袁俊明,李 碩,劉玉存,唐 鑫,于雁武,閆利偉

(1.中北大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，山西 太原 030051;2.遼寧北方華豐特種化工有限公司，遼寧 撫順 113003)

炸藥是一種含能物質(zhì)，在受到足夠強(qiáng)的外界刺激(如力、熱、光、電等)作用時(shí)會發(fā)生爆炸，并可能造成臨近炸藥的殉爆。由于殉爆的存在，彈藥在儲存和運(yùn)輸時(shí)必須考慮各個(gè)彈藥以及彈藥庫之間的距離，否則一旦單個(gè)彈藥系統(tǒng)意外引爆，就會引起其他彈藥以及彈藥庫發(fā)生爆炸，造成無法挽回的后果。殉爆現(xiàn)象使彈藥的儲存、運(yùn)輸及使用變得更加困難和復(fù)雜，所以深入了解彈藥系統(tǒng)間發(fā)生殉爆的機(jī)理、避免彈藥發(fā)生意外殉爆以及減輕由于殉爆而發(fā)生的危害具有十分重要的意義。

由于炸藥本身已具備較高的機(jī)械感度和沖擊波感度，在外界刺激作用下極易發(fā)生爆炸或爆轟，所以對殉爆的研究工作主要集中在炸藥性質(zhì)上，并對炸藥的殉爆機(jī)理進(jìn)行了較完整、充分的描述。Lu等[1]對裸裝 PBXN-109 炸藥的殉爆實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并給出了PBXN-109炸藥的沖擊波感度曲線。Fisher等[2]則對殼裝PBXN-109 炸藥的殉爆實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了包裝容器中彈藥間的沖擊波與泡沫隔離層材料對炸藥殉爆的影響。Mostafa等[3]開發(fā)了一種輕型硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料并進(jìn)行測試，對裸裝炸藥殉爆時(shí)爆轟波的成長情況進(jìn)行了研究。周保順等[4]對沖擊波作用下炸藥的殉爆過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。陳朗等[5]計(jì)算了不同距離下裸裝固黑鋁(GHL)炸藥的臨界殉爆距離。除了對裸裝炸藥和較近殉爆距離下殼裝炸藥的殉爆實(shí)驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算研究，姜穎資等[6]應(yīng)用Lee-Tarver點(diǎn)火增長模型對3種不同運(yùn)動速度的兩種主發(fā)炸藥TNT和PBX9404作用下帶殼炸藥的臨界殉爆距離進(jìn)行數(shù)值模擬研究。王晨等[7]進(jìn)行了殼裝固黑鋁(GHL)炸藥的殉爆實(shí)驗(yàn)，并建立有限元模型進(jìn)行模擬計(jì)算。隨著現(xiàn)代固體推進(jìn)劑能量的提高和火炸藥技術(shù)的融合，含有炸藥顆粒的高能固體推進(jìn)劑極易導(dǎo)致殉爆的發(fā)生。路勝卓等[8]采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬對比相結(jié)合的分析方法，研究了某高能固體推進(jìn)劑的殉爆過程，揭示了殼裝高能固體推進(jìn)劑的殉爆特性。

對戰(zhàn)斗部主裝藥如裸裝和殼裝炸藥等殉爆研究工作已取得了較多成果，但對含炸藥的復(fù)雜結(jié)構(gòu)如彈藥引爆系統(tǒng)的傳爆序列殉爆研究工作尚未見詳細(xì)報(bào)道。如果傳爆序列安全性不能保證，就會引發(fā)彈藥安全系統(tǒng)失效，甚至導(dǎo)致爆炸事故發(fā)生。基于榴彈引信結(jié)構(gòu)，本文中主要針對傳爆序列的傳爆管進(jìn)行殉爆實(shí)驗(yàn)，并考慮了導(dǎo)爆藥柱的作用。殉爆實(shí)驗(yàn)中的主發(fā)炸藥為RDX-8701、被發(fā)裝置為JO-9C裝藥的傳爆管，通過實(shí)驗(yàn)分析導(dǎo)爆藥柱及傳爆管的殉爆規(guī)律，建立全尺寸JO-9C裝藥的傳爆管殉爆實(shí)驗(yàn)有限元模型，利用AUTODYN軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，基于實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對比分析，獲得引信傳爆管的殉爆距離及安全距離。

1 實(shí) 驗(yàn)

殉爆實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。此實(shí)驗(yàn)裝置由主發(fā)炸藥、JO-9C裝藥的傳爆管、鋼套筒、雷管以及見證塊等部分組成，d1、d2是實(shí)驗(yàn)殉爆距離。主發(fā)炸藥為RDX-8701、被發(fā)裝置為JO-9C裝藥的傳爆管，在不同距離下對JO-9C裝藥的傳爆管進(jìn)行殉爆實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，由雷管起爆主發(fā)炸藥，主發(fā)炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波經(jīng)空氣傳播后作用于整個(gè)傳爆管，通過觀察鋼殼體碎裂、殼體內(nèi)側(cè)炸藥殘留情況，并測量出見證塊的凹坑深度，從而判斷傳爆管中藥柱的爆炸情況，得到臨界殉爆距離和殉爆安全距離。圖2是殉爆實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場照片。鋼套筒材料為45鋼，密度7.842 g/cm3，導(dǎo)爆藥柱鋼套的外徑17 mm、內(nèi)徑5 mm、高7 mm，傳爆藥柱鋼套的外徑17 mm、內(nèi)徑15 mm、高13 mm，殉爆實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)距離分別為5、6、8和10 mm。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 物理模型及算法

采用非線性有限元軟件AUTODYN對JO-9C傳爆藥的傳爆管殉爆實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置建立相應(yīng)的二維模型。模型不考慮雷管，將主發(fā)炸藥最上端的中心點(diǎn)設(shè)置為起爆點(diǎn)，即圖3中的紅色點(diǎn)。殉爆實(shí)驗(yàn)有限元模型如圖3所示。

模型中的計(jì)算區(qū)域主要包括主發(fā)炸藥、導(dǎo)爆藥柱、傳爆藥柱、鋼殼體、見證塊以及周圍一定范圍的空氣介質(zhì)。采用單點(diǎn)多物質(zhì)流固耦合算法，即主發(fā)炸藥和空氣域選用Euler網(wǎng)格，導(dǎo)、傳爆藥柱、鋼殼體、見證塊為Lagrange網(wǎng)格，Lagrange網(wǎng)格置入Euler網(wǎng)格中。

為簡化模型并與實(shí)驗(yàn)相對應(yīng)，模型中僅建立一個(gè)主發(fā)炸藥，由JO-9C傳爆藥構(gòu)成的傳爆管分別設(shè)立在主發(fā)炸藥的左右兩側(cè)。模型中的主發(fā)炸藥和鋼見證塊采用與空氣域相同的0.5 mm網(wǎng)格，藥柱及藥柱外側(cè)鋼殼體網(wǎng)格為0.25 mm。

2.2 材料參數(shù)及狀態(tài)方程

殉爆實(shí)驗(yàn)的模擬計(jì)算中，主發(fā)炸藥為RDX炸藥，采用爆轟產(chǎn)物的JWL狀態(tài)方程：

p=A(1-ω/(R1V))e-R1V+B(1-ω/(R2V))e-R2V+ωE/V

(1)

式中：A、B、R1、R2、ω為待擬合參數(shù)；E為初始比內(nèi)能；p為爆轟產(chǎn)物的壓力。

對于傳爆藥JO-9C，采用流體彈塑性材料模型和點(diǎn)火及增長狀態(tài)方程描述，未反應(yīng)炸藥采用JWL狀態(tài)方程，爆轟產(chǎn)物的反應(yīng)速率采用三項(xiàng)式點(diǎn)火增長模型的反應(yīng)速率方程：

(2)

式中：I、G1、G2、a、b、x、c、d、y、e、g和z為12個(gè)可調(diào)的擬合系數(shù)；a為臨界壓縮度；λ為炸藥反應(yīng)度；b、c表示內(nèi)向的球形顆粒燃燒；G1、d控制點(diǎn)火后熱點(diǎn)早期的反應(yīng)增長；G2、e、g、z決定高壓下的反應(yīng)速率；I、x控制點(diǎn)火熱點(diǎn)的數(shù)量；ρ為密度；y為壓力指數(shù)；p為反應(yīng)壓力。

主發(fā)炸藥RDX-8701的 JWL方程相關(guān)參數(shù)來自文獻(xiàn)[9]。JO-9C的三項(xiàng)式點(diǎn)火增長模型參數(shù)是以LX-10炸藥(ρ=1.862 g/cm3，95HMX/5氟橡膠)和PBX-9501炸藥(ρ=1.832 g/cm3，95HMX/2.5Estane/2.5NP)的參數(shù)[10]為基礎(chǔ)以及JO-9C傳爆藥的小隔板實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行微調(diào)得到，所確定的JO-9C參數(shù)分別為：

未反應(yīng)時(shí)，A=952.2 TPa，B=-5.944 GPa，R1=14.1，R2=1.41，ω=0.886 7，G=5 GPa，Y=0.2 GPa，ρ=1.70g/cm3；

產(chǎn)物，A=614 GPa，B=10.89 GPa，R1=4.416 04，R2=1.19，ω=0.33，E0=9.08 GPa，D=8.212 5 km/s，p=30.4 GPa；

反應(yīng)速率方程中，a=0.022，b=0.667，c=0.667，d=0.267，e=0.333，g=1.0，I=4×106μs-1，x=4，y=2，z=3，F(xiàn)ig,max=0.022，F(xiàn)G1,max=0.5，F(xiàn)G2,min=0.5，G1=28 TPa/μs，G2=25 TPa/μs。

殉爆實(shí)驗(yàn)有限元模型中，藥柱鋼殼體選擇45鋼，鑒定塊為A3鋼。兩種材料均采用Johnson-Cook強(qiáng)度模型，狀態(tài)方程為Grüneisen狀態(tài)方程，強(qiáng)度理論為von Mises準(zhǔn)則[11]。

空氣對應(yīng)的材料模型采用線性多項(xiàng)式方程和理想氣體的狀態(tài)方程，密度取標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下ρ=1.225 kg/m3。

3 分析及討論

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)GJB 2178.1A-2005《傳爆藥安全性試驗(yàn)方法》，取在主發(fā)炸藥和被發(fā)炸藥中間無隔板，即零間隙所對應(yīng)鋼凹值的50%為判據(jù)，鋼凹深不小于此值判為爆，小于此值判為不爆。根據(jù)JO-9C裝藥的傳爆管零間隙沖擊起爆實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，傳爆管完全爆轟時(shí)見證塊鋼凹值為2.4 mm。圖4～7分別是5和10 mm、6和8 mm兩組工況的殉爆實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

主發(fā)炸藥爆炸后產(chǎn)生的凹坑深度為2.2 mm，距離主發(fā)炸藥5 mm處傳爆管爆炸后的凹坑深度為1.2 mm，凹坑端面口徑約為18.32 mm，與傳爆管的外徑基本一致，藥柱完全爆炸。通過測量傳爆管處的凹坑，發(fā)現(xiàn)距主發(fā)炸藥稍遠(yuǎn)一端的凹坑深度為0.2 mm，當(dāng)主發(fā)炸藥發(fā)生爆炸后，產(chǎn)生的沖擊波經(jīng)過空氣傳播作用于傳爆管側(cè)面的管殼，并經(jīng)約束管殼衰減后的沖擊波沖擊引爆傳爆藥柱。實(shí)驗(yàn)后未收集到鋼殼碎片，也未在約束套筒外壁發(fā)現(xiàn)殘留炸藥，結(jié)合見證塊凹坑深度可確定距離5 mm時(shí)，傳爆管發(fā)生了穩(wěn)定爆轟。

從圖5可知，實(shí)驗(yàn)距離10 mm時(shí)傳爆管殼體向內(nèi)凹陷并發(fā)生變形，隔板微微上翹但形狀基本保持完好，管壁上存有大量殘留炸藥，表明管內(nèi)只有少量JO-9C炸藥發(fā)生反應(yīng)。從圖6可知，實(shí)驗(yàn)距離6和8 mm時(shí)傳爆管爆炸后的見證塊僅有凹陷痕跡，未出現(xiàn)明顯凹坑，無法測出準(zhǔn)確的凹坑值。圖7是距離8 mm時(shí)鋼約束殼體的變形照片，傳爆藥柱鋼殼體發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形并向內(nèi)凹陷，導(dǎo)爆藥柱鋼殼體發(fā)生輕微變形并有殘留炸藥，與距離10 mm的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相似，表明沖擊波對藥柱兩側(cè)有不同的沖擊作用，主發(fā)炸藥爆炸對傳爆管的作用主要集中在中下部。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

在t=0時(shí)刻以點(diǎn)起爆方式引爆RDX-8701主發(fā)炸藥，主發(fā)炸藥在藥柱頂端發(fā)生非理想爆轟，爆炸后產(chǎn)生的沖擊波經(jīng)過空氣以及鋼殼體衰減后作用于傳爆管，根據(jù)沖擊波在傳爆管藥柱中的傳播方向，選取不同位置單元點(diǎn)觀察沖擊波在傳爆藥柱及導(dǎo)爆藥柱內(nèi)的成長狀況。

從圖8可以看出，在距離為5 mm的殉爆實(shí)驗(yàn)中，主發(fā)炸藥產(chǎn)生的爆炸沖擊波作用于傳爆管的上端側(cè)面一角，先引爆傳爆藥柱，后爆轟波沿傳爆藥柱的斜角方向繼續(xù)往下傳播。當(dāng)爆轟波經(jīng)過導(dǎo)爆藥柱殼體下方時(shí)，經(jīng)殼體衰減后沖擊波使導(dǎo)爆藥柱殉爆，而傳爆藥柱的爆轟波持續(xù)沿斜角向下方傳播，進(jìn)而起爆整個(gè)傳爆管，整個(gè)殉爆作用過程約5.47 μs。

3.2.1不同距離的殉爆實(shí)驗(yàn)

分別對實(shí)驗(yàn)距離為5、6、8和10 mm的殉爆實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，其中圖9～10為距離5 mm時(shí)傳爆藥柱和導(dǎo)爆藥柱的壓力曲線。由圖9可見，在t=2.25 μs時(shí)沖擊波進(jìn)入傳爆藥柱，引起爆炸反應(yīng)，起爆點(diǎn)1的初始峰值壓力約為6.4 GPa，隨著沖擊波的傳播，波陣面的壓力值越來越高，從t=4.66 μs開始，觀測點(diǎn)壓力值達(dá)到28 GPa，逐漸發(fā)展成穩(wěn)定的爆轟波，直到在傳爆藥柱反應(yīng)后期達(dá)到并穩(wěn)定維持在JO-9C的爆壓值30 GPa左右，炸藥發(fā)生穩(wěn)定爆轟。由圖10可見，導(dǎo)爆藥柱的臨界入射壓非常小，僅有1.7 GPa，不足以使導(dǎo)爆藥柱發(fā)生起爆，隨著沖擊波繼續(xù)傳播，在t=4.68 μs時(shí)整個(gè)導(dǎo)爆藥柱內(nèi)部壓力上升，由于導(dǎo)爆藥尺寸較小，發(fā)生反應(yīng)時(shí)間短，導(dǎo)致爆轟成長不完全。導(dǎo)爆藥柱內(nèi)部各個(gè)觀測點(diǎn)的峰值壓力維持在15 GPa左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于爆轟波在傳爆藥柱內(nèi)部后期的穩(wěn)定爆壓值，由此表明爆轟波在向上傳播的過程中受到導(dǎo)爆管底部鋼約束套筒的衰減作用，更加驗(yàn)證了殉爆實(shí)驗(yàn)中，爆轟波在傳爆裝置中的傳播方向是自下向上。

3.2.2臨界殉爆距離

圖11～12為距離5.7 mm時(shí)傳爆藥柱和導(dǎo)爆藥柱的壓力曲線。由圖11可見，傳爆藥柱反應(yīng)后期JO-9C的最大壓力為29.8 GPa左右，炸藥發(fā)生穩(wěn)定爆轟。由圖12可見，導(dǎo)爆藥柱的臨界入射壓僅有1.67 GPa，不足以使導(dǎo)爆藥柱發(fā)生起爆，隨著沖擊波繼續(xù)傳播，在t=4.68 μs時(shí)整個(gè)導(dǎo)爆藥柱內(nèi)部壓力上升，由于導(dǎo)爆藥的尺寸較小，發(fā)生反應(yīng)時(shí)間短，導(dǎo)爆藥柱內(nèi)部各個(gè)觀測點(diǎn)的峰值壓力穩(wěn)定維持在10 GPa左右。

3.2.3殉爆安全距離

圖13～14為距離8.8 mm時(shí)傳爆藥柱和導(dǎo)爆藥柱的壓力曲線。由圖13可見，在t=2.38 μs時(shí)沖擊波進(jìn)入傳爆藥柱，傳爆藥柱發(fā)生反應(yīng)，爆轟波由下向上持續(xù)傳播，但是壓力較低，起爆點(diǎn)1的壓力值僅為0.17 GPa。爆轟波繼續(xù)向上傳播，但炸藥內(nèi)部的壓力值并無上升，反而呈現(xiàn)衰減的趨勢，反應(yīng)沒有成長為爆轟。由圖14可見，導(dǎo)爆藥柱內(nèi)部峰值壓力整體低于0.11 GPa，低于傳爆藥柱的內(nèi)部壓力。

4 結(jié) 論

(1)以JO-9C裝藥的傳爆管為被發(fā)裝置、并考慮了含導(dǎo)爆藥柱作用的殉爆實(shí)驗(yàn)過程中，沖擊波先作用于傳爆管上端側(cè)角，后爆轟波沿其斜角方向繼續(xù)往下傳播，并使導(dǎo)爆藥柱發(fā)生了爆炸。

(2)不同距離的殉爆實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，表明JO-9C裝藥的傳爆管殉爆實(shí)驗(yàn)計(jì)算模型能夠有效描述傳爆管的殉爆實(shí)驗(yàn)情況。

(3)RDX-8701為主發(fā)炸藥、JO-9C裝藥的傳爆管殉爆實(shí)驗(yàn)的數(shù)值模擬計(jì)算，獲得了該條件下引信傳爆裝置的臨界殉爆距離為5.7 mm、殉爆安全距離為8.8 mm。

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