炸藥裝藥烤燃特性的尺寸及約束效應(yīng)研究進(jìn)展

董澤霖，屈可朋，胡雪垚，肖 瑋

(西安近代化學(xué)研究所，西安 710065)

1 引言

隨著軍事技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境日趨復(fù)雜，對(duì)武器彈藥在戰(zhàn)場(chǎng)上生存能力的要求越來越高，基于此，美國(guó)等軍事強(qiáng)國(guó)首先提出了不敏感彈藥這一概念，彈藥安全性測(cè)試技術(shù)及低易損性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)也隨之建立和發(fā)展[1-3]，其中快速烤燃和慢速烤燃(可統(tǒng)稱為烤燃試驗(yàn))是相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的重要考核項(xiàng)目[4]。而炸藥裝藥是影響彈藥不敏感性能的核心因素，掌握烤燃試驗(yàn)中炸藥裝藥的響應(yīng)特性是開展不敏感彈藥設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[5-6]。

在研究快/慢速烤燃作用下彈藥內(nèi)部炸藥裝藥響應(yīng)特性時(shí)，最直觀和有效的手段是采用全尺寸裝藥試驗(yàn)，但其存在的缺點(diǎn)是：周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、危險(xiǎn)性大，且較少的樣本量難以說明其結(jié)果的可靠性。隨著相似理論以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外科研人員設(shè)計(jì)了大量的模型試驗(yàn)，獲取了不同結(jié)構(gòu)、尺寸下炸藥裝藥的反應(yīng)規(guī)律。但由于炸藥裝藥的反應(yīng)程度(燃燒、爆炸、爆轟等)受自身感度[7]、裝藥尺寸[8]、約束條件[9]等多種因素影響，當(dāng)模型與原型的幾何尺寸、邊界條件相差很大時(shí)，常常出現(xiàn)不服從經(jīng)典的相似規(guī)律的情況，存在顯著的尺寸和約束效應(yīng)，導(dǎo)致縮比模型試驗(yàn)結(jié)果與全尺寸裝藥試驗(yàn)結(jié)果存在較大差異，難以指導(dǎo)工程應(yīng)用。本文從炸藥裝藥尺寸、約束條件兩方面綜述了熱刺激下炸藥裝藥響應(yīng)特性的研究進(jìn)展，以期為縮比模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用提供參考。

2 炸藥裝藥結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)烤燃特性的影響

2.1 裝藥尺寸對(duì)烤燃特性的影響

炸藥裝藥的烤燃試驗(yàn)涉及熱傳導(dǎo)、化學(xué)分解、力學(xué)響應(yīng)等多個(gè)過程，而裝藥尺寸影響著熱傳導(dǎo)效率、化學(xué)反應(yīng)程度以及力學(xué)響應(yīng)參量的大小。Wardell等[10]通過設(shè)計(jì)烤燃試驗(yàn)，分析了烤燃環(huán)境下3種不同尺寸對(duì)HMX基、RDX基炸藥響應(yīng)程度的影響。馮曉軍等[11]設(shè)計(jì)了慢速烤燃試驗(yàn)裝置，對(duì)裝藥尺寸分別為φ10 mm×15 mm、φ20 mm×20mm、φ30 mm×30 mm、φ40 mm×40 mm、φ50 mm×50 mm的3種炸藥JB-B(TATB∶F26=95∶5)、TNT、R852進(jìn)行慢烤試驗(yàn)，得到了如表1所示的響應(yīng)結(jié)果[11]：炸藥裝藥尺寸會(huì)對(duì)不同炸藥環(huán)境臨界溫度和反應(yīng)劇烈程度產(chǎn)生不同影響。

表1 不同裝藥尺寸3種炸藥的響應(yīng)結(jié)果

其中，圖1(不同裝藥尺寸R852響應(yīng)結(jié)果)表明：炸藥自加速分解得到的氣體產(chǎn)物會(huì)隨著裝藥直徑的增大而增多，會(huì)引起炸藥內(nèi)部壓力提高，裂紋擴(kuò)展加劇，進(jìn)而導(dǎo)致更加劇烈的反應(yīng)發(fā)生；同時(shí)，隨著裝藥尺寸的增大，發(fā)生烤燃反應(yīng)的環(huán)境溫度會(huì)增高，當(dāng)裝藥尺寸增大到一定程度后，其對(duì)炸藥發(fā)生慢速烤燃反應(yīng)的環(huán)境溫度影響將會(huì)減小。在分析裝藥尺寸對(duì)烤燃試驗(yàn)影響的基礎(chǔ)上，考慮到升溫速率和炸藥受熱相變的影響，周捷[12]對(duì)3種裝藥尺寸的B炸藥進(jìn)行了不同升溫速率的慢烤試驗(yàn)，得到了B炸藥不同尺寸、不同升溫速率下的溫度變化曲線如圖2所示，從相變的角度分析，發(fā)現(xiàn)較大裝藥尺寸和升溫速率會(huì)導(dǎo)致炸藥完全相變之前響應(yīng)，反之，較小的裝藥尺寸和升溫速率的響應(yīng)則發(fā)生在完全相變之后。

圖1 不同裝藥尺寸R852響應(yīng)結(jié)果

圖2 不同升溫速率下尺寸與溫度的關(guān)系曲線

受制于安全因素與經(jīng)濟(jì)因素，進(jìn)行烤燃試驗(yàn)的試驗(yàn)彈尺寸往往較小且單一，不能滿足實(shí)際情況下對(duì)大尺寸裝藥或更靈活的裝藥尺寸熱安全性評(píng)估的需求。因此，數(shù)值模擬方法隨之出現(xiàn)，此方法可以用于：模擬烤燃試驗(yàn)中的細(xì)節(jié)過程，分析不適用于烤燃試驗(yàn)的炸藥裝藥尺寸，同時(shí)能夠獲得較為真實(shí)的點(diǎn)火位置、溫度分布與壓力分布等結(jié)果[13-15]。吳世勇等[16]基于Arrhenius方程建立了計(jì)算模型，通過商業(yè)有限元軟件LS-DYNA，分析了直徑分別為30 mm、60 mm、120 mm、480 mm的JB-9014炸藥裝藥的點(diǎn)火位置、溫度、時(shí)間和溫度分布，得到了如圖3所示的不同升溫速率尺寸與點(diǎn)火溫度的關(guān)系曲線，以及圖4所示的不同升溫速率尺寸與點(diǎn)火時(shí)間的關(guān)系曲線。結(jié)果表明：不同的升溫速率下，隨著炸藥尺寸的增大，響應(yīng)溫度和響應(yīng)時(shí)間均為先減小后增大，存在最小的響應(yīng)溫度和響應(yīng)時(shí)間，此時(shí)彈藥的理論熱安全性較差。

圖3 尺寸與點(diǎn)火溫度的關(guān)系曲線

圖4 尺寸與點(diǎn)火時(shí)間的關(guān)系曲線

由于應(yīng)用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值仿真往往需要基于一些假定，忽略一些實(shí)際條件，因此單純應(yīng)用該方法得到的結(jié)論可能缺少一定的真實(shí)性與說服性。由此出現(xiàn)了通過烤燃試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，再應(yīng)用仿真結(jié)果分析彈藥烤燃的反應(yīng)過程和機(jī)理，對(duì)彈藥在其他參數(shù)和條件下進(jìn)行合理預(yù)測(cè)的方法。

代曉淦等[17]通過應(yīng)用恒定升溫速率的烤燃試驗(yàn)裝置測(cè)量了不同尺寸的JOB-9003炸藥的溫度分布和響應(yīng)劇烈程度，基于Arrhenius方程建立了計(jì)算模型，應(yīng)用仿真軟件，分析對(duì)比了不同炸藥尺寸對(duì)溫度分布和響應(yīng)時(shí)間的影響。在分析裝藥尺寸影響的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步分析升溫速率的影響，牛余雷等[18]設(shè)計(jì)了3種不同尺寸，且可調(diào)節(jié)升溫速率的烤燃試驗(yàn)裝置，分析了烤燃條件下不同尺寸GHL01炸藥的響應(yīng)結(jié)果；同時(shí)通過Frank-Kamenetskii反應(yīng)模型[19]和McGuire-Tarver反應(yīng)模型[20]建立計(jì)算模型，進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果如表2所示[18]，通過對(duì)比分析炸藥尺寸變化對(duì)炸藥響應(yīng)溫度和反應(yīng)劇烈程度的影響發(fā)現(xiàn)：McGuire-Tarver反應(yīng)模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加符合。

表2 GHL01炸藥響應(yīng)溫度與升溫時(shí)間的數(shù)值模擬結(jié)果

采用McGuire-Tarver反應(yīng)模型計(jì)算出的不同裝藥直徑下升溫速率與臨界環(huán)境溫度的關(guān)系曲線如圖5所示，結(jié)果表明：隨著裝藥尺寸和升溫速率的增大，響應(yīng)溫度的增幅隨之升高。劉子德等[21]在使用可調(diào)節(jié)升溫速率的烤燃試驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上，采用了多點(diǎn)測(cè)溫的慢烤試驗(yàn)方法。對(duì)不同尺寸DNAN基炸藥進(jìn)行了烤燃試驗(yàn)和數(shù)值仿真，分析了尺寸和升溫速率對(duì)于炸藥點(diǎn)火溫度、點(diǎn)火位置和溫度分布的影響。結(jié)果表明：尺寸和升溫速率均對(duì)炸藥烤燃試驗(yàn)的響應(yīng)程度起重要影響。點(diǎn)火區(qū)域隨尺寸的增加而增加，其點(diǎn)火位置由中心向兩端和藥柱外壁遷移；而當(dāng)尺寸較大時(shí)，反應(yīng)位置與殼體邊緣的距離不再發(fā)生變化。同時(shí)也進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了炸藥響應(yīng)時(shí)的外壁溫度隨藥柱直徑的增加而降低。

圖5 不同裝藥直徑下升溫速率與臨界溫度關(guān)系曲線

2.2 裝藥長(zhǎng)徑比對(duì)烤燃特性的影響

在烤燃情況下，不同的裝藥長(zhǎng)徑比會(huì)影響到藥柱內(nèi)熱量的傳遞，進(jìn)而影響炸藥的響應(yīng)劇烈程度。趙亮等[22]以DNAN基熔鑄炸藥的長(zhǎng)徑比為主要研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了仿真模擬。得出了烤燃環(huán)境下，不同長(zhǎng)徑比對(duì)DNAN基炸藥點(diǎn)火位置、響應(yīng)溫度及溫度分布的影響。圖6展示了其響應(yīng)溫度與裝藥長(zhǎng)徑比的關(guān)系曲線，圖7展示了其響應(yīng)時(shí)間與裝藥長(zhǎng)徑比的關(guān)系曲線。結(jié)果表明，在該研究條件下，炸藥的響應(yīng)溫度、響應(yīng)時(shí)間均隨長(zhǎng)徑比的增加而降低。

圖6 響應(yīng)溫度與長(zhǎng)徑比關(guān)系曲線

圖7 響應(yīng)時(shí)間與長(zhǎng)徑比關(guān)系曲線

為了進(jìn)一步分析不同炸藥的裝藥長(zhǎng)徑比影響，趙亮[23]對(duì)不同長(zhǎng)徑比的DNAN基炸藥和JH-95炸藥進(jìn)行了多次同尺寸烤燃試驗(yàn)，減少了偶然誤差，且獲得了長(zhǎng)徑比對(duì)2種炸藥耐烤時(shí)間、環(huán)境臨界溫度和響應(yīng)劇烈程度的影響；對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬后得到如圖8所示的DNAN基炸藥和JH-95炸藥的長(zhǎng)徑比與響應(yīng)溫度關(guān)系曲線。其結(jié)果表明：炸藥長(zhǎng)徑比較小時(shí)，響應(yīng)溫度較高；當(dāng)炸藥長(zhǎng)徑比逐漸增大時(shí)，其響應(yīng)溫度逐漸降低，反應(yīng)時(shí)間逐漸縮短；炸藥長(zhǎng)徑比對(duì)于熱烤試驗(yàn)的影響存在臨界值，當(dāng)長(zhǎng)徑比增大到達(dá)臨界值后響應(yīng)溫度不再變化，反應(yīng)位置向兩端靠近，當(dāng)藥柱長(zhǎng)度較大時(shí)，其反應(yīng)位置與兩端的距離不再發(fā)生變化。因此，在一定范圍內(nèi)長(zhǎng)徑比較小的炸藥熱安全性往往優(yōu)于長(zhǎng)徑比較大的炸藥。

圖8 裝藥長(zhǎng)徑比與響應(yīng)溫度關(guān)系曲線

現(xiàn)有烤燃試驗(yàn)雖然種類繁多，但由于研究目的存在差異，導(dǎo)致不同種炸藥烤燃試驗(yàn)的尺寸、加熱條件、試驗(yàn)裝置等各不相同，難以對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用起到直接指導(dǎo)性作用。在數(shù)值仿真方面，所選參量及建立模型均難以通過試驗(yàn)全面校準(zhǔn)，其準(zhǔn)確度有待提升。

3 炸藥裝藥約束對(duì)其烤燃特性的影響

3.1 殼體對(duì)烤燃特性的影響

在烤燃過程中，殼體的材料、厚度、約束能力會(huì)影響到熱量的傳導(dǎo)和裂紋的擴(kuò)展，進(jìn)而影響到烤燃彈的耐烤時(shí)間及反應(yīng)劇烈程度。為了分析殼體對(duì)烤燃特性的影響，智小琦等[24]以2 K/min的升溫速率，對(duì)殼體尺寸為23 mm×28 mm的不同厚度鈍化RDX進(jìn)行烤燃試驗(yàn)，得到了殼體厚度與響應(yīng)時(shí)間的擬合曲線。得出了以下結(jié)論：當(dāng)其他條件不變時(shí)，鈍化RDX的熱安全性隨殼體厚度的增加而增加。在此研究的基礎(chǔ)上，胡雙啟等[25]考慮到裝藥密度可能帶來的影響，統(tǒng)一了不同厚度殼體的裝藥密度，同時(shí)采用了可調(diào)節(jié)升溫速率、可記錄溫度——時(shí)間曲線的烤燃試驗(yàn)裝置，殼體材料選用了45號(hào)鋼，對(duì)不同殼體厚度的鈍化RDX進(jìn)行烤燃試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，得到了不同殼體厚度下鈍化RDX的耐烤時(shí)間和響應(yīng)劇烈程度。數(shù)據(jù)表明：彈藥響應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)劇烈程度隨著殼體厚度的增加而減弱?？紤]到單次烤燃試驗(yàn)可能存在一定的偶然性，張晉元等[26]對(duì)不同殼體厚度下的鈍化RDX進(jìn)行多次慢烤試驗(yàn)，從而獲得更接近實(shí)際情況的結(jié)果，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示[26]。并依據(jù)美軍ML-STD-2105標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比對(duì)，進(jìn)一步驗(yàn)證了耐烤時(shí)間和熱安全性均隨殼體厚度增加而提高。綜上所述，可以看出：隨著殼體厚度的增加，約束強(qiáng)度隨之提升，材料從蠕動(dòng)到裂紋產(chǎn)生，再到裂紋擴(kuò)展所需的能量增加，使擴(kuò)展有效裂紋的能量減少，且可承受的應(yīng)力更大，從而提高了彈藥的熱安全性。

表3 不同殼體厚度慢速烤燃

圖9 不同厚度鋼殼體破片狀態(tài)

3.2 泄壓結(jié)構(gòu)對(duì)烤燃特性的影響

慢速烤燃過程中，炸藥受熱膨脹同時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不同的密封條件將影響到殼體內(nèi)部壓力累積程度，進(jìn)而對(duì)炸藥的烤燃特性產(chǎn)生較大影響。因此，為了定性分析烤燃過程中泄壓結(jié)構(gòu)對(duì)炸藥烤燃特性的影響，陳科全等[27]基于Kinney等[28]對(duì)于彈體內(nèi)炸藥分解燃燒時(shí)的壓強(qiáng)增長(zhǎng)率的研究，設(shè)計(jì)了一種彈體排氣緩釋結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行慢烤試驗(yàn)研究。得到了烤燃條件下，排氣泄壓結(jié)構(gòu)對(duì)熔鑄炸藥RHT-1響應(yīng)時(shí)間、環(huán)境臨界溫度、反應(yīng)劇烈程度的影響，如表4所示[27]，證明了排氣泄壓結(jié)構(gòu)對(duì)于提高炸藥熱安全性的重要作用。

表4 慢烤試驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步定量分析泄壓結(jié)構(gòu)面積占比的影響，智小琦等[29]利用油浴加熱的烤燃試驗(yàn)裝置，對(duì)不同密封條件的鈍化RDX裝藥進(jìn)行多次烤燃平行試驗(yàn)，分析了泄壓孔與藥柱面積的比值對(duì)炸藥烤燃特性的影響。結(jié)果表明：烤燃條件下，鈍化RDX的響應(yīng)劇烈程度隨泄壓孔與藥柱表面相對(duì)面積的增加而降低，一定條件的減弱密封條件能夠降低炸藥火烤易損性。

為了分析泄壓結(jié)構(gòu)對(duì)不同炸藥的烤燃特性是否存在同一性，鄧海等[30]利用自行設(shè)計(jì)的慢速烤燃試驗(yàn)裝置，對(duì)尺寸為φ40 mm×60 mm的無殼體B炸藥，尺寸為φ25 mm×50 mm無排氣孔、含φ4 mm及φ8 mm的熔鑄B炸藥進(jìn)行烤燃試驗(yàn)?；诳救荚囼?yàn)結(jié)果，分析發(fā)現(xiàn)：泄壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以有效抑制殼體內(nèi)部壓力的升高，進(jìn)而降低B炸藥的慢烤易損性。沈飛等[31]以裝藥橫截面積與泄壓孔的比值為變量，對(duì)HMX基含鋁炸藥進(jìn)行慢烤試驗(yàn)，得到如圖10所示，根據(jù)不同密封條件下的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)約束較強(qiáng)時(shí)，裝藥橫截面積與泄壓孔的比值需達(dá)到30%以上，這時(shí)對(duì)于熱安全性的提升較為明顯；但當(dāng)該面積比到增大一定值后，殼體強(qiáng)度是殼體是否受損的決定性因素。因此，為提高炸藥的熱安全性，使其慢速烤燃時(shí)的反應(yīng)為較為溫和的燃燒反應(yīng)，在不影響炸藥性能的前提下，可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的泄壓結(jié)構(gòu)保證其熱安全性[32-34]。

圖10 不同面積比泄壓孔的彈藥響應(yīng)殘骸

3.3 物理界面及自由空間對(duì)烤燃特性的影響

自由空間是指在炸藥藥柱與殼體之間往往存在的一定的空隙。而當(dāng)自由空間中存在空氣或惰性材料時(shí)，則被稱為物理界面?？救歼^程中，烤燃彈內(nèi)物理界面或自由空間將會(huì)影響到實(shí)際裝藥量及彈體內(nèi)部溫度梯度，進(jìn)而對(duì)炸藥烤燃特性產(chǎn)生較大影響。因此，于永利等[35]對(duì)相同殼體內(nèi)徑下，不同自由空間占比的鈍化RDX進(jìn)行烤燃試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，通過分析烤燃試驗(yàn)結(jié)果，得到了自由空間對(duì)彈藥耐烤時(shí)間、點(diǎn)火溫度及反應(yīng)劇烈程度的影響。

圖11 不同自由空間占比下烤燃響應(yīng)程度

為了分析物理界面對(duì)于彈藥烤燃特性的影響，高峰等[36]對(duì)不同的物理界面進(jìn)行烤燃試驗(yàn)，得到了如表5所示[36]的物理界面厚度和所含介質(zhì)對(duì)RDX基炸藥響應(yīng)程度和耐烤時(shí)間的影響結(jié)果；并應(yīng)用Fluent軟件進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)選擇空氣界面作為物理界面時(shí)，雖然能夠增加烤燃的響應(yīng)溫度和響應(yīng)時(shí)間，但相應(yīng)的烤燃響應(yīng)的劇烈程度也會(huì)提高。選擇惰性材料涂層為物理界面時(shí)，在增加烤燃響應(yīng)溫度和響應(yīng)時(shí)間的同時(shí)，也能夠降低炸藥的響應(yīng)劇烈程度，且一定條件下，環(huán)境臨界溫度和耐烤時(shí)間也會(huì)隨著物理界面厚度的適當(dāng)增加而提高。

表5 不同物理界面的烤燃試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

近年來，國(guó)內(nèi)外在裝藥結(jié)構(gòu)尺寸、約束條件對(duì)其烤燃特性的影響研究方面開展了大量工作，加深了對(duì)炸藥裝藥安全性的認(rèn)識(shí)。但也存在縮比彈結(jié)構(gòu)與實(shí)彈結(jié)構(gòu)差異大、試驗(yàn)過程實(shí)測(cè)參量少、小尺寸試驗(yàn)結(jié)果難以預(yù)估全尺寸實(shí)彈的問題。而通過模型試驗(yàn)預(yù)估全尺寸實(shí)彈安全特性，進(jìn)而降低研制風(fēng)險(xiǎn)，是實(shí)彈設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。因此，建議結(jié)合實(shí)彈結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境，深入開展以下研究工作：

1)基于不同類型彈藥裝藥結(jié)構(gòu)和約束條件，設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)彈及加載條件設(shè)計(jì)，使模型試驗(yàn)工況與實(shí)彈工況具有良好的等效性。

2)加強(qiáng)烤燃試驗(yàn)過程中炸藥響應(yīng)參量的監(jiān)測(cè)，獲得不同反應(yīng)等級(jí)時(shí)相關(guān)參量的變化規(guī)律，確定影響反應(yīng)等級(jí)的關(guān)鍵參量及其閾值。

3)在滿足實(shí)彈使用性能的基礎(chǔ)上，獲取實(shí)彈裝藥約束條件對(duì)其反應(yīng)等級(jí)的影響規(guī)律，確定兼顧使用性能與不敏感性能的最優(yōu)約束狀態(tài)。

4)在一定尺度范圍內(nèi)，構(gòu)建典型炸藥烤燃特性的等效性模型，實(shí)現(xiàn)小尺寸裝藥烤燃試驗(yàn)結(jié)果對(duì)大尺寸裝藥烤燃試驗(yàn)結(jié)果的有效預(yù)測(cè)，降低全尺寸彈藥安全性試驗(yàn)成本和周期。