引信內(nèi)部裝藥對烤燃試驗響應(yīng)的影響

常天笑，聞 泉，王雨時，王光宇，蔣 超，閆 麗

(南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

熱環(huán)境在彈藥壽命周期內(nèi)普遍存在，彈藥自身遭遇意外攻擊而引發(fā)爆炸或相鄰燃料起火即可產(chǎn)生高溫環(huán)境。研究彈藥在火燒條件下的熱響應(yīng)情況，對降低因意外事故而造成經(jīng)濟損失或人員傷亡的概率具有重要意義?？救荚囼炇茄芯繌椝師犴憫?yīng)情況的重要方法。在不敏感彈藥技術(shù)的六項基本試驗當中，烤燃試驗占了其中兩項[1]。Sechmits和Fabion在20世紀80年代進行了一維爆炸時間測試，這被認為是限制性烤燃試驗的原型[2]。Pakulak設(shè)計了一個小型燃燒彈試驗，試驗藥量為20 g，這已成為研究炸藥烤燃性能的標準試驗[3]。楊建等人以奧克托今(HMX)基炸藥為研究對象，開展了不同裝藥直徑對慢速烤燃性能的影響研究，得出直徑與響應(yīng)等級，環(huán)境溫度，反應(yīng)時間的有關(guān)規(guī)律[4]。安強等人則以鈍化黑索今(RDX)為原料，對不同裝藥密度的烤燃彈進行快速烤燃實驗，得到提高傳爆藥的裝藥密度可以有效提高彈藥的使用安全性[5]。除了試驗分析，烤燃仿真模擬也被大量應(yīng)用。Gross等建立了一個詳細的烤燃動力學模型，并用它來模擬受限HMX對外部熱通量的瞬態(tài)反應(yīng)[6]。文獻[7]對以AP/HTPB為推進劑的一種固體火箭發(fā)動機在不同熱通量下的燃燒特性進行了模擬預測，得出熱通量對其烤燃的影響規(guī)律。

但是目前的各種試驗研究更多的關(guān)注在炸藥和彈體，很少涉及引信。引信作為彈藥系統(tǒng)的起爆裝置，其裝藥的敏感性遠高于彈藥中的戰(zhàn)斗部裝藥，在高溫環(huán)境下引信更易被點燃，從而引爆戰(zhàn)斗部引發(fā)事故，因此研究其在高溫環(huán)境下反應(yīng)情況對于提高彈藥安全性具有重要意義。本文通過改變引信內(nèi)裝藥中鈍感劑的比例或裝藥種類，應(yīng)用炸藥多步熱分解反應(yīng)數(shù)學模型模擬炸藥熱分解過程進行慢速烤燃和快速烤燃的有限元仿真，得到點火溫度，殼體溫度和點火時間等相關(guān)數(shù)據(jù)，進而分析裝藥對引信熱敏感性的影響。

1 數(shù)學模型

對烤燃試驗可采用ABAQUS軟件進行仿真，但是ABAQUS中無法直接進行爆炸的仿真模擬，需要自行編寫爆炸的程序，然后以子程序的形式導入ABAQUS中。因此在進行引信的烤燃數(shù)值模擬前，需要先編寫爆炸的熱分解程序，而這需要建立相關(guān)的熱分解數(shù)學模型。

烤燃過程中，外界環(huán)境熱量通過熱傳導的形式傳遞到炸藥中，當達到一定溫度時，炸藥內(nèi)部成分發(fā)生自熱分解反應(yīng)積蓄熱量，這個過程一直持續(xù)，最終導致爆炸的發(fā)生。藥柱的熱反應(yīng)和熱傳導遵循Frank-Kamenetskii方程[8]。

(1)

式(1)中，ρ為反應(yīng)物的密度，cv為反應(yīng)物的比熱容，λ為熱導率，S為熱量生成速率。

在柱坐標系(r,φ,z)下，溫度場的控制方程可表示為：

(2)

S為熱量生成速率，采用多步熱分解反應(yīng)動力學模型[9]描述。炸藥的熱分解反應(yīng)都是多步反應(yīng)，而炸藥本身的化學性質(zhì)決定了反應(yīng)步數(shù)。大多數(shù)炸藥的熱分解反應(yīng)都在三步以上，如TNT為三步反應(yīng)，HMX則是四步反應(yīng)[10]。對于分解反應(yīng)為四步的炸藥[11]：

反應(yīng)一：A→B，

(3)

反應(yīng)二：B→C，

(4)

反應(yīng)三：C→D，

(5)

反應(yīng)四：D→E，

(6)

式(3)—式(6)中，rm為質(zhì)量反應(yīng)速率；Zm為指前因子；Em為活化能；m為反應(yīng)序號，m=1,2…；ρn為質(zhì)量濃度，n=A,B…;R為普適氣體常數(shù)，B，C，D為中間產(chǎn)物。

熱分解為連續(xù)反應(yīng)過程，即前一步的生成物就是下一步的反應(yīng)物，連續(xù)進行，可表示為：

(7)

各步反應(yīng)速率方程可表示為：

(8)

式(8)中，km為反應(yīng)速率常數(shù)；x為反應(yīng)級數(shù)，x=1,2；且

(9)

每一步的熱量生成速率可表示為：

(10)

式(10)中，Qm為反應(yīng)熱。

因此熱分解過程中單位時間內(nèi)生成的熱量為：

S=ρAQ1k1+ρBQ2k2+ρCQ3k3+ρDQ4k4

(11)

式(9)—式(11)應(yīng)用于編寫烤燃過程中裝藥的熱分解程序。

考慮鈍感劑/粘合劑的分解時，需要用同樣的方程編寫鈍感劑/粘合劑的熱分解程序。

2 烤燃試驗仿真的可信性驗證

為了驗證烤燃試驗仿真的可信性，需要通過試驗進行對比。參考文獻《聚奧-9C裝藥的引信傳爆管快速烤燃試驗及數(shù)值模擬》[12]，圖1為試驗裝置[12],加熱速率為60 K/min。其中鋁套筒內(nèi)徑為22 mm×72 mm；鋼套筒內(nèi)徑為16 mm×64 mm；導爆藥柱尺寸為5 mm×6 mm；傳爆藥柱尺寸為15 mm×12 mm，導爆藥柱與傳爆藥柱所用傳爆藥為JO-9C，配方為95%HMX與5%氟橡膠。

為使傳爆藥柱與導爆藥柱位于裝置的中心，確保熱傳感器與傳爆管中部對齊，在其上下兩端設(shè)置兩個鋼柱，這樣還可以減少空氣的影響，降低空氣對流帶來的傳熱誤差，烤燃裝置結(jié)構(gòu)如圖2[12]。試驗中所用材料相關(guān)性能參數(shù)見表1[12-13]。

圖1 烤燃試驗裝置Fig.1 The cook-off test device

圖2 烤燃裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of the cook-off device

表1 所用材料的性能參數(shù)

采用ABAQUS軟件進行仿真計算，炸藥部分網(wǎng)格為邊長0.5 mm的六面體，其余部分為邊長2 mm的六面體。裝藥部分溫度升高超越周圍溫度時，視為發(fā)生點火反應(yīng)。分別進行考慮鈍感劑/粘合劑和不考慮鈍感劑/粘合劑的烤燃仿真。為了節(jié)省仿真時間，炸藥網(wǎng)格密度逐漸增加為0.6 mm，0.8 mm，1 mm，當設(shè)置為1 mm時，仿真所得點火位置與網(wǎng)格密度為0.5 mm，0.6 mm，0.8 mm時仿真所得點火位置明顯不符；而網(wǎng)格密度為0.6 mm，0.8 mm時的仿真所用時間與網(wǎng)格密度為0.5 mm時并無差別，再綜合考慮仿真精度，最終選擇0.5 mm為裝藥網(wǎng)格密度。圖3為考慮氟橡膠時烤燃模型在不同時刻縱向截面溫度分布云圖。圖4為考慮氟橡膠時試驗與數(shù)值模擬殼體溫度-時間變化曲線。

圖3 考慮鈍化劑/粘合劑時烤燃模型在不同時刻縱向截面溫度分布云圖Fig.3 Temperature cloud figures of the longitudinal section of the cook-off model at different times when considering the desensitizing agent/adhes

圖4 考慮氟橡膠時試驗與數(shù)值模擬殼體 溫度-時間變化曲線Fig.4 Shell temperature-time curve of the test and numerical simulation in consideration of the fluororubber

由圖3可知，t=3.3 s時，外壁溫度明顯升高，熱量向中心傳遞，形成明顯的溫度梯度，裝藥中心溫度最低。

t=113 s時，裝藥以外部分溫度相近，明顯高于裝藥部分溫度，最高溫度出現(xiàn)在外壁為413 K，最低溫度出現(xiàn)在傳爆藥中心，為359 K。同時，導爆藥中心溫度超越周邊溫度，發(fā)生了自分解反應(yīng)。

t=244 s時，傳爆藥邊角部分溫度迅速上升，超越周邊溫度，發(fā)生點火反應(yīng)，點火溫度為551 K，此時殼體溫度為551 K，點火區(qū)域即傳爆藥邊角位置。

不考慮鈍化劑/粘合劑時的仿真所得點火規(guī)律與上述變化相近。試驗數(shù)據(jù)如表2所列，仿真誤差對比如表3所列。

表2 烤燃模型數(shù)值仿真與試驗結(jié)果比較

表3 烤燃模型數(shù)值仿真誤差比較

圖4中數(shù)值模擬和試驗實測殼體溫度升溫速率不同，可能是因為數(shù)值模擬中是對整個殼體進行加熱，而實測試驗中加熱具有不均勻性，同時造成了點火時間提前。由表2和表3可知考慮鈍化劑/粘合劑時仿真所得的殼體溫度與試驗結(jié)果相差不大，并且誤差要小于不考慮鈍化劑/粘合劑情況下的仿真。本文想要得到的是溫度的具體數(shù)值和點火時間的變化趨勢，因此本文所用仿真模型、仿真參數(shù)和仿真結(jié)果均是可信的。

3 烤燃物理模型

數(shù)學模型建立后需要確定烤燃的物理模型，本文在仿真時對航空炸彈模型進行了簡化。引信中通過螺紋連接的零部件均簡化為引信體。因為雷管殼和導爆管殼的尺寸小，厚度不到0.2 mm，對熱傳遞影響不大，所以忽略。忽略傳爆管與引信體連接螺紋后，與引信體合為一體建模，因此模型中未畫出。假設(shè)戰(zhàn)斗部中填充鈍感炸藥，尾翼內(nèi)部為空氣。依據(jù)產(chǎn)品原始結(jié)構(gòu)模型，在保證外形輪廓和炸藥裝藥尺寸不變的前提下，建立了簡化的三維模型，全彈簡化模型如圖5所示，其中引信簡化模型如圖6所示。根據(jù)尺寸選擇合適的網(wǎng)格密度。因為本文研究的是鈍感彈藥，故假設(shè)戰(zhàn)斗部主裝藥足夠鈍感，不會先于引信裝藥發(fā)生反應(yīng)。

圖5 全彈簡化模型Fig.5 The simplified model of the air bomb

圖6 引信簡化模型Fig.6 The simplified model of the fuze

4 裝藥中鈍感劑比例的影響

鈍化裝藥是不敏感彈藥的關(guān)鍵技術(shù)之一，在引信裝藥中添加鈍感劑則是鈍感裝藥的重要方式。鈍感劑目前已被應(yīng)用于大量引信，種類包括硬脂酸，氟橡膠，石墨[14]等等，都能起到很好地鈍感效果。原引信中使用的裝藥為鈍化RDX，鈍感劑為氟橡膠，占比5%?，F(xiàn)在通過改變鈍感劑比例的方式鈍化裝藥，并進行烤燃仿真試驗，觀察裝藥中鈍感劑比例對烤燃結(jié)果的影響?？救寄Ｐ蜑閳D5和圖6建立物理模型，分別進行快速烤燃與慢速烤燃的仿真，快速烤燃速率設(shè)置為0.05 K/s，慢速烤燃的速率設(shè)置為3.3 K/h?？救贾锌紤]鈍感劑的分解，所用材料如表1和表4所示[9,13,15-17]。

慢速烤燃的仿真中，不同鈍感劑比例引信的點火規(guī)律基本一致，以原引信為例展示點火規(guī)律，圖7是氟橡膠占比為5%時慢速烤燃下引信在不同時刻縱向截面溫度分布云圖。t= 151 510 s時發(fā)生點火反應(yīng)，點火位置出現(xiàn)在傳爆藥柱中上部位。

其余鈍感劑占比情況下的仿真結(jié)果見表5。慢烤時引信內(nèi)部裝藥發(fā)生點火反應(yīng)時殼體溫度、點火溫度和點火時間-鈍感劑占比曲線如圖8所示。結(jié)果中包括殼體溫度是因為殼體溫度接近環(huán)境溫度，烤燃試驗中一般用它來代替環(huán)境溫度。點火反應(yīng)時殼體溫度越高，就意味著彈藥意外起爆時需要的環(huán)境溫度越高，引信的熱安全性也就越高。

表4 所用材料的性能參數(shù)

圖7 氟橡膠占比為5%時慢速烤燃下引信在 不同時刻縱向截面溫度分布云圖Fig.7 The temperature cloud figures of the longitudinal section of the fuze under slow cook-off at different times when the proportion of fluororubber was 5%

鈍感劑比例/%殼體溫度/K點火溫度/K點火時間/s2.5437437151 5705437437151 5107.5438438152 02010438438152 47012.5438438152 66015438438153 010

圖8 慢速烤燃(3.3 K/h)下發(fā)生點火反應(yīng)時的殼體溫度、點火溫度和點火時間-鈍感劑占比曲線Fig.8 The Shell temperature, Ignition temperature and Ignition time-ratio of desensitizing agent curve under slow cook-off(3.3 K/h)

快速烤燃的仿真中，不同鈍感劑比例引信的點火規(guī)律同樣基本一致，以原引信為例展示點火規(guī)律，圖9是氟橡膠占比為5%時快速烤燃下引信在不同時刻縱向截面溫度分布云圖。

圖9 氟橡膠占比為5%時快速烤燃下引信在不同時刻縱向截面溫度分布云圖Fig.9 The temperature cloud figures of the longitudinal section of the fuze under fast cook-off at different times when the proportion of fluororubber was 5%

t=4 904 s時發(fā)生點火反應(yīng)，點火位置出現(xiàn)在導爆藥處。

其余仿真結(jié)果見表6，快烤時引信內(nèi)部裝藥發(fā)生點火反應(yīng)時殼體溫度，點火溫度和點火時間-鈍感劑占比曲線如圖10所示。

表6 快烤下鈍感劑占比對引信內(nèi)部裝藥發(fā)生反應(yīng)

圖10 快速烤燃下(0.05 K/s)發(fā)生點火反應(yīng)時殼體溫度、點火溫度和點火時間-鈍感劑占比曲線Fig.10 The Shell temperature, Ignition temperature and Ignition time-ratio of desensitizing agent curve under fast cook-off(0.05 K/s)

從以上圖表可以看出，無論是在慢速烤燃還是快速烤燃的情況下，隨著鈍感劑比例的上升，點火溫度，殼體溫度和點火時間這三項數(shù)據(jù)幾乎無變化，差異小于0.4%。因此裝藥中鈍感劑的比例對引信的熱敏感性沒有太大影響。這是因為烤燃狀態(tài)下引信的點火主要取決于裝藥的主要部分，也就是炸藥，在該引信中即RDX，炸藥自身的烤燃性質(zhì)決定了裝藥的烤燃結(jié)果，而和鈍感劑無關(guān)，鈍感劑只影響裝藥的摩擦感度。

5 炸藥類型的影響

在得到鈍感劑比例對鈍化RDX裝藥引信熱敏感性影響不大的結(jié)論下，考慮直接改用其他類型的炸藥來改變引信的熱敏感性，本文選用了鈍化RDX、HMX和三氨基三硝基苯(TATB)三種裝藥對比分析對引信不敏感性的影響，這三種裝藥設(shè)置與第4章相同，快速烤燃與慢速烤燃的加熱速率仍分別采用0.05 K/s和3.3 K/h。三種裝藥相關(guān)參數(shù)如表1、表4和表7所列[9,13,18]。

三種裝藥的點火規(guī)律相近，除了TATB為炸藥的引信快速烤燃下的規(guī)律有所不同，其余引信慢速烤燃與快速烤燃的點火規(guī)律分別與上一節(jié)類似。TATB為炸藥的引信在快速烤燃的情況下，點火位置發(fā)生在傳爆藥頂部，見圖11。引信內(nèi)部導傳爆藥分別為RDX，HMX，TATB，在慢速烤燃和快速烤燃條下發(fā)生點火反應(yīng)時的殼體溫度，點火溫度和點火時間如表8所列。

表7 所用炸藥的性能參數(shù)

圖11 快速烤燃下TATB裝藥的引信發(fā)生點火反應(yīng)時的縱向截面溫度分布云圖Fig.11 The temperature cloud figure of the longitudinal section of the fuze whose charge was TATB during ignition reaction

升溫速率炸藥名稱殼體溫度/K點火溫度/K點火時間/s3.3 K/hRDX437437151 5103.3 K/hHMX470470187 3103.3 K/hTATB514514235 4200.05 K/sRDX5435024 9040.05 K/sHMX5845395 7700.05 K/sTATB6676057 372

由表8可以看出，慢速烤燃的情況下，鈍感性能最好的TATB相較于原裝藥點火溫度和殼體溫度都提高了77 K，點火時間延長了 55.4%?？焖倏救嫉那闆r下點火溫度和殼體溫度提高了103 K，124 K，點火時間延長了 50.3%。這是因為不同的裝藥熱敏感性不同，導致烤燃下的相關(guān)數(shù)據(jù)有很大差異。TATB明顯增加了原引信的熱安全性，HMX雖然提升幅度不如TATB，但也有明顯的改進作用。由此可得裝藥類型對于引信的點火有重要的影響。所以在引信內(nèi)部填充合適的鈍感炸藥可以作為合理的鈍感化改造方法。但是當TATB作為引信裝藥時，慢速烤燃試驗下的點火位置發(fā)生了變化，從傳爆藥中上位置變化為傳爆藥頂部。不同的點火位置會對引信結(jié)構(gòu)造成不同的壓力和熱應(yīng)力分布，影響引信的工作效果。因此在使用鈍感程度更高的炸藥，還需要同時調(diào)整引信結(jié)構(gòu)來適應(yīng)可能發(fā)生的點火位置變化。

6 結(jié)論

本文使用ABAQUS進行仿真分析，研究引信內(nèi)部裝藥對烤燃試驗響應(yīng)的影響。該方法應(yīng)用了炸藥多步熱分解反應(yīng)數(shù)學模型模擬炸藥熱分解過程。首先通過對試驗用傳爆管進行有限元仿真，并與試驗數(shù)據(jù)進行對比，驗證烤燃仿真中鈍感劑/粘合劑熱分解的影響。并且通過仿真航空炸彈引信來研究引信內(nèi)部裝藥對烤燃試驗響應(yīng)的影響。對裝配于航空炸彈之中的引信，分別改變其中鈍感劑的比例與鈍感裝藥類型，進行仿真對比。

所得結(jié)論如下：

1) 烤燃仿真中應(yīng)考慮鈍感劑/粘合劑熱分解的影響。

2) 增加鈍感劑是目前常用的提高裝藥鈍感程度的重要措施，但是本文發(fā)現(xiàn)鈍感劑占比從2.5%提升至15%，引信響應(yīng)幾乎未發(fā)生變化。無論是慢速烤燃還是快速烤燃下，均無需考慮鈍感劑/粘合劑的占比影響。

3) 炸藥種類則影響十分明顯,對快速烤燃試驗的影響比慢速烤燃試驗更明顯。

4) 換用更為鈍感的炸藥時，點火位置可能發(fā)生變化。這使得引信所受壓力和熱應(yīng)力分布產(chǎn)生了變化，會影響引信的響應(yīng)特性。所以不能僅僅通過更換鈍感藥劑來提高引信鈍感性能，同時為了適應(yīng)點火位置的變化，也可能要對引信結(jié)構(gòu)進行改進。

研究中并未考慮裝藥的密封性與熱應(yīng)力的影響，下一階段的研究擬將其納入考慮因素中。