HNS多點陣列裝藥慢速烤燃試驗研究

秦國圣，都振華，王可暄，王寅，周密

HNS多點陣列裝藥慢速烤燃試驗研究

秦國圣，都振華，王可暄，王寅，周密

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，西安 710061）

研究多點陣列沖擊片雷管裝藥的熱安全性。針對3 mm×3 mm、4 mm×4 mm、5 mm×5 mm、4 mm×8 mm共四種不同尺寸的HNS多點陣列裝藥開展慢速烤燃試驗研究，得到HNS多點陣列裝藥在3.3 ℃/h、5、10 ℃/min三種不同升溫速率下的響應(yīng)特性。同規(guī)格裝藥情況下，隨著升溫速率的提高，其熱烤響應(yīng)劇烈程度有加劇趨勢；同升溫速率條件下，試樣藥量越大，反應(yīng)劇烈程度有加劇趨勢。陣列裝藥有利于分散HNS裝藥在熱烤條件下的熱積累，降低熱烤試驗的響應(yīng)強度，提升裝藥的熱安全性。

慢速烤燃；六肖基菧（HNS）；多點陣列；沖擊片雷管；火工品

極端鈍感爆轟物質(zhì)（EIDS）起爆技術(shù)是Gates[1]在2008年美國第52屆引信年會上提出的一種新型高能鈍感起爆技術(shù)，這一技術(shù)在第53屆、54屆引信年會上進行了連續(xù)匯報[2-3]。該起爆系統(tǒng)去除了傳統(tǒng)傳爆序列中較為敏感的傳爆、擴爆藥柱部分，通過多發(fā)沖擊片雷管同步起爆產(chǎn)生爆轟波的疊加，并在中心區(qū)域形成超壓爆轟，使局部爆轟波壓力超過鈍感炸藥的起爆閾值，從而實現(xiàn)火工品直接起爆不敏感戰(zhàn)斗部主裝炸藥。秦國圣等[4]設(shè)計了基于爆炸箔的四點陣列沖擊片雷管，該雷管通過在內(nèi)部形成多點同步爆轟，在中心區(qū)域產(chǎn)生爆轟超壓，進一步提高了沖擊片雷管的輸出威力，能夠直接起爆不敏感傳爆藥TATB。

為了提高彈藥在戰(zhàn)場上的生存能力及在使用、生產(chǎn)、運輸、貯存過程中的安全性，彈藥的高能低易損性研究在各國的武器發(fā)展中目前已呈整體趨勢。不敏感彈藥的發(fā)展，對火工品技術(shù)提出了全新的結(jié)構(gòu)與功效要求。作為武器彈藥中最敏感首發(fā)元件的火工品，對不敏感彈藥的整體安全性有著重要影響，因此適應(yīng)于不敏感彈藥的火工品必須滿足高安全性、高可靠性的要求。在不敏感彈藥傳爆序列中，MIL-DTL-23659F《電起爆器通用設(shè)計規(guī)范》附錄A要求EFI在設(shè)計和驗收階段進行熱烤試驗[5]，要求在熱刺激下不發(fā)生爆炸反應(yīng)，避免對下級裝藥及武器系統(tǒng)造成破壞性威脅[6]。

文中針對4種尺寸的多點陣列沖擊片雷管裝藥開展慢速烤燃試驗，得到了HNS多點陣列裝藥在慢速烤燃試驗中的響應(yīng)特性。試驗結(jié)果對多點陣列沖擊片雷管的的裝藥設(shè)計和安全性評價具有重要的意義和參考價值。

1 試驗裝置及試驗方法

1.1 試驗樣品

HNS藥柱，裝藥密度為1.6 g/cm3，共4種尺寸：3 mm×3 mm、4 mm×4 mm、5 mm×5 mm、4 mm×8 mm。對應(yīng)的單個藥柱藥量分別為：34、80.4、157、160.8 mg。

1.2 慢烤試驗裝置

陣列裝藥慢速烤燃試驗裝置主要由三部分組成：控溫系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。控溫系統(tǒng)實現(xiàn)對電爐加熱速率和溫度的控制；利用加熱系統(tǒng)對測試樣品進行加熱；通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集溫度數(shù)據(jù)。

圖1 慢速烤燃試驗裝置

1.3 熱烤樣品放置方法

試驗設(shè)計了兩種熱烤夾具，其中夾具Ⅰ放置尺寸為3 mm×3 mm、4 mm×4 mm、5 mm×5 mm的熱烤樣品，夾具Ⅱ放置尺寸為4 mm×8 mm的熱烤樣品。夾具Ⅰ上半部分中心處設(shè)有直徑2 mm的測溫孔，夾具內(nèi)部與測溫孔通過0.5 mm的不銹鋼密封片隔離，將熱烤夾具螺紋擰緊，并置入防爆罐中（防爆罐頂部有多個開孔，與電爐內(nèi)腔相通），最后將防爆罐放入電爐中。測溫熱電偶一路放置在電爐內(nèi)壁與防爆罐之間，監(jiān)測電爐內(nèi)部環(huán)境溫度；一路放置在夾具上的測溫孔內(nèi)，監(jiān)測樣品實時溫度。熱烤試驗樣品及熱烤夾具1放置狀態(tài)如圖2所示。

熱烤夾具Ⅱ模擬雷管殼體狀態(tài)，夾具Ⅱ側(cè)壁厚度為1 mm，底殼厚度為0.2 mm。將熱烤樣品放入夾具Ⅱ內(nèi)，擰緊螺紋，將藥柱密封。夾具Ⅱ外緊縛測溫熱電偶，將密封夾具放入防爆罐中，將內(nèi)有夾具的防爆罐置入電爐中。熱烤試驗樣品及熱烤夾具Ⅱ放置狀態(tài)如圖3所示。

圖2 熱烤樣品及熱烤夾具Ⅰ實物照片

圖3 熱烤樣品及夾具Ⅱ?qū)嵨镎掌?/p>

1.4 慢速烤燃試驗方法

MIL-DTL-23659F中對EFI熱烤試驗要求升溫速率為3.3 ℃/h，該升溫速率沿用了對鈍感彈藥的慢烤試驗的要求。MIL-DTL- 23659F的附錄A中，允許試驗開始的溫度高于環(huán)境溫度，只要試驗開始到EFI反應(yīng)的時間不少于16 h即可。本次3.3 ℃/h熱烤試驗采用如下方法：室溫下放入樣品，以1 ℃/min的升溫速率將爐內(nèi)溫度升至250 ℃；然后控制爐溫，使其以3.3 ℃/h的升溫速率對樣品進行熱烤，至樣品出現(xiàn)反應(yīng)或樣品溫度高于HNS熱分解溫度10 ℃以上停止。由于HNS起始分解溫度為311 ℃[7]，設(shè)定為樣品溫度達到350 ℃時停止升溫。為分析樣品在不同升溫速率下的響應(yīng)規(guī)律，試驗增加了5 ℃/min和10 ℃/min兩種升溫程序。

1.5 響應(yīng)狀態(tài)判定標準

試樣熱烤反應(yīng)程度主要依靠試驗過程中試樣聲響、反應(yīng)殘留物及藥柱套的變形、破碎程度來判定[8]。判定標準見表1。

表1 熱烤結(jié)果判定標準

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 3.3 ℃/h熱烤試驗

依照上述試驗裝置和試驗方法進行3.3 ℃/h升溫速率的慢速烤燃試驗，得到了4種規(guī)格的多點陣列HNS裝藥慢速烤燃溫度-時間歷程曲線。在3.3 ℃/h升溫速率下，3 mm×3 mm、4 mm×4 mm、5 mm×5 mm三種規(guī)格的四點裝藥升溫曲線平滑，無放熱峰出現(xiàn)，試驗過程中未聽到爆炸聲響，典型的升溫曲線如圖4所示。

圖4 3.3 ℃/h升溫速率θ-t曲線

檢查試驗樣品慢速烤燃試驗后的狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，三種試驗樣品密封的熱烤夾具薄弱環(huán)節(jié)處（密封片）均未發(fā)生變形或破壞，3 mm×3 mm、4 mm×4 mm兩種尺寸的試驗樣品藥柱套外觀完好、光亮，反應(yīng)后殘留的黑色物質(zhì)呈固態(tài)，外觀為規(guī)則的圓柱形狀，尺寸與原藥柱相比略有減小。這表明上述兩種規(guī)格的四點陣列HNS裝藥均發(fā)生了熱分解反應(yīng)，生成了由碳氫化合物組成的“炸藥焦”[9]。5 mm×5 mm尺寸的試驗樣品在藥柱套和密封片等處產(chǎn)生了熏黑現(xiàn)象，反應(yīng)后殘留的黑色物質(zhì)呈固態(tài)，外觀為規(guī)則的圓柱形狀，尺寸與原藥柱相比略有減小。從其反應(yīng)狀態(tài)來看，該試樣處于從熱分解到燃燒的過渡狀態(tài)。

對4 mm×8 mm規(guī)格的裝藥進行了三點裝藥和四點裝藥慢速烤燃試驗，其中三點裝藥升溫過程中無聲響，試驗后發(fā)現(xiàn)樣品殼體完好，底殼未脫落，夾具內(nèi)部有較多黑色固體殘渣，外壁有燒蝕現(xiàn)象，防爆罐內(nèi)留有煙熏形成的絮狀物。四點裝藥升溫過程中有輕微聲響，試驗后發(fā)現(xiàn)夾具底殼脫落，防爆罐內(nèi)殘留較多黑色固體殘渣及絮狀物。從兩種裝藥的反應(yīng)狀態(tài)來看，三點裝藥、四點裝藥均發(fā)生燃燒反應(yīng)，其升溫曲線均有放熱峰出現(xiàn)，反應(yīng)溫度約為280 ℃。四點裝藥的升溫曲線如圖5所示。

圖5 四點裝藥3.3 ℃/h升溫速率θ-t曲線

四種規(guī)格的多點陣列HNS裝藥試驗樣品在3.3 ℃/h升溫速率下，慢速烤燃試驗后的狀態(tài)見表2。

從3.3 ℃/h升溫速率烤燃試驗結(jié)果來看，HNS裝藥在慢速烤燃試驗中的響應(yīng)呈現(xiàn)出兩個特點：試樣的反應(yīng)劇烈程度整體隨總藥量的增加而呈加劇趨勢；試樣3為四點陣列裝藥，試樣4為三點陣列裝藥，試樣4的單個藥柱藥量較大，但總裝藥量低于試樣3，在同升溫速率下，熱烤響應(yīng)劇烈程度卻高于試樣3。說明試樣熱烤反應(yīng)劇烈程度不但與總裝藥量相關(guān)，而且與單個藥柱藥量也具有較高的相關(guān)性，陣列裝藥有利于分散HNS裝藥在熱烤條件下的熱積累，降低裝藥的反應(yīng)強度。

2.2 5 ℃/min熱烤試驗

依照1.3所述樣品放置方法及1.4中所述試驗方法進行5 ℃/min升溫速率慢速烤燃試驗，共進行3種規(guī)格的樣品試驗。試樣在350 ℃左右發(fā)生反應(yīng)，升溫過程中均聽到了聲響，待試樣冷卻后，取出觀察發(fā)現(xiàn)，夾具的薄弱環(huán)節(jié)處均被破壞。其中試樣1、試樣2夾具內(nèi)部有燃燒產(chǎn)生的熏黑現(xiàn)象，剩余殘渣較少，藥柱套未發(fā)生變形，說明兩種試樣在5 ℃/min的升溫速率下發(fā)生了燃燒反應(yīng)。試樣3底殼被沖掉，熱烤夾具Ⅱ側(cè)壁未發(fā)生形變，但防爆罐內(nèi)反應(yīng)殘留物少，說明試樣反應(yīng)較為劇烈，將反應(yīng)產(chǎn)物從防爆罐內(nèi)沖出，試樣3反應(yīng)狀態(tài)處于燃燒到爆燃的過渡狀態(tài)。其中試樣1的升溫曲線如圖6所示。5 ℃/min升溫速率烤燃試驗后的狀態(tài)見表3。

從5 ℃/min升溫速率烤燃試驗結(jié)果來看，相對于3.3 ℃/h升溫速率烤燃試驗，相同規(guī)格裝藥的反應(yīng)劇烈程度均有提升。其中試樣2從3.3 ℃/h升溫速率時的熱分解反應(yīng)提升為燃燒反應(yīng)，試樣3從燃燒反應(yīng)提升為燃燒到爆燃過渡狀態(tài)。

表2 3.3 ℃/h慢速烤燃試驗多點陣列HNS裝藥響應(yīng)狀態(tài)

圖6 φ3 mm×3 mm藥柱三點裝藥升溫曲線

2.3 10 ℃/min熱烤試驗

依照1.3所述樣品放置方法及1.4中所述試驗方法進行10 ℃/min升溫速率慢速烤燃試驗，共進行2種規(guī)格的樣品試驗。試樣在升溫過程中均聽到較大的爆炸聲響，待試樣冷卻后，取出觀察發(fā)現(xiàn)，試樣1熱烤夾具Ⅱ底殼被沖掉，側(cè)壁產(chǎn)生明顯擴張，防爆罐內(nèi)殘留物少，說明試樣1在10 ℃/min升溫速率下發(fā)生了爆燃反應(yīng)。試樣2熱烤夾具Ⅱ側(cè)壁碎裂，從夾具破碎狀況來看，試樣2在10 ℃/min升溫速率下發(fā)生了爆炸反應(yīng)。試樣2在升溫開始第1894 s后，藥柱開始反應(yīng)，反應(yīng)起始溫度約為343.6 ℃，頂峰溫度為413.6 ℃。其升溫曲線如圖7所示。樣品烤燃試驗后的狀態(tài)見表4。

表3 5 ℃/min的升溫速率烤燃試驗多點陣列HNS裝藥響應(yīng)狀態(tài)

圖7 φ4 mm×8 mm四點裝藥10 ℃/min升溫曲線

從試驗結(jié)果來看，在同一升溫速率下，裝藥量增加，其熱烤響應(yīng)劇烈程度也相應(yīng)提升。相對于3.3 ℃/h、5 ℃/min升溫速率烤燃試驗，與試樣2相同規(guī)格裝藥的反應(yīng)劇烈程度分別從燃燒反應(yīng)、燃燒到爆燃反應(yīng)，提升到爆炸反應(yīng)。說明相同規(guī)格的HNS裝藥隨著升溫速率的提高，其熱烤響應(yīng)劇烈程度相應(yīng)提升。

3 結(jié)論

通過對熱烤試驗結(jié)果進行比對分析，可得出如下主要結(jié)論。

1）同規(guī)格裝藥情況下，隨著升溫速率的提高，其熱烤響應(yīng)劇烈程度有加劇趨勢。

表4 10 ℃/min的升溫速率烤燃試驗多點陣列HNS裝藥響應(yīng)狀態(tài)

2）同升溫速率條件下，試樣藥量越大，反應(yīng)劇烈程度有加劇趨勢。

3）陣列裝藥利于分散HNS裝藥在熱烤條件下的熱積累，降低裝藥的反應(yīng)強度，提升裝藥的熱安全性。

[1] GATES R. Navy Overview [C]// 52th Annual Fuze Conference. Sparks, NV, 2008.

[2] COPE R. Navy Overview [C]// 53th Annual Fuze Conference. Lake Buena Vista, FL, 2009.

[3] HENDERSHORT J. Navy Overview [C]// 54th Annual Fuze Conference. Kansas City, Mo, 2010.

[4] 秦國圣, 張蕊, 王寅, 等. 多點陣列沖擊片雷管仿真與試驗研究[J]. 兵工學(xué)報, 2016, 37(增刊2): 81-85.

[5] MIL-DTL-23659F, Detail Specification Initiators, Electric, General Design Specification for[S].

[6] DU Zhen-hua, ZHANG Rui, TONG Hong-hai, et al. Cook-off Test and Its Application in EFI′s Safety Evaluation[C]// Progress in Safety Managment Research and Practice. Xuzhou: China University of Mining and Technology Press, 2009: 274-278.

[7] 楊卓. 高能材料與高效毀傷技術(shù)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2012.

[8] 同紅海, 都振華, 王寅. 爆炸箔起爆器熱烤安全性研究[J]. 火工品, 2012(6): 5-7.

[9] ADAMS G K, ROWIAND P R, WISEMAN L A. Ministry of Suppiy Report A C[R]. Great Britain, 1943.

Slow Cook-off Test of HNS Multi-point Array Charge

QIN Guo-sheng, DU Zhen-hua, WANG Ke-xuan, WANG Yin, ZHOU Mi

(Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi′an 710061, China)

To research the heat stability of multi-point array EFI charge.The slow cook-off tests of HNS multi-point array charge according to four different sizes,3 mm×3 mm,4 mm×4 mm,5 mm×5 mm,4 mm×8 mm, were carried out. The response characteristics of HNS multi-point array charge in three different heating rates—3.3 ℃/h, 5, 10 ℃/min—were obtained.The test responses had an increasing trend with the improvement of heating rate under the same charge condition. The test responses have an increasing trend with the improvement of charge at the same heating rate condition.Array charge is benefit to dispersing the heat accumulation of HNS charge, reducing the response strength in the cook-off test, and increasing the thermal safety of charge.

slow cook-off; HNS; multi-point array; EFI; detonator

10.7643/ issn.1672-9242.2019.09.005

TJ450

A

1672-9242(2019)09-0034-06

2019-03-20；

2019-04-05

秦國圣（1979—），男，高級工程師，主要研究方向為高新火工品技術(shù)。