阻燃隔層對云爆戰(zhàn)斗部拋撒性能的影響?

何 超 杜海文 王世英 周 濤 韓天一

西安近代化學研究所（陜西西安，710065）

0 引言

云爆彈又稱燃料空氣炸彈，是一種毀傷威力大、作用范圍廣、能量利用率高的面殺傷性武器[1]。 不同于現(xiàn)階段的常規(guī)戰(zhàn)斗部，云爆戰(zhàn)斗部是內(nèi)部裝填不含氧或者含少量氧的純液態(tài)或者液固混合態(tài)燃料的一種新型戰(zhàn)斗部[2]。 云爆戰(zhàn)斗部的作用過程分為兩個階段:第一階段，通過拋撒藥爆炸拋撒燃料，與空氣混合形成燃料空氣炸藥云團；第二階段，通過高能炸藥對燃料空氣炸藥云團進行二次起爆，形成云霧爆轟[3]。 因此，燃料的拋撒是云霧爆轟的前提條件。 燃料拋撒及云霧形成規(guī)律一直是國內(nèi)外學者研究的熱點[4-6]。 在燃料拋撒形成云霧的過程中，提前發(fā)生點火燃燒的現(xiàn)象稱為竄火。 竄火的發(fā)生極大地降低了云爆戰(zhàn)斗部的作用威力。 因此，解決竄火問題是云爆戰(zhàn)斗部研究的一個重要方面[7]。

針對云爆戰(zhàn)斗部燃料拋撒及竄火的問題，國內(nèi)前期開展了大量研究工作。 張奇等[8]認為，拋撒過程中竄火現(xiàn)象的發(fā)生與中心拋撒藥量有關(guān)，中心拋撒藥量越大，越容易竄火。 杜海文等[9]通過數(shù)值仿真及實驗研究，得出比藥量（中心拋撒藥與燃料裝藥的質(zhì)量比）是影響燃料初始階段拋撒竄火的主要因素；針對實驗用液固型云爆劑，比藥量在0.95%～1.70%范圍內(nèi)，不會導致竄火。 為了解決燃料在拋撒過程中的竄火問題，史遠通等[10]通過數(shù)值計算模型，對中心拋撒裝藥的爆炸空腔及腔內(nèi)溫度的變化規(guī)律進行了研究并得出，與耦合中心拋撒裝藥相比，采用不耦合中心拋撒裝藥的爆炸空腔內(nèi)的溫度衰減較快，安全性更好。 肖紹清[11]研究了T 型拋撒裝藥結(jié)構(gòu)，采用直徑不同的拋撒藥柱進行間隔裝填，并在剩余的空間內(nèi)填充多孔惰性材料，得出T 型拋撒裝藥結(jié)構(gòu)對抑制竄火有利。 趙志國等[12]采用T 型拋撒裝藥結(jié)構(gòu)代替柱形裝藥，并用調(diào)低敏感組分含量的液體燃料代替原液固型燃料，解決了300 kg 級云爆戰(zhàn)斗部靜爆實驗竄火問題。

以往研究大多集中于中心拋撒藥量的調(diào)整或拋撒裝藥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，少量涉及燃料配方的優(yōu)化。 但這些方法仍不能完全抑制爆炸拋撒過程中的竄火問題。 為此，王永旭等[13]將阻燃介質(zhì)填充于中心拋撒藥周圍，用以抑制中心拋撒藥爆炸產(chǎn)生的高溫和火焰，并進行了1 kg 裝藥的燃料拋撒實驗，一定程度上驗證了該裝藥的有效性，但由于裝藥量太小，放大之后的有效性還有待進一步驗證。

在前人研究的基礎(chǔ)上，不改變中心拋撒裝藥及燃料配方，采取在中心拋撒藥與燃料間增加阻燃隔層的方法解決竄火問題。 通過60 kg 級裝藥燃料拋撒實驗對阻燃隔層的防竄火性能進行驗證。 并研究了不同隔層厚度對燃料拋撒的影響，得出最佳設(shè)計參數(shù)，以期為云爆戰(zhàn)斗部的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 實驗裝置

云爆戰(zhàn)斗部尺寸為?320 mm×700 mm，主要由雷管座、中心拋撒藥、阻燃隔層、中心管、燃料和殼體組成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

其中，殼體為圓柱形薄璧筒體結(jié)構(gòu)，材料為Q235 鋼，側(cè)壁厚度為4 mm，側(cè)壁外壁預制軸向V 形應力槽；燃料為液固型，主要由高密度液態(tài)燃料和鋁粉組成，裝填密度1.26 g/cm3，裝填質(zhì)量60～61 kg；中心拋撒藥為高能炸藥，拋撒藥直徑為50 mm，拋撒藥質(zhì)量為2.1 kg，比藥量為3.5%。

阻燃隔層裝填于中心拋撒藥與中心管之間。 阻燃材料為ABC 干粉滅火劑。 阻燃材料采用分次振動裝填方式，單次裝填（100 ±5） g 后，振動60 s，再進行下一次裝填，裝填形態(tài)為粉末狀，要求裝填密度達（0.65 ±0.02） g/cm3。 為研究阻燃隔層厚度對拋撒的影響，在保持中心拋撒藥狀態(tài)一致的前提下，共設(shè)計了厚度為0（1＃）、5（2＃）、10（3＃）、15（4＃） mm 和20（5＃）mm 5 種實驗狀態(tài)。 每種狀態(tài)實驗裝置為2發(fā)，分別對應編號為1＃-1、1＃-2、2＃-1、2＃-2、3＃-1、3＃-2、4＃-1、4＃-2、5＃-1 和5＃-2。

2 實驗及測試方法

爆心選擇在平坦、開闊的地面上。 將實驗裝置豎直放置于高1.5 m 的木制彈架上，通過8＃工業(yè)雷管起爆。 為獲取云團隨時間的變化規(guī)律，采用高速相機記錄燃料爆炸拋撒的整個過程。 高速相機布設(shè)于鋼制掩體后方，距離爆心100 m。 高速相機型號為Fastcam Mini UX100，拍攝速度為2 000 幀/s。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 燃料拋撒過程及現(xiàn)象

通過高速相機分別記錄了5 種狀態(tài)共10 發(fā)實驗裝置的作用過程，如圖2～圖6 所示。

圖2 為1＃實驗（無阻燃隔層）中燃料的拋撒過程。 1 ms 時刻，產(chǎn)生明亮的火光，火光將實驗裝置完全覆蓋；10 ms 時刻，燃料已大部分發(fā)生燃燒，并且火勢進一步擴大；30 ms 時刻，燃料已完全燃燒。結(jié)果表明，在無阻燃隔層的情況下，實驗裝置1＃-1和1＃-2 在拋撒初期即發(fā)生劇烈的竄火現(xiàn)象。

圖3 為2＃實驗中燃料的拋撒過程。 由圖3 可見:1 ms 時刻，產(chǎn)生明亮的火光，火光基本將實驗裝置覆蓋；10 ms 時刻，部分云團發(fā)生燃燒，并且火勢進一步擴大；30 ms 時刻，云團已大部分燃燒；50 ms時刻，云團已完全燃燒。 結(jié)果表明，在阻燃隔層厚度5 mm 的情況下，實驗裝置在拋撒時仍發(fā)生竄火現(xiàn)象，但劇烈程度低于無阻燃隔層狀態(tài)。

圖4 ～圖6 分別為3＃、4＃、5＃實驗中燃料的拋撒過程。 以上實驗裝置均實現(xiàn)燃料的正常拋撒，未發(fā)生竄火現(xiàn)象，至80 ms 時刻，云團正常形成。 結(jié)果表明，在阻燃隔層厚度為10～20 mm 的情況下，燃料均可正常拋撒，未發(fā)生竄火現(xiàn)象。

圖4 3＃實驗的拋撒過程Fig.4 Spreading process in Experiment 3＃

圖5 4＃實驗的拋撒過程Fig.5 Spreading process in Experiment 4＃

圖6 5＃實驗的拋撒過程Fig.6 Spreading process in Experiment 5＃

3.2 云霧運動特性

為獲取云霧運動特性，對高速相機記錄的燃料拋撒過程進行處理和分析，可以得到云霧尺寸、擴展速度隨時間的變化規(guī)律。

3.2.1 云霧徑向擴散特性

1＃-1、1＃-2 裝置在燃料拋撒初期即發(fā)生竄火，無法觀測云霧的擴散過程；2＃-1、2＃-2 裝置在20 ms 以后竄火導致劇烈燃燒，因此只能觀測到20 ms 以內(nèi)的云霧擴散過程；3＃-1、3＃-2、4＃-1、4＃-2、5＃-1、5＃-2 裝置燃料均正常拋撒，可觀測到云霧擴散全過程。

圖7 為云霧直徑D隨時間t的變化曲線。 由圖7 可知，云霧直徑隨時間的延長而遞增。 0～20 ms 范圍內(nèi)，相同時刻的云霧直徑由大到小排序為:2＃、3＃、4＃、5＃；20～80 ms 范圍內(nèi)，相同時刻的云霧直徑由大到小排序為:3＃、4＃、5＃；80～100 ms 范圍內(nèi)，云霧直徑不再增加，3＃-1、3＃-2、4＃-1、4＃-2、5＃-1 和5＃-2 實驗裝置所形成的最終云霧直徑分別為18.3、18.5、17.4、17.1、16.2 m 和15.9 m。

圖7 云霧直徑隨時間的變化曲線Fig.7 Curves of cloud diameter changing with time

對圖7 求導，得到云霧徑向運動速度v隨時間t的變化關(guān)系，如圖8 所示。 由圖8 可見，燃料徑向擴散速度隨時間的增加而遞減，2＃-1、2＃-2、3＃-1、3＃-2、4＃-1、4＃-2、5＃-1 和5＃-2 實驗裝置徑向拋撒初速分別為580、592、548、532、488、492、438 m/s 和425 m/s，徑向拋撒初速由大到小排序為:2＃、3＃、4＃、5＃。

圖8 云霧徑向擴散速度隨時間的變化曲線Fig.8 Curves of radial diffusion velocity of cloud changing with time

3.2.2 云霧軸向擴散特性

圖9 為云霧厚度H隨時間t的變化曲線。 由圖9 可見:0～40 ms 范圍內(nèi)，云霧厚度隨時間遞增；40～100 ms 范圍內(nèi)，云霧厚度無變化，相同時刻不同狀態(tài)實驗裝置云霧厚度相當，最終H ＝3.3～3.4 m。

圖9 云霧厚度隨時間的變化曲線Fig.9 Curves of cloud thickness changing with time

對圖9 進行求導，可以得到云霧軸向運動速度v隨時間t的變化關(guān)系，如圖10 所示。 由圖10 可見:0～40 ms 范圍內(nèi)，燃料軸向擴散速度隨時間的增加而遞減，不同狀態(tài)實驗裝置軸向拋撒初速為158～170 m/s，無明顯差異；40～100 ms 范圍內(nèi)，燃料軸向擴散速度降低，至趨近于0。

圖10 云霧軸向擴散速度隨時間的變化曲線Fig.10 Curves of axial diffusion velocity of cloud changing with time

3.3 阻燃隔層對拋撒過程的影響分析

3.3.1 阻燃隔層對竄火的影響

1＃-1、1＃-2 實驗裝置無阻燃隔層，在拋撒初期即發(fā)生劇烈竄火；因此，無燃料拋撒過程。 2＃-1、2＃-2實驗裝置阻燃隔層厚度為5 mm，拋撒過程中發(fā)生竄火，30 ms 時大部分云霧發(fā)生燃燒。 3＃-1、3＃-2、4＃-1、4＃-2、5＃-1 和5＃-2 實驗裝置阻燃隔層厚度為10～20 mm，拋撒過程未發(fā)生竄火，云霧正常形成，表明隨著阻燃隔層厚度的增加，竄火問題得到改善。

針對60 kg 級裝藥實驗裝置，當阻燃隔層厚度不小于10 mm 時，能有效抑制竄火。

3.3.2 阻燃隔層對云霧半徑的影響

圖11 為不同徑向擴散參數(shù)與阻燃隔層厚度δ的對應關(guān)系。 隨著阻燃隔層厚度的增加，徑向拋撒初速以及云霧直徑均減小，阻燃隔層厚度由10 mm增加至20 mm，燃料徑向拋撒初速及云霧直徑分別減小了20%和13%。

圖11 不同徑向擴散參數(shù)與阻燃隔層厚度的對應關(guān)系Fig.11 Relatonship between different radial diffusion paraments and the thickness of flame-retardant layer

依據(jù)實驗數(shù)據(jù)，擬合出云霧直徑D與阻燃隔層厚度δ的關(guān)系式:D ＝20.75 -220δ。

3.3.3 阻燃隔層對云霧厚度的影響

圖12 為不同軸向擴散參數(shù)與阻燃隔層厚度的對應關(guān)系。 不同阻燃隔層厚度下，軸向拋撒初速以及云霧厚度均無明顯變化。

圖12 不同軸向擴散參數(shù)與阻燃隔層厚度的對應關(guān)系Fig.12 Relatonship between different radial diffusion paraments and the thickness of flame-retardant layer

3.3.4 阻燃隔層對二次起爆的影響

依據(jù)實驗得到的云霧尺寸，可計算出云霧的體積，進而得出云霧平均濃度（表1）。 由表1 可知，隨著阻燃隔層厚度的增加，由于云霧直徑減小，造成云霧體積減小、云霧平均濃度增加。 阻燃隔層厚度為10～20 mm 時，所形成云霧的云霧平均濃度為88 ～108 g/m3，濃度范圍處于該燃料爆炸極限范圍（45～205 g/m3）內(nèi)，因此，不會降低二次起爆可靠性。

表1 不同實驗裝置云霧平均濃度計算結(jié)果Tab.1 Calculation results of average concentration of cloud for different experimental

對5＃-2 實驗裝置拋撒形成的云霧進行了二次起爆。 云霧可以正常起爆形成爆轟火球（圖13）。

圖13 5＃-2 實驗裝置云霧爆轟火球Fig.13 Detonation fireball of cloud in Experiment 5＃-2

3.4 機理分析

針對戰(zhàn)斗部燃料拋撒竄火機理，賈承志等[14]對燃料分散過程進行數(shù)值模擬得出，中心拋撒藥起爆后產(chǎn)生高溫、高壓環(huán)境，當溫度高于燃料自燃點，且濃度位于燃料爆炸極限區(qū)間內(nèi)時，即發(fā)生竄火。

ABC 干粉的滅火原理主要體現(xiàn)在兩個方面:一是ABC 干粉中的磷酸二氫銨NH4H2PO4在燃燒火焰中吸熱并分解出氨NH3和磷酸H3PO4，高溫下磷酸進一步分解生成五氧化二磷P2O5，反應過程中吸收大量熱，故有較好的降溫作用；二是分解產(chǎn)生的游離氨能與火焰燃燒反應中產(chǎn)生的OH 自由基反應，減少并終止燃燒反應產(chǎn)生的自由基，降低了燃燒反應速率[15]。 因此，依靠ABC 干粉阻燃隔層降低中心拋撒藥爆轟產(chǎn)物的溫度，抑制燃燒火焰，可達到防竄火的目的。 阻燃隔層厚度越大，ABC 干粉的量就越多，反應吸收的熱量也越多，防竄火性能更好。

燃料拋撒主要依靠中心拋撒藥爆轟產(chǎn)物的膨脹壓力來驅(qū)動。 凝聚相炸藥爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程為

式中:p為爆轟產(chǎn)物的壓力；v為爆轟產(chǎn)物的比容；A、k分別為與炸藥性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)。

ABC 干粉滅火劑顆粒度小、裝填密度低、裝填狀態(tài)較為松散，相較于燃料，約束性更弱。 因此，當存在阻燃隔層時，中心拋撒藥爆轟產(chǎn)物向外膨脹的速度更快。 由式（1）可知，比容v快速增加時，壓力p迅速降低，阻燃隔層使得爆轟產(chǎn)物作用于燃料的壓力降低，導致燃料拋撒初速降低、云霧直徑減小，且阻燃隔層厚度越大，這種降低效果越明顯。

開展了不同阻燃隔層厚度的拋撒仿真，讀取了燃料拋撒初速曲線，如圖14 所示。 由圖14 可見，隔層厚度為0、10 mm 和20 mm 時，拋撒初速分別為641、568 m/s 和452 m/s，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果趨勢一致，拋撒初速隨隔層厚度的增加而減小。

圖14 不同隔層厚度時拋撒初速的仿真結(jié)果Fig.14 Simulation results of initial velocity of dispersal with different layer thicknesses

4 結(jié)論

1） 一定厚度的阻燃隔層可抑制竄火發(fā)生。 針對60 kg 級裝藥云爆戰(zhàn)斗部，當阻燃隔層厚度不小于10 mm 時，拋撒過程不再發(fā)生竄火。

2） 阻燃隔層的厚度對燃料拋撒產(chǎn)生一定影響。燃料徑向拋撒初速及云霧直徑隨阻燃隔層厚度的增加而減小。 阻燃隔層厚度由10 mm 增加至20 mm，燃料徑向拋撒初速及云霧直徑分別減小了20%和13%；隨著阻燃隔層厚度的增加，燃料軸向拋撒初速及云霧厚度無明顯變化。