張啟功, 安振濤, 肖 輝, 李金明
(1. 軍械工程學(xué)院 彈藥工程系, 石家莊 050003; 2. 武警8640部隊(duì), 河北定州 073000;
3. 第75170部隊(duì), 廣西桂林 541000)
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基于金屬熔流的未爆彈藥銷毀技術(shù)研究進(jìn)展
張啟功1,3, 安振濤1, 肖 輝2, 李金明1
(1. 軍械工程學(xué)院 彈藥工程系, 石家莊 050003; 2. 武警8640部隊(duì), 河北定州 073000;
3. 第75170部隊(duì), 廣西桂林 541000)
結(jié)合未爆彈銷毀作業(yè)的特點(diǎn),分析常用銷毀方法的適用范圍,將煙火切割技術(shù)應(yīng)用于彈藥銷毀作業(yè),介紹了一種引燃非引爆的銷毀方法。概述了金屬熔流銷毀技術(shù)的原理,梳理了燃燒劑配方和燃燒炬結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀,分析了燃燒劑體系配比,添加劑成分和燃燒炬結(jié)構(gòu)對(duì)金屬熔流的作業(yè)時(shí)間、熔穿金屬效率、效果的影響。對(duì)比文獻(xiàn)資料,采用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)型燃燒炬和利用高熱劑、合金劑、稀釋劑和造氣劑優(yōu)化燃燒劑,更有利于未爆彈藥的銷毀。并為下一步深入研究基于金屬熔流的彈藥銷毀技術(shù)提供參考。
銷毀方法; 未爆彈藥; 金屬熔流; 燃燒炬; 燃燒劑
金屬熔流銷毀技術(shù)是一種引燃非引爆的新型彈藥銷毀技術(shù),該技術(shù)主要依靠金屬熔融物的熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng),熔穿金屬,引燃主裝藥。金屬熔流銷毀技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)在于燃燒劑的配方和燃燒炬的結(jié)構(gòu),燃燒劑以高熱劑為主,添加多種改性劑,可以提高作業(yè)效能;燃燒炬由管狀腔體、燃燒劑和點(diǎn)火裝置組成,可以集中能量,提高金屬熔融物作業(yè)效率,以達(dá)到快速銷毀單發(fā)未爆彈藥的目的。
本文在分析未爆彈及其銷毀技術(shù)的基礎(chǔ)上,以燃燒劑配比和燃燒炬結(jié)構(gòu)為重點(diǎn),闡述了金屬熔流銷毀技術(shù)在未爆彈銷毀中的應(yīng)用范圍和研究現(xiàn)狀,對(duì)進(jìn)一步的發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析。
部隊(duì)在作戰(zhàn)和實(shí)彈訓(xùn)練等相關(guān)軍事活動(dòng)中,往往會(huì)遇到敵方布放或我方射擊未爆的彈藥,統(tǒng)稱未爆彈。未爆彈通常鉆入地下或殘存于地表, 殘留于地表的彈藥多為殼體較薄,彈丸重量較輕,裝藥量較少,常以單發(fā)出現(xiàn),如X型火箭筒破甲彈、槍榴彈、反坦克手榴彈等彈藥。此類彈藥受過射擊沖擊,引信雖沒能及時(shí)起爆彈丸,但已處于解除保險(xiǎn)的不確定狀態(tài),極易因人員觸碰發(fā)生意外爆炸,不僅對(duì)下一步的軍事行動(dòng)造成嚴(yán)重的制約和阻撓,還嚴(yán)重威脅周邊人員安全,需要盡快排除。
目前銷毀彈藥主要采用焚燒法、炸毀法、切割法、機(jī)械拆分法。
焚燒法是利用火焰(或熱能)所產(chǎn)生的高溫刺激含能物質(zhì)燃燒銷毀未爆彈藥〔1〕。焚燒法分為露天焚燒和密閉焚燒兩種燒毀方式。露天焚燒法主要用于大口徑彈藥的作業(yè),而密閉焚燒法主要用于火炸藥、污染物和小型彈藥的銷毀。主要應(yīng)用于已經(jīng)拆除危險(xiǎn)單元,且內(nèi)裝藥性質(zhì)穩(wěn)定的彈藥。
炸毀法是利用炸藥爆炸所產(chǎn)生的沖擊波銷毀未爆彈藥。炸毀法需要完備的爆破器材,且爆破器材需要專業(yè)的裝具運(yùn)輸,造成工作效率低,準(zhǔn)備時(shí)間長,布設(shè)時(shí)接觸未爆彈,作業(yè)過程中風(fēng)險(xiǎn)高。同時(shí),在作業(yè)中產(chǎn)生的彈片和砂石對(duì)周邊人員影響嚴(yán)重。該方法只有在滿足安全防護(hù)距離要求,或搭設(shè)具備良好安全防護(hù)設(shè)施的條件下才能順利開展工作,目前該方法仍是未爆彈銷毀的主要技術(shù)手段,這種方法不適用于人口密集區(qū)或重要設(shè)施旁的銷毀作業(yè)。
切割法是利用熱、沖擊、化學(xué)等多種效應(yīng)破壞彈體,使彈藥失去爆炸性能,銷毀未爆彈藥。切割法主要包括高熱劑融化法、聚能切割法、水磨切割法、等離子體高溫技術(shù)銷毀法、激光銷毀法〔2-8〕。該種銷毀方法對(duì)周圍環(huán)境破壞大、能源需求量大、作用功效低、成本昂貴,主要用于少量彈藥的銷毀。
機(jī)械拆分法是把彈藥拆分成若干小部件,對(duì)有用的金屬材料、火炸藥等進(jìn)行回收,處理彈藥〔9〕。該方法只適用于對(duì)狀態(tài)穩(wěn)定彈藥的處理。
焚燒法和機(jī)械拆分法適合銷毀狀態(tài)清晰,安全性高,不易在銷毀過程中發(fā)生爆炸的彈藥,不適用于未爆彈藥銷毀。目前,未爆彈藥的主要銷毀方法有炸毀法和切割法,雖然這些方法銷毀可靠,但也潛藏巨大風(fēng)險(xiǎn)和不便,主要表現(xiàn)在銷毀人員需要近距離觸及未爆彈藥,風(fēng)險(xiǎn)高,準(zhǔn)備工作時(shí)間長、效率低,成本昂貴,對(duì)周圍環(huán)境破壞嚴(yán)重。鑒于上述弊端,結(jié)合彈藥結(jié)構(gòu)和彈丸炸藥燃爆屬性,采用引燃非引爆的銷毀思路提出金屬熔流銷毀法,以達(dá)到縮小防護(hù)范圍,提高作業(yè)效率的目的。
4.1作用原理
金屬熔流銷毀法是針對(duì)殘留在地表、殼體較薄的射擊未爆彈彈丸的銷毀方法,該方法利用添加多種改性劑的混合高熱劑,發(fā)生劇烈的氧化還原反應(yīng),并釋放大量熱量,反應(yīng)生成的鐵和其他混合氧化物保持其熔融流體狀態(tài),這種高溫熔融物能夠熔化鐵質(zhì)、鋁質(zhì)等金屬材料,引燃塑料、火藥、炸藥等易爆材料。該技術(shù)應(yīng)用在射擊未爆彈銷毀中,可以提高未爆彈銷毀的效率和安全性,能夠最大限度地降低彈藥銷毀對(duì)周邊環(huán)境的危害。
金屬熔流銷毀法主要依靠金屬熔融物的熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng),熔穿金屬,引燃主裝藥。金屬熔融物離開噴口,形成不規(guī)則的熔融物;接觸彈體時(shí),熔融物迅速將彈丸殼體熔化,過多熔化金屬被燃?xì)獯党?,減少包覆,增強(qiáng)熱量滲透,提高沖蝕效果。高溫的熔融物通過沖蝕、熔化和化學(xué)腐蝕持續(xù)作用對(duì)殼體造成破壞。殼體破壞瞬間,主裝藥被高溫熔融物引燃,所產(chǎn)生的高壓氣體對(duì)高溫軟化的殼體造成二次破壞,增大了燃燒產(chǎn)生氣體的釋放面積,減弱了燃燒轉(zhuǎn)爆轟的趨勢,使主裝藥繼續(xù)保持燃燒,直至銷毀。金屬熔流銷毀法使彈丸只燃燒而不發(fā)生爆炸,對(duì)周邊環(huán)境破壞小,工作效率高,可以在不移動(dòng)彈藥的情況下對(duì)彈藥進(jìn)行銷毀,適用于單發(fā)危險(xiǎn)彈藥的銷毀作業(yè),銷毀成本低,效果好。
4.2燃燒劑配方
金屬熔融銷毀技術(shù)是通過熱、機(jī)械和化學(xué)的綜合反應(yīng),其作業(yè)效能主要取決于燃燒劑。燃燒劑由高熱劑和多種改性劑組成,通過改變高熱劑,添加不同的改性劑,改進(jìn)燃燒劑的配方,使鋁熱反應(yīng)中的某些特性增加,從而提高它的作業(yè)效能。
高熱劑是燃燒劑的主要熱量提供單元,能形成易于流動(dòng)的高沸點(diǎn)熔融物,合理的高熱劑配方是燃燒劑的關(guān)鍵。高熱劑是由金屬可燃劑和與之反應(yīng)的金屬氧化劑混合而成,金屬可燃劑是保證高熱劑燃燒反應(yīng)順利進(jìn)行的重要因素,其選擇至關(guān)重要。最早的高熱劑配方是由美國學(xué)者HELMS提出〔10-11〕,該配方是由鎳粉、金屬氧化物、可燃金屬粉(鋁、鎂、鎬、鉍、鈹、硼粉)和產(chǎn)氣劑組成,首次用于金屬切割作業(yè)。在此之后,很多學(xué)者都是以HELMS配方為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn),通過多種金屬粉搭配組合發(fā)現(xiàn)金屬可燃劑中不宜選用原料稀缺(鎬、鉍、鈹)、腐蝕性大(鈣)和難以燃燒(錳)的金屬。對(duì)比常用的金屬可燃劑發(fā)現(xiàn),Al的放出熱量高、密度大、燃燒產(chǎn)物的熔點(diǎn)較低、沸點(diǎn)較高,是高熱劑較為合適的金屬可燃劑。Al在高溫下有較強(qiáng)的活動(dòng)性,可以將金屬氧化劑中的金屬還原出來,生成低熔點(diǎn)、高沸點(diǎn)的液態(tài)金屬流,有利于金屬的熔穿作業(yè)。金屬氧化劑的選擇直接影響還原出金屬的特性,進(jìn)而影響作業(yè)效能。通過國內(nèi)外學(xué)者不斷探索發(fā)現(xiàn),Pb3O4的含氧量少、密度大,配置的高熱劑可燃劑含量少,導(dǎo)致鋁熱反應(yīng)降低;CuO極易放出氧氣,導(dǎo)致鋁熱反應(yīng)劇烈,不宜控制;鐵鋁高熱劑燃燒時(shí)放出3.90kJ/g熱量,并產(chǎn)生約2 400 ℃的高溫熔融物,機(jī)械感度小,不易被點(diǎn)燃,一經(jīng)點(diǎn)燃難以熄滅,鋁熱反應(yīng)穩(wěn)定,可以生成低熔點(diǎn)、高沸點(diǎn)的液態(tài)金屬流,較適應(yīng)于銷毀作業(yè)。綜合考慮,選擇鐵鋁高熱劑作為燃燒劑的主體藥劑調(diào)整燃燒劑的配方〔12-15〕。
金屬熔融物通過機(jī)械效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)對(duì)彈丸殼體進(jìn)行沖蝕,增加開孔深度,提高內(nèi)孔孔徑,增強(qiáng)熔穿效果。美國專利US6627013公開了一種由鎳、鋁、氧化鐵和聚四氟乙烯組成的能夠?qū)崿F(xiàn)高效穿孔的燃燒劑配方〔16〕。美國專利US7632365的配方是由鎂鋁合金、CuO、MoO3和少量粘結(jié)劑組成〔17〕,提高了穿孔效率,是US6627013的金屬消耗量的2.8倍。
近年來,國內(nèi)學(xué)者通過不斷創(chuàng)新,在燃燒劑方面得到了發(fā)展。在燃燒劑內(nèi)添加有機(jī)粘結(jié)劑可以增大燃燒劑的火焰,減慢燃燒速度,降低燃燒劑的機(jī)械感度。添加二茂鐵可改進(jìn)燃燒劑的點(diǎn)火物性和燃燒特性,對(duì)燃燒過程起到催化的作用。添加S為粘結(jié)劑,可以生成SO2火焰,同時(shí)S易于和金屬作用,生成低熔點(diǎn)、易流動(dòng)的金屬熔融物。加入MoO3提高燃燒劑的氧化性能,提高燃燒劑熔穿效果。以高熱劑為主體的燃燒劑,通過添加硝酸鹽,生成高速氣流,減少金屬熔流作用區(qū)內(nèi)熔化金屬堆積,提高沖蝕效果,從而改進(jìn)燃燒劑的作用能力。適當(dāng)調(diào)節(jié)燃燒劑主體反應(yīng)體系的配比或添加合金劑、稀釋劑、造氣劑,可以提高熔穿彈丸殼體效果,加快熔穿速度,使彈丸主裝藥有充足的能量達(dá)到穩(wěn)定燃燒,減少彈藥銷毀不完全造成的危險(xiǎn)〔18-20〕。
4.3燃燒炬結(jié)構(gòu)
燃燒炬主要由管狀腔體、燃燒劑和點(diǎn)火裝置三個(gè)部分組成,針對(duì)不同銷毀目標(biāo)改變?nèi)紵娼Y(jié)構(gòu),調(diào)節(jié)燃燒銷毀效果,提高銷毀作業(yè)的效率。美國專利US5698812中描述了一種由殼體和鐵鋁高熱劑(也可是錳鋁高熱劑、鉻鋁高熱劑)構(gòu)成的燃燒破壞設(shè)備,可以廣泛地用于燒毀破壞裝甲車輛發(fā)動(dòng)機(jī)、火炮以及地雷等目標(biāo)〔18〕。這種技術(shù)不是專為彈藥銷毀設(shè)計(jì)的。美國專利US7632365描述了一種試驗(yàn)用燃燒炬〔17〕,由收斂噴管和貯存室組成,收斂的噴管較好地提高了燃燒劑的熔穿效率。法國專利DE19740089C1介紹的則是一種利用高熱劑專門銷毀有毒物質(zhì)及軍火等化學(xué)物質(zhì)的技術(shù)手段〔21〕,就是將高熱劑裝入管體內(nèi)制成燃燒裝藥置于裝有有毒物質(zhì)的容器或彈藥上,通過鋁熱燃燒產(chǎn)生的高溫熔融物燒穿容器或彈殼,以引燃內(nèi)部物質(zhì)達(dá)到銷毀目的。俄羅斯國防部隊(duì)使用的P-40“破壞者”排爆設(shè)備,該設(shè)備類似于我國的圓柱形禮花,在噴口端,放入引燃藥劑和電點(diǎn)火頭,用電容式電點(diǎn)火機(jī)遠(yuǎn)距離點(diǎn)火,點(diǎn)燃“破壞者”后,燃燒著的高溫混合劑流體,從圓柱一端的中心定向孔噴出,瞬間融化裝藥金屬殼體,未爆彈殼體被“擊穿”一個(gè)孔,引燃彈體內(nèi)的炸藥,炸藥在“穿孔”處引燃,燃燒氣體從“穿孔”處流出,整個(gè)銷毀過程彈藥不會(huì)發(fā)生爆炸。該設(shè)備處理未爆彈大大優(yōu)于傳統(tǒng)的排爆器材。通過深化高熱劑技術(shù),相繼又研制出一種由支架、高熱劑、耐熱殼體、點(diǎn)火劑、電點(diǎn)火頭組成的爆炸物銷毀裝置,其中電點(diǎn)火頭置于設(shè)備的前端,由支架附著在銷毀彈體表面,通過高熱劑生成的高溫熔融物對(duì)榴彈進(jìn)行熔穿,對(duì)彈內(nèi)裝藥引燃銷毀。
我國燃燒炬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起步較晚,應(yīng)用于銷毀方面的研究較少,主要包含圓筒型、口部收斂型和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)型,如圖1所示。
圖1 典型燃燒炬結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical combustion torch
易建坤〔22〕設(shè)計(jì)的圓筒型燃燒炬由電點(diǎn)火頭、高熱劑和耐高溫陶制圓筒組成,使高熱劑完全貼敷于模擬彈藥表面進(jìn)行銷毀作業(yè),通過模擬彈藥實(shí)驗(yàn)如(圖2(a)),驗(yàn)證高溫熔融物銷毀彈藥技術(shù)是可行的。劉濤〔23〕在此基礎(chǔ)上對(duì)圓筒型燃燒炬進(jìn)行詳細(xì)改進(jìn),由點(diǎn)火藥、點(diǎn)火蓋、密封蓋、外殼、主裝藥、擋藥蓋和密封蓋組成,針對(duì)不同型號(hào)的地雷進(jìn)行銷毀作業(yè),設(shè)計(jì)了多種類型不同的燃燒炬。彭飛等〔24〕設(shè)計(jì)的口部收斂型燃燒炬將高熱劑裝入口部收斂的耐熱殼體內(nèi),由裝置前端點(diǎn)火,利用400g高熱劑可順利熔穿6mm厚A3鋼板,可以應(yīng)用于榴彈銷毀作業(yè),銷毀試驗(yàn)如圖2(b)所示。吳藝英等〔25〕借鑒固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)原理,設(shè)計(jì)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)型燃燒炬由殼體、底火、燃燒劑和噴管組成的燃燒炬,可對(duì)Q235、H26黃銅板材、鋁材等多種金屬靶板進(jìn)行熔穿,測試證明60g燃燒劑,可熔穿20mm厚鋼板〔26〕,提高了熔穿殼體的深度,滿足不同類型彈藥裝藥的銷毀作業(yè)〔26-28〕,較適用于彈藥銷毀領(lǐng)域,銷毀試驗(yàn)如圖2(c)所示。通過對(duì)國內(nèi)外燃燒炬結(jié)構(gòu)分析研究,燃燒炬的結(jié)構(gòu)直接影響金屬熔融物流速、流量,從而影響熔穿效果,燃燒炬上的噴嘴可以起到定向和聚能的作用,有助于增加彈內(nèi)壓力,增強(qiáng)燃燒劑的熔穿效果,進(jìn)而提高彈藥銷毀作業(yè)效率。
圖2 燃燒炬銷毀實(shí)驗(yàn)Fig.2 Combustion torch in destruction experiment
(1)未爆彈銷毀與普通彈藥銷毀方法有所不同,未爆彈已處于解除保險(xiǎn)的不確定狀態(tài),極易因人員觸碰發(fā)生危險(xiǎn),銷毀此類彈藥存在極大風(fēng)險(xiǎn),需要盡量減少彈藥的移動(dòng)和碰觸,并且未爆彈藥所處的環(huán)境復(fù)雜,需要提高在多種環(huán)境下的適用性,減少對(duì)周圍重要設(shè)施的影響。
(2)金屬熔流銷毀法是一種引燃非引爆的新型彈藥銷毀方法,金屬熔流銷毀設(shè)備總重量較小,便于單兵攜帶,針對(duì)單發(fā)未爆彈藥作業(yè),可以減少與彈藥觸碰,提高作業(yè)的安全性;銷毀作業(yè)中不生成破片和爆轟波,可以縮小防護(hù)范圍,提高作業(yè)效率。
(3)燃燒劑反應(yīng)體系由高熱劑和多種改性劑組成。對(duì)于未爆彈藥銷毀作業(yè),其彈丸內(nèi)部裝藥復(fù)雜,主反應(yīng)體系應(yīng)選用穩(wěn)定的高熱劑,為了提高作業(yè)效率,適當(dāng)調(diào)節(jié)主體反應(yīng)體系的配比或添加合金劑、稀釋劑,減少包覆,增強(qiáng)熱量滲透,提高沖蝕效果,達(dá)到安全銷毀的目的。
(4)燃燒炬結(jié)構(gòu)直接影響銷毀作業(yè)的效率。對(duì)比文獻(xiàn)資料,借鑒固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)原理,設(shè)計(jì)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)型燃燒炬,賦予高溫熔融物動(dòng)能,能夠提高熔化金屬材料的速度和深度,增加應(yīng)用范圍,滿足銷毀不同類型彈藥裝藥,較適于彈藥銷毀領(lǐng)域。但燃燒炬的研究僅限于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對(duì)于應(yīng)用材料、噴口結(jié)構(gòu)、內(nèi)部構(gòu)造等仍需深入研究。在引燃和作業(yè)階段,生成的高溫金屬熔融流體對(duì)結(jié)構(gòu)有什么影響,目前在此方面的研究幾乎為空白,仍需繼續(xù)研究。
根據(jù)相關(guān)資料,該技術(shù)能夠應(yīng)用在某些未爆彈的銷毀工作中,對(duì)如何使用高溫金屬熔融物銷毀未爆彈引燃而不發(fā)生爆炸的機(jī)理,仍需要進(jìn)一步研究。今后需進(jìn)一步對(duì)燃燒劑配方優(yōu)化設(shè)計(jì)和燃燒炬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),形成多種不同類型,適合不同種類彈藥的燃燒銷毀作業(yè)。
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Unexplodedordnancedestructiontechnologybasedonmetalflow
ZHANGQi-gong1,ANZhen-tao1,XIAOHui2,LIJin-ming1
(1.DepartmentofAmmunitionEngineering,OrdnanceEngineeringCollege,Shijiazhuang050003,China;2.ChinaArmedPoliceForce8640,Dingzhou073000,Hebei,China;3. 75170PLATroop,Guilin541000,Guangxi,China)
Combinedwiththecharacteristicsofthedestructionofunexplodedordnance(UXO),thescopeofapplicationofcommonlymethodsofdestructionwasanalyzedandthepyrotechniccuttingtechnologywasappliedtoordnancedestruction.Destructionmethodofignitionandnon-detonationwasintroduced.Theprincipleofthedestructiontechnologyofmetalflowwassummarized.Theresearchstatusofcombustionagentformulaandcombustiontorchstructurewascombed.Theratioofcombustionagentsystem,additivecomposition,combustiontorchstructureimpactingontheoperationtimeofmetalmeltflow,theefficiencyandeffectofmeltingthemetalwereanalyzed.Bycomparingthereferences,therocketenginecombustiontorchwasusedandthecombustionagentwasoptimizedwiththermite,alloyingadditives,diluentandgas-formingagent.ItwashelpfultodestroyUXO.Itprovidedareferenceforfurtherresearchofthedestructiontechnologyofmetalflow.
Destructionmethod;Unexplodedordnance(UXO);Metalflow;Combustiontorch;Combustionagent
1006-7051(2016)04-0047-05
2015-01-06
張啟功(1990-),男,碩士,主要研究方向?yàn)閺椝幈U吓c安全技術(shù)。E-mail:zhangqigong07@163.com
TD235.21+4
Adoi: 10.3969/j.issn.1006-7051.2016.04.010