李亮亮，沈 飛，王勝強(qiáng)，肖 瑋，王 中

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引 言

隨著當(dāng)前戰(zhàn)斗部加載環(huán)境的持續(xù)嚴(yán)苛，不敏感戰(zhàn)斗部研究已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。戰(zhàn)斗部的不敏感設(shè)計(jì)主要從炸藥裝藥、戰(zhàn)斗部內(nèi)部結(jié)構(gòu)、裝藥-彈體匹配性等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)?？焖倏救紝?shí)驗(yàn)作為炸藥裝藥的不敏感特性評價方法，國內(nèi)外已有較多報道。

國外早期主要通過實(shí)驗(yàn)對裝藥的不敏感性進(jìn)行評價，如Witherell等[1]對30mm口徑的炮用燃燒彈進(jìn)行了快烤實(shí)驗(yàn)。由于設(shè)備的限制，早期的實(shí)驗(yàn)量較大、藥量高、成本昂貴，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)值仿真軟件的發(fā)展，目前主要通過模擬仿真的方法評價不敏感性能。如Aydemir等[2-7]對不同加載條件下的實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行了數(shù)值仿真，獲得了裝藥不同部位的溫度分布。國內(nèi)主要從火焰的加載源[8]、約束強(qiáng)度[9]、端蓋的密封狀態(tài)[10-11]、殼體厚度[12-13]、裝藥密度[14]等方面進(jìn)行了研究，獲得了TNT、PBX及RDX基炸藥等裝藥在快速烤燃條件下的響應(yīng)規(guī)律。但從戰(zhàn)斗部外殼包覆及內(nèi)部包覆層的導(dǎo)熱系數(shù)降低兩方面來研究快速烤燃條件下響應(yīng)特性的資料還鮮見報道。

快速烤燃條件下，炸藥裝藥因吸收外部熱量而發(fā)生熱分解，產(chǎn)生高溫高壓的氣體產(chǎn)物，進(jìn)而導(dǎo)致點(diǎn)火。因此為了降低裝藥的不敏感程度，需要對傳熱進(jìn)行減緩?；诖嗽O(shè)計(jì)，本實(shí)驗(yàn)從殼體外部包覆(簡稱外殼涂層，分為無機(jī)隔熱層和高分子復(fù)合涂層)、空心玻璃微球降低包覆層導(dǎo)熱系數(shù)兩個角度出發(fā)，研究快速烤燃條件下HMX基含鋁炸藥裝藥的響應(yīng)特性，為戰(zhàn)斗部炸藥裝藥的不敏感設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料和儀器

炸藥裝藥采用壓裝工藝，為HMX基含鋁炸藥，密度為1.85g/cm3，西安近代化學(xué)研究所提供。

D-1210型空心玻璃微球(HGMs)，粒徑10～125μm，山東淄博德潤機(jī)電設(shè)備制造有限公司空心玻璃微珠研究所。外殼涂層分為高分子復(fù)合涂層和有機(jī)隔熱層，厚度為3mm。高分子復(fù)合涂層是以高分子環(huán)氧樹脂為基體、碳纖維為填充材料的高分子復(fù)合材料，西安近代化學(xué)研究所制備；有機(jī)隔熱層為ZS-311透明隔熱涂料，北京志盛威華化工有限公司?？炜緦?shí)驗(yàn)系統(tǒng)由西安近代化學(xué)研究所自研。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

烤燃彈由殼體、端蓋、炸藥裝藥、包覆層及外殼涂層組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。殼體尺寸為Φ130mm×190mm，壁厚5mm，Q235鋼材質(zhì)；端蓋上有5個泄壓孔，其外圍4個孔的直徑均為Φ25mm，中心孔直徑為Φ30mm；泄壓孔采用壓力膜和鋼堵頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行封堵。殼體與炸藥裝藥中間部位為包覆層，厚度為3mm，主體為硅橡膠材質(zhì)，采用空心玻璃微球進(jìn)行替代，降低包覆層導(dǎo)熱系數(shù)。

圖1 烤燃彈結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural drawing of the roast bomb

本次實(shí)驗(yàn)中，中心孔用鋼堵頭封堵，四周的泄壓孔用壓力膜進(jìn)行封堵。為模擬真實(shí)戰(zhàn)斗部裝藥結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)裝藥為頭部半球型和尾部圓柱形結(jié)合的結(jié)構(gòu)。半球型炸藥尺寸為Φ114mm；圓柱型炸藥尺寸為Φ114mm×110mm，整體裝藥質(zhì)量約2.8kg。

1.3 快速烤燃實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

快烤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由快速烤燃系統(tǒng)、高速攝影系統(tǒng)、數(shù)字測溫系統(tǒng)與監(jiān)控錄像系統(tǒng)4部分組成，其示意圖如圖2所示。

圖2 快烤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of a fast cook-off test system

快速烤燃系統(tǒng)中，燃料箱中加入50mm高的水，再加入35mm高的航空燃油，采用支架將烤燃彈懸掛在液體燃料上方，確保烤燃彈體下表面最低點(diǎn)至液面距離為450mm。在烤燃彈殼體表面布置兩個熱電偶，將其與溫度記錄儀連接并保持正常工作。通過全程實(shí)時攝像對實(shí)驗(yàn)過程的現(xiàn)象進(jìn)行觀察記錄。

本次實(shí)驗(yàn)中每發(fā)彈的狀態(tài)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)彈狀態(tài)

2 結(jié)果與討論

2.1 外殼涂層對裝藥快速烤燃特性的影響

烤燃彈從外部開始加熱，到發(fā)生爆轟的時間稱為耐烤燃時間，本實(shí)驗(yàn)中獲得了不同外殼涂層狀態(tài)時烤燃彈的耐烤燃時間(t2)。為方便論述，將開始點(diǎn)火到壓力膜破裂的時間(t1)和開始點(diǎn)火到點(diǎn)火結(jié)束的時間(t3)一并記錄，列于表2。

表2 快速烤燃特性參數(shù)

從表2中可以看出，與未采用外殼涂層技術(shù)或包覆層導(dǎo)熱系數(shù)調(diào)節(jié)的1號烤燃彈相比，采用有機(jī)隔熱層的2號和采用高分子復(fù)合涂層的3號烤燃彈，其快速烤燃參數(shù)t1、t2、t3等均不同程度地延遲。其中2號烤燃彈的t1、t2、t3分別較1號烤燃彈延遲0.06、0.08、0.12min，而3號烤燃彈的t1、t2、t3分別較1號烤燃彈延遲1.17、1.26、2.81min。

實(shí)驗(yàn)后的殘骸如圖3所示。由圖3可以看出，不同狀態(tài)的烤燃彈，其快速烤燃時的響應(yīng)結(jié)果不同。分析原因可能為，2號烤燃彈所用的外部涂層為有機(jī)材料，雖然具有隔熱作用，但其不可遇明火，在外部火燒條件下，很快將其3mm厚的外部涂層燒毀、鼓包，如圖3(b)所示，成為“魚鱗”狀，隨之脫落，失去隔熱作用，因此這一涂層對烤燃彈的快速烤燃響應(yīng)參數(shù)影響有限；3號烤燃彈所用的高分子復(fù)合涂層，其在明火下高分子復(fù)合涂層與明火接觸面開始燃燒，生成多孔狀、高致密性、低導(dǎo)熱系數(shù)的碳化物層，如圖3(c)所示，碳化物層阻止了明火向殼體方向傳遞，與此同時高分子復(fù)合涂層接近殼體部分產(chǎn)生熱解層，此熱解層由多種小分子如H2和CO2等組成，是高分子復(fù)合涂層熱解的產(chǎn)物，這些小分子通過高分子復(fù)合涂層中的空隙、缺陷及碳化物燒蝕壁面向外溢出，進(jìn)入明火區(qū)域，在此過程中熱解小分子氣體帶走接近殼體的高分子復(fù)合涂層的熱量，起到降溫作用，而熱解小分子氣體溢出后包裹在碳化物表面，且厚度逐漸增大，進(jìn)而減小了對流換熱系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)等，這反過來又對碳化物層的形成起到阻礙作用。待熱解層退后到殼體表面并消失，外界明火的熱量開始以較高的傳熱速度向殼體內(nèi)部傳導(dǎo)。因此3號烤燃彈的t1較1號烤燃彈延遲1.17min，這也直接導(dǎo)致3號烤燃彈的t2和t3相應(yīng)延遲。

圖3 實(shí)驗(yàn)后不同狀態(tài)烤燃彈的狀態(tài)Fig.3 States of the bomb in different states after the experiment

從表2及圖3(a)～(c)可以看出，不論是否采用外殼涂層，烤燃彈在快速烤燃條件下均表現(xiàn)出穩(wěn)定燃燒特征，外殼涂層可使本次試驗(yàn)的快速烤燃參量(t1、t2、t3)有不同程度的延遲。

2.2 外殼涂層/包覆層對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

同時采用外殼涂層和降低包覆層導(dǎo)熱系數(shù)兩種方法，研究其對烤燃彈快速烤燃特性的影響，所獲得的烤燃參數(shù)列入表2。試驗(yàn)后的殘骸見圖3(4號烤燃彈對應(yīng)圖3(d)，5號烤燃彈對應(yīng)圖3(e))。

從表2可以看出，與未采用外殼涂層技術(shù)或包覆層導(dǎo)熱系數(shù)調(diào)節(jié)的1號烤燃彈相比，采用有機(jī)隔熱層/包覆層降低導(dǎo)熱系數(shù)(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的HGMs替代包覆層中的硅橡膠，下同)的4號烤燃彈和采用高分子復(fù)合涂層/包覆層降低導(dǎo)熱系數(shù)的5號烤燃彈，其快速烤燃參數(shù)t1、t2、t3等均有不同程度的延遲。其中4號烤燃彈的t1較1號烤燃彈延遲2.43min，而5號烤燃彈的t1、t2、t3分別較1號烤燃彈延遲6.03、6.14、5.85min。

分析原因可能為，外殼涂層為有機(jī)材料，內(nèi)部包覆層為含有HGMs的硅橡膠，因HGMs中空，內(nèi)部含有氣體，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，故此包覆層具有隔熱作用，且隨著HGMs含量及包覆層厚度的增加，包覆層的導(dǎo)熱系數(shù)降低，同時在加熱條件下HGMs中的氣體膨脹，相當(dāng)于增加了包覆層的厚度，也有利于隔熱。上述兩種作用導(dǎo)致4號烤燃彈的t1較1號烤燃彈延遲，結(jié)合上述1號和2號烤燃彈的討論可知，引起4號烤燃彈t1延遲的最主要原因是包覆層導(dǎo)熱系數(shù)的降低。對烤燃彈開始加熱，外殼的有機(jī)材料逐漸燒毀、脫落，熱流開始快速加熱殼體和包覆層，包覆層溫度上升，HGMs中的氣體膨脹，包覆層厚度增加，包覆層的內(nèi)應(yīng)力快速上升(假定殼體和主裝藥均體積不變)，待此應(yīng)力達(dá)到端蓋上壓力膜的屈服強(qiáng)度時，壓力膜破碎，但圖3(d)中壓力膜破碎、固定螺絲拉斷，整個端蓋均被拋出，說明包覆層的內(nèi)應(yīng)力上升速度非?？欤谶_(dá)到壓力膜屈服強(qiáng)度時，很快也達(dá)到螺絲的屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致固定螺絲拉斷、壓力膜破碎，端蓋及裝藥在內(nèi)應(yīng)力卸載的過程中拋出。

由圖3(e)可知，5號烤燃彈的包覆層與4號相同，區(qū)別在于外殼涂層為高分子復(fù)合材料，其烤燃特征為裝藥穩(wěn)定燃燒。在快速烤燃開始階段，5號烤燃彈外殼的高分子復(fù)合涂層通過自身的燃燒碳化，以及涂層內(nèi)部的小分子溢出，對烤燃彈進(jìn)行降溫，待高分子復(fù)合涂層的熱解厚度減小到某一數(shù)值時，包覆層的溫度逐漸升高，在這一階段，高分子復(fù)合涂層的碳化物阻擋了部分熱量，因此包覆層內(nèi)HGMs因氣體緩慢膨脹而體積緩慢增大，待包覆層體積增大到某一程度時，內(nèi)應(yīng)力超過壓力膜的強(qiáng)度，導(dǎo)致壓力膜破碎，外界的熱流進(jìn)入烤燃彈內(nèi)，導(dǎo)致裝藥穩(wěn)定燃燒。由此可見，4號烤燃彈和5號烤燃彈的隔熱模式不同，4號烤燃彈主要通過包覆層降低導(dǎo)熱系數(shù)，而5號烤燃彈前期主要為高分子復(fù)合涂層的碳化阻熱，后期主要通過包覆層降低導(dǎo)熱系數(shù)。

3 結(jié) 論

(1)包覆層為硅橡膠、外部涂層為有機(jī)隔熱層或高分子復(fù)合涂層時，HAE裝藥的快速烤燃結(jié)果均為穩(wěn)定燃燒，烤燃彈的破膜時間(t1)及耐烤燃時間(t3)均比無外部涂層的對比配方延遲，但兩種涂層的作用機(jī)制不同，導(dǎo)致外部涂層為高分子復(fù)合涂層的烤燃彈，其t1和t3比有機(jī)隔熱層延遲時間更長。

(2)HGMs部分取代硅橡膠的包覆層分別與有機(jī)隔熱層或高分子復(fù)合涂層同時使用時，烤燃彈的t1比對比配方的延遲時間顯著增加，分別延遲2.43min和6.03min，且烤燃彈狀態(tài)分別為裝藥噴出和穩(wěn)定燃燒，其響應(yīng)等級稍有降低，因此可通過降低包覆層導(dǎo)熱系數(shù)并結(jié)合有機(jī)隔熱層或高分子復(fù)合涂層設(shè)計(jì)不敏感戰(zhàn)斗部。