2,4-二硝基苯甲醚基熔鑄炸藥的烤燃機(jī)理分析

段 繼,智小琦

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 太原 030051)

0 引言

2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)是一種感度和毒性都低于TNT的炸藥,是不敏感熔鑄炸藥的良好載體。美國于1960年首次研制出一系列以DNAN為載體的塑性鈍感炸藥并投入生產(chǎn)[1]。近些年國內(nèi)外關(guān)于DNAN的研究也從未間斷。王紅星等[2]研究了DNAN在RDX中的非等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué),得到了結(jié)晶動(dòng)力學(xué)活化能的計(jì)算方法。陳朗等[3]試驗(yàn)研究了純DNAN炸藥的烤燃特性,得到了純DNAN的熔化溫度和點(diǎn)火溫度,并進(jìn)行了仿真研究。 朱道理等[4]試驗(yàn)研究了DNAN/HMX熔鑄炸藥的流變特性,得到了固相組分含量、粒子尺寸及溫度對(duì)懸浮態(tài)炸藥流變特性的影響。由于流變特性的存在,熔鑄炸藥的烤燃過程最為復(fù)雜。相變后炸藥內(nèi)部出現(xiàn)自然對(duì)流,導(dǎo)致傳熱特性發(fā)生變化,而懸浮態(tài)炸藥的粘度又直接對(duì)炸藥流變產(chǎn)生影響。

為了研究2,4-二硝基苯甲醚基熔鑄炸藥熱刺激下的傳熱和響應(yīng)特性,在1 ℃/min升溫速率下進(jìn)行了3種尺寸的烤燃試驗(yàn),測(cè)試了炸藥內(nèi)部的溫度變化曲線,得到了測(cè)點(diǎn)位置的熔化和點(diǎn)火溫度以及響應(yīng)等級(jí)。建立了耦合RDX在熔化DNAN中的溶解度、懸浮態(tài)炸藥表觀粘度和多組分多步反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的仿真模型,計(jì)算并分析了不同尺寸烤燃試件內(nèi)部的溫度場(chǎng)變化、熔化后懸浮態(tài)的流動(dòng)特性以及尺寸對(duì)響應(yīng)特性的影響,為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)2,4-二硝基苯甲醚基熔鑄炸藥在熱刺激下的響應(yīng)機(jī)制和熱安定性提供了理論依據(jù)。

1 烤燃試驗(yàn)

烤燃試驗(yàn)裝置如圖1所示。主要由炸藥、鋼質(zhì)殼體和端蓋組成。端蓋采用螺紋連接并密封,端蓋壁厚為1 mm,殼體壁厚為3 mm。熔鑄炸藥主要成分為RDX/DNAN/Al (41/34/25)。設(shè)置φ19 mm×19 mm、φ19 mm×38 mm、φ19 mm×76 mm三種裝藥尺寸,炸藥內(nèi)部設(shè)置TC1和TC2兩個(gè)測(cè)點(diǎn),分別位于炸藥幾何中心和水平偏心6 mm處。

圖1 烤燃試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)時(shí)將試件置于烤燃爐中,升溫速率設(shè)置為1 ℃/min,根據(jù)熱電偶測(cè)試得到的溫度-時(shí)間曲線,獲取測(cè)點(diǎn)處炸藥的熔化溫度和點(diǎn)火溫度,根據(jù)響應(yīng)后判斷出響應(yīng)等級(jí)。

2 RDX在DNAN中的溶解度

研究表明RDX在DNAN中的溶解度的變化將影響混合炸藥懸浮液的表觀粘度,而表觀粘度是決定混合炸藥內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)的重要參量。對(duì)于熔鑄炸藥而言,內(nèi)部流動(dòng)計(jì)算結(jié)果將直接影響熱響應(yīng)機(jī)理的正確性,因此,構(gòu)建考慮RDX溶解度的模型分析方法是有必要的。

羅觀等[5]通過試驗(yàn)得到了87～96 ℃溫度下RDX在DNAN中的溶解度,Phil J.Davies和Arthur Provatas[6]測(cè)得了100～150 ℃下RDX在DNAN中的溶解度,測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 RDX在100 g DNAN中的溶解度

依據(jù)Mcclelland外推法,混合炸藥中RDX溶解度隨溫度的變化符合以下關(guān)系[9]

(1)

式中:φ0表示RDX在DNAN中的溶解質(zhì)量分?jǐn)?shù);T表示溫度(℃);Tm.RDX表示RDX的熔點(diǎn)(℃);Tm.DNAN表示DNAN在混合物中的熔點(diǎn)(℃)。ai表示擬合系數(shù)。擬合結(jié)果見表2。RDX溶解度-溫度曲線見圖2。

表2 RDX溶解度擬合系數(shù)

圖2 RDX溶解度-溫度曲線

3 懸浮態(tài)熔鑄炸藥表觀粘度

DNAN與TNT的物理性質(zhì)相似,這里假設(shè)懸浮態(tài)DNAN基熔鑄炸藥粘度符合Quemada模型

(2)

式中:μapp表示懸浮液的表觀粘度(Pa·s);μc表示沒有固體懸浮顆粒下的液體粘度(Pa·s);φmax表示懸浮液最大固相粒子體積分?jǐn)?shù)。對(duì)于RDX而言,φmax很大程度決定于RDX粒子間相互作用,取φmax=0.713[10]。φ可依據(jù)方程(1)計(jì)算得到。

假設(shè)RDX-DNAN連續(xù)相體系的液體粘度表達(dá)式形式與RDX-TNT連續(xù)相體系相似,可表示為[11]

μc=α(T-Tm)β

(3)

式中:T為當(dāng)前溫度(℃);Tm為RDX-DNAN連續(xù)相體系的熔化溫度(℃);α和β為擬合系數(shù)。基于激擾法和相似性原理,結(jié)合烤燃試驗(yàn)修正,RDX-DNAN體系擬合系數(shù)取值分別為0.127和-0.304。

4 混合炸藥多步反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

混合炸藥在熱刺激條件下,各組分遵循各自的分解規(guī)律,其中固相組分RDX表現(xiàn)出明顯的多步反應(yīng)特性。隨著炸藥內(nèi)部反應(yīng)的進(jìn)行,熱量逐漸積累,炸藥溫度升高,加速了自熱分解反應(yīng)放出更多熱量,最終發(fā)生點(diǎn)火。對(duì)炸藥內(nèi)部各組分的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程描述準(zhǔn)確與否,是模擬計(jì)算預(yù)測(cè)混合炸藥內(nèi)部反應(yīng)動(dòng)力學(xué)變化的關(guān)鍵。采用多步熱分解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型,能更準(zhǔn)確的描述反應(yīng)過程中發(fā)生的吸熱和放熱反應(yīng)對(duì)總體反應(yīng)的影響,是對(duì)炸藥熱響應(yīng)更科學(xué)的分析。

RDX熱分解過程采用三步四物質(zhì)反應(yīng)機(jī)制描述[12]:

A→Br1=Z1exp(-E1/RT)ρA

(4)

B→Cr2=Z2exp(-E2/RT)ρB

(5)

DNAN多步反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制未見報(bào)道,依然以單步反應(yīng)來描述DNAN的反應(yīng)過程為

E→Fr4=Z4exp(-E4/RT)ρE

(7)

式中:A表示RDX;B表示固體中間產(chǎn)物;C和D表示氣體產(chǎn)物;E表示DNAN;F表示氣體產(chǎn)物;ρi表示組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù);Zi表示指前因子;Ei表示活化能;ri表示反應(yīng)速率;R表示氣體摩爾常數(shù);T表示溫度,反應(yīng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算中的溫度單位為K。炸藥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)見表3[3,11]。炸藥中的鋁粉在發(fā)生點(diǎn)火前可認(rèn)為是惰性物質(zhì)。

表3 炸藥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)

5 混合炸藥的熱物性參數(shù)

在混合炸藥仿真計(jì)算中,將單元網(wǎng)格看作多組分混合網(wǎng)格,混合炸藥的熱物性參數(shù)可通過各組分計(jì)算得到。各組分的熱物性參數(shù)見表4。

表4 RDX[11],DNAN[3],Al和鋼的熱物性參數(shù)

混合炸藥比熱和導(dǎo)熱系數(shù)分別依據(jù)質(zhì)量調(diào)和平均和體積調(diào)和平均來計(jì)算[3],比熱和導(dǎo)熱系數(shù)可表示為

結(jié)合試驗(yàn)可得到混合炸藥熱物性參數(shù),見表5。

6 結(jié)果與討論

圖3為3種裝藥尺寸試件的響應(yīng)結(jié)果,殼體結(jié)構(gòu)基本完好,炸藥響應(yīng)內(nèi)部壓力升高,端蓋受剪切破壞,殼體內(nèi)部和端蓋留有白色炸藥產(chǎn)物。其中,φ19 mm×19 mm和φ19 mm×38 mm試件為上端蓋剪切破壞,φ19 mm×76 mm試件為上下兩端蓋剪切破壞。分析試驗(yàn)后效認(rèn)為,在1 ℃/min升溫速率下,3種裝藥尺寸試件均未發(fā)生爆炸反應(yīng),響應(yīng)等級(jí)為燃燒反應(yīng)。試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)見表6。

表6 烤燃試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖3 烤燃試驗(yàn)響應(yīng)結(jié)果

從炸藥熔化溫度的測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同尺寸的DNAN基混合炸藥的熔點(diǎn)基本相同約87 ℃,均低于純DNAN的熔點(diǎn)(95 ℃),其原因是部分RDX組分溶解于DNAN中,形成了低共熔體系。受到懸浮態(tài)炸藥內(nèi)部自然對(duì)流傳熱的影響,隨著試件尺寸的增大,炸藥內(nèi)部溫度不均勻程度沿軸向逐漸增大;臨界點(diǎn)火時(shí)炸藥熱分解導(dǎo)致的熱積聚在自然對(duì)流的作用下遠(yuǎn)離炸藥中心,中心測(cè)點(diǎn)溫度隨裝藥尺寸的增加而降低,預(yù)點(diǎn)火階段中心溫度與壁面溫度的最大溫差近16 ℃;小尺寸試件內(nèi)部的溫度分布更均勻,點(diǎn)火所需時(shí)間更長。

對(duì)φ19 mm×19 mm、φ19 mm×38 mm、φ19 mm×76 mm 3種裝藥尺寸的試件進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,溫度歷程匹配良好,較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)了不同尺寸試件的點(diǎn)火位置,見表7。

表7 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比

測(cè)點(diǎn)處試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的溫度曲線對(duì)比如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)和計(jì)算T-t曲線

分析計(jì)算云圖發(fā)現(xiàn),φ19 mm×19 mm和φ19 mm×38 mm試件的預(yù)點(diǎn)火位置在上端,而φ19 mm×76 mm試件的預(yù)點(diǎn)火位置在上下兩端,這與烤燃試驗(yàn)φ19 mm×19 mm和φ19 mm×38 mm試件上端蓋剪切破壞,φ19 mm×76 mm試件上下端剪切破壞試驗(yàn)后效一致。

φ19 mm×19 mm試件內(nèi)部流動(dòng)引起的熱積聚區(qū)域移動(dòng)過程見圖5。從圖5(a)可以看到,炸藥近壁面處溫度剛剛達(dá)到熔化溫度(87 ℃)時(shí),溫度場(chǎng)呈對(duì)稱橢圓狀分布,且熔化引起內(nèi)部密度差導(dǎo)致內(nèi)部未熔化炸藥緩慢向下運(yùn)動(dòng);圖5(b)所示,隨著炸藥分解釋放熱量的積聚,在對(duì)流傳熱的作用下,高溫區(qū)域向上移動(dòng);圖5(c)所示,隨著上端熱積聚效應(yīng)的增加,內(nèi)部流動(dòng)也隨著溫度分布而變化,高溫區(qū)域流動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹行南蛏蟽蓚?cè)向下流動(dòng),高溫區(qū)域逐漸向中心移動(dòng);圖5(d)所示,點(diǎn)火時(shí)高溫區(qū)域下移至接近中心處。

圖5 φ19 mm×19 mm典型時(shí)刻云圖

預(yù)點(diǎn)火階段高溫區(qū)域主要分布在試件上端,上端反應(yīng)速率快,氣體產(chǎn)物集中于上端,因此φ19 mm×19 mm試件上端產(chǎn)生剪切破壞。對(duì)于φ19 mm×19 mm試件,點(diǎn)火位置為中心處。

19 mm×38 mm試件在預(yù)點(diǎn)火階段的內(nèi)部溫度和流動(dòng)變化與φ19 mm×19 mm試件相似,典型時(shí)刻云圖如圖6所示。預(yù)點(diǎn)火階段熱積聚高溫區(qū)域先向上移動(dòng),隨著熱積聚程度的增加,逐漸向中心移動(dòng),點(diǎn)火區(qū)域在近中心處。

圖6 φ19 mm×38 mm典型時(shí)刻云圖

φ19 mm×76 mm試件在預(yù)點(diǎn)火階段,熱積聚區(qū)域同樣向上端移動(dòng),但由于軸向尺寸增加,下端與低溫區(qū)域的溫差增大,導(dǎo)致下端逐漸產(chǎn)生第二個(gè)熱積聚高溫區(qū)域。19 mm×76 mm試件為上下兩端點(diǎn)火。φ19 mm×76 mm典型時(shí)刻云圖如圖7所示。

圖7 φ19 mm×76 mm典型時(shí)刻云圖

對(duì)比了相同時(shí)刻3種尺寸的溫度場(chǎng)分布,對(duì)比云圖如圖8所示。流動(dòng)對(duì)于溫度分布的影響是非常明顯的,隨著軸向尺寸的增加,流動(dòng)對(duì)點(diǎn)火位置的影響逐漸減小。

圖8 相同時(shí)刻不同尺寸的溫度場(chǎng)對(duì)比

7 結(jié)論

1) 裝藥尺寸為φ19 mm×19 mm、φ19 mm×38 mm、φ19 mm×76 mm的DNAN基熔鑄炸藥,點(diǎn)火溫度隨裝藥尺寸的增大而降低,分別為196.7、184.6、180.9 ℃,3種裝藥尺寸的響應(yīng)等級(jí)均為燃燒反應(yīng)。

2) DNAN基熔鑄炸藥預(yù)點(diǎn)火階段內(nèi)部呈明顯的階段性溫度分布特性,熔化前炸藥內(nèi)部溫度場(chǎng)呈對(duì)稱橢圓形分布,熔化后受密度差和粘性流動(dòng)的影響逐漸形成中心向下兩側(cè)向上的緩慢流動(dòng),隨著炸藥自熱反應(yīng)的加劇,先在炸藥上端形成內(nèi)熱高溫區(qū),再向中心擴(kuò)散,流動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹行南蛏蟽蓚?cè)向下的緩慢流動(dòng)。

3) 點(diǎn)火位置與尺寸有關(guān),φ19 mm×19 mm和φ19 m×38 mm試件在近中心處發(fā)生點(diǎn)火,φ19 mm×76 mm試件軸向尺寸增加了中心與兩端溫差,伴隨自熱反應(yīng)的加劇,在下端產(chǎn)生另一個(gè)內(nèi)熱高溫區(qū),最終在上下兩端非對(duì)稱性點(diǎn)火。