物性參數(shù)。其中FOX-7的比熱容及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)源于文獻(xiàn)[12-13]。

表3 FOX-7化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)

表4 材料物性參數(shù)

根據(jù)修正后的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表5所示。由表5可知，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的響應(yīng)溫度計(jì)算誤差最大為1.04%，響應(yīng)時(shí)間計(jì)算誤差為2.23%，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度高。因此，該參數(shù)可以用于FOX-7裝藥的引信烤燃數(shù)值模擬計(jì)算。

表5 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

注：試驗(yàn)值取3發(fā)平行試驗(yàn)的平均值。

圖7所示為等效構(gòu)件方案1不同時(shí)刻的溫度云圖。由圖7可知，烤燃過程中引信頭部錐體內(nèi)的溫度始終低于外壁溫度。由隔爆板、保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、雷管座構(gòu)成的金屬區(qū)域溫度始終與外壁保持一致。即此金屬區(qū)域?qū)λ幹膫鳠崤c外壁等效，再次證明了等效構(gòu)件方案2的設(shè)計(jì)是合理的。由圖7(d)可知，響應(yīng)時(shí)傳爆藥先發(fā)生點(diǎn)火，點(diǎn)火點(diǎn)在傳爆藥中心。

在引信烤燃過程中，隨著環(huán)境溫度的升高，當(dāng)藥柱熱分解產(chǎn)生熱量的速度大于外部溫度時(shí)，熱量由藥柱向外部傳遞。藥柱的熱分解發(fā)生在整個(gè)藥柱內(nèi)，而藥柱的導(dǎo)熱系數(shù)很小。由傳熱學(xué)可知，當(dāng)藥柱外壁溫度相同時(shí)，藥柱尺寸越大，其中心部分熱分解產(chǎn)生的熱量越難以及時(shí)傳遞到藥柱以外，更容易產(chǎn)生熱積累，進(jìn)一步加速熱分解，最終導(dǎo)致藥柱發(fā)生點(diǎn)火。殼體的導(dǎo)熱系數(shù)很高，其外壁溫度和內(nèi)壁溫度基本相同，即導(dǎo)爆藥和傳爆藥邊界處溫度相同，均等于殼體外壁的溫度。而傳爆藥尺寸比導(dǎo)爆藥大很多，因此傳爆藥先發(fā)生點(diǎn)火，進(jìn)而引起導(dǎo)爆藥發(fā)生爆燃反應(yīng)。

炸藥爆發(fā)點(diǎn)也受介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響[14]。介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)高，則爆發(fā)點(diǎn)高。本文研究的引信中，傳爆藥介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)低于導(dǎo)爆藥介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，因此傳爆藥爆發(fā)點(diǎn)低于導(dǎo)爆藥。一般引信中，傳爆藥與導(dǎo)爆藥介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)不會(huì)相差很大，因此介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)藥柱點(diǎn)火順序的影響遠(yuǎn)小于藥柱尺寸對(duì)點(diǎn)火順序的影響。

4 結(jié)論

1) FOX-7裝藥的引信以3.3 ℃/h的升溫速率烤燃，外壁底部溫度為177.1 ℃時(shí)傳爆藥先發(fā)生點(diǎn)火，點(diǎn)火點(diǎn)在傳爆藥中心，響應(yīng)等級(jí)為爆燃。

2) 將引信中的金屬件簡(jiǎn)化為金屬塊，引信的烤燃響應(yīng)特性不變。

3) 裝藥尺寸對(duì)傳爆序列點(diǎn)火順序有很重要的影響。對(duì)于同一種炸藥，裝藥尺寸大的藥柱在慢速烤燃過程中更早發(fā)生點(diǎn)火。引信的傳爆藥尺寸比導(dǎo)爆藥尺寸大很多，當(dāng)導(dǎo)爆藥與傳爆藥為同一炸藥時(shí)，引信慢速烤燃過程中一般為傳爆藥先點(diǎn)火。

4) 去除導(dǎo)爆藥可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化等效方案，但進(jìn)一步簡(jiǎn)化后的等效方案是否可行，仍有待研究。