沈 飛，王勝強(qiáng)，王 輝

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引 言

炸藥裝藥在慢速烤燃條件下的響應(yīng)特性是不敏感戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)中的重要研究?jī)?nèi)容之一[1]，受到了國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。由于炸藥的慢速烤燃涉及熱傳導(dǎo)、化學(xué)分解、力學(xué)響應(yīng)等多個(gè)過程的耦合作用[2]，并共同影響最終的響應(yīng)，因此，研究過程中不僅需要關(guān)注炸藥自身特性(如配方、密度等)及升溫速率的影響，還需要考慮殼體結(jié)構(gòu)特征、約束強(qiáng)度等方面的因素。

目前，國內(nèi)外關(guān)于此方面的公開報(bào)道多為炸藥配方、裝藥密度、升溫速率等[3-5]因素的影響規(guī)律，而殼體結(jié)構(gòu)方面卻較少。殼體結(jié)構(gòu)對(duì)炸藥慢烤響應(yīng)特性的影響因素主要包括結(jié)構(gòu)形狀、約束強(qiáng)度、薄弱泄壓結(jié)構(gòu)的尺寸等[6]，國內(nèi)外科研人員在這方面進(jìn)行了一些探索。Garcia等[7]、智小琦等[8]分別研究了殼體壁厚及材料種類對(duì)HMX基、RDX基PBX炸藥裝藥慢烤響應(yīng)劇烈程度的影響規(guī)律，但并未量化對(duì)比不同殼體的約束強(qiáng)度；Madsen等[9]研究了不同尺寸排氣孔對(duì)典型熔鑄炸藥裝藥慢烤響應(yīng)等級(jí)的影響，并分析了實(shí)驗(yàn)彈尺寸等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，但由于熔鑄炸藥存在相變過程，溫度分布的均勻性及氣體的排放過程均與壓裝和澆注炸藥有明顯區(qū)別，因此其結(jié)論可能不適用于其他類型的炸藥；陳科全等[10]建立了彈體內(nèi)壓強(qiáng)增長率與排氣孔壓強(qiáng)釋放率之間的平衡關(guān)系，為排氣緩釋結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，但仍主要適用于熔鑄炸藥。

本研究通過對(duì)典型HMX基壓裝含鋁炸藥裸藥柱進(jìn)行慢速烤燃試驗(yàn)，分析其點(diǎn)火過程的特征，并采用調(diào)節(jié)烤燃彈殼體強(qiáng)度及泄壓通道面積的方式研究了殼體薄弱結(jié)構(gòu)的臨界破壞強(qiáng)度及預(yù)制通道的臨界面積，為相關(guān)不敏感戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)所用藥柱均由壓裝工藝制成，其配方組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:HMX，65%；Al，30%；黏結(jié)劑，5%。無約束條件下炸藥慢烤實(shí)驗(yàn)所用藥柱的尺寸為Φ40mm×40mm，烤燃彈所用藥柱的尺寸為Φ25mm×25mm，藥柱密度均為1.85g/cm3。

烤燃彈結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其結(jié)構(gòu)主要由殼體、端蓋及炸藥藥柱組成。殼體及端蓋的材料均為45#鋼，其中，殼體的壁厚為5mm，螺紋處的壁厚為10mm，內(nèi)部空腔尺寸為Φ25.1mm×50.1mm，外接螺紋為M45mm×2mm，可通過調(diào)整螺紋的總長度x以改變連接強(qiáng)度；端蓋的壁厚為10mm，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要在其端部可設(shè)置不同直徑的排泄孔，以作為泄壓通道。每發(fā)烤燃彈內(nèi)裝填兩發(fā)Φ25mm×25mm的藥柱，縫隙采用惰性硅橡膠封填。

圖1 烤燃彈結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of the cook-off bomb

當(dāng)炸藥點(diǎn)火后，氣體產(chǎn)物若破壞烤燃彈結(jié)構(gòu)，則主要有兩種方式，即以拉脫的方式破壞連接螺紋或?qū)んw撕裂。拉脫連接螺紋時(shí)，主要是螺紋的剪切破壞，根據(jù)剪切強(qiáng)度理論[11]，產(chǎn)物對(duì)端蓋的作用載荷F需滿足：

F=p(sC-sH)>xσb·ds/1.14

(1)

式中：p為炸藥點(diǎn)火后產(chǎn)物的壓力；sC為端蓋的受沖擊面積，也為藥柱的截面積；sH為端蓋上所設(shè)排泄孔的面積；σb為45#鋼的抗拉強(qiáng)度，為600MPa；ds為螺紋內(nèi)徑，可近似為45mm。此外，為了便于分析，螺紋長度x取螺距的整數(shù)倍，當(dāng)x=2mm時(shí)，即螺紋的有效圈數(shù)n=1，則F≈47.4kN。

通過調(diào)整殼體連接強(qiáng)度及端蓋的通孔尺寸，將烤燃彈分為3類：(1)端蓋處不設(shè)置排泄孔，改變端蓋與殼體的連接強(qiáng)度；(2)端蓋與殼體的連接強(qiáng)度固定為某一較高值，改變端蓋處排泄孔的面積；(3)端蓋處排泄孔的面積固定為某一較大值，改變端蓋與殼體的連接強(qiáng)度。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 無約束條件下HMX基含鋁炸藥慢烤實(shí)驗(yàn)布局

藥柱無約束條件下的慢烤實(shí)驗(yàn)布局如圖2所示。

圖2 藥柱慢烤實(shí)驗(yàn)布局Fig.2 Sketch of slow cook-off experiment of explosive charge

實(shí)驗(yàn)前，將Φ40mm×40mm的藥柱放置在耐熱玻璃容器中，并將該容器固定于烤燃箱內(nèi)。為了保證箱體內(nèi)空氣溫度分布均勻，在加熱絲附近設(shè)置小型風(fēng)扇，加速箱體內(nèi)氣體的循環(huán)；箱體一面設(shè)為鋼化隔熱玻璃，以便于常速攝像儀記錄實(shí)驗(yàn)全過程；在箱體內(nèi)盡可能遠(yuǎn)離加熱絲的位置設(shè)置一個(gè)熱電偶傳感器，測(cè)量箱體內(nèi)空氣的溫度，并將其作為加熱控制系統(tǒng)的反饋?zhàn)兞?。箱體內(nèi)空氣場(chǎng)的升溫速率控制為1℃/min。由于藥柱表面不便于設(shè)置熱電偶傳感器，且在該升溫速率下，箱體內(nèi)空氣場(chǎng)的溫度必然高于藥柱的溫度，因此，在該實(shí)驗(yàn)中主要依靠攝像儀觀測(cè)溫度上升過程中藥柱的狀態(tài)變化及點(diǎn)火過程。

1.2.2 烤燃彈慢烤實(shí)驗(yàn)布局

由于烤燃彈的樣品種類較多，為了提升實(shí)驗(yàn)效率，將采用加熱套對(duì)烤燃彈表面進(jìn)行加熱，熱電偶傳感器安裝在殼體表面，整個(gè)系統(tǒng)放置于保溫箱內(nèi)，烤燃彈慢烤實(shí)驗(yàn)布局如圖3所示。實(shí)驗(yàn)過程中，烤燃彈表面的升溫速率設(shè)置為1℃/min。

圖3 烤燃彈慢烤實(shí)驗(yàn)布局圖Fig.3 Sketch of slow cook-off experiment of bomb

2 結(jié)果與討論

2.1 HMX基含鋁炸藥慢烤實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

攝像儀所記錄的HMX基含鋁炸藥慢烤時(shí)藥柱的狀態(tài)變化及點(diǎn)火過程如圖4所示。

圖4 HMX基含鋁炸藥的點(diǎn)火過程Fig.4 The ignition process of HMX-based aluminized explosive

隨著箱體內(nèi)溫度的上升，藥柱必然會(huì)發(fā)生物理膨脹，從視頻中剛開始難以觀察出該變化過程，但當(dāng)箱體內(nèi)溫度上升至150℃左右時(shí)，藥柱表面出現(xiàn)明顯的裂紋，如圖4(a)所示，且隨著溫度的繼續(xù)升高，裂紋不斷擴(kuò)展，形成完整的斷裂面，這主要是由于石蠟等黏結(jié)劑的熔化使藥柱的強(qiáng)度不斷降低所致。雖然溫度較高時(shí)，HMX也會(huì)發(fā)生分解，但可能由于速率較慢，視頻中未有明顯跡象，而當(dāng)箱體內(nèi)的溫度上升至約230℃時(shí)，藥柱溫度接近點(diǎn)火溫度，藥柱的某一區(qū)域突然產(chǎn)生少量氣體，如圖4(b)所示，這可能是因?yàn)樵搮^(qū)域的HMX熱分解速率加快，但這一個(gè)過程僅持續(xù)約1～2s；然后在該區(qū)域形成類似無焰燃燒的藍(lán)色反應(yīng)面，如圖4(c)所示，并迅速擴(kuò)展至整個(gè)裝藥；隨即突然出現(xiàn)火焰，藥柱發(fā)生燃燒反應(yīng)，如圖4(d)所示。此外，反應(yīng)后箱體內(nèi)壁面存留大量“面糊”狀物質(zhì)，如圖5所示，經(jīng)檢驗(yàn)，該物質(zhì)為未反應(yīng)的炸藥，因此可以判斷，在點(diǎn)火燃燒前，由于黏結(jié)劑的熔化，使得藥柱的強(qiáng)度逐漸變?nèi)?，甚至幾乎為糊狀，則局部藥柱燃燒產(chǎn)生的氣體可將未反應(yīng)的炸藥向四周噴射。箱體前的鋼化玻璃完好，表明反應(yīng)時(shí)未產(chǎn)生較大的沖擊力。

圖5 藥柱反應(yīng)后烤燃箱內(nèi)的狀態(tài)Fig.5 The state of the attemperator after ignition

根據(jù)上述裸藥柱的點(diǎn)火過程可以判斷，若該藥柱處于殼體約束條件下，則藥柱開始點(diǎn)火前，除了自身膨脹造成殼體對(duì)其形成約束力外，其狀態(tài)的變化與裸藥柱類似，鄰近點(diǎn)火前局部產(chǎn)生了少量氣體可能也難以在殼體內(nèi)形成較大的壓力，主要的區(qū)別可能在于藥柱發(fā)生局部點(diǎn)火后，大量氣體產(chǎn)物及未反應(yīng)的糊狀炸藥能否順利排出。若殼體的強(qiáng)度較高，則氣體產(chǎn)物難以及時(shí)排出，也難以將未反應(yīng)的炸藥順利拋灑，將會(huì)造成殼體內(nèi)壓力快速上升且炸藥的反應(yīng)速率隨即迅速增長；若殼體存在合適的薄弱結(jié)構(gòu)或預(yù)制通道，則可為氣體產(chǎn)物及未反應(yīng)炸藥提供了一個(gè)排泄途徑，從而可避免發(fā)生更為劇烈的響應(yīng)。因此，需要對(duì)具有不同強(qiáng)度薄弱結(jié)構(gòu)或不同尺寸預(yù)制通道的烤燃彈進(jìn)行慢速烤燃實(shí)驗(yàn)，從而確定出避免該炸藥點(diǎn)火后反應(yīng)速率快速增長的結(jié)構(gòu)特征閾值。

因此，殼體薄弱結(jié)構(gòu)的臨界破壞強(qiáng)度及預(yù)制通道的臨界面積成為該炸藥應(yīng)用過程中的重要參數(shù)，也是不敏感戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

2.2 烤燃彈慢烤實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

首先分析第一類烤燃彈，即端蓋處不設(shè)置排泄孔而改變螺紋連接強(qiáng)度的工況，共進(jìn)行了兩發(fā)實(shí)驗(yàn)(螺紋有效圈數(shù)n為1和2)，烤燃彈響應(yīng)后的殘骸如圖6所示。

圖6 無排泄孔烤燃彈響應(yīng)后的殘骸Fig.6 The wreckage of cook-off bombs without relief hole

當(dāng)螺紋有效圈數(shù)n=1時(shí)，殼體溫度升至197℃后，烤燃彈發(fā)生響應(yīng)，如圖6(a)所示，螺紋被拉脫，但殼體結(jié)構(gòu)完整且沒有明顯膨脹變形，殼體內(nèi)有少量藥粉殘留，此外，從監(jiān)控中看出噴出后的藥粉有短暫的燃燒過程。對(duì)于該破壞狀況，結(jié)合公式(1)可以計(jì)算出炸藥點(diǎn)火后產(chǎn)物的壓強(qiáng)p大于96.5MPa，則順利拉脫螺紋，使產(chǎn)物泄壓、殘余藥噴出，從而避免反應(yīng)進(jìn)一步增長。當(dāng)螺紋有效圈數(shù)n=2時(shí)，殼體溫度升至217℃時(shí)，烤燃彈發(fā)生響應(yīng)，如圖6(b)所示，殼體破裂、展開，端蓋嚴(yán)重變形。這表明在炸藥點(diǎn)火后，產(chǎn)物未能立即破壞兩圈螺紋，使得炸藥的反應(yīng)速率迅速增長，繼而發(fā)生爆燃。綜合這兩發(fā)實(shí)驗(yàn)可以看出，對(duì)于密閉烤燃彈結(jié)構(gòu)，當(dāng)該含鋁炸藥點(diǎn)火后，若產(chǎn)物壓強(qiáng)p超過某個(gè)臨界壓力值(96.5～193MPa之間)時(shí)，則反應(yīng)迅速增長，烤燃彈發(fā)生更劇烈的響應(yīng)。

當(dāng)繼續(xù)增加端蓋與殼體的連接強(qiáng)度時(shí)，若要避免烤燃彈發(fā)生劇烈反應(yīng)，只能采用預(yù)設(shè)排泄孔的方式，因此，本研究中針對(duì)螺紋圈數(shù)n=7的烤燃彈，設(shè)置了4種不同排泄孔，且考慮到單個(gè)排泄孔過大時(shí)，藥柱可能容易大塊噴出，因此，盡可能分散為多個(gè)通孔。具體工況包括：(1)端蓋處設(shè)置一個(gè)Φ10mm的排泄孔，則sH/sC=16%；(2)端蓋處設(shè)置4個(gè)Φ6mm的排泄孔，則sH/sC=23%(重復(fù)實(shí)驗(yàn)兩次)；(3)端蓋處設(shè)置3個(gè)Φ8mm的排泄孔，則sH/sC=30%；(4)端蓋處設(shè)置3個(gè)Φ10mm的排泄孔，則sH/sC=48%。這4個(gè)具有不同面積排泄孔的烤燃彈響應(yīng)后的殘骸如圖7所示。

圖7 不同面積排泄孔烤燃彈響應(yīng)后的殘骸Fig.7 The wreckage of cook-off bombs with different relief hole areas

當(dāng)sH/sC=16%，殼體溫度升至207℃后，烤燃彈發(fā)生爆炸，如圖7(a)所示，端蓋孔口有明顯的隆起現(xiàn)象，殼體破裂為3塊，部分螺紋發(fā)生剪切破壞，這表明炸藥點(diǎn)火后，部分產(chǎn)物和殘余藥迅速從端蓋上的通孔排出，但由于孔口較小，造成殘余藥的排泄時(shí)間過長，使得殼體內(nèi)更多的炸藥發(fā)生了反應(yīng)，且排泄孔的堵塞也使氣體壓力難以迅速降低，使得炸藥的反應(yīng)速率快速增長，繼而發(fā)生爆炸。當(dāng)sH/sC=23%，殼體溫度升至197℃后，烤燃彈發(fā)生響應(yīng)，如圖7(b)所示，端蓋和殼體被分離，螺紋部分拉脫，端蓋變形嚴(yán)重，孔口隆起，殼體直徑明顯增大，這表明排泄孔面積的增大一定程度上抑制了炸藥反應(yīng)速率的進(jìn)一步提升，但該排泄孔的面積可能處于臨界值附近，因此，本研究進(jìn)行了一次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。當(dāng)殼體溫度升至215℃后，烤燃彈發(fā)生響應(yīng)，如圖7(c)所示，端蓋孔口處略微隆起，殼體與端蓋可正常擰開，殼體內(nèi)部有明顯的燒蝕痕跡，這表明炸藥點(diǎn)火后，部分殘余藥和產(chǎn)物順利排出，但對(duì)端蓋的沖擊力略微偏大，殼體內(nèi)部殘余藥繼續(xù)燃燒，其反應(yīng)速率并未增長。這兩發(fā)相同工況實(shí)驗(yàn)的結(jié)果偏差較大，產(chǎn)生了一定的隨機(jī)性，一方面是由于排泄孔面積處于臨界狀態(tài)，另一方面可能與藥柱的點(diǎn)火位置有關(guān)。當(dāng)sH/sC=30%，殼體溫度升至210℃后，烤燃彈發(fā)生響應(yīng)，如圖7(d)所示，烤燃彈結(jié)構(gòu)完整，端蓋孔口處略有隆起痕跡，端蓋和殼體可正常分離，這表明炸藥點(diǎn)火后，殘余藥和產(chǎn)物排泄時(shí)對(duì)端蓋仍有一定的沖擊力。而當(dāng)sH/sC=48%時(shí)，如圖7(e)所示，烤燃彈響應(yīng)后，其結(jié)構(gòu)完整，無明顯變形，殼體內(nèi)部有少許未反應(yīng)的殘余藥，表明炸藥點(diǎn)火后，大部分殘余藥迅速被產(chǎn)物噴出，遺留在殼體內(nèi)的部分藥甚至還未來得及反應(yīng)。

基于圖7(e)的工況，若保持排泄孔的面積為sH/sC=48%的設(shè)置，而大幅降低連接強(qiáng)度(將有效螺紋圈數(shù)設(shè)置為n=1和n=2)，其烤燃彈響應(yīng)后的殘骸如圖8所示。

圖8 有排泄孔而螺紋數(shù)少的烤燃彈響應(yīng)后的殘骸Fig.8 The wreckage of cook-off bombs with relief holes and less thread turns

從圖8中可以看出，當(dāng)sH/sC=48%，有效螺紋圈數(shù)n=1和n=2時(shí)，雖然殼體結(jié)構(gòu)變形較小，其內(nèi)部仍有部分殘余藥，但螺紋均被拉脫，這表明即便排泄通道面積較大，該含鋁炸藥點(diǎn)火時(shí)，其殘余藥和產(chǎn)物仍具有明顯的破壞力。此外，圖6(b)中的兩圈螺紋破壞，根據(jù)公式(1)可計(jì)算出，端蓋的作用載荷F大于94.8kN，且產(chǎn)物的壓強(qiáng)p大于378MPa，而圖6(b)的分析顯示，對(duì)于密閉烤燃彈結(jié)構(gòu)，產(chǎn)物壓力若大于其臨界壓力值(96.5～193MPa之間)時(shí)，則反應(yīng)便會(huì)迅速增長，這表明烤燃彈是否具有排泄孔對(duì)炸藥反應(yīng)速率快速增長的臨界壓力將會(huì)產(chǎn)生較大影響，但其機(jī)理問題還需要進(jìn)一步的深入研究。

綜上3類工況的烤燃彈慢烤實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可將其約束狀況與響應(yīng)特征的關(guān)系匯總為圖9所示規(guī)律。

圖9 不同約束特征的烤燃彈響應(yīng)狀態(tài)Fig.9 Response status of cook-off bombs under different constraint conditions

從圖9中可以看出，若該烤燃彈未預(yù)設(shè)排泄通道，則當(dāng)螺紋圈數(shù)為2時(shí)，便會(huì)發(fā)生爆燃；當(dāng)烤燃彈約束較強(qiáng)時(shí)，隨著預(yù)設(shè)排泄通孔面積的增大，則炸藥反應(yīng)的劇烈程度逐漸降低，當(dāng)通孔面積與裝藥截面面積的比值大于30%后，炸藥僅發(fā)生燃燒反應(yīng)，且殼體結(jié)構(gòu)基本完好；而此時(shí)若降低烤燃彈的強(qiáng)度，雖然炸藥仍發(fā)生燃燒反應(yīng)，但泄壓過程會(huì)對(duì)殼體的薄弱部位產(chǎn)生破壞。雖然該研究中的排泄通道的面積要求可作為戰(zhàn)斗部預(yù)設(shè)薄弱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)，但這僅為小型烤燃彈的響應(yīng)規(guī)律，若改變裝藥形狀特征或大幅提升裝藥尺寸后是否會(huì)產(chǎn)生較大差異，還有待于進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。

3 結(jié) 論

(1)通過對(duì)HMX基含鋁炸藥裸藥柱進(jìn)行慢速烤燃實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在升溫過程中藥柱會(huì)逐漸產(chǎn)生裂紋并形成較完整的斷裂面，其點(diǎn)火包含3個(gè)階段，即局部區(qū)域生成少量氣體、無焰燃燒面擴(kuò)展、明火燃燒過程，且持續(xù)時(shí)間較短，隨后對(duì)未反應(yīng)炸藥具有明顯的拋灑作用。

(2)對(duì)于Φ25mm×50mm裝藥的烤燃彈，若未預(yù)設(shè)排泄通道，彈體內(nèi)壓力大于其臨界壓力值(96.5～193MPa之間)時(shí)，則該HMX基含鋁炸藥反應(yīng)速率便會(huì)迅速增長，產(chǎn)生爆燃；若烤燃彈結(jié)構(gòu)約束較強(qiáng)，則排泄通道面積與裝藥截面面積的比值須大于30%，才能較好地控制其響應(yīng)等級(jí)，且殼體結(jié)構(gòu)完好；但即便排泄通道的面積較大，該炸藥點(diǎn)火后拋灑泄壓過程仍能對(duì)強(qiáng)度較低的殼體產(chǎn)生破壞。