引信慢速烤燃特性的等效試驗方法

翟 蓉，施坤林，鄒金龍，牛蘭杰，王 炅

(1.機(jī)電動態(tài)控制重點實驗室，陜西 西安 710065；2.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

不敏感彈藥(isensitive munition，IM)是指具有對加熱、沖擊、爆轟等外界刺激不敏感或在這種外界刺激下不會引起強(qiáng)烈反應(yīng)的彈藥。它能在不降低彈藥使用性能和作戰(zhàn)效率前提下降低意外刺激(烤爆、殉爆和撞擊)導(dǎo)致災(zāi)難性反應(yīng)的可能性，本質(zhì)上也是對彈藥的安全性發(fā)展要求。2011年，美國完成了MIL-STD-2105D《非核彈藥危險評估試驗規(guī)范》[1]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的修訂，詳細(xì)規(guī)定了不敏感彈藥必須經(jīng)過快速烤燃、慢速烤燃、彈丸撞擊、殉爆等多項試驗。引信作為彈藥安全與起爆控制核心，其不敏感特性正成為國內(nèi)外研究熱點。引信烤燃特性是指引信在受到外部熱刺激時所表現(xiàn)出來的反應(yīng)劇烈程度，主要是由傳爆序列裝藥受熱發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致?？救荚囼炇遣幻舾袕椝幰艤y試評估標(biāo)準(zhǔn)中的重要試驗之一，根據(jù)升溫速率的高低可分為慢速烤燃試驗和快速烤燃試驗。慢速烤燃試驗主要是用來模擬鄰近彈藥庫/倉庫或車輛等起火時彈藥經(jīng)受的慢速增溫環(huán)境。根據(jù)美國MIL-STD-2105D《非核彈藥危險評估試驗規(guī)范》中的要求，目前慢速烤燃試驗都采用3.3 ℃/h的升溫速率。

國內(nèi)外對于炸藥火工品不敏感特性開展了大量研究，國外Erneux等人進(jìn)行了推進(jìn)劑的烤燃試驗，試驗中測量了推進(jìn)劑發(fā)生爆炸的熱響應(yīng)時間和溫度。Scholtes和Van der Meef等人對TNT炸藥進(jìn)行了慢速烤燃試驗，得到的溫度-時間曲線表明TNT溶化對炸藥內(nèi)部溫度變化有顯著影響[2-4]。國內(nèi)王沛[5]等人對固黑鋁炸藥在不同升溫速率下的烤燃過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到了不同升溫速率對固黑鋁炸藥烤燃特性的影響。王洪偉[6]等人研究了升溫速率對烤燃彈熱起爆臨界溫度的影響。王曉峰[7]研究了慢速烤燃試驗情況下不同傳爆藥配方的反應(yīng)溫度和反應(yīng)類型。智小琦[8]等人利用設(shè)計的烤燃系統(tǒng)對傳爆藥的烤燃特性開展了炸藥裝藥密度對慢速烤燃響應(yīng)特性的影響研究。然而上述工作僅僅是對炸藥的烤燃特性開展研究，很少考慮在引信約束條件下對傳爆序列的不敏感特性研究，特別是未考慮升溫速率對引信烤燃特性的影響，因此上述研究成果不能作為不敏感引信傳爆序列設(shè)計、考核的參考。針對不敏感彈藥引信傳爆序列熱安全性設(shè)計的迫切需求，本文提出了引信慢速烤燃特性的等效試驗方法。

1 引信慢速烤燃特性

1.1 引信熱起爆機(jī)理

在加熱條件下，引信傳爆序列裝藥熱分解所產(chǎn)生的熱量不能及時釋放到周圍環(huán)境，而是儲存于炸藥反應(yīng)區(qū)內(nèi)部并出現(xiàn)熱積累，使炸藥自身的溫度和環(huán)境壓力升高，加快炸藥的熱分解反應(yīng)，這種持續(xù)相互作用的促進(jìn)和循環(huán)最終導(dǎo)致炸藥發(fā)生爆炸甚至爆轟等劇烈反應(yīng)。

目前被普遍接受的非均質(zhì)炸藥爆轟的響應(yīng)機(jī)制為二階段理論[9]，即熱點火階段和由熱點引起的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z階段的理論。在壓藥過程中，炸藥內(nèi)部微粒間的空穴或氣孔的產(chǎn)生必須要有另外的附加能量，這些能量儲存在空穴或氣孔的表面，稱為表面能。當(dāng)引信經(jīng)歷烤燃環(huán)境時，傳爆序列裝藥經(jīng)受殼體傳熱、輻射傳熱的共同作用后發(fā)生熱分解反應(yīng)，使空穴或氣孔被破壞，釋放表面能，加熱空穴或氣體周圍的介質(zhì)，使溫度升高，從而形成熱點。同時，炸藥中心分解得到的高溫氣體，穿透周圍的區(qū)域，熱點增大，燃燒區(qū)域急劇增加，燃燒速率呈指數(shù)級增長，進(jìn)而導(dǎo)致爆轟。

1.2 引信慢速烤燃計算模型

為了研究引信在烤燃環(huán)境下的響應(yīng)規(guī)律，對引信烤燃計算模型做以下假設(shè)：1) 假設(shè)引信殼體與傳爆序列裝藥之間間隙極小可以忽略不計，傳爆序列裝藥反應(yīng)區(qū)域熱傳遞僅由熱傳導(dǎo)引起；2) 烤燃過程中熱點火端，反應(yīng)物消耗極小可以忽略不計，引信體和裝藥的材料參數(shù)保持不變；3) 裝藥的自熱反應(yīng)和熱傳導(dǎo)遵循Frank-Kamenetskill模型方程[10]，見式(1)：

(1)

式(1)中，ρ為反應(yīng)物的密度(kg/m3)，λ為導(dǎo)熱系數(shù)(J·kg-1·K-1)，Q為反應(yīng)物的反應(yīng)熱(J·kg-1)，A為指前因子(s-1)，E為活化能(J·mol-1)，R為普適氣體常數(shù)(J·mol-1·K-1)，T為溫度(K)，f(a)為反應(yīng)機(jī)理函數(shù)。

2 引信慢速烤燃特性的等效試驗方法

2.1 引信慢速烤燃特性仿真模型

為了研究升溫速率對引信烤燃特性的影響，利用FLUENT仿真軟件進(jìn)行數(shù)值仿真計算。通過仿真計算可以獲得不同升溫速率下引信發(fā)生反應(yīng)的時間，同時可以對引信傳爆序列部分發(fā)生反應(yīng)的位置、溫度和時間有更加細(xì)致的認(rèn)識。

首先對引信結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡化，仿真計算所用引信模型為典型中大口徑榴彈引信(如圖1所示)主要包括風(fēng)帽、引信殼體、電子部件、電池、安保機(jī)構(gòu)、導(dǎo)爆藥、傳爆藥等。其中引信頭部和中間部分為電子部件、電池等，不涉及安全性問題，可以等效以灌封材料填充進(jìn)行替代，提高研究效率。

由于引信系統(tǒng)為軸對稱結(jié)構(gòu)，為減少計算量且方便顯示其內(nèi)部溫度分布云圖，建立1/4計算模型，并劃分有限元網(wǎng)格(如圖2所示)，包含引信殼體、保險機(jī)構(gòu)、傳爆序列裝藥(導(dǎo)爆藥、傳爆藥)、傳爆管殼、隔爆板等幾部。引信中通過螺紋連接的零部件均簡化為圓柱形引信殼體，保險機(jī)構(gòu)用材質(zhì)為45#鋼的金屬部件代替，模型中各微小空隙忽略不計。按照引信實際尺寸簡化物理模型，從引信殼體外壁進(jìn)行加熱，監(jiān)測引信中的電子部件、導(dǎo)爆藥、傳爆藥等關(guān)鍵部位的溫度變化。

圖1 引信結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Fuze structural diagram

圖2 引信仿真模型Fig.2 Fuze’s simulation model

2.2 仿真模型的初始參數(shù)選取

2.2.1材料參數(shù)選取

在仿真過程中，設(shè)置殼體側(cè)壁為加熱邊界，代替外部加熱裝置。加熱速率和自熱反應(yīng)源以子函數(shù)的形式加載到程序中。導(dǎo)爆藥、傳爆藥與殼體設(shè)為耦合的熱傳導(dǎo)界面，在耦合界面上的溫度和熱流連續(xù)。計算區(qū)域中的材料包括導(dǎo)爆藥、傳爆藥、鋼、鋁、灌封材料和空氣，相應(yīng)材料參數(shù)見表1。通過編寫UDF子程序，將模型外壁溫度邊界條件和藥柱自熱源項以子函數(shù)的形式導(dǎo)入FLUENT中，從而控制外壁的升溫速率和裝藥的自熱反應(yīng)。

2.2.2升溫速率選取

目前慢速烤燃試驗都依據(jù)美國MIL-STD-2105D《非核彈藥危險評估試驗規(guī)范》中的要求，采用3.3 ℃/h的升溫速率，但是3.3 ℃/h的升溫速率從環(huán)境溫度開始加熱直至引信發(fā)生熱反應(yīng)為止耗時太長，研究效率太低。為了使引信的慢速烤燃特性試驗耗時盡可能縮短，參考之前炸藥火工品的慢速烤燃試驗研究，暫時選取1 ℃/min，2 ℃/min作為升溫速率進(jìn)行仿真計算，并將仿真結(jié)果與升溫速率為3.3 ℃/h時的烤燃特性進(jìn)行對比。

表1 主要材料參數(shù)

2.3 仿真結(jié)果

2.3.13.3 ℃/h升溫速率下的引信烤燃仿真結(jié)果

仿真過程中首先以較快的升溫速率升溫至120 ℃，然后以3.3 ℃/h的升溫速率繼續(xù)對引信模型進(jìn)行加熱直到引信發(fā)生反應(yīng)。

仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。通過圖3、圖4可以看出，烤燃過程中引信頭部封帽內(nèi)的溫度總是低于引信外壁溫度。隔爆板、保險機(jī)構(gòu)區(qū)域的溫度與外壁基本保持一致。傳爆藥首先發(fā)生點火反應(yīng)，點火位置位于傳爆藥柱中心處，引信發(fā)生反應(yīng)時的殼體溫度為191.6 ℃，反應(yīng)點火溫度為228.3 ℃。

圖3 升溫速率3.3 ℃/h引信剖面的溫度分布云圖Fig.3 Cloud map of temperature distribution in Fuze profile at 3.3 ℃/h

圖4 升溫速率3.3 ℃/h引信殼體的溫度-時間曲線Fig.4 The fuze shell’s temperature-time curve at 3.3 ℃/h

2.3.21 ℃/min和2 ℃/min升溫速率下的引信烤燃仿真結(jié)果

仿真結(jié)果分別如圖5—圖8所示。通過圖5—圖8可以看出：1 ℃/min和2 ℃/min升溫速率下均是傳爆藥首先發(fā)生點火反應(yīng)，并且隨著升溫速率的增大，點火位置由傳爆藥柱的中心向邊緣移動，引信發(fā)生反應(yīng)的溫度也隨之升高，當(dāng)升溫速率為1 ℃/min時，引信發(fā)生反應(yīng)時的殼體溫度為195.7 ℃，反應(yīng)點火溫度為232.9 ℃；當(dāng)升溫速率為2 ℃/min時，引信發(fā)生反應(yīng)時的殼體溫度為204.8 ℃，反應(yīng)點火溫度為237.9 ℃。

圖5 升溫速率1 ℃/min引信剖面的溫度分布云圖Fig.5 Cloud map of temperature distribution in Fuze profile

圖6 升溫速率1 ℃/min引信殼體的溫度-時間曲線Fig.6 The fuze shell’s temperature-time curve at different heating rate

圖7 升溫速率2 ℃/min引信剖面的溫度分布云圖Fig.7 Cloud map of temperature distribution in Fuze profile at 2 ℃/min

圖8 升溫速率2 ℃/min引信殼體的溫度-時間曲線Fig.8 The fuze shell’s temperature-time curve at 2 ℃/min

通過上述不同升溫速率下的反應(yīng)結(jié)果對比可以看出：升溫速率為1 ℃/min時引信發(fā)生反應(yīng)時的點火溫度和殼體溫度與升溫速率為3.3 ℃/h的相差分別為2.01%和2.13%；升溫速率為2 ℃/min時的點火溫度和殼體溫度相差分別為4.20%和6.89%；升溫速率為1 ℃/min時的仿真結(jié)果與3.3 ℃/h的更加接近。

3 引信慢速烤燃特性對比試驗驗證

3.1 試驗方案

驗證采用引信慢速烤燃試驗的方法?？救荚囼炏到y(tǒng)主要由烤燃試驗爐、溫度控制儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、熱電偶等裝置組成，如圖9所示?？救荚囼灎t具有良好的保溫性能和抗爆性能；溫度控制儀采用日本島電溫控儀，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用自行編制的測點溫度與時間關(guān)系的采集軟件，可適時觀測到溫度隨時間的變化情況。熱電偶測試溫度值，選用K型熱電偶，測量范圍0～800 ℃；升溫速率分別設(shè)置為 3.3 ℃/h，1 ℃/min和2 ℃/min，每種升溫速率條件下的試驗數(shù)量為三發(fā)。試驗樣機(jī)以仿真對象的典型中大口徑榴彈引信為試驗樣機(jī)，如圖10所示。導(dǎo)爆藥和傳爆藥均采用JHX-1，JHX-1是國內(nèi)新研制的不敏感炸藥，主要成分是FOX-7炸藥、RDX和粘結(jié)劑。試驗結(jié)束后通過不同升溫速率條件下的反應(yīng)時殼體溫度及反應(yīng)程度判定選取最佳的等效試驗方法。

圖9 慢速烤燃試驗系統(tǒng)Fig.9 Slow cook-off experimental system

圖10 試驗樣機(jī)Fig.10 Experimental prototype

將試驗樣機(jī)懸掛在烤燃試驗爐中，為了測得傳爆序列發(fā)生反應(yīng)時的引信殼體溫度，分別在試驗樣機(jī)的底部即傳爆管輸出端和引信體側(cè)面放置熱電偶，如圖11所示。由于目前本文所采用的試驗方法無法測得裝藥內(nèi)部的點火溫度，所以結(jié)合引信體結(jié)構(gòu)，在本文后續(xù)的試驗部分描述中所提到的引信反應(yīng)溫度為反應(yīng)時引信底部輸出端的殼體溫度。

圖11 試驗中熱電偶放置位置Fig.11 Placement of the mocouole in experiment

試驗從環(huán)境溫度開始對引信進(jìn)行加熱，分別以3.3 ℃/h，1 ℃/min和2 ℃/min的升溫速率加熱引信試驗樣機(jī)直至傳爆序列發(fā)生反應(yīng)為止，記錄反應(yīng)時間及反應(yīng)溫度。反應(yīng)的劇烈程度根據(jù)實驗后收集到的試驗樣機(jī)破片和引信體的變形程度衡量。

3.2 試驗結(jié)果

在不同升溫速率下，均是傳爆藥部分發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)爆藥底部產(chǎn)生凹陷并未發(fā)生反應(yīng)，三種升溫速率下傳爆藥的反應(yīng)溫度在175.9～229.2 ℃之間。

其中升溫速率為3.3 ℃/h時，有一發(fā)殼體無明顯變形和裂紋，傳爆管底部被剪切掉，形成一塊較大的破片，傳爆管內(nèi)有黑色碳化的藥渣殘留，判斷反應(yīng)程度為燃燒，其余兩發(fā)殼體發(fā)生塑性變形，傳爆管底部被切掉，形成兩塊大破片，判斷反應(yīng)程度為爆燃。升溫速率為1 ℃/min時，三發(fā)反應(yīng)程度均為爆燃，殼體均塑性變形，傳爆管側(cè)壁產(chǎn)生裂紋，底部被切掉，形成了若干小破片。升溫速率為2 ℃/min時，有一發(fā)引信反應(yīng)后，殼體發(fā)生了塑性變形，傳爆管側(cè)壁有較大裂紋，底部飛出，形成若干小破片，判斷反應(yīng)程度處于爆燃和爆炸之間，其余兩發(fā)反應(yīng)為爆燃，試驗結(jié)果如圖12、圖13所示。

圖12 不同升溫速率下引信試驗樣機(jī)的反應(yīng)程度照片F(xiàn)ig.12 The results of fuze’s cook-off experiment at different heating rates

表2 不同升溫速率烤燃試驗結(jié)果

表2中試驗結(jié)果表明：對于這種典型中大口徑榴彈引信，采用JHX-1不敏感傳爆序列裝藥慢速烤燃試驗時，引信傳爆序列的反應(yīng)溫度隨著升溫速率的增大而升高，反應(yīng)程度隨著升溫速率的增大而加劇；升溫速率為1 ℃/min時引信傳爆序列的反應(yīng)程度與升溫速率為3.3 ℃/h的相差不大，升溫速率為2 ℃/min時發(fā)生一發(fā)介于爆燃或爆炸，與升溫速率為3.3 ℃/h的相差較大。

3.3 結(jié)果對比與分析

不同升溫速率下的引信烤燃試驗結(jié)果和仿真計算結(jié)果見表3。

表3 試驗與仿真結(jié)果對比

從表3中可以看出，仿真所得反應(yīng)時的殼體溫度與試驗測得的反應(yīng)溫度基本一致，反應(yīng)溫度隨升溫速率的增大而有所升高。仿真所得反應(yīng)溫度與試驗值最大誤差為8.2%，以此來驗證本文所建仿真模型及計算方法的合理性和可行性。

從仿真結(jié)果中可以看出，當(dāng)升溫速率為3.3 ℃/h時，傳爆序列發(fā)生反應(yīng)的位置在傳爆藥柱的中心區(qū)域。升溫速率為1 ℃/min和2 ℃/min時，傳爆藥柱上的溫度分布情況比較相似。升溫速率為1 ℃/min時引信傳爆序列發(fā)生反應(yīng)時的點火溫度和殼體溫度與升溫速率為3.3 ℃/h時的仿真結(jié)果更加接近，誤差不超過3%；從烤燃試驗結(jié)果中可以看出，升溫速率為1 ℃/min時引信傳爆序列的反應(yīng)程度與升溫速率為3.3 ℃/h的相差不大，2 ℃/min時發(fā)生一發(fā)介于爆燃或爆炸，與升溫速率為3.3 ℃/h的相差較大。

4 結(jié)論

本文提出了引信慢速烤燃特性的等效試驗方法。通過建立導(dǎo)爆藥、傳爆藥與殼體為耦合的熱傳導(dǎo)界面，且在耦合界面上溫度和熱流連續(xù)的引信慢速烤燃仿真模型，對不同升溫速率條件與標(biāo)準(zhǔn)試驗方法的慢速烤燃特性進(jìn)行對比仿真，得到等效試驗方法，縮短慢速烤燃試驗的耗時，提高研究效率。仿真和試驗結(jié)果表明，1 ℃/min和3.3 ℃/h升溫速率下，引信反應(yīng)程度基本相同，反應(yīng)溫度相差不超過3%，因此，可以采用1 ℃/min的升溫速率代替3.3 ℃/h的升溫速率進(jìn)行等效試驗，以縮短引信慢速烤燃特性試驗的時間，提高研究效率。本文的研究成果可以為不敏感引信慢速烤燃特性研究及試驗提供指導(dǎo)和參考。