蔣 超，聞 泉，王雨時(shí)，張志彪，王光宇

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

武器彈藥在生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和實(shí)戰(zhàn)環(huán)境中與周圍環(huán)境存在或多或少的熱交換，當(dāng)環(huán)境出現(xiàn)意外熱刺激時(shí)彈藥就可能發(fā)生熱點(diǎn)火，這種現(xiàn)象被稱為烤燃現(xiàn)象。研究不敏感彈藥烤燃現(xiàn)象和熱安全性的試驗(yàn)稱為不敏感彈藥烤燃試驗(yàn)[1-2]。外界的意外熱刺激包括突發(fā)的火災(zāi)事故、發(fā)射或飛行過程中的摩擦生熱、核爆炸時(shí)的強(qiáng)輻射加熱以及電火花和強(qiáng)激光產(chǎn)生的熱作用等[3-5]。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)武器彈藥尤其是不敏感彈藥的熱安全性要求極高，一旦外界環(huán)境出現(xiàn)意外熱刺激，彈藥就有可能發(fā)生點(diǎn)火燃燒甚至爆炸等嚴(yán)重事故，造成重大人員傷亡[6-7]。為了評(píng)估不敏感彈藥的熱安全性，以美國(guó)為代表的西方國(guó)家于上世紀(jì)80年代開始發(fā)展不敏感彈藥烤燃試驗(yàn)技術(shù)[8]。經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展，國(guó)外不敏感彈藥烤燃試驗(yàn)技術(shù)不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，已取得重要進(jìn)展。北約標(biāo)準(zhǔn)化局(NATO Standardization Agency)對(duì)不敏感彈藥烤燃試驗(yàn)方法和評(píng)估方法做出了規(guī)定，其內(nèi)容已被各國(guó)批準(zhǔn)認(rèn)可。相比于國(guó)外，國(guó)內(nèi)在不敏感彈藥烤燃試驗(yàn)技術(shù)方面起步較晚。國(guó)內(nèi)主要是學(xué)習(xí)和借鑒國(guó)外不敏感彈藥試驗(yàn)技術(shù)，整體試驗(yàn)系統(tǒng)還不夠成熟，缺乏自主創(chuàng)新，且缺少完整準(zhǔn)確的試驗(yàn)方法和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)體系[9-10]。不敏感彈藥烤燃技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，其相應(yīng)的數(shù)值仿真技術(shù)也在不斷改進(jìn)和完善[11-12]。試驗(yàn)與仿真技術(shù)相結(jié)合逐漸成為了評(píng)估不敏感彈藥熱安全性的主要方法。

本文對(duì)不敏感彈藥烤燃試驗(yàn)及其仿真技術(shù)以及研究熱點(diǎn)展開綜述，為今后研究和發(fā)展不敏感彈藥烤燃試驗(yàn)及其仿真技術(shù)提供參考。

1 不敏感彈藥烤燃試驗(yàn)技術(shù)

不敏感彈藥烤燃試驗(yàn)是針對(duì)不敏感彈藥在制造、貯存、運(yùn)輸和使用過程中可能會(huì)遭受火災(zāi)或高溫火焰的烘烤而設(shè)計(jì)的，是評(píng)估不敏感彈藥熱安全性的重要方法之一[13]。通過檢驗(yàn)不敏感彈藥對(duì)高溫火焰的敏感程度以及發(fā)生反應(yīng)的劇烈程度，可以評(píng)估其熱安全性[14-15]。由于烤燃試驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)Σ幻舾袕椝幐鞑考M(jìn)行試驗(yàn)，且試驗(yàn)環(huán)境與彈藥實(shí)際使用環(huán)境相近，所以用它來研究彈藥的熱安全性，得到的結(jié)論與實(shí)際情況很接近，對(duì)彈藥的熱安全性評(píng)估具有實(shí)際意義[16]。根據(jù)升溫速率的不同，不敏感彈藥烤燃試驗(yàn)可分為快速烤燃試驗(yàn)和慢速烤燃試驗(yàn)。

1.1 不敏感彈藥慢速烤燃試驗(yàn)

不敏感彈藥慢速烤燃試驗(yàn)用于模擬在貯存、運(yùn)輸和戰(zhàn)備狀態(tài)下，環(huán)境溫度緩慢升高(如鄰近彈藥艙、倉(cāng)庫(kù)或者運(yùn)輸工具火災(zāi))時(shí)不敏感彈藥發(fā)生反應(yīng)的溫度、時(shí)間和響應(yīng)程度[17-18]。經(jīng)過多年的發(fā)展，不敏感彈藥慢速烤燃試驗(yàn)主要在加熱方式、檢測(cè)手段等方面進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新研究。

1.1.1 加熱方式

加熱方式研究從兩方面進(jìn)行：一是改進(jìn)現(xiàn)有方式，二是研發(fā)新型方式。20世紀(jì)80年代初期，Sechmits[19]首次進(jìn)行了限制性慢速烤燃試驗(yàn)，他將樣品裝入試管，用螺旋壓蓋、塞子和密封圈密封試管，然后將試管放入恒溫爐中加熱，試驗(yàn)裝置如圖1所示。這種加熱方式存在較大的安全隱患。1982年Kent和Rat[20]對(duì)慢速烤燃試驗(yàn)加熱方式進(jìn)行了改進(jìn)，他們?cè)谠嚬芡庠黾恿朔辣?，然后在防爆罐周圍纏繞加熱絲加熱，試驗(yàn)裝置如圖2所示。加熱絲具有抗氧化性能好、電阻率高、使用壽命長(zhǎng)、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但是在高溫下也容易變形，加熱時(shí)還可能導(dǎo)致樣品受熱不均，從而影響試驗(yàn)結(jié)果。1984年美國(guó)能源部在MHSMP-84-22《鈍感炸藥材料鑒定試驗(yàn)原理和準(zhǔn)則(IHE Material Qualification Tests Description and Criteria)》[21]中規(guī)定用油浴方法加熱樣品，很好地解決了樣品受熱不均問題。油浴加熱是將裝有樣品的套管放入恒溫的油浴中，套管和樣品通過熱傳遞接受外部熱量，加熱原理和裝置分別如圖3和圖4所示。油浴加熱雖然能解決樣品受熱不均的問題，但試驗(yàn)安全性較低。一旦試驗(yàn)中發(fā)生爆燃甚至爆炸，高溫油就會(huì)加速燃燒，引起油飛濺，會(huì)對(duì)操作人員構(gòu)成一定的危險(xiǎn)[22]。鑒于油浴加熱的危險(xiǎn)性，2003年北約標(biāo)準(zhǔn)化局制定了STANAG4382《彈藥慢速烤燃試驗(yàn)規(guī)程(Slow Heating，Munition Test Procedures)》[17]，將油浴加熱改為空氣浴加熱，空氣浴加熱原理如圖5所示。具體試驗(yàn)流程是將樣品放在絕緣烤燃箱內(nèi)，用循環(huán)加熱的空氣進(jìn)行加熱，流入和流出的空氣溫差控制在5 ℃以下。為使樣品受熱均勻，樣品與烤燃箱壁面留有至少200 mm的間隙，該間隙會(huì)形成環(huán)形空腔，加上壁面間的輻射換熱，就會(huì)形成內(nèi)部空氣對(duì)流。因此，空氣浴加熱是復(fù)合換熱，會(huì)受到熱輻射率和對(duì)流換熱系數(shù)的影響，而油浴加熱只涉及簡(jiǎn)單的熱傳遞，沒有空氣浴加熱那么復(fù)雜。由于加熱介質(zhì)不同，油浴加熱和空氣浴加熱的升溫速率也不同，從而使樣品發(fā)生反應(yīng)的時(shí)間不同。近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多采用空氣浴加熱方法進(jìn)行不敏感彈藥慢速烤燃試驗(yàn)。

圖1 早期的慢烤試驗(yàn)裝置Fig.1 Early slow cook-off test device

圖2 加熱絲加熱慢烤試驗(yàn)裝置Fig.2 A slow cook-off test device heated by heating wire

圖3 油浴加熱原理Fig.3 Oil bath heating principle

圖4 油浴加熱慢烤試驗(yàn)裝置Fig.4 A slow cook-off test device heated by oil bath

圖5 空氣浴加熱原理Fig.5 Air bath heating principle

1.1.2 檢測(cè)手段

檢測(cè)手段研究主要是從增加檢測(cè)設(shè)備以獲取更多信息方面進(jìn)行的。20世紀(jì)80年代初期，由于試驗(yàn)技術(shù)和設(shè)施不成熟，Sechmits在慢速烤燃試驗(yàn)中只對(duì)樣品熱爆炸時(shí)間和反應(yīng)后破片情況進(jìn)行分析和記錄[19]。當(dāng)時(shí)主要是從這兩方面來評(píng)估彈藥熱安全性的，但是測(cè)量的熱爆炸時(shí)間是從開始加熱計(jì)時(shí)的，故存在一定的誤差，而破片情況更是無法從定量角度分析，僅僅從這兩點(diǎn)就無法準(zhǔn)確地評(píng)估彈藥熱安全性。為了觀測(cè)彈藥內(nèi)部溫度變化，1991年Jones和Parker[23]在試樣內(nèi)部中心位置放置了熱電偶，改進(jìn)后的烤燃試驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示。他們改變了以往無法定量評(píng)估彈藥熱安全性的局面，在檢測(cè)手段方面實(shí)現(xiàn)了突破。由于試樣內(nèi)部空間通常有限，可放置的熱電偶數(shù)量不足，所以往往會(huì)導(dǎo)致無法全面觀測(cè)彈藥內(nèi)部溫度變化情況。針對(duì)此問題，2000年Dickson等人設(shè)計(jì)了多點(diǎn)測(cè)溫烤燃試驗(yàn)裝置[24]。他們用1.6 mm厚銅套管連接兩個(gè)直徑均為25 mm的圓柱形PBX9501藥塊，并在連接處沿直徑方向放置一排熱電偶，相鄰熱電偶間距約為1.25 mm，如圖7所示。多點(diǎn)測(cè)溫裝置可以全面地觀測(cè)彈藥內(nèi)部溫度變化情況，提高了溫度測(cè)量精度。2003年北約標(biāo)準(zhǔn)化局制定了STANAG4382[17]，對(duì)不敏感彈藥慢速烤燃試驗(yàn)檢測(cè)方式進(jìn)行了規(guī)定，在烤燃箱內(nèi)安置了4個(gè)測(cè)溫?zé)犭娕?，其中兩個(gè)分別靠近空氣進(jìn)口和出口，另外兩個(gè)放置于其他方向，如圖8所示。測(cè)溫?zé)犭娕贾辽倜糠昼娪涗浺淮螖?shù)據(jù)，可以獲取不同位置溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線，從而有助于分析溫度變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度。溫度變化只是研究不敏感彈藥熱安全性的一方面。另一方面是對(duì)容器的變形程度等結(jié)構(gòu)問題進(jìn)行研究。Sandusky等人[25-26]在試驗(yàn)中不僅有溫度測(cè)量，還有機(jī)械結(jié)構(gòu)測(cè)量，包括對(duì)試管圓周應(yīng)變和軸向膨脹的測(cè)量，試驗(yàn)裝置和測(cè)試試管分別如圖9和圖10所示。試管軸向膨脹量等于板簧位移量，可以通過位移傳感器來采集數(shù)據(jù)，這樣就可以評(píng)估反應(yīng)劇烈程度。2001年荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究機(jī)構(gòu)(Netherlands Organisation for Applied Science Research)的研究人員Cheng等人[27]采用光測(cè)試技術(shù)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)測(cè)量，試驗(yàn)裝置如圖11所示。他們將烤燃管包裹在光纖中，試驗(yàn)過程中一旦烤燃管發(fā)生形變，就會(huì)引起周圍光纖發(fā)生干涉，通過分析干涉信號(hào)可以獲得光纖的長(zhǎng)度變化，從而探測(cè)到烤燃管的直徑變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)烤燃管的形變測(cè)量，從而評(píng)估反應(yīng)劇烈程度。隨著檢測(cè)手段的豐富與完善，不敏感彈藥慢速烤燃試驗(yàn)中可獲取的信息量不斷增多，從多方面數(shù)據(jù)分析中得出的熱安全性就更加具有準(zhǔn)確性和可信性。

圖6 加入熱電偶的烤燃試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.6 A cook-off test system with thermocouples

圖7 烤燃試驗(yàn)系統(tǒng)中藥柱連接處熱電偶位置Fig.7 Position of thermocouple at the connection of explosive in cook off test system

圖8 烤燃箱中測(cè)溫?zé)犭娕嘉恢肍ig.8 Position of temperature thermocouple in a cook-off oven

圖9 烤燃試驗(yàn)裝置Fig.9 Cook-off test device

圖10 烤燃測(cè)試試管Fig.10 Cook-off test tube

圖11 含光纖的烤燃試驗(yàn)裝置Fig.11 Fiber-containing cook-off test device

1.2 不敏感彈藥快速烤燃試驗(yàn)

不敏感彈藥快速烤燃試驗(yàn)用來模擬不敏感彈藥在貯存、運(yùn)輸和戰(zhàn)備狀態(tài)下出現(xiàn)意外失火(彈藥艙、倉(cāng)庫(kù)、飛機(jī)或運(yùn)輸工具燃油火災(zāi))所發(fā)生反應(yīng)的溫度、時(shí)間和響應(yīng)程度[18,28]。不同于慢速烤燃試驗(yàn)，快速烤燃試驗(yàn)的模擬條件是快速升溫環(huán)境，因此，一般采用有機(jī)燃料(如酒精、木料、汽油、航空煤油等)作為加熱材料，直接加熱試樣，而不是采用加熱絲或是烤燃箱。這就對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地有一定的要求，且不能在降雨和降雪等惡劣天氣下進(jìn)行[28]。

經(jīng)過多年的發(fā)展，不敏感彈藥快速烤燃試驗(yàn)主要在加熱方式方面進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新研究。加熱方式研究從兩方面進(jìn)行：一是改進(jìn)現(xiàn)有方式，二是研發(fā)新型方式。20世紀(jì)80年代末美國(guó)海軍表面武器中心的研究人員Rooijers等人[29]設(shè)計(jì)了快速烤燃試驗(yàn)，他們選用汽油作為加熱燃料，將其裝入燃料盤，然后火燒懸掛于一定高度的烤燃彈試樣。試驗(yàn)裝置中沒有均熱裝置，因而會(huì)導(dǎo)致試樣受熱不均，同時(shí)懸空的烤燃彈樣品一旦出現(xiàn)晃動(dòng)，就會(huì)出現(xiàn)局部加熱的情況，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果會(huì)有一定的影響。另外，火燒試驗(yàn)無法控制加熱速率，只能通過測(cè)溫?zé)犭娕加涗洔囟茸兓?，擬合出溫度-時(shí)間曲線，得出近似加熱速率。1998年胡曉棉等人[30]針對(duì)試樣受熱不均的情況，在燃料盤和試樣間增設(shè)了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)鋼塊，這樣就可以把火焰溫度均勻化，使試樣受熱均勻，同時(shí)鋼塊也可以作為小型見證板，用來表征反應(yīng)的劇烈程度，如圖12所示。不同于小尺寸火焰加熱，美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究了通過開放池火對(duì)試樣進(jìn)行加熱的方式。1991年該實(shí)驗(yàn)室Nakos等人[31]進(jìn)行了開放池火火燒試驗(yàn)，并對(duì)9 m×18 m×1 m的大型開放池火和1 m×2 m×4.3 m的小型池火分別進(jìn)行了研究，他們認(rèn)為大型開放池火的試驗(yàn)條件更接近于實(shí)際環(huán)境條件。他們使用了JP-4煤油作為加熱燃料，并設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易的防風(fēng)裝置，在一定程度上減少風(fēng)對(duì)試驗(yàn)的影響。結(jié)果表明，對(duì)于池火火燒試驗(yàn)，試樣溫度的上升只與環(huán)境溫度有關(guān)，與燃燒池尺寸無關(guān)，而且大型燃燒池不易布置、成本較高，此后大多進(jìn)行小型池火火燒試驗(yàn)。2003年北約標(biāo)準(zhǔn)化局制定了STANAG4240《使用液體燃料/外部火焰彈藥試驗(yàn)規(guī)程(Liquid Fuel/Extemal Fire，Munition Test Procedures)》[28]，對(duì)小型池火試驗(yàn)進(jìn)行了規(guī)定，規(guī)定以牌號(hào)AVCAT(NATO F-34或F-35)的煤油或商業(yè)煤油(Class C2/NATO F-58)作為燃料，裝入燃燒池對(duì)試樣加熱，在燃燒池四周設(shè)置點(diǎn)火器，由同步點(diǎn)火控制系統(tǒng)發(fā)出點(diǎn)火信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步點(diǎn)火，以保證點(diǎn)火的穩(wěn)定性和可靠性，如圖13所示。相比于傳統(tǒng)的火燒加熱方式，2006年Atwood等人[32]研發(fā)的一種新型加熱方式既能穩(wěn)定熱流輸出，又能控制加熱速率，試驗(yàn)原理和試驗(yàn)裝置分別如圖14和圖15所示。他們?cè)趫A筒壁的8個(gè)對(duì)稱位置上安裝了霧化噴嘴和丙烷噴射速率控制裝置，以一定壓力將丙烷噴出，并利用鼓風(fēng)機(jī)在圓筒壁一側(cè)吹入空氣進(jìn)行點(diǎn)火，另一側(cè)放置待測(cè)樣品。試驗(yàn)中，空氣吹入速率由鼓風(fēng)機(jī)控制，丙烷噴射速率由其控制裝置控制，從而達(dá)到穩(wěn)定熱流輸出和控制加熱速率的目的。這種新型加熱方式解決了火燒試驗(yàn)無法控制加熱速率的問題，是不敏感彈藥快速烤燃試驗(yàn)的一大突破，提高了不敏感彈藥快速烤燃試驗(yàn)的加熱精度和重復(fù)性，但對(duì)被試不敏感彈藥的尺寸有一定限制。

圖12 火燒試驗(yàn)原理Fig.12 Fire test principle

圖13 小型燃燒池火燒試驗(yàn)裝置Fig.13 Fire test device using a small combustion chamber

圖14 新型彈藥火燒試驗(yàn)原理Fig.14 A new fire test principle of munitions

圖15 新型彈藥火燒試驗(yàn)裝置Fig.15 A new fire test device of munitions

2 不敏感彈藥烤燃仿真技術(shù)

由于不敏感彈藥烤燃試驗(yàn)成本高、危險(xiǎn)性大，所以數(shù)值仿真技術(shù)成為另一種評(píng)估不敏感彈藥熱安全性的方法。通過模擬計(jì)算，人們對(duì)不敏感彈藥熱點(diǎn)火位置、溫度和時(shí)間有了更加深入的認(rèn)識(shí)，也為彈藥的熱安全性評(píng)估提供了理論支撐和技術(shù)支撐。數(shù)值仿真技術(shù)一方面可以得到試驗(yàn)無法測(cè)量或是難以測(cè)量的性能參數(shù)，另一方面可以很方便地改變條件，如加熱速率、炸藥密度、炸藥類型以及隔熱材料等，便于不敏感彈藥低易損化研究。

目前用于不敏感彈藥烤燃仿真的軟件主要有FLUENT[33]、LS-DYNA[34]、ABAQUS[35]、PHOENICS[36]等。FLUENT軟件是目前國(guó)內(nèi)外使用較為廣泛的不敏感彈藥烤燃仿真軟件。FLUENT軟件在美國(guó)的市場(chǎng)占有率約為60%。FLUENT軟件不具備網(wǎng)格劃分功能，因此需要配合前處理軟件，如GAMBIT、ICEM CFD等。通常是將炸藥自熱反應(yīng)放熱源項(xiàng)以基于C語言的自定義函數(shù)UDF的形式加載到FLUENT中求解。FLUENT軟件擁有良好的用戶界面，同時(shí)計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面也都較為理想。LS-DYNA軟件是著名的顯式動(dòng)力學(xué)分析軟件，具有網(wǎng)格劃分功能，在求解過程中是將炸藥自熱反應(yīng)放熱源項(xiàng)導(dǎo)入LS-DYNA程序的材料參數(shù)中進(jìn)行計(jì)算。ABAQUS軟件是非線性計(jì)算能力強(qiáng)大的有限元軟件，與LS-DYNA軟件一樣，也具有網(wǎng)格劃分功能，但炸藥自熱反應(yīng)放熱源項(xiàng)是以子程序HETVAL的形式加載到ABAQUS中求解的。這三種軟件都能得到不敏感彈藥烤燃仿真所期望的溫度結(jié)果云圖和溫度-時(shí)間曲線。

目前用于不敏感彈藥烤燃仿真的模型主要有兩種，一種是Frank-Kamenetskii模型[37-38]，該模型是1939年由Frank-Kamenetskii提出的零級(jí)反應(yīng)模型：

其中，Cv為定壓比熱容，λ為炸藥導(dǎo)熱系數(shù)，ρ為密度，Q為反應(yīng)熱，Z為指前因子，E為活化能。上式的物理意義是，左邊項(xiàng)為單位時(shí)間內(nèi)單位體積含能材料升溫所需熱量，右邊第一項(xiàng)為熱傳導(dǎo)流入熱量，第二項(xiàng)為單位時(shí)間內(nèi)單位體積炸藥熱分解所釋放的能量。Frank-Kamenetskii模型基于穩(wěn)定態(tài)理論，即不考慮反應(yīng)物的消耗，反應(yīng)物中試樣所占比重保持不變。雖然實(shí)際過程中不存在這種情況，但實(shí)驗(yàn)證明在熱點(diǎn)火之前，反應(yīng)物的消耗是極小的，可忽略不計(jì)[39]。因此，F(xiàn)rank-Kamenetskii模型仍具有普遍意義。除了Frank-Kamenetskii模型，還有一種是McGuire-Tarver模型[40]，該模型是20世紀(jì)80年代初由McGuire和Tarver提出的多步化學(xué)反應(yīng)模型：

其中，Cv為定壓比熱容，λ為炸藥導(dǎo)熱系數(shù)，ρA，ρB，ρC為不同反應(yīng)步的反應(yīng)物密度，QA，QB，QC為不同反應(yīng)步的反應(yīng)熱，ZA，ZB，ZC為不同反應(yīng)步的指前因子，EA，EB，EC為不同反應(yīng)步的活化能，f(αA)，f(αB)，f(αC)為不同反應(yīng)步的反應(yīng)機(jī)理函數(shù)。McGuire-Tarver模型考慮了炸藥的熱分解機(jī)理。由于梯恩梯[41]、黑索金[42-43]、奧克托今和三氨基三硝基苯[44-45]等在相同的熱環(huán)境下有不同的熱分解過程，所以其McGuire-Tarver模型也不同。從理論上分析，McGuire-Tarver模型要比經(jīng)典Frank-Kamenetskii模型更符合實(shí)際。2004年荊松吉等人分別用基于Frank-Kamenetskii模型的一級(jí)反應(yīng)模型和McGuire-Tarver模型進(jìn)行了圓柱體黑索今炸藥烤燃特性的數(shù)值模擬[46]。兩種模型的模擬結(jié)果都與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，但McGuire-Tarver模型較基于Frank-Kamenetskii模型的一級(jí)反應(yīng)模型更準(zhǔn)確，從仿真角度也可以說明McGuire-Tarver模型更加符合實(shí)際。不足的是，仿真過程中沒有考慮外部容器的傳熱以及容器與炸藥之間的接觸傳熱，導(dǎo)致模擬的熱點(diǎn)火時(shí)間與試驗(yàn)結(jié)果相比提前了。同時(shí)，仿真過程沒有考慮炸藥相變過程，而大部分的炸藥受熱都會(huì)發(fā)生相變，固態(tài)炸藥只存在熱傳導(dǎo)，液態(tài)炸藥既有熱傳導(dǎo)又有熱對(duì)流，相變還會(huì)吸收熱量、改變炸藥熱物性參數(shù)，最終影響熱點(diǎn)火時(shí)間和反應(yīng)劇烈程度。針對(duì)這些問題，2009年陳朗等人[41,47]對(duì)仿真過程進(jìn)行了改進(jìn)，將外部殼體的傳熱考慮了進(jìn)去，同時(shí)，采用焓孔隙率方法處理炸藥相變過程，即基于焓的平衡求解液相分?jǐn)?shù)β。液相分?jǐn)?shù)β表示液態(tài)物質(zhì)在整體中所占的容積比：

其中，Ts為凝固溫度，Tl為熔化溫度。在仿真過程中加入液相分?jǐn)?shù)，可以同時(shí)給出炸藥不同形態(tài)的物性參數(shù)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。結(jié)果表明，改進(jìn)后的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果更加吻合。因此，在仿真過程中考慮炸藥相變是很有必要的。相比于傳統(tǒng)的溫度場(chǎng)仿真，Yoh等人建立了一種評(píng)估烤燃過程的新方法，即將溫度場(chǎng)仿真與結(jié)構(gòu)仿真相結(jié)合，既能得到溫度分布圖像又能給出外部容器變形過程，從而更準(zhǔn)確地評(píng)估反應(yīng)劇烈程度[48-50]。外部容器采用Johnson-Cook失效應(yīng)變模型[51]，模型如下：

其中，D1、D2、D3為材料常數(shù)，σH為平均應(yīng)力，σeq為等效應(yīng)力。該模型是一種以經(jīng)驗(yàn)為主的本構(gòu)模型，仿真過程可以獲得外部容器的裂紋尺寸并確定容器變形程度，從而評(píng)估反應(yīng)劇烈程度。

仿真模型的可行性基于模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，單獨(dú)的仿真一般不具有任何實(shí)際意義。一旦仿真模型可行，就可以很方便地改變仿真條件，如加熱速率[52-53]、熱通量[54-55]、炸藥密度[56-57]、炸藥類型[58]以及隔熱材料[59]，進(jìn)行烤燃環(huán)境下不敏感彈藥的熱安全性分析和低易損性化研究。而這些在實(shí)際試驗(yàn)中改變會(huì)比較麻煩，改變加熱速率需要加入溫度控制裝置，改變熱通量需要采取絕熱措施或改變加熱面尺寸來改變受熱面積，改變炸藥密度、炸藥類型和隔熱材料則需要不斷更換試樣進(jìn)行試驗(yàn)。向梅等[53,58]先通過驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算模型的正確性，然后進(jìn)行了5 K/h，3 K/min，10 K/min三種升溫速率下的烤燃數(shù)值模擬，同時(shí)也采用復(fù)合藥柱作為試樣，即內(nèi)層為高能炸藥JO-9159，外層為鈍感炸藥JB-9014，兩種炸藥形成內(nèi)外層結(jié)構(gòu)裝藥。通過簡(jiǎn)單的仿真，既得出了加熱速率對(duì)熱點(diǎn)火時(shí)間和位置的影響程度，又得出了復(fù)合裝藥相對(duì)于普通裝藥的性能優(yōu)勢(shì)。仿真手段可以通過較小的工作量和較低的成本得出符合實(shí)際的結(jié)果，這是仿真相對(duì)于試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)。但仿真是一種模擬過程，無法把實(shí)際中的所有因素都考慮進(jìn)去，通常會(huì)忽略一些對(duì)結(jié)果影響較小的因素。由于技術(shù)不成熟等原因，某些對(duì)結(jié)果有一定影響的因素，沒有在仿真過程中考慮，會(huì)對(duì)仿真結(jié)果造成一定影響，從而影響對(duì)彈藥熱安全性的評(píng)估。隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，仿真過程將加入越來越多的實(shí)際因素，模擬的烤燃環(huán)境會(huì)更加貼近實(shí)際，模擬結(jié)果將會(huì)更具有準(zhǔn)確性和可信性。

3 目前研究的熱點(diǎn)和方向

目前不敏感彈藥烤燃試驗(yàn)技術(shù)和仿真技術(shù)已經(jīng)有了一定的成果，但仍需進(jìn)一步研究和完善。首先，不敏感彈藥慢速烤燃標(biāo)準(zhǔn)加熱速率是否合理？[60-62]目前不敏感彈藥慢速烤燃試驗(yàn)以3.3 ℃/h為標(biāo)準(zhǔn)加熱速率，但是實(shí)際慢速烤燃過程中的加熱速率或低溫反應(yīng)中的加熱速率可能并不是3.3 ℃/h，這就需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)加熱速率進(jìn)行深入分析與論證。如果不敏感彈藥慢速烤燃加熱速率標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生變化，就會(huì)出現(xiàn)一系列的問題，如先前以3.3 ℃/h為加熱速率進(jìn)行的試驗(yàn)是否需要以新標(biāo)準(zhǔn)重新試驗(yàn)。當(dāng)然，3.3 ℃/h加熱速率也有一定的適用性，根據(jù)實(shí)際情況選擇不同加熱速率對(duì)不敏感彈藥進(jìn)行慢速烤燃試驗(yàn)應(yīng)該更為合理。

其次，不敏感彈藥慢速烤燃試驗(yàn)要求烤燃箱不能影響系統(tǒng)反應(yīng)。試驗(yàn)中裝藥可能會(huì)通過排氣孔或其他類型的排氣機(jī)構(gòu)從彈藥中泄漏出來，需要進(jìn)行烤燃箱的相關(guān)結(jié)構(gòu)來保證裝藥不會(huì)落在加熱元件上[60]。同時(shí)，反應(yīng)后烤燃箱碎片也可以作為評(píng)估反應(yīng)劇烈程度的次要證據(jù)。而STANAG4382[17]中沒有涉及烤燃箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這是一個(gè)亟待解決的問題。與烤燃箱相關(guān)的另一個(gè)問題是自然與強(qiáng)制對(duì)流在反應(yīng)中所起的作用，反應(yīng)過程中整個(gè)烤燃箱的溫度需要保持一致。另外，彈藥尺寸也對(duì)烤燃箱尺寸有一定的影響，若只有一種標(biāo)準(zhǔn)的烤燃箱結(jié)構(gòu)，對(duì)于較小的彈藥來說箱壁與試樣之間的間隙尺寸可能較大，但對(duì)較大的彈藥來說可能就不夠。這就要求針對(duì)不同尺寸的彈藥制定相應(yīng)的烤燃箱。

還有，為了更好地評(píng)估烤燃反應(yīng)劇烈程度和不敏感彈藥熱安全性，需要有更多的量化指標(biāo)[5,62-64]?？梢允褂肵射線技術(shù)對(duì)烤燃環(huán)境進(jìn)行可視化/量化。閃光X射線和實(shí)時(shí)X射線可以用來探測(cè)彈藥接近烤燃溫度時(shí)發(fā)生的反應(yīng)。由于射線技術(shù)僅能夠穿透特定距離，所以必須考慮具體試驗(yàn)情況。X射線技術(shù)也可以通過觀測(cè)反應(yīng)中的氣體傳播來測(cè)量壓力。如果可以測(cè)得滲透率和氣體增壓數(shù)據(jù)，則可以得出壓力數(shù)據(jù)。另外，可以增設(shè)檢測(cè)儀器來獲得更多量化數(shù)據(jù)。平面多普勒測(cè)速儀和高速視頻可以用來測(cè)量碎片飛出速度，Moriee條紋、數(shù)字圖像相關(guān)照片可以用來確定烤燃箱壁面應(yīng)變率，這些都可以作為評(píng)估反應(yīng)劇烈程度的指標(biāo)[62]。當(dāng)然，增設(shè)檢測(cè)儀器就意味著增加試驗(yàn)成本，同時(shí)也需要一定的時(shí)間進(jìn)行安裝和調(diào)試。這就需要后期來證明因?yàn)檫@些儀器而帶來的更多信息量是否有足夠價(jià)值，值得為其增加試驗(yàn)成本。

最后，老化的問題也需要列入不敏感彈藥烤燃試驗(yàn)。目前的不敏感彈藥烤燃試驗(yàn)都是基于原始彈藥的，沒有考慮過彈藥的老化，而實(shí)際中的彈藥或多或少存在一定的老化現(xiàn)象，彈藥貯存時(shí)間越長(zhǎng)，越有可能出現(xiàn)老化問題[65-66]。對(duì)于老化的彈藥，其性能和熱安全性都會(huì)存在一定問題，不敏感彈藥烤燃試驗(yàn)需要針對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行相應(yīng)的研究。

4 結(jié)論

隨著不敏感彈藥技術(shù)的發(fā)展，烤燃試驗(yàn)作為一類評(píng)價(jià)不敏感彈藥熱安全性的方法在彈藥設(shè)計(jì)中使用得越來越多，烤燃試驗(yàn)技術(shù)本身也向著更加直觀、安全和定量的方向發(fā)展。特別是結(jié)合數(shù)值仿真技術(shù)，可以獲得更多烤燃試驗(yàn)中無法獲得的信息，從而更加準(zhǔn)確地評(píng)估不敏感彈藥的熱安全性。目前國(guó)外在不敏感彈藥烤燃試驗(yàn)方法和評(píng)估準(zhǔn)則方面已取得重要進(jìn)展。相比而言，國(guó)內(nèi)在不敏感彈藥烤燃試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域與國(guó)外存在較大差距，仍在使用傳統(tǒng)的技術(shù)手段，且尚未建立不敏感彈藥烤燃試驗(yàn)和評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)體系。鑒于國(guó)內(nèi)烤燃試驗(yàn)技術(shù)和仿真技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，建議今后加強(qiáng)慢速烤燃標(biāo)準(zhǔn)加熱速率合理化、烤燃箱尺寸限制、量化指標(biāo)多樣化、彈藥老化問題等方面的研究，學(xué)習(xí)和引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，改進(jìn)原有技術(shù)手段，以盡快提高不敏感彈藥烤燃試驗(yàn)技術(shù)水平并建立相應(yīng)的試驗(yàn)和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)體系。