馮昌林，袁 德

(1.海軍研究院，北京 100161；2.海裝駐廣州地區(qū)第三軍事代表室，廣東 廣州 510265)

引言

航空炸彈裝藥的不敏感性對(duì)艦船自身的安全十分重要。美國(guó)針對(duì)航空炸彈的不敏感性問(wèn)題，采用的改進(jìn)途徑主要包括換裝不敏感炸藥、增加熱防護(hù)層以及優(yōu)化彈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面；同時(shí)，還開展了一系列的實(shí)驗(yàn)和模擬研究[1]。

熱刺激是航空炸彈在全壽命周期內(nèi)最常遇到的意外激源之一，航空炸彈內(nèi)部的炸藥裝藥在熱作用下會(huì)發(fā)生分解，甚至導(dǎo)致燃燒爆炸等嚴(yán)重的安全事故[2]，因此研究航空炸彈裝藥在熱刺激條件下的響應(yīng)特性對(duì)其安全使用具有重要意義。陳朗等[3]按照炸藥內(nèi)部熱量傳遞方向，把炸藥烤燃分為慢速、中速和快速烤燃3種形式，并給出了區(qū)分3種烤燃形式的判斷方法。智小琦等[4]研究了RDX基炸藥裝藥密度對(duì)慢速烤燃響應(yīng)劇烈程度的影響，發(fā)現(xiàn)在理論最大密度的80%左右時(shí)出現(xiàn)燃燒轉(zhuǎn)爆轟現(xiàn)象，響應(yīng)最劇烈。周捷等[5]研究了熔鑄炸藥慢速烤燃過(guò)程的內(nèi)部傳熱特征，發(fā)現(xiàn)固相時(shí)炸藥內(nèi)部溫度場(chǎng)為同心類橢圓狀分布，液相時(shí)內(nèi)部溫度場(chǎng)為類層狀分布，且對(duì)流是影響炸藥點(diǎn)火點(diǎn)位置分布的主要因素。陳科全等[6]發(fā)現(xiàn)澆注炸藥在快烤和慢烤條件下的安全性都高于熔鑄炸藥。王沛等[7]研究了不同升溫速率條件下炸藥熱反應(yīng)規(guī)律，升溫速率增大，炸藥點(diǎn)火時(shí)間縮短，點(diǎn)火位置從炸藥內(nèi)部移向炸藥邊緣，升溫速率對(duì)炸藥點(diǎn)火溫度影響很小。Kaneshige等[8]研究了慢烤過(guò)程中含能材料的熱點(diǎn)火過(guò)程。Dickson等[9]研究了烤燃反應(yīng)燃燒后反應(yīng)的擴(kuò)散。沈飛等[10]為了探索HMX基含鋁炸藥在不同約束下的慢烤響應(yīng)特征，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裝藥響應(yīng)等級(jí)的差異。劉子德等[11]自行設(shè)計(jì)了慢烤試驗(yàn)裝置，采用多點(diǎn)測(cè)溫慢烤試驗(yàn)方法，研究了兩種升溫速率下不同尺寸彈藥的慢速烤燃響應(yīng)。

本研究通過(guò)模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，以美軍標(biāo)MIL-STD-2105D《非核彈藥的危險(xiǎn)性評(píng)估試驗(yàn)》中針對(duì)慢速烤燃和快速烤燃兩個(gè)條件要求，研究航空炸彈裝藥在意外熱刺激條件下的安全性，明確炸藥的基礎(chǔ)材料參數(shù)對(duì)烤燃結(jié)果的影響規(guī)律，為航空炸彈裝藥的低易損設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 烤燃模型

航空炸彈裝藥烤燃過(guò)程中熱量傳遞除受到材料的物性參數(shù)影響之外，還與彈體尺寸、殼體厚度、裝藥結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)[12]。進(jìn)行烤燃過(guò)程模擬計(jì)算研究時(shí)，主要考慮傳熱過(guò)程及內(nèi)部裝藥的分解過(guò)程。因此，對(duì)模擬結(jié)果影響較小的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立的二維軸對(duì)稱計(jì)算模型如圖1所示。其中網(wǎng)格大小為1mm，網(wǎng)格數(shù)量約為1.8×105個(gè)。

圖1 航空炸彈裝藥簡(jiǎn)化模型

計(jì)算作出如下假設(shè)[13]：

(1)材料之間無(wú)接觸熱阻；

(2)炸藥裝藥與鋼制殼體之間無(wú)間隙；

(3)不考慮炸藥相變的影響；

(4)材料物性參數(shù)假定為常量。

烤燃過(guò)程中的傳熱方程如式(1)所示：

(1)

式中：r和z分別為徑向和軸向坐標(biāo)；ρi、ci和λi分別為材料的密度、比熱容和傳熱系數(shù)；下標(biāo)i為材料編號(hào)，分別對(duì)應(yīng)于鋼制殼體、燒蝕涂層、隔熱涂層和炸藥裝藥；S為炸藥反應(yīng)的熱源項(xiàng)。

假設(shè)炸藥化學(xué)反應(yīng)過(guò)程滿足Arrhenius定律：

(2)

式中：v為化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)；A為指前因子，s-1；E為活化能，kJ/mol；T為溫度，K；R為氣體常數(shù)，J/(mol·K)；f(α)為反應(yīng)機(jī)理函數(shù)。

熱源項(xiàng)S的計(jì)算公式為：

S=ρQAexp(-E/RT)f(α)

(3)

式中：Q為化學(xué)反應(yīng)放熱，J/kg。

反應(yīng)機(jī)理函數(shù)為：

f(α)=(1-α)n

(4)

式中：α為反應(yīng)進(jìn)度；n為反應(yīng)級(jí)數(shù)。假設(shè)反應(yīng)為零級(jí)，即n=0，則f(α)=1。

模擬計(jì)算時(shí)涉及到的材料物性參數(shù)如表1所示。

表1 材料物性參數(shù)

2 數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 快速烤燃

美軍標(biāo)MIL-STD-2105D中快速烤燃要求：從點(diǎn)火開始30s內(nèi)火焰溫度要迅速升高到550℃，隨后在很短的時(shí)間內(nèi)升高到至少平均溫度為800℃并趨于穩(wěn)定。

航空炸彈裝藥在快速烤燃過(guò)程中由火焰直接加熱，在模擬時(shí)可以認(rèn)為彈體裝藥由高溫氣體加熱，建立的快速烤燃模型如圖2所示，通過(guò)熱空氣對(duì)航空炸彈裝藥進(jìn)行直接加熱，模擬航空炸彈裝藥的快速烤燃過(guò)程。

圖2 快速烤燃過(guò)程簡(jiǎn)化模型

在快速烤燃過(guò)程中，火焰溫度很高，而彈體溫度較低，溫差較大，這導(dǎo)致與殼體表面接觸的炸藥升溫很快。但由于炸藥傳熱系數(shù)較小，導(dǎo)致裝藥內(nèi)部溫差較大，溫度分布始終保持向內(nèi)遞減的溫度差。不同時(shí)刻裝藥的溫度云圖計(jì)算結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯鲎罱K發(fā)生反應(yīng)的時(shí)間為330s，反應(yīng)位置在與殼體接觸的尾部裝藥處。

圖3 快速烤燃過(guò)程中溫度隨時(shí)間的變化過(guò)程

圖4為快速烤燃實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)生反應(yīng)時(shí)間為348s，模擬結(jié)果為330s。兩者對(duì)比，可以看出反應(yīng)時(shí)間的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，誤差約為-5.2%。表明建立的模型可以模擬航空炸彈裝藥的快速烤燃過(guò)程。

圖4 快速烤燃試驗(yàn)結(jié)果

2.2 慢速烤燃

美軍標(biāo)MIL-STD-2105D中慢速烤燃要求：(1)以5℃/min升溫至50℃，保溫8h，再以3.3℃/h升溫，直至發(fā)生反應(yīng)；(2)以3.3℃/h升溫直至發(fā)生反應(yīng)。在慢速烤燃過(guò)程模擬計(jì)算時(shí)設(shè)置相同的升溫曲線，同時(shí)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄溫度隨時(shí)間的變化過(guò)程，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖5所示。

圖5 慢速烤燃溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

在慢速烤燃起始階段，溫度變化主要由熱傳導(dǎo)引起，外部為加熱源，因此在靠近殼體附近炸藥溫度較高，呈現(xiàn)出向內(nèi)逐漸降低的趨勢(shì)。由于殼體與炸藥裝藥之間涂有燒蝕涂層和隔熱涂層，對(duì)外部熱量傳遞起到了較大的阻隔作用，而且彈體的結(jié)構(gòu)尺寸較大、炸藥傳熱系數(shù)較小，因此導(dǎo)致炸藥裝藥內(nèi)部的溫差較大。圖6為慢烤初始加熱階段裝藥溫度云圖變化過(guò)程。

圖6 慢烤起始階段時(shí)溫度隨時(shí)間變化過(guò)程

隨著溫度的升高，與殼體接觸的炸藥裝藥達(dá)到分解溫度，發(fā)生反應(yīng)釋放熱量，熱量向內(nèi)部裝藥和外部介質(zhì)傳遞。溫度逐漸升高，分解速率加快，產(chǎn)生的熱量來(lái)不及向周圍傳遞，導(dǎo)致熱量積累，最終高溫區(qū)域逐漸穩(wěn)定，直到發(fā)生反應(yīng)。由于該航空炸彈裝藥的結(jié)構(gòu)尺寸較大，內(nèi)部溫差較大，最終反應(yīng)位置在比較靠近尾部的位置。開始分解后炸藥裝藥內(nèi)部的溫度分布變化如圖7所示。

圖7 裝藥開始分解后溫度隨時(shí)間的變化過(guò)程

在彈尾A、尾部中段B、中心C及彈頭D處設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖8所示。

圖8 慢速烤燃過(guò)程中溫度的變化曲線

由圖8可知，與觀測(cè)到的溫度云圖現(xiàn)象一致，裝藥中心處溫度升高較慢，靠近殼體處溫度升高較快，最終發(fā)生反應(yīng)的位置在靠近尾部的A點(diǎn)。

圖9為慢速烤燃實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)分析殼體殘片，發(fā)生反應(yīng)的位置在尾部。表2為慢速烤燃試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。由表2可知，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，反應(yīng)時(shí)間的誤差約為1.2%，反應(yīng)溫度的誤差約為4.2%。這說(shuō)明建立的模型可以模擬航空炸彈的慢速烤燃過(guò)程。

圖9 慢速烤燃實(shí)驗(yàn)后回收的殼體

表2 慢速烤燃模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 裝藥慢速烤燃過(guò)程響應(yīng)特性的影響因素分析

3.1 傳熱系數(shù)的影響

通過(guò)控制變量法，結(jié)合常用炸藥的傳熱系數(shù)變化范圍，對(duì)不同傳熱系數(shù)時(shí)慢速烤燃過(guò)程進(jìn)行模擬分析，計(jì)算了傳熱系數(shù)分別為0.1、0.3和0.5W/(m·K)時(shí)的慢速烤燃過(guò)程，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。圖中分別給出了反應(yīng)前1.5h和發(fā)生反應(yīng)時(shí)的溫度分布狀態(tài)。

圖10 傳熱系數(shù)對(duì)慢速烤燃的影響

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，隨著傳熱系數(shù)的增大，熱量向裝藥內(nèi)部傳遞的速度加快，導(dǎo)致裝藥內(nèi)部溫度快速升高，溫差減小。裝藥整體溫度升高，導(dǎo)致參與分解的裝藥量增大，從而使反應(yīng)時(shí)間提前。同時(shí)隨著傳熱系數(shù)的增大，反應(yīng)位置向裝藥內(nèi)部移動(dòng)，從靠近殼體的尾部位置轉(zhuǎn)移到頭部熱點(diǎn)處。

3.2 比熱容的影響

采用控制變量法，研究炸藥比熱容變化對(duì)慢速烤燃的影響，分別計(jì)算了比熱容為300、800、1100及1300J/(kg·K)時(shí)的慢速烤燃過(guò)程，發(fā)生反應(yīng)時(shí)的溫度分布如圖11所示。

圖11 比熱容對(duì)慢速烤燃的影響

圖12給出了反應(yīng)時(shí)間及反應(yīng)溫度隨炸藥比熱容的變化過(guò)程。從圖12可以看出，隨著比熱容的增大，發(fā)生反應(yīng)的時(shí)間推遲。究其原因，是因?yàn)殡S著比熱容的增大，裝藥升高相同的溫度需要更多的熱量，而更多的熱量則需要更長(zhǎng)時(shí)間的加熱，這就使得裝藥發(fā)生反應(yīng)的時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)。此外，最先發(fā)生反應(yīng)的位置也產(chǎn)生了變化，隨著比熱容的增大，裝藥反應(yīng)位置由前半部轉(zhuǎn)移到后半部，反應(yīng)溫度也有所升高。這是由于隨著比熱容的增大，裝藥的整體升溫速率變慢，從而導(dǎo)致裝藥的整體溫度分布發(fā)生變化，裝藥當(dāng)中溫度最高的區(qū)域由前半部分逐漸向后半部分轉(zhuǎn)移，從而使裝藥當(dāng)中發(fā)生點(diǎn)火反應(yīng)的區(qū)域也發(fā)生了轉(zhuǎn)移。

圖12 反應(yīng)時(shí)間及反應(yīng)溫度與比熱容的關(guān)系

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)航空炸彈裝藥的熱安全性問(wèn)題，開展了快速烤燃和慢速烤燃實(shí)驗(yàn)，建立了計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，表明所建立模型可以較好地模擬航空炸彈的快速烤燃和慢速烤燃過(guò)程。

(2)炸藥傳熱系數(shù)和比熱容變化對(duì)慢速烤燃過(guò)程均有較大影響；隨著傳熱系數(shù)的增大，反應(yīng)位置向裝藥內(nèi)部移動(dòng)，反應(yīng)溫度呈下降趨勢(shì)，反應(yīng)時(shí)間提前；隨著比熱容的增大，反應(yīng)位置向殼體表面移動(dòng)，反應(yīng)溫度呈上升趨勢(shì)，反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)。