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?qū)BO-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(xiàn)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(nèi)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?qū)BO-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(tǒng)、烤燃彈系統(tǒng)、鑒證板和監(jiān)控儀等組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。其中溫控系統(tǒng)主要由控溫傳感器A級Pt100鉑電阻、NG3C調(diào)功器、導電FP33溫控儀和計算機等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)控溫和數(shù)據(jù)采集一體化。

烤燃彈子系統(tǒng)主要由烤燃彈、均質(zhì)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(nèi)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(zhì)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(zhì)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(tǒng)；7-烤燃彈子系統(tǒng)

1-被測樣品；2-烤燃彈殼體；3-均質(zhì)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(jù)

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(jīng)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(jù)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(xiàn)場布置如圖3所示。從室溫開始，以設定的升溫程序?qū)救紡椷M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(xiàn)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(jù)試驗后殘藥數(shù)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(xiàn)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(shù)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(jù)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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)，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(nèi)，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(chǎn)熱作用，熱量更易積累，熱點更易在中心區(qū)域產(chǎn)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(nèi)部熱量積聚增多，熱點也逐漸向藥柱內(nèi)部移動。在進行第三階段3.3 ℃/h升溫速率時，內(nèi)部熱量積聚變多狀態(tài)一直持續(xù)，藥柱內(nèi)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?qū)BO-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(nèi)，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(shù)據(jù)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(shù)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(xiàn)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。