鄧 海，趙小鋒，任新聯(lián)，李 剛，梁爭(zhēng)峰

(1.西安近代化學(xué)研究所,陜西 西安710065； 2.海軍裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100000)

引 言

澆注高聚物黏結(jié)炸藥(PBX)是以高能單質(zhì)炸藥作為主體炸藥，添加高聚物黏結(jié)劑和增塑劑、固化劑等組成的混合炸藥，具有能量密度高、機(jī)械感度低、抗過(guò)載能力強(qiáng)、力學(xué)性能良好等特點(diǎn)，已廣泛裝填于各類武器彈藥。近年來(lái)，黏結(jié)劑與增塑劑的飛速發(fā)展，高黏結(jié)力黏結(jié)劑的出現(xiàn)，降低了黏結(jié)劑的用量，提高了主體炸藥的含量，進(jìn)一步提高了澆注PBX的綜合性能。硝酸酯類PBX炸藥加入了NG等含能添加劑，能量水平大幅提高，金屬加速能力強(qiáng)，但由于硝酸酯化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，受熱易分解，該類炸藥在使用過(guò)程中存在熱安全性較差的問(wèn)題[1-3]。目前，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的惡化，對(duì)彈藥的不敏感性提出了嚴(yán)格的要求，提高該類炸藥工程應(yīng)用中的熱安全性需求迫切。

烤燃試驗(yàn)是研究炸藥熱安全性的主要方法之一，通過(guò)烤燃試驗(yàn)可以研究炸藥的溫度變化、響應(yīng)特性以及影響因素，對(duì)于評(píng)估裝藥的應(yīng)用安全性、檢驗(yàn)對(duì)意外熱刺激的敏感程度和發(fā)生反應(yīng)時(shí)的劇烈程度有著重要意義。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)在炸藥配方、升溫速率、殼體強(qiáng)度、泄壓結(jié)構(gòu)等方面[4-6]對(duì)裝藥烤燃特性的影響做了大量研究。鄧海等[7]研究了B炸藥在不同密閉條件下的慢烤響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)排泄孔能抑制裝藥的響應(yīng)劇烈程度，密閉條件下裝藥的響應(yīng)更為劇烈；Lori等[8]、Madsen等[9]研究了不同尺寸排氣孔對(duì)4種RDX基含鋁壓裝炸藥裝藥慢烤響應(yīng)劇烈程度的影響，并分析了試驗(yàn)彈的尺寸效應(yīng)問(wèn)題；沈飛等[10-11]研究了HMX基含鋁炸藥在不同約束條件下慢烤響應(yīng)特性及密封緩釋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)殼體強(qiáng)度與泄壓孔面積可以調(diào)控裝藥的響應(yīng)劇烈程度，驗(yàn)證了兩級(jí)密封結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)慢烤過(guò)程打通泄壓通道。Gillard等[12]分析了在慢烤燃條件下AP/HTPB推進(jìn)劑的熱分解反應(yīng)過(guò)程，并且考慮了AP與HTPB間的質(zhì)量和熱量傳遞作用，對(duì)慢烤過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。

以上研究多集中研究約束條件對(duì)熔鑄炸藥及常規(guī)含鋁炸藥慢烤響應(yīng)的影響，針對(duì)含能黏結(jié)劑硝酸酯類PBX裝藥的慢烤響應(yīng)規(guī)律的影響研究較少。殼體約束與戰(zhàn)斗部裝藥的不敏感特性密切相關(guān)，不同種類的戰(zhàn)斗部殼體約束條件不同，在不改變裝藥種類的前提下，提升其安全性，采用的技術(shù)手段與殼體約束條件緊密聯(lián)系。本研究采用慢速加熱的試驗(yàn)方法，對(duì)不同殼體約束條件的硝酸酯類PBX裝藥進(jìn)行響應(yīng)規(guī)律的研究、測(cè)量裝藥內(nèi)部溫度場(chǎng)的變化以及升溫過(guò)程裝藥的反應(yīng)特征，可為后續(xù)不敏感戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)提供一定的支撐。

1 試 驗(yàn)

1.1 樣 品

試驗(yàn)所用樣品為硝酸酯類PBX高能炸藥(NG、PEG、Al、HMX質(zhì)量比為15∶3∶16∶66)，密度1.85g/cm3，由西安近代化學(xué)研究所提供，裝藥尺寸為Ф100mm×200mm，烤燃彈殼體厚度為5mm，材料為45#鋼，烤燃彈端蓋設(shè)計(jì)有不同排氣孔，排氣孔面積(Sh)分別占裝藥截面積(Sc)的20%、16%、10%、5%、0%，共計(jì)5種約束工況，裝藥內(nèi)部不同位置安裝有測(cè)溫?zé)犭娕?，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 試樣彈結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of test bomb

在慢烤過(guò)程中，當(dāng)炸藥裝藥出現(xiàn)熱點(diǎn)火后，將產(chǎn)生大量的氣體產(chǎn)物，殼體內(nèi)部壓力迅速升高，對(duì)端蓋產(chǎn)生向外的作用力F：

F=P(Sc-Sh)

(1)

式中：P為炸藥點(diǎn)火后的產(chǎn)物的壓力；Sc為端蓋面積，也為藥柱的截面積；Sh為端蓋上所設(shè)排氣孔的面積。

通過(guò)調(diào)節(jié)排氣孔的尺寸，可以調(diào)節(jié)殼體內(nèi)部壓力的釋放效率，抑制內(nèi)部壓力的增長(zhǎng)，從而抑制裝藥點(diǎn)火后的反應(yīng)速率迅速增長(zhǎng)，減緩裝藥慢烤反應(yīng)的劇烈等級(jí)。

1.2 試驗(yàn)裝置及原理

試驗(yàn)系統(tǒng)包括加熱烤箱、熱電偶、控溫儀器、視屏監(jiān)控儀器和計(jì)算機(jī)，其中，加熱烤箱具有良好的保溫性，加熱功率在4000W左右，通過(guò)箱內(nèi)電熱絲加熱，由控溫儀控制烤箱內(nèi)空氣域的溫度，控溫范圍0～350℃，烤箱的一側(cè)用耐高溫鋼化玻璃作為擋板，以便視屏監(jiān)控裝置能在慢烤過(guò)程中對(duì)試樣進(jìn)行觀察，試驗(yàn)系統(tǒng)布置圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)布置圖Fig.2 Test layout

試驗(yàn)時(shí)布置多支熱電偶，2支熱電偶安裝在箱子內(nèi)部，選用1支作為控溫?zé)犭娕迹糜诳販叵到y(tǒng)控制升溫速率；3只作為測(cè)溫?zé)犭娕?，根?jù)工況分別布置在裝藥中心、裝藥中間距邊緣二分之一半徑處、試驗(yàn)彈殼體表面，用于測(cè)量不同位置溫度隨時(shí)間的變化。

試驗(yàn)時(shí)在鋼化玻璃正對(duì)面不同距離安放視頻監(jiān)控裝置，對(duì)慢烤過(guò)程進(jìn)行全程監(jiān)控，采取先以3℃/min的升溫速率加溫到95℃，然后保溫2h，最后以0.15℃/min進(jìn)行加熱至試樣發(fā)生劇烈反應(yīng)為止。通過(guò)本次試驗(yàn)，可以清楚地觀察到試樣慢速升溫的響應(yīng)過(guò)程及現(xiàn)象，獲得相應(yīng)的溫度隨時(shí)間的變化曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 裝藥受熱過(guò)程的溫度場(chǎng)特性

試驗(yàn)測(cè)得Sh/Sc=20%的裝藥慢烤過(guò)程不同位置的溫度變化曲線如圖3所示。

新世紀(jì)以來(lái)，黨和政府逐步加強(qiáng)以民生為重點(diǎn)的社會(huì)建設(shè)，民生問(wèn)題相關(guān)研究一度受到學(xué)術(shù)界關(guān)注。然而民生領(lǐng)域十分寬廣，研究要取得良好成效，須深化研究層次，關(guān)注包含教育領(lǐng)域在內(nèi)的具體民生問(wèn)題必不可少。伴隨著新民主主義革命時(shí)期黨的教育工作研究的深入，解放戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期黨的教育工作受到學(xué)者們的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外對(duì)此都有研究。

圖3 Sh/Sc=20%裝藥不同位置的溫度變化曲線Fig.3 The temperature curves of different positions of charge at Sh/Sc=20%

從圖3可以看出，在快速加熱階段，由于傳熱界面熱阻及熱傳導(dǎo)系數(shù)的限制，烤燃彈殼體與裝藥內(nèi)部溫度上升速率依次減小，殼體溫度與烤箱內(nèi)部溫度差急劇變大，裝藥內(nèi)部溫度與殼體的溫度差也快速變大；在保溫階段，隨著殼體溫度的增加，烤箱內(nèi)部溫度與殼體溫度差不斷減小，殼體溫度上升的速率也隨之減小，裝藥內(nèi)部溫度同樣以一個(gè)由快向慢的速率增加，增加的趨勢(shì)與殼體溫度增加的趨勢(shì)幾乎相同，到保溫段結(jié)束時(shí)，樣彈殼體溫度升至83℃，裝藥中心的溫度升至73℃。在緩慢加熱段，可以看出殼體與裝藥內(nèi)部的溫度都呈線性增加，烤燃彈殼體與裝藥內(nèi)部不同點(diǎn)的溫度差幾乎不變，殼體與裝藥中心的溫度差維持在10℃左右，裝藥中心與裝藥1/2半徑處的溫度差維持在2℃左右。可以得出裝藥殼體與裝藥間的界面熱阻、裝藥的熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度的變化幾乎維持不變，在達(dá)到臨界溫度之前，裝藥內(nèi)部發(fā)生熱分解反應(yīng)速率較小，放熱對(duì)裝藥內(nèi)部溫度分布影響可以忽略。

炸藥加速反應(yīng)階段，當(dāng)裝藥中心溫度達(dá)到136℃時(shí)，炸藥中心溫度升高速率明顯加快，逐漸趕上裝藥1/2半徑處的溫度，此后炸藥內(nèi)部溫度的增加速率越來(lái)越快，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間加熱，當(dāng)溫度升至152.1℃時(shí)，炸藥內(nèi)部溫度突然階躍上升，迅速上升至幾百攝氏度，超過(guò)樣彈殼體的溫度，可判斷已經(jīng)發(fā)生了劇烈反應(yīng)。這是由于炸藥溫度升至136℃后，炸藥自熱反應(yīng)放出了更多的熱量，造成裝藥的熱積累與熱損失的失衡，熱量不斷累積，炸藥溫度顯著上升，高溫環(huán)境使得熱分解放熱速率不斷加快，隨著熱量的不斷積累，當(dāng)溫度升至152.1℃時(shí)，裝藥的熱積累與熱損失的失衡嚴(yán)重惡化，熱生成速率呈指數(shù)式升高，引起了炸藥的點(diǎn)火反應(yīng)。

2.2 裝藥受熱膨脹及點(diǎn)火特性

慢烤過(guò)程中，隨著烤箱內(nèi)溫度的逐漸升高，炸藥裝藥發(fā)生軟化變?yōu)楹隣?，并產(chǎn)生物理膨脹，攝像儀記錄的Sh/Sc=10%裝藥膨脹變化過(guò)程如圖4所示。

圖4 Sh/Sc=10%裝藥受熱膨脹過(guò)程Fig.4 Thermal expansion process of charge at Sh/Sc=10%

從圖4中可以看出，開(kāi)始的很長(zhǎng)一段時(shí)間難以觀察到炸藥有明顯的變化，當(dāng)箱內(nèi)溫度升至165.7℃時(shí)，從排氣孔處有炸藥向外擠出，向外膨脹擠出的速度較慢；當(dāng)箱內(nèi)溫度升至169.3℃時(shí)，炸藥從排氣孔擠出的速率明顯增快，這時(shí)有大量的糊狀炸藥從排氣孔排出，在端蓋上堆積；當(dāng)溫度升至172.6℃后，直到發(fā)生點(diǎn)火反應(yīng)的階段，從排氣孔處沒(méi)有更多的炸藥向外排出，端蓋上堆積的糊狀炸藥沒(méi)有再增加。當(dāng)烤箱內(nèi)溫度較低時(shí)，裝藥內(nèi)部PEG等黏結(jié)劑在較低溫度時(shí)，未發(fā)生熔化，炸藥裝藥呈現(xiàn)為固體狀，藥柱強(qiáng)度較高，熱膨脹程度較小，難以發(fā)現(xiàn)膨脹變化；當(dāng)溫度升至165.7℃后，裝藥內(nèi)部的塑料黏結(jié)劑開(kāi)始發(fā)生熔化，裝藥表層變?yōu)楹隣?，藥柱?qiáng)度降低，受熱膨脹開(kāi)始向外排出，當(dāng)溫度升至169.3℃時(shí)。裝藥內(nèi)部塑料黏結(jié)劑整體熔化，裝藥整體呈糊狀，熱膨脹效應(yīng)增強(qiáng)，糊狀炸藥快速向外排出，當(dāng)溫度升至172.6℃后，熱膨脹效應(yīng)不再隨溫度增強(qiáng)，無(wú)更多的炸藥向外排出。

隨著烤箱內(nèi)溫度的逐漸升高，當(dāng)溫度升至點(diǎn)火臨界溫度時(shí)，炸藥裝藥發(fā)生點(diǎn)火反應(yīng)，攝像儀記錄的裝藥點(diǎn)火過(guò)程如圖5所示。

圖5 Sh/Sc=10%裝藥點(diǎn)火過(guò)程Fig.5 Ignition process of charge at Sh/Sc=10%

從圖5可以看出，當(dāng)箱內(nèi)溫度升至179.5℃時(shí)，糊狀的炸藥開(kāi)始向外快速涌出，約2s后，在向外涌出的糊狀炸藥尖端部位出現(xiàn)火點(diǎn)，點(diǎn)火區(qū)域快速增大，約1s后，發(fā)生瞬態(tài)噴濺燃燒，此后火花不斷從排氣孔噴出，維持穩(wěn)定燃燒反應(yīng)，大約經(jīng)過(guò)96s，殼體內(nèi)的裝藥燃燒完全。這是由于當(dāng)裝藥溫度不斷升高時(shí)，炸藥自身熱分解反應(yīng)速率不斷增加，熱量不斷積累，當(dāng)箱內(nèi)溫度升至179.5℃時(shí)，高溫環(huán)境使炸藥熱分解速率呈指數(shù)式升高，經(jīng)過(guò)短暫的加速反應(yīng)，放出大量的熱，引起了炸藥的劇烈點(diǎn)火反應(yīng)，當(dāng)排氣孔面積足夠大時(shí)，殼體內(nèi)部的壓力能快速釋放，燃燒反應(yīng)沒(méi)有轉(zhuǎn)化為更劇烈的反應(yīng)，最終只發(fā)生了燃燒反應(yīng)。

2.3 排氣孔占比對(duì)裝藥響應(yīng)溫度的影響

考慮到裝藥時(shí)的安全性與便利性，以及試驗(yàn)工況的統(tǒng)一性，只在Sh/Sc=20%的烤燃彈裝藥內(nèi)部安裝有傳感器。在慢烤試驗(yàn)時(shí)，所有工況統(tǒng)一在彈壁安裝1個(gè)溫度傳感器、烤箱內(nèi)不同位置安裝2個(gè)溫度傳感器。試驗(yàn)測(cè)得不同工況的烤燃彈響應(yīng)時(shí)間和溫度如表1所示。

表1 不同工況響應(yīng)時(shí)的溫度Tab.1 Reaction temperature under different conditions

由表1可以看出，裝藥響應(yīng)時(shí)內(nèi)部溫度為151℃，不同排氣孔占比的烤燃彈響應(yīng)時(shí)，烤箱的溫度在175.9～182.5℃，響應(yīng)時(shí)間在619～638min，各工況烤燃的響應(yīng)溫度和響應(yīng)時(shí)間存在較小偏差，Sh/Sc=0%的全密閉烤燃彈，響應(yīng)溫度、響應(yīng)時(shí)間稍微偏小，考慮到環(huán)境溫度的不同、方形烤箱內(nèi)部存在溫度的不均勻性、試驗(yàn)設(shè)備控溫存在過(guò)沖的偏差，各工況烤燃彈的響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)溫度的較小差異可以忽略，可以得出，排氣孔面積占比對(duì)烤燃彈慢烤的響應(yīng)溫度及響應(yīng)時(shí)間影響較小。

2.4 排氣孔面積占比對(duì)裝藥響應(yīng)劇烈程度的影響

試驗(yàn)完成后，5種不同排泄孔占比的烤燃彈試驗(yàn)后殘骸如圖6所示。

從圖6可以看出，當(dāng)Sh/Sc=20%和Sh/Sc=16%時(shí)，烤燃樣彈發(fā)生燃燒反應(yīng)，殘骸如圖6(a)、圖6(b)所示，烤燃彈結(jié)構(gòu)保持完整、未發(fā)生變形，烤燃彈周圍散落大量的炸藥燃燒后的殘?jiān)?，烤燃箱結(jié)構(gòu)完整，只有燃燒的痕跡；當(dāng)Sh/Sc=10%，烤燃彈發(fā)生了燃爆反應(yīng)，如圖6(c)所示，烤燃彈端蓋螺紋被拉脫，殼體結(jié)構(gòu)完整，未發(fā)生明顯膨脹變形，烤燃箱只剩底板，幾乎完全解體；當(dāng)Sh/Sc=5%，烤燃彈發(fā)生了燃爆反應(yīng)，如圖6(d)所示，烤燃彈端蓋被剪切沖掉，殼體直徑明顯增大，呈鼓形，有明顯的膨脹變形，烤燃箱無(wú)完整結(jié)構(gòu)，完全解體；當(dāng)Sh/Sc=0，烤燃彈發(fā)生了爆炸及以上反應(yīng)，如圖6(e)所示，烤燃彈和烤箱完全解體，周圍未發(fā)現(xiàn)大片殘骸，地上被炸出一個(gè)大坑。

圖6 不同工況的試驗(yàn)殘骸Fig.6 Test remains under different conditions

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著排泄孔面積占比減小，烤燃彈的反應(yīng)劇烈程度逐漸增加，Sh/Sc=20%、Sh/Sc=16%時(shí)，排氣孔能夠快速排出裝藥點(diǎn)火后的產(chǎn)物，釋放壓力，點(diǎn)火后反應(yīng)速率未增加，發(fā)生了燃燒反應(yīng)；Sh/Sc=10%時(shí)，排氣孔較小，造成炸藥點(diǎn)火后的產(chǎn)物及殘藥，排泄時(shí)間增長(zhǎng)，殼體內(nèi)壓力未能快速降低，使得炸藥的反應(yīng)速率有所增加，發(fā)生了爆燃反應(yīng)，造成了端蓋螺紋拉脫；Sh/Sc=5%時(shí)，排氣孔更小，造成炸藥點(diǎn)火后的產(chǎn)物及殘藥不能迅速排出，殼體內(nèi)壓力未能迅速降低，使得炸藥的反應(yīng)速率快速增加，發(fā)生了更為劇烈的爆燃反應(yīng)，造成了殼體的膨脹及端蓋的迅速剪切破壞，這表明排氣孔的面積縮小，加劇了炸藥點(diǎn)火反應(yīng)速率的進(jìn)一步增加，該泄壓孔占比處于臨界值附近；Sh/Sc=0時(shí)，無(wú)排氣孔，炸藥點(diǎn)火后的產(chǎn)物及殘藥無(wú)法排出，殼體內(nèi)壓力迅速升高，使得炸藥的反應(yīng)速率迅速增加，發(fā)生了劇烈爆炸及以上的反應(yīng)。

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)對(duì)Φ100mm×200mm硝酸酯類PBX炸藥裝藥進(jìn)行慢烤試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，裝藥發(fā)生響應(yīng)時(shí)內(nèi)部溫度為151℃；在裝藥中心溫度達(dá)到136℃之前，裝藥中心處與裝藥半徑1/2邊緣處，兩個(gè)位置的溫度差維持不變，在溫度超過(guò)136℃后，裝藥熱分解速率明顯增大，裝藥中心溫度升溫速率變快，超過(guò)裝藥半徑1/2邊緣處的溫度。

(2)硝酸酯類PBX炸藥裝藥在慢速升溫過(guò)程中，裝藥會(huì)發(fā)生軟化變成糊狀，熱膨脹后從排氣孔處向外擠出；點(diǎn)火反應(yīng)時(shí)，從最后涌出炸藥的頂端內(nèi)部發(fā)生點(diǎn)火，點(diǎn)火過(guò)程包括：局部區(qū)域點(diǎn)火、點(diǎn)火區(qū)域擴(kuò)大、裝藥瞬態(tài)噴濺燃燒、穩(wěn)定明火燃燒過(guò)程，且點(diǎn)火過(guò)程持續(xù)時(shí)間較短、明火燃燒階段時(shí)間較長(zhǎng)。

(3)對(duì)于Φ100mm×200mm的公斤級(jí)裝藥慢烤，排氣孔面積占比對(duì)響應(yīng)時(shí)間與響應(yīng)溫度影響較小，但隨著排氣孔占比的減小，裝藥的慢烤響應(yīng)劇烈程度不斷增大，排泄孔面積與裝藥截面面積比值大于16%，裝藥發(fā)生穩(wěn)定燃燒反應(yīng)；排泄孔面積與裝藥截面面積比值在5%～10%之間，裝藥發(fā)生燃爆反應(yīng)；排泄孔面積與裝藥截面面積比值小于5%，裝藥發(fā)生爆炸及以上反應(yīng)；排泄孔面積與裝藥截面面積比值必須大于5%，才能較好地控制響應(yīng)等級(jí)，保證殼體結(jié)構(gòu)不發(fā)生碎片性破壞。