引信的隔熱與緩釋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

焦 敏,陳 翔,宋乙丹,劉 濤

(1.中國(guó)工程物理研究院 電子工程研究所, 四川 綿陽(yáng) 621999;2.中國(guó)工程物理研究院 化工材料研究所, 四川 綿陽(yáng) 621999)

0 引言

武器彈藥的不敏感設(shè)計(jì)主要是針對(duì)彈藥中含炸藥的各部組件在經(jīng)歷高溫、撞擊等意外刺激時(shí)的設(shè)計(jì)改進(jìn)。對(duì)彈藥設(shè)計(jì)緩釋結(jié)構(gòu)、包覆隔熱層是降低其反應(yīng)劇烈程度的有效途徑。Kelly[1]通過(guò)對(duì)侵徹戰(zhàn)斗部頭部設(shè)計(jì)多孔泄壓的方式使得快速烤燃慢速烤燃試驗(yàn)反應(yīng)等級(jí)降為燃燒;沈飛等[2]對(duì)公斤級(jí)裝藥的烤燃彈設(shè)計(jì)泄壓通道實(shí)現(xiàn)了可靠泄壓,避免裝藥反應(yīng)的進(jìn)一步增長(zhǎng);陳科全等[3]設(shè)計(jì)了一種彈體排氣緩釋結(jié)構(gòu)可顯著降低熔鑄炸藥火燒時(shí)反應(yīng)等級(jí)同時(shí)延長(zhǎng)慢烤反應(yīng)時(shí)間;王洪波等[4]研究發(fā)現(xiàn)隔熱彈衣可有效延遲裝藥點(diǎn)火反應(yīng)時(shí)間,楊筱等[5]研究炸藥隔熱層存在臨界厚度,且隨升溫速率的增大而減小?？偟膩?lái)說(shuō),我國(guó)對(duì)于彈藥在泄壓緩釋及隔熱包覆方面開(kāi)展了相關(guān)研究,并取得一定的成果。而引信作為彈藥系統(tǒng)中重要組成部分,引信的不敏感設(shè)計(jì)對(duì)提高彈藥系統(tǒng)安全性有重要意義[6]。因引信處于彈體內(nèi)部,所以相比于撞擊環(huán)境,圍繞高溫環(huán)境條件下控制引信響應(yīng)的劇烈程度是引信不敏感設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一,我國(guó)在引信傳爆藥烤燃試驗(yàn)中的熱反應(yīng)過(guò)程演變等方面開(kāi)展了研究[7-9],但對(duì)降低引信反應(yīng)劇烈程度方面的設(shè)計(jì)報(bào)道較少[10-11],所以研究引信熱緩釋設(shè)計(jì)來(lái)降低其反應(yīng)劇烈程度對(duì)改善彈藥整體安全性具有重要意義。

本研究以引信傳爆藥盒模擬件和引信簡(jiǎn)化模擬件為對(duì)象,獲得能發(fā)揮有效緩釋作用的泄壓面積設(shè)計(jì)、隔熱材料選型設(shè)計(jì)方法,通過(guò)快速烤燃、慢速烤燃試驗(yàn)驗(yàn)證了2種緩釋設(shè)計(jì)的效果,以期為引信的不敏感設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 熱緩釋設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)

由于引信的熱敏感部位主要集中在含火工品炸藥的位置,即其傳爆序列組件,因此,本研究中采用2種模擬件進(jìn)行研究,一是將傳爆序列組件簡(jiǎn)化為傳爆藥盒作為對(duì)象,通過(guò)設(shè)計(jì)傳爆藥盒的泄放面積大小來(lái)達(dá)到熱緩釋的效果;二是以引信簡(jiǎn)化模擬件為對(duì)象,通過(guò)對(duì)外表面涂覆不同厚度隔熱材料來(lái)達(dá)到熱緩釋的效果。

傳爆藥盒材料為鋁合金,殼體厚度為4 mm,內(nèi)腔尺寸Φ20 mm×31 mm,炸藥藥柱采用以RDX為基的裝藥,其密度為1.65 g/cm3,主要組分為RDX、氟橡膠和石墨(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96.5%、3.0%、0.5%)。傳爆藥盒結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,分為3類:① 殼體不設(shè)計(jì)泄壓孔,殼體與端蓋的連接關(guān)系與全引信保持一致;② 殼體設(shè)計(jì)泄壓孔,通過(guò)泄壓孔面積的設(shè)計(jì)達(dá)到泄放目的,藥柱與殼體間無(wú)裝配膠;③ 殼體設(shè)計(jì)泄壓孔滿足泄放目的,藥柱與殼體之間涂覆裝配膠,驗(yàn)證裝配膠對(duì)泄放的作用。

圖1 傳爆藥盒示意圖

引信簡(jiǎn)化模擬件,將電路組件部分采用等效件,傳爆藥盒殼體、引信殼體結(jié)構(gòu)和材料及傳爆藥盒與殼體的連接關(guān)系與全引信保持一致,結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 引信簡(jiǎn)化模擬件示意圖Fig.2 Schematic of simplified fuze

1.2 泄放面積設(shè)計(jì)

熱環(huán)境下的能量泄放,就是解決在炸藥燃燒時(shí)壓力增長(zhǎng)與釋放之間平衡的問(wèn)題。Kinney and Sewell[12]依據(jù)內(nèi)彈道中含能材料燃燒的規(guī)律,得到壓力增長(zhǎng)率為

(1)

式中:R為普適氣體常數(shù),取8.314 J/(mol·K),V為體積(m3);TB為火焰溫度(K);M為燃燒時(shí)氣體產(chǎn)物分子的平均摩爾質(zhì)量(kg/mol);ρ為炸藥的密度(kg/m3);T0為點(diǎn)火時(shí)刻的炸藥溫度(K);α、A、B為炸藥燃燒速率與溫度之間的關(guān)系,通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得。SB為燃燒面積(m2);P為絕對(duì)壓強(qiáng)。

Graham等[13]得到的壓力釋放率公式

(2)

式中:AV為泄壓面積,CD為排氣系數(shù)(0.6～1.0),當(dāng)泄壓孔為圓形時(shí),取0.82;a*為氣體通過(guò)氣孔的速度。

為使傳爆藥穩(wěn)定燃燒而不發(fā)生爆轟反應(yīng),氣體的壓力釋放率大于等于傳爆藥燃燒的氣體壓力增長(zhǎng)率。所以,

(3)

才能達(dá)到釋放壓力的作用。

所以,這里根據(jù)胡榮祖等[14]得到RDX(C3H6N6O6)密度1 660 kg/m3,氣體產(chǎn)物平均摩爾質(zhì)量為27.2 g/mol。Sinditskii等[15]的試驗(yàn)得到RDX相關(guān)的燃燒速率與溫度之間的關(guān)系,得到α為10-8m/(s·K),A為34.089,B為0.028 53 K-1。根據(jù)Graham等[13]研究成果,這里氣體通過(guò)氣孔的速度為735 m/s。試驗(yàn)測(cè)試得到點(diǎn)火溫度為463 K,由此計(jì)算出傳爆藥盒泄壓孔的孔徑大于等于1.1 mm,取整后取最小孔徑為2 mm。

1.3 隔熱材料選型設(shè)計(jì)

在高溫高熱環(huán)境下,隔熱材料的選擇不僅考慮隔熱效果,還要考慮材料的防火性能[16]。這里選擇以防火阻燃樹(shù)脂復(fù)合改性阻燃樹(shù)脂材料為基礎(chǔ),調(diào)節(jié)阻燃劑、成炭劑、隔熱填料、發(fā)泡劑以及助劑和溶劑的比例。通過(guò)對(duì)2、4 mm厚度隔熱防護(hù)涂層的樣品(見(jiàn)圖3)進(jìn)行加熱測(cè)試。測(cè)試在500、600、800、1 000 ℃加熱時(shí)涂層樣品背面溫度情況,發(fā)現(xiàn)阻燃隔熱性能與涂層厚度成正相關(guān),如圖4所示。而測(cè)試后的樣品如圖5(a)和圖5(b)所示,發(fā)現(xiàn)涂層表面均有部分裂紋,這種裂紋的存在一方面大大降低了涂層本身的阻燃隔熱效果,另一方面,高溫火焰可通過(guò)裂紋對(duì)涂層內(nèi)部材料進(jìn)行燒蝕,這也加速了涂層的失效速度。在測(cè)試過(guò)程中,樣品表面均出現(xiàn)了碳層,碳層的存在將大大提高了涂層的熱輻射性能,同時(shí)對(duì)涂層的阻燃隔熱性能也有了一定程度提升。因此,將采用引信模擬件進(jìn)行2、4 mm隔熱防火涂層材料的涂覆。

圖3 涂層樣品

圖5 不同溫度測(cè)試后樣品狀態(tài)

2 兩種熱緩釋設(shè)計(jì)的試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 泄壓孔設(shè)計(jì)的慢烤試驗(yàn)結(jié)果及分析

將傳爆藥盒試驗(yàn)件放置在見(jiàn)證鋼盒內(nèi),慢烤箱在產(chǎn)品表面布置溫度傳感器、箱內(nèi)正中放置一個(gè)溫度傳感器作為主控溫度傳感器,如圖6所示。

圖6 慢烤試驗(yàn)狀態(tài)

以5 ℃/min的升溫速率將箱內(nèi)溫度升至120 ℃,在120 ℃下試驗(yàn)件達(dá)到熱平衡,然后以1 ℃/h升溫速率升高試驗(yàn)箱內(nèi)溫度,直至升溫至345 ℃或發(fā)生反應(yīng)為止,試驗(yàn)全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄溫度數(shù)據(jù)。為驗(yàn)證泄壓孔的泄放作用、裝配膠的影響,依據(jù)2.2節(jié)分析,共設(shè)計(jì)4種狀態(tài)的試驗(yàn)產(chǎn)品,包括無(wú)泄壓孔設(shè)計(jì)和無(wú)灌封膠狀態(tài)、單個(gè)泄壓孔設(shè)計(jì)和無(wú)灌封膠狀態(tài)、單個(gè)泄壓孔設(shè)計(jì)和含灌封膠狀態(tài)以及雙泄壓孔設(shè)計(jì)和無(wú)灌封膠狀態(tài),如表1所示。

表1 泄壓孔設(shè)計(jì)狀態(tài)

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),無(wú)泄壓孔設(shè)計(jì)的試驗(yàn)件發(fā)生反應(yīng)時(shí)發(fā)出巨大聲響,在高溫作用下,炸藥在有限密閉空間內(nèi)快速分解產(chǎn)生大量氣體,使得慢烤箱被炸毀,見(jiàn)證鋼盒整體嚴(yán)重變形,鋼盒底部與頂部被沖出明顯圓形凹坑,如圖7(a)所示;而設(shè)計(jì)泄壓孔的試驗(yàn)件,試驗(yàn)后查看部分裝藥從孔內(nèi)噴出到慢烤箱體上,炸藥在快速分解的同時(shí),通過(guò)泄壓孔迅速釋放大量氣體,使得反應(yīng)明顯比無(wú)泄壓孔時(shí)更弱,見(jiàn)證鋼盒僅有微小變形,如圖7(b)所示。

圖7 有無(wú)泄壓孔試驗(yàn)件在慢烤試驗(yàn)后見(jiàn)證鋼盒變形情況

而對(duì)于不同泄壓面積的2個(gè)試驗(yàn)件,雙孔比單孔的反應(yīng)明顯減弱。單孔反應(yīng)后試驗(yàn)件破裂多塊破片,如圖8(a)所示;而雙孔反應(yīng)后試驗(yàn)件外殼完整保留,反應(yīng)過(guò)程中,觀察到炸藥相繼從2個(gè)孔中噴出裝藥,噴射到慢烤箱內(nèi),炸藥噴出位置有明顯燒蝕痕跡,說(shuō)明泄壓孔釋放掉部分氣體壓力,炸藥僅發(fā)生了燃燒,如圖8(b)所示。

圖8 不同數(shù)量泄壓孔設(shè)計(jì)的試驗(yàn)件在慢烤試驗(yàn)后的碎片回收情況

對(duì)于裝藥是否包覆裝配膠,從試驗(yàn)結(jié)果看,如圖8(a)和圖9所示,包覆裝配膠的泄壓孔設(shè)計(jì),在反應(yīng)時(shí)比無(wú)包覆裝配膠的反應(yīng)更加劇烈,回收的殼體碎片更多更小。分析原因可能是因?yàn)榘材z對(duì)裝藥的包裹使得裝藥噴出受阻,從一定程度上加強(qiáng)了裝藥的密封性,致使氣體在有限空間內(nèi)急劇膨脹。

圖9 含灌封膠設(shè)計(jì)的試驗(yàn)件在慢烤試驗(yàn)后試驗(yàn)件回收情況

2.2 隔熱設(shè)計(jì)的快烤試驗(yàn)結(jié)果及分析

將如圖10所示的引信模擬件放置于航空煤油油池上方進(jìn)行火燒,為確保模擬件處于火焰高溫區(qū),將模擬件放置在距離油面30 cm上方左右,通過(guò)點(diǎn)燃煤油對(duì)模擬件進(jìn)行加熱,保證火焰溫度達(dá)到550 ℃到發(fā)生反應(yīng)時(shí)間內(nèi)的平均溫度應(yīng)不低于800 ℃。

圖10 模擬件示意圖

依據(jù)2.3節(jié)的分析,對(duì)引信模擬件進(jìn)行2、4 mm厚度的隔熱層涂覆,如圖11所示。分別對(duì)無(wú)隔熱層、2 mm隔熱層、4 mm隔熱層進(jìn)行快烤試驗(yàn),試驗(yàn)過(guò)程中圖像如圖12所示。記錄3種模擬件試驗(yàn),聽(tīng)到爆響聲的時(shí)間分別為93、442、567 s,如表2所示。隔熱層能夠顯著降低模擬件的升溫速率,大幅延長(zhǎng)引信模擬件的反應(yīng)開(kāi)始時(shí)間。但從反應(yīng)時(shí)刻火焰和爆響聲劇烈程度,以及如圖13所示的模擬件反應(yīng)殘骸可以判斷,3種模擬件反應(yīng)劇烈程度相當(dāng)。所以,隔熱層的涂覆能明顯延緩引信反應(yīng)時(shí)間,并不能減弱引信反應(yīng)等級(jí)。

表2 不同隔熱層厚度引信的反應(yīng)時(shí)間

圖11 引信涂覆模擬件

圖12 烤燃過(guò)程視頻截圖

圖13 模擬件殘骸

3 結(jié)論

針對(duì)以某RDX基炸藥壓裝裝藥的傳爆藥盒、引信模擬件進(jìn)行熱緩釋設(shè)計(jì),通過(guò)對(duì)泄壓面積進(jìn)行調(diào)整、涂覆隔熱材料等方法,探索引信在快速烤燃、慢速烤燃環(huán)境下的反應(yīng)情況,并對(duì)其熱緩釋效果進(jìn)行了驗(yàn)證。得到如下結(jié)論:

1) 泄壓孔的設(shè)計(jì)能顯著減弱傳爆藥盒的反應(yīng)等級(jí),且泄壓面積的增大加強(qiáng)了熱緩釋效果。

2) 對(duì)于含泄壓孔設(shè)計(jì)的傳爆藥盒裝藥包覆裝配膠后,一定程度上提升了裝藥的密封性,使得包覆后反應(yīng)比無(wú)包覆的反應(yīng)更加劇烈,但該反應(yīng)程度與泄壓面積和包覆層對(duì)裝藥密封性的提升程度的匹配性均有較大關(guān)系,還需進(jìn)一步研究。

3) 涂覆隔熱層材料的引信模擬件可以明顯延緩引信反應(yīng)時(shí)間,但對(duì)反應(yīng)劇烈程度的影響微弱。根據(jù)工程應(yīng)用空間的有限性,建議采用2 mm涂覆厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)。