低成本高效慢速烤燃試驗方法研究

李娜，呂春玲，王杰，馬超

低成本高效慢速烤燃試驗方法研究

李娜，呂春玲，王杰，馬超

（中北大學，太原 030051）

研究低成本高效慢速烤燃試驗方法。利用自主研發(fā)的一套慢速烤燃試驗裝置，以1 ℃/min和3.3 ℃/h升溫程序作為對比試驗，設置幾種三階段升溫程序，對JBO-9013和JH-14炸藥進行慢速烤燃試驗，以此獲得不同升溫程序下試樣的響應溫度和響應等級。1 ℃/min、3.3 ℃/h、三階段（100/150/193 ℃）升溫程序下，JBO-9013響應溫度分別為243.1、199.5、199.8、201.4、193.0 ℃，響應等級均為燃燒反應；JH-14響應溫度分別為211.0、186.0、191.7 ℃，響應等級均為爆轟反應。升溫程序對JBO-9013和JH-14響應溫度和響應劇烈程度均有影響。與GJB 8018—2013中1 ℃/min升溫程序相比，三階段升溫程序與MIL-STD-2105D和STANAG 4439中3.3 ℃/h烤燃試驗結果吻合度較高。因此，三階段升溫程序具有縮短試驗周期、提高試驗效率和降低試驗成本的作用。

慢速烤燃；三階段升溫程序；熱刺激；響應溫度

不敏感彈藥是現今武器裝備技術的發(fā)展方向[1]。美國和北約等形成了針對不敏感彈藥，以MIL-STD- 2105D[2]和NATO STANAG 4439[3]為總綱，AOP-39[4]為執(zhí)行文件，STANAG單項試驗程序為具體操作說明的安全性試驗方法和評估體系[5]。其中，慢速烤燃試驗是彈藥通過低易損試驗的必測項目之一，其實際上是模擬戰(zhàn)場中的一種熱刺激條件，如室外高溫、庫房的緩慢升溫以及戰(zhàn)場上的暗火加熱等[6]。

升溫速率對慢速烤燃特性影響很大[7-11]，選擇不同的升溫程序，對烤燃試驗結果影響較大。在進行慢速烤燃試驗時，一般參照國外標準MIL-STD-2105D[2]和STANAG 4439[3]，或者GJB 8018—2013《地地常規(guī)導彈整體爆破彈頭試驗規(guī)程》，升溫速率國外通常采用3.3 ℃/h，國內通常采用1 ℃/min。研究證明，3.3 ℃/h升溫速率是合理的[12]，但存在試驗周期長、試驗效率低的問題。

為縮短試驗周期，提高試驗效率和節(jié)省成本，增加與國際慢速烤燃試驗結果的可比性，提出三階段升溫程序對JBO-9013和JH-14進行慢速烤燃試驗，以期獲得更接近3.3 ℃/h升溫程序的烤燃試驗結果，并且為炸藥熱安全性評價提出技術基礎。

1 慢速烤燃試驗

1.1 試樣

將JBO-9013和JH-14壓制成為直徑為40 mm、高為30 mm，密度為90%TMD的藥柱。JBO-9013試樣藥量約64 g，JH-14試樣藥量約62 g。

1.2 試驗裝置

自主研發(fā)了一套慢速烤燃試驗裝置，主要由溫控系統、烤燃彈系統、鑒證板和監(jiān)控儀等組成，系統組成如圖1所示。其中溫控系統主要由控溫傳感器A級Pt100鉑電阻、NG3C調功器、導電FP33溫控儀和計算機等組成，能夠實現控溫和數據采集一體化。

烤燃彈子系統主要由烤燃彈、均質加熱層、電加熱層和隔熱保溫層等部件組成，其結構組成如圖2所示?？救紡棽捎?5#鋼，內徑為40 mm，高為60 mm，壁厚為3 mm，兩端用帶螺紋端蓋密封，上端蓋和下端蓋均為3 mm厚。均質加熱層采用石棉布，電加熱層采用柔性電加熱帶，隔熱保溫層采用材質為硅酸鋁纖維的保溫棉。鑒證板采用Q235A級鋼板，長為0.6 m，寬為0.6 m，厚為5 mm。

1-監(jiān)控儀；2-控溫傳感器；3-鑒證板；4-加熱導線；5-控溫補償導線；6-溫控子系統；7-烤燃彈子系統

1-被測樣品；2-烤燃彈殼體；3-均質加熱層；4-電加熱層；5-隔熱保溫層；6-控溫傳感器；7-加熱導線

1.3 試驗方法及試驗程序

1.3.1 試驗方法

參照MIL-STD-2105D[2]、STANAG 4439[3]和GJB 8018-2013《地地常規(guī)導彈整體爆破彈頭試驗規(guī)程》制定試驗程序。

1.3.2 升溫程序

采用一階段升溫程序和三階段升溫程序兩種對比烤燃試驗方案，JBO-9013和JH-14具體升溫程序細則見表1。

表1 JBO-9013和JH-14烤燃試驗升溫程序

1.3.3 試驗判據

MIL-STD-2105D[2]和STANAG4382[13]中規(guī)定響應等級中有部分爆轟和完全爆轟，但從大量先期試驗經驗可知，嚴格區(qū)分判定這兩種響應等級很困難，故確定爆轟、爆炸、爆燃、燃燒和無反應等5個響應等級。由于慢烤的試樣量較少，測試其沖擊波超壓比較困難，且測試超壓影響因素多，重復性較差，因此本次試驗未進行超壓測試。最終，確定慢速烤燃試驗響應等級及分類標準見表2。

1.3.4 試驗過程

根據圖2對烤燃彈進行裝配好后，依照圖1對慢烤試驗進行布置，現場布置如圖3所示。從室溫開始，以設定的升溫程序對烤燃彈進行加熱，直至試樣發(fā)生響應。

表2 慢速烤燃試驗響應等級及分類標準

圖3 現場布置

2 結果及分析

試樣發(fā)生劇烈反應時的拐點溫度即為慢速烤燃試驗的響應溫度。試樣的響應等級要依據試驗后殘藥數量、殼體破碎狀態(tài)、鑒證板狀態(tài)和錄像等進行綜合判定。在不同升溫程序下，JBO-9013、JH-14試驗后的現場、烤燃彈和鑒證板照片如圖4—11所示。試驗結果的綜合分析見表3。

圖4 JBO-9013-①試驗后照片

圖5 JBO-9013-②試驗后照片

圖6 JBO-9013-③試驗后照片

圖7 JBO-9013-④試驗后照片

圖8 JBO-9013-⑤試驗后照片

圖9 JH-14-①試驗后照片

圖10 JH-14-②試驗后照片

圖11 JH-14-③試驗后照片

表3 JBO-9013和JH-14慢速烤燃試驗結果綜合分析

注：JBO-9013-⑤*在193.0 ℃恒溫1.55 h后發(fā)生響應

以試驗升溫程序代碼為軸，響應溫度為軸，繪制升溫程序與響應溫度關系曲線，如圖12所示。

從圖4—12和表3可知，在三種升溫程序下，JBO-9013響應等級均是燃燒，JH-14均是爆轟，響應等級相同，但響應溫度和響應劇烈程度存在差異。由于JBO-9013在三階段升溫程序（193 ℃）保溫階段發(fā)生響應，導致響應溫度變低[9]。對于響應溫度，1 ℃/min與3.3 ℃/h升溫程序的響應溫度差值最大，JBO-9013相差43.6 ℃，JH-14相差26 ℃，三階段升溫程序與3.3 ℃/h差值較小，JBO-9013（100/150 ℃）差值分別為0.3、0.9 ℃，JH-14（100 ℃）差值為5.7 ℃。對于響應劇烈程度，從保溫棉破裂情況、殘藥數量和狀態(tài)及烤燃彈殼體變形程度上可知，3.3 ℃/h升溫程序響應劇烈程度最高，1 ℃/min升溫程序響應劇烈程度最低，三階段升溫程序介于兩者之間，且趨近于3.3 ℃/h升溫程序。其中，JBO-9013三階段升溫程序（150 ℃）與3.3 ℃/h的響應劇烈程度非常接近。

圖12 升溫程序與響應溫度關系

依據熱爆炸理論[14]，對1 ℃/min、3.3 ℃/h、三階段升溫程序的烤燃熱反應機理進行分析。

JBO-9013和JH-14慢速烤燃試驗中，熱量不斷由外界向藥柱內傳遞，由于熱傳遞方式存在差異，藥柱邊緣區(qū)域與藥柱中心區(qū)域熱量積聚狀態(tài)不同。對于藥柱邊緣區(qū)域，熱量積聚主要是因為外界熱傳導和自身熱分解產熱的熱量大于向外界熱輻射和向藥柱中心區(qū)域熱傳導的熱量；藥柱中心區(qū)域，熱量積聚主要是因為藥柱邊緣區(qū)域的熱傳導和自身熱分解產熱，對比藥柱邊緣區(qū)域，中心區(qū)域更易積累熱量。

由于炸藥是熱的不良導體，藥柱邊緣區(qū)域向中心區(qū)域傳熱較慢，因此向藥柱中心區(qū)域傳熱較少。當升溫速率較快時，單位時間內，外界對藥柱邊緣區(qū)域傳熱更多，熱量不斷積累，導致溫度升高，加速反應速率，繼而積累更多熱量，藥柱邊緣區(qū)域更易形成熱點。當升溫速率較慢時，單位時間內，外界對藥柱邊緣區(qū)域傳熱變少，由于存在向外界散熱以及向藥柱中心區(qū)域的傳熱，熱量積累少。藥柱中心區(qū)域，受到藥柱邊緣區(qū)域的傳熱以及自身熱分解產熱作用，熱量更易積累，熱點更易在中心區(qū)域產生。熱點靠近中心區(qū)域時，由于能量瞬間釋放，反應更為劇烈[12]。因此，1 ℃/min升溫程序響應溫度最高，響應劇烈程度最低；3.3 ℃/h響應溫度最低，響應劇烈程度最高。

三階段升溫程序保溫階段，藥柱邊緣區(qū)域受到外界傳遞能量大幅度降低，熱量積聚降低，熱反應速率降低。相反，藥柱內部熱量積聚增多，熱點也逐漸向藥柱內部移動。在進行第三階段3.3 ℃/h升溫速率時，內部熱量積聚變多狀態(tài)一直持續(xù)，藥柱內溫度分布狀態(tài)與3.3 ℃/h情況接近，更易在中心區(qū)域形成熱點。因此，三階段升溫程序在響應溫度和響應劇烈程度上趨近與3.3 ℃/h。

3 結論

1）1 ℃/min、3.3 ℃/h和三階段升溫程序對JBO-9013和JH-14的響應溫度和響應劇烈程度均有影響，三階段升溫程序熱刺激強度介于兩者之間。在一定熱刺激強度范圍內，熱刺激強度與響應溫度和響應劇烈程度之間存在一個關系趨勢，熱刺激強度與響應溫度呈正比關系，與響應劇烈程度呈反比關系。

2）與1 ℃/min升溫程序相比，無論在響應溫度和響應劇烈程度上，三階段升溫程序都趨近3.3 ℃/h升溫程序，結果吻合度較高，對進行慢速烤燃試驗具有縮短試驗周期，提高試驗效率和降低試驗成本的作用，并且增加試驗數據與國際慢烤試驗的可比性。值得注意的是，保溫階段溫度參數值選擇對響應溫度及響應程度的影響較大，在選擇時不宜過大，導致響應溫度偏低，選擇合適的溫度值可以達到既滿足縮短試驗周期，又實現與國際接軌的目的。

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Low Cost and High Efficiency Slow Cook-off Test Method

LI Na, LYU Chun-ling, WANG Jie, MA Chao

(North University of China, Taiyuan 030051, China)

To study the low cost and high efficiency slow cook-off test method.The 1 ℃/min and 3.3 ℃/h heating program was taken as comparative tests to set several three-stage heating programs and carry out slow cook-off test on JBO-9013 and JH-14 explosives with a self-developed slow cook-off test device to obtain the response temperature and response grade of the samples under different heating programs.The response temperature of JBO-9013 was 243.1, 199.5, 199.8, 201.4, 193 ℃ respectively, and the response grades were all combustion reaction at the 1 ℃/min, 3.3 ℃/h, three-stage (100/150/193 ℃) heating programs. The response temperature of JH-14 was 211.0, 186.0, 191.7 ℃ respectively, and the response grades were all detonation reaction at the 1 ℃/min, 3.3 ℃/h, three-stage (100 ℃) heating programs.The temperature program has an effect on the response temperature and violent degree of JBO-9013 and JH-14. The results of three-grades heating program is obviously closer to the 3.3 ℃/h heating program of MIL-STD-2105D and STANAG 4439 in terms of slow cook-off test results compared to the 1 ℃/min heating program of GJB8018-2013.Therefore the three-stage heating program test method can shorten the test time, improve the test efficiency and reduce the test cost.

slow cook-off; three-stage heating program;thermally stimulated; response temperature

10.7643/ issn.1672-9242.2019.09.003

TJ450

A

1672-9242(2019)09-0018-06

2019-03-04；

2019-04-08

李娜（1991—），女，碩士研究生，主要研究方向為含能材料測試。

呂春玲（1970—），女，副教授，主要研究方向為含能材料測試和火炸藥安全評價技術。