【化學(xué)工程與材料科學(xué)】

強(qiáng)約束下典型熔鑄和澆注炸藥的烤燃特性對(duì)比

陳科全a,b，黃亨建a,b，路中華a,b，聶少云a,b，蔣治海a,b

(中國(guó)工程物理研究院a.化工材料研究所；b.安全彈藥研發(fā)中心，四川 綿陽(yáng)621900)

摘要：利用自行設(shè)計(jì)的烤燃試驗(yàn)裝置，以熔鑄RHT-1和澆注GHL-1 2種典型炸藥為研究對(duì)象，試驗(yàn)研究了厚殼體強(qiáng)約束下2種炸藥慢速烤燃和火燒時(shí)的反應(yīng)特性，并將試驗(yàn)結(jié)果與薄殼體和相關(guān)戰(zhàn)斗部的烤燃結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。研究表明：在所研究的厚殼體強(qiáng)約束情況下，澆注炸藥火燒時(shí)的安全性顯著優(yōu)于熔鑄炸藥，而其慢速烤燃時(shí)的安全性略高于熔鑄炸藥；熔鑄裝藥戰(zhàn)斗部可以通過(guò)換裝澆注炸藥提高其安全性。

關(guān)鍵詞：炸藥；厚殼體強(qiáng)約束；慢速烤燃；快速烤燃

收稿日期：2014-07-29

基金項(xiàng)目：中物院化材所青年人才培養(yǎng)基金(QNRC-201312)；中物院學(xué)科發(fā)展基金(2012B0201019)

作者簡(jiǎn)介：陳科全(1983—)，男，博士，助理研究員，主要從事彈藥工程與數(shù)值模擬研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.037

中圖分類號(hào)：TJ55；O64

文章編號(hào)：1006-0707(2015)01-0133-04

本文引用格式：陳科全，黃亨建,路中華，等.強(qiáng)約束下典型熔鑄和澆注炸藥的烤燃特性對(duì)比[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(1):133-136.

Citation format:CHEN Ke-quan, HUANG Heng-jian, LU Zhong-hua, et al.Experimental Study on Cook-Off Test for Melt-Cast and Cast- Cured Explosive at Strong Constraint[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(1):133-136.

Experimental Study on Cook-Off Test for Melt-Cast and

Cast- Cured Explosive at Strong Constraint

CHEN Ke-quana,b, HUANG Heng-jiana,b, LU Zhong-huaa,b,

NIE Shao-yuna,b, JIANG Zhi-haia,b

(a.Institute of Chemical Materials; b.Robust Munitions Center,

China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Abstract:The slow cook-off and fast cook-off tests for melt-cast explosive RHT-1 and cast-cured explosive GHL-1 were carried out by using the thick shell and strong constraint apparatus designed by ourselves, and the test results were compared with those of thin shell and related warheads. In the case of the study, it shows that the reaction type of cast-cured explosive on the fast cook-off test is obviously lower than that of melt-cast explosive, and its safety under slow cook-off test is a little higher than that of melt-cast explosive. The security of warhead packing melt-cast explosive can be improved by being replaced with cast-cured explosive.

Key words: explosive; thick shell and strong constraint; slow cook-off; fast cook-off

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的快速變化與發(fā)展，對(duì)于彈藥的能量與安全性提出了越來(lái)越高的要求。低易損性鈍感高能炸藥的研制是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，而熱刺激條件下炸藥的易損性則是鈍感高能炸藥的重要研究?jī)?nèi)容之一。由于熱作用下炸藥的反應(yīng)特性與其約束條件、分解動(dòng)力學(xué)特性和熱點(diǎn)增長(zhǎng)特性等相關(guān)，機(jī)理研究十分復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)外主要通過(guò)烤燃試驗(yàn)評(píng)價(jià)炸藥的熱易損性。

炸藥烤燃試驗(yàn)包括慢速烤燃和快速烤燃2類條件。慢速烤燃試驗(yàn)評(píng)估的是彈藥受到外部間接加熱時(shí)的響應(yīng)特性。1984年，Parker等[1]最早設(shè)計(jì)了小型烤燃彈試驗(yàn)(SCB)，被認(rèn)為是炸藥慢速烤燃試驗(yàn)的雛形。Scholtes等[2]改進(jìn)了SCB試驗(yàn)系統(tǒng)，建立了含升溫速率控制裝置的TNO-PLM慢烤試驗(yàn)。Chidester等[3]利用類似TNO-PLM的慢烤試驗(yàn)裝置，通過(guò)在不同位置布置測(cè)溫?zé)犭娕嫉姆绞窖芯苛苏ㄋ幍狞c(diǎn)火位置等。國(guó)內(nèi)，炸藥的慢烤試驗(yàn)基本都建立在TNO-PLM模式之上。包括國(guó)標(biāo) GB/T14372—2005《危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸爆炸品認(rèn)可、分項(xiàng)試驗(yàn)方法和判據(jù)》[4]和國(guó)軍標(biāo)GJB772A—1997《炸藥試驗(yàn)方法》[5]中均規(guī)定了類似 TNO-PLM的烤燃試驗(yàn)裝置。近年來(lái)，張蕊[6]、智小琦[7]等學(xué)者也針對(duì)起爆藥和傳爆藥等含能材料進(jìn)行了慢速烤燃試驗(yàn)研究，得到了它們的耐熱性和反應(yīng)溫度等?？焖倏救荚囼?yàn)考核的是彈藥直接受到大火烘烤時(shí)的響應(yīng)特性，亦稱為火燒試驗(yàn)。在快速烤燃方面，Witherell等[8]試驗(yàn)研究了30 mm燃燒彈快速烤燃時(shí)的反應(yīng)特性，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果吻合較好。呂子劍等[9]以推進(jìn)劑為燃料對(duì)JB-9014和JOB-9003炸藥進(jìn)行了快速烤燃試驗(yàn)。楊麗俠等[10]則研究了發(fā)射藥快速烤燃時(shí)的反應(yīng)特性，獲得了發(fā)射藥易損性的響應(yīng)特性和影響因素。代曉淦等[11]針對(duì)不同尺寸的PBX-2炸藥進(jìn)行了快速烤燃試驗(yàn)，得到裝藥尺寸與反應(yīng)劇烈程度間的定性關(guān)系。

值得一提的是，雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)于炸藥的烤燃特性已開(kāi)展了較多的試驗(yàn)研究，但使用的試驗(yàn)彈殼體均較薄，無(wú)法模擬侵徹反艦類厚殼體強(qiáng)約束戰(zhàn)斗部的烤燃反應(yīng)特性。為此，本文利用自行設(shè)計(jì)的厚殼體強(qiáng)約束模擬試驗(yàn)彈，研究了熔鑄RHT-1和澆鑄GHL-1 2種典型炸藥慢速烤燃和火燒時(shí)的反應(yīng)特性，并與薄殼體和相關(guān)戰(zhàn)斗部的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，獲得了一些規(guī)律性的認(rèn)識(shí)。研究結(jié)果可為侵徹反艦類戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)提供參考。

1試驗(yàn)裝置及方法

1.1試驗(yàn)裝置

調(diào)研表明，現(xiàn)有烤燃試驗(yàn)裝置的殼體厚度多為2～4 mm[7,10-12]，不適于模擬侵徹反艦類戰(zhàn)斗部的烤燃特性。為此，這里參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了圖1所示的厚殼體強(qiáng)約束烤燃試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)系統(tǒng)包括試驗(yàn)彈、加熱帶、熱電偶、壓力傳感器、控溫測(cè)溫系統(tǒng)和油池等。試驗(yàn)彈外筒與端蓋之間通過(guò)細(xì)螺紋連接，并采用耐熱密封圈保證裝藥內(nèi)腔具有良好的密封性；端蓋上設(shè)有熱電偶插口，熱電偶敏感部分置于炸藥

1-下夾板；2-夾緊螺栓；3,11-烤燃彈體；4-電加熱帶；

中斷面徑向不同位置處，通過(guò)信號(hào)線與電腦專用系統(tǒng)記錄殼體和炸藥溫度的變化過(guò)程?？救荚囼?yàn)裝置實(shí)物圖如圖2所示。

圖2　烤燃試驗(yàn)裝置

模擬試驗(yàn)彈殼體厚度為8 mm，材料為45#鋼。裝藥尺寸為Ф50 mm×100 mm，裝填熔鑄RHT-1(TNT/RDX/其他)和澆注GHL-1(RDX/AL/其他)2種典型炸藥。

1.2試驗(yàn)方法

慢速烤燃試驗(yàn)通過(guò)電加熱帶給模擬試驗(yàn)彈外殼加熱，并用控溫系統(tǒng)控制其升溫速率。為減少試驗(yàn)成本，在不影響試驗(yàn)結(jié)果的情況下，首先從常溫開(kāi)始(以實(shí)測(cè)為準(zhǔn))以5℃/min的升溫速率對(duì)模擬試驗(yàn)彈加熱，當(dāng)其殼體溫度達(dá)到160℃左右時(shí)，再以1 ℃/min的恒定升溫速率加熱，直至發(fā)生爆響等反應(yīng)為止。

火燒試驗(yàn)時(shí)，用鐵絲將試驗(yàn)彈固定在油池中心上方40 cm 處，并用航空煤油對(duì)模擬試驗(yàn)彈進(jìn)行加熱。在離試驗(yàn)彈上下表面約50 mm處各安裝一個(gè)熱電偶，以測(cè)試彈體周圍火焰溫度的變化過(guò)程。

針對(duì)熔鑄RHT-1和澆注GHL-1兩種炸藥，分別進(jìn)行了慢速烤燃和火燒試驗(yàn)研究。試驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)測(cè)炸藥中心(R0)、半徑(R1/2)和其表面(R1)溫度隨時(shí)間的變化曲線，并利用壓電式壓力傳感器測(cè)得試驗(yàn)彈反應(yīng)后的沖擊波超壓。此外，裝藥反應(yīng)等級(jí)參照美軍標(biāo)MIL-STD-2105D確定[13]。

2結(jié)果與討論

2.1慢速烤燃試驗(yàn)結(jié)果及分析

針對(duì)設(shè)計(jì)的厚殼體強(qiáng)約束模擬試驗(yàn)彈，分別以熔鑄炸藥RHT-1和澆注炸藥GHL-1為研究對(duì)象，開(kāi)展慢速烤燃試驗(yàn)。

試驗(yàn)測(cè)得炸藥不同位置溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示,主要結(jié)果如表1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)， 熔鑄炸藥模擬試驗(yàn)彈發(fā)生爆響的時(shí)間小于澆注裝藥的情況，因此其爆響時(shí)加熱帶的溫度也較小。同時(shí)， 熔鑄炸藥反應(yīng)時(shí)的溫度約為213.1℃，而澆注炸藥的反應(yīng)溫度僅177.1℃，兩者相差較大。究其原因是，2種炸藥的組分完全不同，熔鑄炸藥RHT-1中的TNT在100℃以下就會(huì)熔融，因此其加熱后期的溫度分布較均勻，反之澆注炸藥主要成分RDX的熔點(diǎn)約為205℃，其分解較難，導(dǎo)致加熱過(guò)程中容易形成較多的局部熱點(diǎn)，因此其反應(yīng)時(shí)的溫度較低。

圖3　慢速烤燃過(guò)程中炸藥不同位置溫度測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)工況環(huán)境溫度/℃爆響時(shí)間/min3m處超壓/kPa反應(yīng)等級(jí)爆響時(shí)溫度/℃加熱帶炸藥I-1(RHT-1)16.591.03—爆炸227.6213.1I-2(GHL-1)14.8103.6825.7爆炸246.2177.1

模擬試驗(yàn)彈慢速烤燃后的殼體殘骸如圖4所示?？梢?jiàn)，在所研究的厚殼體強(qiáng)約束情況下，兩發(fā)試驗(yàn)彈均發(fā)生爆炸，但形成的破片存在一定差異。其中，澆注裝藥試驗(yàn)彈殼體形成一個(gè)完整破片，而熔鑄炸藥形成了多個(gè)破片。結(jié)合2種炸藥反應(yīng)時(shí)間的差異，可見(jiàn)強(qiáng)約束條件下澆注炸藥慢速烤燃時(shí)的安全性略高于熔鑄炸藥。

圖4　熔鑄和澆注兩種炸藥慢烤試驗(yàn)殘骸

2.2快速烤燃試驗(yàn)結(jié)果及分析

仍以前述2種炸藥為對(duì)象，研究厚殼體強(qiáng)約束下炸藥快速烤燃時(shí)的反應(yīng)特性。

快速烤燃時(shí)，熔鑄裝藥試驗(yàn)彈上下表面火焰溫度和炸藥不同位置的溫度變化過(guò)程如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn)，火焰溫度基本維持在500～830℃之間，滿足試驗(yàn)要求。從圖5(b)可以看出，快烤過(guò)程中炸藥的溫度分布極不均勻，其外表面的溫度上升較快，而其內(nèi)部的溫度直至炸藥發(fā)生反應(yīng)時(shí)仍然較低，這與相關(guān)文獻(xiàn)[11,14]報(bào)道的結(jié)果一致。澆注炸藥溫度變化趨勢(shì)與熔鑄裝藥試驗(yàn)結(jié)果一致，這里不再贅述。

圖5　熔鑄裝藥試驗(yàn)彈快烤時(shí)火焰溫度

圖6所示為熔鑄炸藥RHT-1和澆注炸藥GHL-1模擬試驗(yàn)彈火燒后的殼體殘骸，主要試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。可見(jiàn)，在所研究的厚殼體強(qiáng)約束情況下，雖然兩發(fā)試驗(yàn)彈發(fā)生反應(yīng)的時(shí)間差異較小，但熔鑄裝藥試驗(yàn)彈形成的破片很小，僅回收到少量破片，反應(yīng)等級(jí)為爆轟，反之澆注裝藥試驗(yàn)彈的端蓋被沖開(kāi)，殼體保持完整，炸藥噴出后全部燃燒，其反應(yīng)等級(jí)僅為燃燒，即強(qiáng)約束條件下澆注炸藥火燒時(shí)的安全性顯著優(yōu)于熔鑄炸藥。

表2　熔鑄RHT-1和澆注GHL-1炸藥火燒試驗(yàn)結(jié)果

圖6　熔鑄和澆注2種炸藥快烤試驗(yàn)殘骸

2.3烤燃試驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)戰(zhàn)斗部反應(yīng)特性對(duì)比

為分析不同約束情況下炸藥烤燃反應(yīng)等級(jí)之間的差異，以及它們與真實(shí)戰(zhàn)斗部反應(yīng)特性之間的聯(lián)系，在此將厚殼體強(qiáng)約束模擬試驗(yàn)彈的結(jié)果與薄殼體試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)戰(zhàn)斗部的反應(yīng)特性進(jìn)行了對(duì)比，如表3所列。其中，M933與M934戰(zhàn)斗部主裝藥為B炸藥，其組分與熔鑄炸藥RHT-1相近?？梢园l(fā)現(xiàn)，不同殼體厚度下，熔鑄炸藥慢速烤燃和火燒時(shí)的反應(yīng)程度均較劇烈，而澆注炸藥的熱安全性相對(duì)較高，這進(jìn)一步證實(shí)了澆注炸藥烤燃安全性高于熔鑄炸藥的結(jié)論[15]。因此建議熔鑄裝藥戰(zhàn)斗部可以通過(guò)換裝澆注炸藥提高其安全性。模擬烤燃試驗(yàn)彈與真實(shí)戰(zhàn)斗部烤燃結(jié)果的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者的反應(yīng)等級(jí)存在一定差異，而各種戰(zhàn)斗部的殼體厚度和結(jié)構(gòu)組成各不相同，相應(yīng)的烤燃反應(yīng)特性也不能一概而論，對(duì)真實(shí)戰(zhàn)斗部的烤燃安全性尚需從反應(yīng)機(jī)理方面進(jìn)一步深入研究。

表3　不同約束下炸藥烤燃結(jié)果與戰(zhàn)斗部反應(yīng)特性的對(duì)比

注：M933、M934裝填炸藥為B炸藥

3結(jié)論

利用自行設(shè)計(jì)的烤燃試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)研究了熔鑄RHT-1和澆注GHL-1兩種典型炸藥慢速烤燃和火燒時(shí)的反應(yīng)特性，并與薄殼體和相關(guān)戰(zhàn)斗部的烤燃結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。獲得結(jié)論如下：

1) 厚殼體強(qiáng)約束情況下，澆注炸藥慢速烤燃條件下發(fā)生爆響的時(shí)間大于熔鑄裝藥的情況，且其形成的破片也更少，澆注炸藥慢速烤燃時(shí)的安全性略高于熔鑄炸藥；

2) 快速烤燃時(shí)，澆注炸藥的安全性顯著優(yōu)于熔鑄炸藥，其中熔鑄裝藥試驗(yàn)彈的反應(yīng)等級(jí)為爆轟，而澆注裝藥僅發(fā)生燃燒反應(yīng)；

3) 不同殼體厚度下，熔鑄炸藥慢速烤燃和火燒時(shí)的反應(yīng)等級(jí)均較高，而澆注炸藥的熱安全性相對(duì)較好，建議熔鑄裝藥戰(zhàn)斗部可以通過(guò)換裝澆注炸藥提高其安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]Parker R P.USA small-scale cook-off bomb (SCB) test[C]//Minutes of 21st Department of Defense Explosives Safety Board Explosives Safety Seminar.Houston,1984.

[2]Scholtes J H G,van der Meer B J.Investigation into the small-scale cook-off bomb (SCB)[R].TNO report,PML 1994-A44,1994.

[3]Chidester S K,Traver C M,Green L G,et al.On the violence of thermal explosion in solid explosives[R].USA:Lawrence Livermore National Laboratory,1997:264-280.

[4]GB/T 14372—2005,危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸 爆炸品認(rèn)可、分項(xiàng)試驗(yàn)方法和判據(jù)[S].

[5]GJB 772A—1997,炸藥試驗(yàn)方法[S].

[6]張蕊,馮長(zhǎng)根,姚樸,等.鈍感起爆藥 BNCP 的熱安全性[J].火炸藥學(xué)報(bào),2003,26(2):66-69.

[7]智小琦,胡雙啟,李娟娟,等.不同約束條件下鈍化 RDX 的烤燃響應(yīng)特性[J].火炸藥學(xué)報(bào),2009,32(3):23-24,34.

[8]Witherell M,Pflegl G.Prediction of propellant and explosive cook-off for the 30mm HEI-T and raufoss MPLD-T rounds chambered in a hot MK44 Barreladvanced amphibious assault vehicle-AAAV,ADA-388280[R].Springfield:NTIS,

2001.

[9]呂子劍，申春迎，向永.以推進(jìn)劑為燃料對(duì)炸藥的快速烤燃實(shí)驗(yàn)[R].綿陽(yáng):中國(guó)工程物理研究院，2003：429-430.

[10]楊麗俠,張鄒鄒,劉來(lái)東.發(fā)射裝藥熱刺激下的易損性響應(yīng)試驗(yàn)研究[J].火炸藥學(xué)報(bào),2008,31(3):71-74.

[11]代曉淦,呂子劍,申春迎,等.火燒實(shí)驗(yàn)中不同尺寸 PBX-2 的響應(yīng)規(guī)律[J].火炸藥學(xué)報(bào),2008,31(3):47-49,82.

[12]智小琦,胡雙啟.炸藥裝藥密度對(duì)慢速烤燃響應(yīng)特性的影響[J].爆炸與沖擊,2013,33(2):221-224.

[13]MIL-STD-2105D,Non-nuclear ammunitions tests of risk assessment[S].

[14]孫培培，南海，牛余雷，等.殼體厚度對(duì)TNT炸藥快速烤燃響應(yīng)的影響[J].含能材料,2011,19(4):432-435.

[15]黃輝，董海山.一類對(duì)撞擊不敏感的新型炸藥[J].含能材料,2002,10(2):74-77.

[16]Neelam M,Brian D R,Eric J B.Assessment of DEMN based IM formulations for octol replacement[C]//2012 Insensitive Munitions & Energetic Materials Technology Symposium,Planet Hollywood,Las Vegas,NV,USA,2012.

(責(zé)任編輯蒲東)