多種復(fù)合炸藥裝藥的慢烤特性及其機(jī)理

肖 游，智小琦，王 琦，范興華

（1. 中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2. 晉西工業(yè)集團(tuán)，山西 太原 030051）

黑索金（RDX）具有優(yōu)良的爆轟性能且價(jià)格低廉，是目前常規(guī)彈藥中使用最廣泛的炸藥之一，三氨基三硝基苯（TATB）則對各種刺激非常鈍感，RDX 與TATB 結(jié)合應(yīng)具有優(yōu)良的綜合性能。目前條件下，彈藥設(shè)計(jì)應(yīng)滿足不敏感性能要求，因此毀傷威力可能會受到一定程度的削弱。為了保證低敏感的同時(shí)威力不降或少降，設(shè)計(jì)復(fù)合裝藥是可行的方向之一，在降低彈藥敏感性的同時(shí)不會明顯降低炸藥的爆轟能量。Reynolds 等[1]設(shè)計(jì)了一種同軸度的3 層裝藥，研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)層炸藥起爆或內(nèi)外層同時(shí)起爆的方式會達(dá)到不同輸出能量的效果，并且外層藥柱的燃燒速率也會對能量輸出產(chǎn)生影響。Arnold[2]為加強(qiáng)戰(zhàn)斗部的靈活性，在炸藥與殼體之間增加了夾層，以起到提高或降低破片性能或爆炸性能的作用。Hong 等[3]利用AUTODYN 有限元程序，建立了復(fù)合裝藥沖擊波近場爆炸和遠(yuǎn)場傳播的計(jì)算模型，研究了多層復(fù)合裝藥爆轟波的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)起爆方式可以顯著影響復(fù)合裝藥的沖擊波波形和壓力分布。向梅等[4]利用LS-DYNA3D 軟件，采用不同的升溫速率，對不同結(jié)構(gòu)的JO-9159/JB-9014 復(fù)合裝藥進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)升溫速率較大時(shí)，復(fù)合藥柱的響應(yīng)溫度會更高，且鈍感藥柱越厚，響應(yīng)等級越低。

綜上所述，國內(nèi)外在研究復(fù)合藥柱時(shí)，主要針對不同結(jié)構(gòu)藥柱的爆轟性能，或大尺度結(jié)構(gòu)變化的復(fù)合藥柱烤燃結(jié)果進(jìn)行研究，而對小尺度結(jié)構(gòu)變化的復(fù)合藥柱慢烤特性規(guī)律及其機(jī)理的探究很少。本研究基于低敏感炸藥和普通猛炸藥單獨(dú)慢烤試驗(yàn)，通過設(shè)計(jì)多種結(jié)構(gòu)的雙層復(fù)合炸藥裝藥的烤燃彈，建立復(fù)合裝藥烤燃計(jì)算模型，利用CFD 軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬研究，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以期為鈍感彈藥設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。

1 單一結(jié)構(gòu)裝藥慢速烤燃試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)布置

利用自行設(shè)計(jì)的烤燃裝置進(jìn)行烤燃試驗(yàn)?？救佳b置主要由加熱系統(tǒng)、溫控儀（型號MR13，調(diào)節(jié)精度0.1 K）、FLUKE 測溫儀（測量精度0.01 K）、計(jì)算機(jī)、電源線、負(fù)載線、溫度補(bǔ)償線、熱電偶（K 型、精度0.1 K）和烤燃彈組成。加熱系統(tǒng)可以保證內(nèi)部溫度均勻。計(jì)算機(jī)與溫控儀連接并實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測點(diǎn)溫度-時(shí)間變化曲線，慢烤試驗(yàn)時(shí)烤燃彈豎直放置，并使用熱電偶監(jiān)測烤燃彈的溫度變化。試驗(yàn)原理如圖1 所示。

圖1 慢速烤燃試驗(yàn)布局Fig. 1 Layout of slow cook-off test

分別對裝有JH-2 壓裝猛炸藥（95%RDX、5%添加劑，92%TMD）和JHB 壓裝低敏感炸藥（48%RDX、48%TATB 和4%添加劑，92%TMD）的烤燃彈進(jìn)行慢速烤燃試驗(yàn)，烤燃彈裝藥尺寸為 ?19 mm×38 mm，殼體材料為45 鋼，壁厚為4 mm，端蓋厚度為1 mm。分別采用1 和2 ℃·min?1的升溫速率從實(shí)時(shí)環(huán)境溫度開始升溫，直至烤燃彈發(fā)生響應(yīng)，每組開展2 發(fā)平行試驗(yàn)，共進(jìn)行8 發(fā)試驗(yàn)，通過破片尺寸分析響應(yīng)烈度。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)響應(yīng)后回收殼體殘骸，殼體破壞情況如圖2 所示。根據(jù)殼體破裂程度，判定JH-2 高能藥柱裝藥烤燃彈的響應(yīng)等級為爆炸以上反應(yīng)，JHB 低敏感藥柱裝藥烤燃彈的響應(yīng)等級均為燃燒反應(yīng)。

圖2 單一藥柱烤燃彈慢烤響應(yīng)殘骸Fig. 2 Debris of single charge bombs after slow cook-off

單獨(dú)裝藥慢速烤燃試驗(yàn)各發(fā)響應(yīng)時(shí)刻的殼體溫度與響應(yīng)時(shí)間結(jié)果如表1 所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，在相同的升溫速率下，低敏感炸藥的響應(yīng)等級均為燃燒反應(yīng)，高能炸藥的響應(yīng)等級為爆炸以上反應(yīng)，可見低敏感炸藥在相同熱刺激下的熱安定性優(yōu)于高能猛炸藥。但是，隨著升溫速率的降低，兩種彈藥的響應(yīng)溫度均明顯降低，可見升溫速率是影響烤燃彈響應(yīng)溫度的一個(gè)因素。

表1 單一藥柱慢速烤燃試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Slow cook-off test results of single charges

2 動(dòng)力學(xué)模型與動(dòng)力學(xué)參數(shù)

為獲得炸藥的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，對單一藥柱慢烤試驗(yàn)進(jìn)行模擬計(jì)算，并做如下假設(shè)：(1) 忽略炸藥體積變化，(2) 炸藥的自熱反應(yīng)遵循Arrhenius 方程，(3) 忽略氣體產(chǎn)物對傳熱的影響。

炸藥在烤燃過程中的質(zhì)量、動(dòng)量、能量的連續(xù)方程可用以下通用形式來表示[5]

將計(jì)算網(wǎng)格設(shè)為混合熱分解單元[10]，RDX 和TATB 反應(yīng)吸收或釋放的熱量為各自多步反應(yīng)吸收或釋放的熱量，單元總熱量為RDX 和TATB 吸收或釋放熱量的總和。由于添加劑含量較少，可以忽略其所吸收或放出的熱量，因此，炸藥熱分解過程中生成的總熱量為

根據(jù)試驗(yàn)建立單一藥柱有限元模型，模型尺寸與試驗(yàn)尺寸一致，網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，升溫速率分別采用1 和2 ℃·min?1，在FLUENT 軟件中進(jìn)行數(shù)值模擬，邊界條件設(shè)置為耦合邊界條件。炸藥與殼體的物性參數(shù)及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)分別如表2 和表3 所示，其中：c為比熱容， λ為導(dǎo)熱系數(shù)。

表2 炸藥與殼體的物性參數(shù)Table 2 Physical parameters of explosives and shell

表3 炸藥反應(yīng)動(dòng)力參數(shù)Table 3 Reaction dynamic parameters of explosives

表4 給出了單一藥柱數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果平均值的對比。可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相對誤差均小于2.2%，證明參數(shù)取值可信。

表4 單一藥柱仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較Table 4 Comparison between simulation and test results for single charges

可見，接觸熱阻受到接觸物間的熱導(dǎo)率與間隙厚度的影響。目前主要通過直接測量的方法獲得接觸熱阻的可靠值。根據(jù)丁洋等[12]對帶殼裝藥進(jìn)行激光試驗(yàn)的結(jié)果可知，通常情況下，金屬-炸藥單位面積的接觸熱阻約為0.003 m2?K?W?1，本研究中兩種炸藥的導(dǎo)熱系數(shù)與文獻(xiàn)[12]基本相同，殼體材料均為45 鋼，因此接觸熱阻取為0.003 m2?K?W?1。

3 復(fù)合裝藥數(shù)值模擬

3.1 復(fù)合裝藥的有限元模型

復(fù)合裝藥烤燃彈由不同尺寸的內(nèi)外兩層藥柱以同心圓方式組合而成。內(nèi)層為圓柱形高能藥柱，直徑分別為14、15、16、17、19 mm，外層為環(huán)狀低敏感JHB 藥柱。復(fù)合藥柱尺寸為 ?30 mm×30 mm，殼體厚度為4 mm，端蓋厚度為1 mm。按照高能藥柱直徑從小到大的順序編號，分別為G1～G5，各組烤燃彈藥柱尺寸如表5 所示。

表5 復(fù)合藥柱試驗(yàn)分組與組分藥柱厚度Table 5 Test group and charge thickness of composite charges

兩藥柱之間采用蟲膠漆黏接，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.190 W?m?1?K?1，黏結(jié)厚度約0.1 mm。隨著溫度的升高，蟲膠漆會經(jīng)歷玻璃化轉(zhuǎn)變，90 ℃時(shí)，蟲膠漆內(nèi)部溶劑會以氣體形式釋放，導(dǎo)致藥柱與藥柱之間產(chǎn)生空隙，出現(xiàn)接觸熱阻[13]，因此計(jì)算時(shí)需要考慮二者的接觸熱阻。由計(jì)算可得接觸熱阻為0.008 1 m2?K?W?1。

在數(shù)值模擬中，將彈藥視為完全對稱體，采用1/2 模型計(jì)算，烤燃彈模型如圖3 所示。裝藥內(nèi)部設(shè)置3 個(gè)溫度監(jiān)測點(diǎn)，分別位于JH-2 藥柱中心（T1）、內(nèi)外層藥柱接觸面（T2）和JHB 藥柱中心（T3）。

圖3 復(fù)合裝藥烤燃彈模型Fig. 3 Model of the composite charge bomb

設(shè)置藥柱材料參數(shù)，編輯UDF 外接程序，定義炸藥邊界條件為耦合邊界條件，采用1 ℃·min-1的升溫速率對烤燃彈進(jìn)行升溫，直至烤燃彈發(fā)生響應(yīng)。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

不同時(shí)刻響應(yīng)溫度云圖如圖4 所示。在烤燃彈加熱過程中，熱量通過殼體向炸藥內(nèi)部傳遞，通過外層低敏感藥柱后受到黏接層與藥柱之間接觸熱阻的阻隔，熱量不能很快傳遞到內(nèi)層高能藥柱，開始在外層低敏感藥柱形成熱量積聚，直至自熱反應(yīng)加劇，形成熱點(diǎn)發(fā)生點(diǎn)火。因此，復(fù)合裝藥烤燃彈的響應(yīng)位置位于外層低敏感藥柱靠近殼體的環(huán)狀區(qū)域。并且，隨著外層低敏感藥柱厚度的減小，點(diǎn)火點(diǎn)更靠近藥柱之間的接觸面。

圖4 復(fù)合裝藥仿真響應(yīng)時(shí)刻（10 950 s）烤燃彈溫度分布Fig. 4 Temperature distribution of bombs at simulated response time (10 950 s) for composite charges

烤燃彈響應(yīng)時(shí)刻，5 種藥柱中3 個(gè)不同監(jiān)測點(diǎn)的溫度-時(shí)間曲線如圖5 所示。由圖5 可以看出，位于高能藥柱中心的監(jiān)測點(diǎn)T1響應(yīng)時(shí)溫度變化較小，接觸面上的監(jiān)測點(diǎn)T2響應(yīng)時(shí)升溫明顯快于內(nèi)部高能藥柱。隨著外層低敏感藥柱厚度的增加，烤燃彈響應(yīng)時(shí)低敏感藥柱中心監(jiān)測點(diǎn)T3的升溫速率增加。

圖5 3 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)測得的5 種結(jié)構(gòu)復(fù)合裝藥烤燃彈的溫度-時(shí)間曲線Fig. 5 Temperature-time curves of the monitoring points for five kinds of composite charge bombs

隨著溫度升高，炸藥分解反應(yīng)加快，藥柱點(diǎn)火前分解產(chǎn)生的熱量與外壁傳熱主要用于3 個(gè)方面：(1) 外層低敏感藥柱的升溫；(2) 熱量通過蟲膠漆層向內(nèi)層高能藥柱傳遞，使內(nèi)層高能藥柱的溫度升高；(3) 供給RDX 第一步分解反應(yīng)（吸熱反應(yīng)）所需熱量。

當(dāng)外層低敏感藥柱較厚時(shí)，點(diǎn)火前熱量更多用于外層低敏感藥柱的升溫與RDX 分解，如圖4(a)、圖4(b)所示。隨著低敏感藥柱厚度的減小，熱量逐漸向內(nèi)部傳遞，導(dǎo)致接觸面以及內(nèi)層高能藥柱溫度升高，如圖4(d)、圖4(e)所示。

圖6 展示了5 組結(jié)構(gòu)響應(yīng)點(diǎn)的溫度-時(shí)間變化曲線。由圖6 可以看出，點(diǎn)火時(shí)刻外層低敏感藥柱點(diǎn)火點(diǎn)溫度最低，為488.7 K。由圖4 中的溫度云圖可知，高能藥柱點(diǎn)火時(shí)刻溫度均在473.2 K 左右，RDX 分解溫度為477.15 K[14]，因此內(nèi)部高能藥柱在點(diǎn)火時(shí)只有極少量RDX 參與分解。

圖6 5 種結(jié)構(gòu)響應(yīng)點(diǎn)的溫度-時(shí)間曲線Fig. 6 Temperature-time curves of the ignition point for five kinds of composite charges

烤燃過程中，JHB 與JH-2 兩種炸藥中RDX 分解的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及JHB 炸藥中TATB 分解的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖7 所示。由于外層低敏感藥柱中TATB 的性質(zhì)非常穩(wěn)定，同時(shí)內(nèi)層高能藥柱溫度還未達(dá)到分解溫度，因此TATB 及內(nèi)部RDX 參與反應(yīng)的量極少，如圖7 所示。

圖7 響應(yīng)時(shí)刻各組分分解質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨結(jié)構(gòu)的變化趨勢Fig. 7 Variation trend of decomposed mass fraction with structures for each component at response time

隨著外層低敏感藥柱厚度的減小，低敏感藥柱中RDX 分解的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，但低敏感藥柱體積減小，因而外層藥柱反應(yīng)的RDX 質(zhì)量絕對值減少；同時(shí)內(nèi)層高能藥柱中RDX 分解的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨之增加。各組分炸藥分解質(zhì)量如圖8 所示?？梢?，隨著低敏感藥柱厚度的減小，響應(yīng)時(shí)刻分解產(chǎn)物更少，放出的熱量更低，烤燃彈的熱安全性提高。

圖8 響應(yīng)時(shí)刻各組分分解質(zhì)量隨結(jié)構(gòu)的變化趨勢Fig. 8 Variation trend of decomposed mass with structures for each component at response time

為了進(jìn)一步驗(yàn)證復(fù)合裝藥對烤燃彈熱安全性的影響，獲得實(shí)際烤燃彈點(diǎn)火溫度與響應(yīng)等級，按照數(shù)值模擬的藥柱結(jié)構(gòu)組合狀態(tài)設(shè)計(jì)了5 組慢速烤燃試驗(yàn)，并設(shè)置熱電偶觀察烤燃彈溫度變化。

4 復(fù)合裝藥慢速烤燃試驗(yàn)驗(yàn)證

對5 組復(fù)合裝藥進(jìn)行慢速烤燃試驗(yàn)，編號分組及藥柱結(jié)構(gòu)與數(shù)值模擬計(jì)算模型完全相同，內(nèi)外層藥柱用蟲膠漆黏接，端蓋通過螺紋連接，分別在烤燃彈外壁和藥柱接觸面中心處設(shè)置溫度監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測烤燃過程中溫度的變化情況。復(fù)合裝藥烤燃彈如圖9 所示。

圖9 復(fù)合裝藥烤燃彈Fig. 9 Composite charge bombs

試驗(yàn)采用1 ℃·min?1的升溫速率進(jìn)行升溫，直至烤燃彈發(fā)生響應(yīng)。試驗(yàn)后回收殼體殘骸，如圖10所示。由圖10 可以看出，G1 組殼體完全碎裂成小塊，響應(yīng)等級為爆轟反應(yīng)；G2 組殼體仍能辨別大致輪廓，響應(yīng)等級為爆燃反應(yīng)；G3、G4、G5 組端蓋均被剪切沖開，有不同程度的破壞，殼體側(cè)壁保持完整，內(nèi)部有燃燒殘物，判定為燃燒及以下反應(yīng)。響應(yīng)時(shí)刻外壁與內(nèi)外層藥柱接觸面之間的溫度如圖11 所示。與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比可知，點(diǎn)火延遲時(shí)間的誤差均小于3.2%，點(diǎn)火溫度誤差均小于2%。

圖11 5 組慢速烤燃試驗(yàn)響應(yīng)時(shí)刻的溫度-時(shí)間曲線Fig. 11 Temperature-time curves of response time for five groups of slow cook-off tests

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，復(fù)合裝藥響應(yīng)時(shí)刻兩藥柱接觸面的響應(yīng)溫度均低于外壁溫度。各組試驗(yàn)中，響應(yīng)前殼體溫度與接觸面溫度的差值不同，推測是由于在熱電偶放置過程中出現(xiàn)了位置偏差（有的觸點(diǎn)接觸蟲膠漆層，有的接觸炸藥）。在G1、G3、G5 組試驗(yàn)溫度變化曲線中均能觀察到響應(yīng)前存在升

溫速率明顯降低過程，溫度均為200 ℃左右，這是由于RDX 燃燒時(shí)會在炸藥表面形成一層熔化層[15]，判斷是外層低敏感藥柱中的RDX 熔化吸熱。此外，隨著高能藥柱直徑的增加，溫度曲線由同一時(shí)刻發(fā)生突變轉(zhuǎn)變?yōu)榻佑|面溫度先急劇上升?？梢姡S著低敏感藥柱厚度的減小，點(diǎn)火點(diǎn)更靠近接觸面。

5 結(jié) 論

圖12 試驗(yàn)與數(shù)值模擬溫度擬合Fig. 12 Fitting of test and simulation temperatures

通過自行設(shè)計(jì)JH-2/JHB 單獨(dú)藥柱裝藥和復(fù)合藥柱裝藥，對不同結(jié)構(gòu)復(fù)合裝藥慢速烤燃響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探究了復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)對烤燃彈響應(yīng)點(diǎn)及響應(yīng)溫度的影響。在此基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬研究了復(fù)合裝藥烤燃過程內(nèi)部熱量傳遞規(guī)律，得到以下主要結(jié)論。

(1)單獨(dú)藥柱裝藥烤燃試驗(yàn)中，JHB 裝藥烤燃彈的響應(yīng)等級明顯低于JH-2 裝藥烤燃彈，低敏感炸藥可顯著降低裝藥響應(yīng)等級。

(2)復(fù)合裝藥烤燃響應(yīng)溫度隨外層JHB 低敏感藥柱厚度的增加而降低，響應(yīng)點(diǎn)位于外層低敏感藥柱靠近殼體的環(huán)狀區(qū)域，且隨著外層低敏感JHB 藥柱厚度的減小，點(diǎn)火點(diǎn)逐漸靠近藥柱之間的接觸面。當(dāng)外層JHB 低敏感炸藥厚度在一定范圍內(nèi)減小時(shí)，復(fù)合裝藥烤燃的響應(yīng)等級降低。

(3)對比復(fù)合藥柱G1 組試驗(yàn)和G2、G3、G4、G5 組試驗(yàn)，殼體均從端蓋處發(fā)生剪切變形，與單一JH 裝藥相比，高能藥柱直徑為19 mm 時(shí)響應(yīng)等級仍為爆炸，因而復(fù)合裝藥完全響應(yīng)前便在較薄的端蓋處完成泄壓。因此，合理設(shè)計(jì)復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)可以有效降低烤燃彈的響應(yīng)等級，且爆轟威力不會明顯減小。