翟 蓉，施坤林，鄒金龍，牛蘭杰，王 炅

(1.機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；2.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

不敏感彈藥(isensitive munition，IM)是指具有對(duì)加熱、沖擊、爆轟等外界刺激不敏感或在這種外界刺激下不會(huì)引起強(qiáng)烈反應(yīng)的彈藥。它能在不降低彈藥使用性能和作戰(zhàn)效率前提下降低意外刺激(烤爆、殉爆和撞擊)導(dǎo)致災(zāi)難性反應(yīng)的可能性，本質(zhì)上也是對(duì)彈藥的安全性發(fā)展要求。2011年，美國(guó)完成了MIL-STD-2105D《非核彈藥危險(xiǎn)評(píng)估試驗(yàn)規(guī)范》[1]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的修訂，詳細(xì)規(guī)定了不敏感彈藥必須經(jīng)過快速烤燃、慢速烤燃、彈丸撞擊、殉爆等多項(xiàng)試驗(yàn)。引信作為彈藥安全與起爆控制核心，其不敏感特性正成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。引信烤燃特性是指引信在受到外部熱刺激時(shí)所表現(xiàn)出來的反應(yīng)劇烈程度，主要是由傳爆序列裝藥受熱發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致?？救荚囼?yàn)是不敏感彈藥引信測(cè)試評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中的重要試驗(yàn)之一，根據(jù)升溫速率的高低可分為慢速烤燃試驗(yàn)和快速烤燃試驗(yàn)。慢速烤燃試驗(yàn)主要是用來模擬鄰近彈藥庫(kù)/倉(cāng)庫(kù)或車輛等起火時(shí)彈藥經(jīng)受的慢速增溫環(huán)境。根據(jù)美國(guó)MIL-STD-2105D《非核彈藥危險(xiǎn)評(píng)估試驗(yàn)規(guī)范》中的要求，目前慢速烤燃試驗(yàn)都采用3.3 ℃/h的升溫速率。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于炸藥火工品不敏感特性開展了大量研究，國(guó)外Erneux等人進(jìn)行了推進(jìn)劑的烤燃試驗(yàn)，試驗(yàn)中測(cè)量了推進(jìn)劑發(fā)生爆炸的熱響應(yīng)時(shí)間和溫度。Scholtes和Van der Meef等人對(duì)TNT炸藥進(jìn)行了慢速烤燃試驗(yàn)，得到的溫度-時(shí)間曲線表明TNT溶化對(duì)炸藥內(nèi)部溫度變化有顯著影響[2-4]。國(guó)內(nèi)王沛[5]等人對(duì)固黑鋁炸藥在不同升溫速率下的烤燃過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到了不同升溫速率對(duì)固黑鋁炸藥烤燃特性的影響。王洪偉[6]等人研究了升溫速率對(duì)烤燃彈熱起爆臨界溫度的影響。王曉峰[7]研究了慢速烤燃試驗(yàn)情況下不同傳爆藥配方的反應(yīng)溫度和反應(yīng)類型。智小琦[8]等人利用設(shè)計(jì)的烤燃系統(tǒng)對(duì)傳爆藥的烤燃特性開展了炸藥裝藥密度對(duì)慢速烤燃響應(yīng)特性的影響研究。然而上述工作僅僅是對(duì)炸藥的烤燃特性開展研究，很少考慮在引信約束條件下對(duì)傳爆序列的不敏感特性研究，特別是未考慮升溫速率對(duì)引信烤燃特性的影響，因此上述研究成果不能作為不敏感引信傳爆序列設(shè)計(jì)、考核的參考。針對(duì)不敏感彈藥引信傳爆序列熱安全性設(shè)計(jì)的迫切需求，本文提出了引信慢速烤燃特性的等效試驗(yàn)方法。

1 引信慢速烤燃特性

1.1 引信熱起爆機(jī)理

在加熱條件下，引信傳爆序列裝藥熱分解所產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)釋放到周圍環(huán)境，而是儲(chǔ)存于炸藥反應(yīng)區(qū)內(nèi)部并出現(xiàn)熱積累，使炸藥自身的溫度和環(huán)境壓力升高，加快炸藥的熱分解反應(yīng)，這種持續(xù)相互作用的促進(jìn)和循環(huán)最終導(dǎo)致炸藥發(fā)生爆炸甚至爆轟等劇烈反應(yīng)。

目前被普遍接受的非均質(zhì)炸藥爆轟的響應(yīng)機(jī)制為二階段理論[9]，即熱點(diǎn)火階段和由熱點(diǎn)引起的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z階段的理論。在壓藥過程中，炸藥內(nèi)部微粒間的空穴或氣孔的產(chǎn)生必須要有另外的附加能量，這些能量?jī)?chǔ)存在空穴或氣孔的表面，稱為表面能。當(dāng)引信經(jīng)歷烤燃環(huán)境時(shí)，傳爆序列裝藥經(jīng)受殼體傳熱、輻射傳熱的共同作用后發(fā)生熱分解反應(yīng)，使空穴或氣孔被破壞，釋放表面能，加熱空穴或氣體周圍的介質(zhì)，使溫度升高，從而形成熱點(diǎn)。同時(shí)，炸藥中心分解得到的高溫氣體，穿透周圍的區(qū)域，熱點(diǎn)增大，燃燒區(qū)域急劇增加，燃燒速率呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致爆轟。

1.2 引信慢速烤燃計(jì)算模型

為了研究引信在烤燃環(huán)境下的響應(yīng)規(guī)律，對(duì)引信烤燃計(jì)算模型做以下假設(shè)：1) 假設(shè)引信殼體與傳爆序列裝藥之間間隙極小可以忽略不計(jì)，傳爆序列裝藥反應(yīng)區(qū)域熱傳遞僅由熱傳導(dǎo)引起；2) 烤燃過程中熱點(diǎn)火端，反應(yīng)物消耗極小可以忽略不計(jì)，引信體和裝藥的材料參數(shù)保持不變；3) 裝藥的自熱反應(yīng)和熱傳導(dǎo)遵循Frank-Kamenetskill模型方程[10]，見式(1)：

(1)

式(1)中，ρ為反應(yīng)物的密度(kg/m3)，λ為導(dǎo)熱系數(shù)(J·kg-1·K-1)，Q為反應(yīng)物的反應(yīng)熱(J·kg-1)，A為指前因子(s-1)，E為活化能(J·mol-1)，R為普適氣體常數(shù)(J·mol-1·K-1)，T為溫度(K)，f(a)為反應(yīng)機(jī)理函數(shù)。

2 引信慢速烤燃特性的等效試驗(yàn)方法

2.1 引信慢速烤燃特性仿真模型

為了研究升溫速率對(duì)引信烤燃特性的影響，利用FLUENT仿真軟件進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。通過仿真計(jì)算可以獲得不同升溫速率下引信發(fā)生反應(yīng)的時(shí)間，同時(shí)可以對(duì)引信傳爆序列部分發(fā)生反應(yīng)的位置、溫度和時(shí)間有更加細(xì)致的認(rèn)識(shí)。

首先對(duì)引信結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，仿真計(jì)算所用引信模型為典型中大口徑榴彈引信(如圖1所示)主要包括風(fēng)帽、引信殼體、電子部件、電池、安保機(jī)構(gòu)、導(dǎo)爆藥、傳爆藥等。其中引信頭部和中間部分為電子部件、電池等，不涉及安全性問題，可以等效以灌封材料填充進(jìn)行替代，提高研究效率。

由于引信系統(tǒng)為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為減少計(jì)算量且方便顯示其內(nèi)部溫度分布云圖，建立1/4計(jì)算模型，并劃分有限元網(wǎng)格(如圖2所示)，包含引信殼體、保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、傳爆序列裝藥(導(dǎo)爆藥、傳爆藥)、傳爆管殼、隔爆板等幾部。引信中通過螺紋連接的零部件均簡(jiǎn)化為圓柱形引信殼體，保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)用材質(zhì)為45#鋼的金屬部件代替，模型中各微小空隙忽略不計(jì)。按照引信實(shí)際尺寸簡(jiǎn)化物理模型，從引信殼體外壁進(jìn)行加熱，監(jiān)測(cè)引信中的電子部件、導(dǎo)爆藥、傳爆藥等關(guān)鍵部位的溫度變化。

圖1 引信結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Fuze structural diagram

圖2 引信仿真模型Fig.2 Fuze’s simulation model

2.2 仿真模型的初始參數(shù)選取

2.2.1材料參數(shù)選取

在仿真過程中，設(shè)置殼體側(cè)壁為加熱邊界，代替外部加熱裝置。加熱速率和自熱反應(yīng)源以子函數(shù)的形式加載到程序中。導(dǎo)爆藥、傳爆藥與殼體設(shè)為耦合的熱傳導(dǎo)界面，在耦合界面上的溫度和熱流連續(xù)。計(jì)算區(qū)域中的材料包括導(dǎo)爆藥、傳爆藥、鋼、鋁、灌封材料和空氣，相應(yīng)材料參數(shù)見表1。通過編寫UDF子程序，將模型外壁溫度邊界條件和藥柱自熱源項(xiàng)以子函數(shù)的形式導(dǎo)入FLUENT中，從而控制外壁的升溫速率和裝藥的自熱反應(yīng)。

2.2.2升溫速率選取

目前慢速烤燃試驗(yàn)都依據(jù)美國(guó)MIL-STD-2105D《非核彈藥危險(xiǎn)評(píng)估試驗(yàn)規(guī)范》中的要求，采用3.3 ℃/h的升溫速率，但是3.3 ℃/h的升溫速率從環(huán)境溫度開始加熱直至引信發(fā)生熱反應(yīng)為止耗時(shí)太長(zhǎng)，研究效率太低。為了使引信的慢速烤燃特性試驗(yàn)耗時(shí)盡可能縮短，參考之前炸藥火工品的慢速烤燃試驗(yàn)研究，暫時(shí)選取1 ℃/min，2 ℃/min作為升溫速率進(jìn)行仿真計(jì)算，并將仿真結(jié)果與升溫速率為3.3 ℃/h時(shí)的烤燃特性進(jìn)行對(duì)比。

表1 主要材料參數(shù)

2.3 仿真結(jié)果

2.3.13.3 ℃/h升溫速率下的引信烤燃仿真結(jié)果

仿真過程中首先以較快的升溫速率升溫至120 ℃，然后以3.3 ℃/h的升溫速率繼續(xù)對(duì)引信模型進(jìn)行加熱直到引信發(fā)生反應(yīng)。

仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。通過圖3、圖4可以看出，烤燃過程中引信頭部封帽內(nèi)的溫度總是低于引信外壁溫度。隔爆板、保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)區(qū)域的溫度與外壁基本保持一致。傳爆藥首先發(fā)生點(diǎn)火反應(yīng)，點(diǎn)火位置位于傳爆藥柱中心處，引信發(fā)生反應(yīng)時(shí)的殼體溫度為191.6 ℃，反應(yīng)點(diǎn)火溫度為228.3 ℃。

圖3 升溫速率3.3 ℃/h引信剖面的溫度分布云圖Fig.3 Cloud map of temperature distribution in Fuze profile at 3.3 ℃/h

圖4 升溫速率3.3 ℃/h引信殼體的溫度-時(shí)間曲線Fig.4 The fuze shell’s temperature-time curve at 3.3 ℃/h

2.3.21 ℃/min和2 ℃/min升溫速率下的引信烤燃仿真結(jié)果

仿真結(jié)果分別如圖5—圖8所示。通過圖5—圖8可以看出：1 ℃/min和2 ℃/min升溫速率下均是傳爆藥首先發(fā)生點(diǎn)火反應(yīng)，并且隨著升溫速率的增大，點(diǎn)火位置由傳爆藥柱的中心向邊緣移動(dòng)，引信發(fā)生反應(yīng)的溫度也隨之升高，當(dāng)升溫速率為1 ℃/min時(shí)，引信發(fā)生反應(yīng)時(shí)的殼體溫度為195.7 ℃，反應(yīng)點(diǎn)火溫度為232.9 ℃；當(dāng)升溫速率為2 ℃/min時(shí)，引信發(fā)生反應(yīng)時(shí)的殼體溫度為204.8 ℃，反應(yīng)點(diǎn)火溫度為237.9 ℃。

圖5 升溫速率1 ℃/min引信剖面的溫度分布云圖Fig.5 Cloud map of temperature distribution in Fuze profile

圖6 升溫速率1 ℃/min引信殼體的溫度-時(shí)間曲線Fig.6 The fuze shell’s temperature-time curve at different heating rate

圖7 升溫速率2 ℃/min引信剖面的溫度分布云圖Fig.7 Cloud map of temperature distribution in Fuze profile at 2 ℃/min

圖8 升溫速率2 ℃/min引信殼體的溫度-時(shí)間曲線Fig.8 The fuze shell’s temperature-time curve at 2 ℃/min

通過上述不同升溫速率下的反應(yīng)結(jié)果對(duì)比可以看出：升溫速率為1 ℃/min時(shí)引信發(fā)生反應(yīng)時(shí)的點(diǎn)火溫度和殼體溫度與升溫速率為3.3 ℃/h的相差分別為2.01%和2.13%；升溫速率為2 ℃/min時(shí)的點(diǎn)火溫度和殼體溫度相差分別為4.20%和6.89%；升溫速率為1 ℃/min時(shí)的仿真結(jié)果與3.3 ℃/h的更加接近。

3 引信慢速烤燃特性對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方案

驗(yàn)證采用引信慢速烤燃試驗(yàn)的方法?？救荚囼?yàn)系統(tǒng)主要由烤燃試驗(yàn)爐、溫度控制儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、熱電偶等裝置組成，如圖9所示?？救荚囼?yàn)爐具有良好的保溫性能和抗爆性能；溫度控制儀采用日本島電溫控儀，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用自行編制的測(cè)點(diǎn)溫度與時(shí)間關(guān)系的采集軟件，可適時(shí)觀測(cè)到溫度隨時(shí)間的變化情況。熱電偶測(cè)試溫度值，選用K型熱電偶，測(cè)量范圍0～800 ℃；升溫速率分別設(shè)置為 3.3 ℃/h，1 ℃/min和2 ℃/min，每種升溫速率條件下的試驗(yàn)數(shù)量為三發(fā)。試驗(yàn)樣機(jī)以仿真對(duì)象的典型中大口徑榴彈引信為試驗(yàn)樣機(jī)，如圖10所示。導(dǎo)爆藥和傳爆藥均采用JHX-1，JHX-1是國(guó)內(nèi)新研制的不敏感炸藥，主要成分是FOX-7炸藥、RDX和粘結(jié)劑。試驗(yàn)結(jié)束后通過不同升溫速率條件下的反應(yīng)時(shí)殼體溫度及反應(yīng)程度判定選取最佳的等效試驗(yàn)方法。

圖9 慢速烤燃試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.9 Slow cook-off experimental system

圖10 試驗(yàn)樣機(jī)Fig.10 Experimental prototype

將試驗(yàn)樣機(jī)懸掛在烤燃試驗(yàn)爐中，為了測(cè)得傳爆序列發(fā)生反應(yīng)時(shí)的引信殼體溫度，分別在試驗(yàn)樣機(jī)的底部即傳爆管輸出端和引信體側(cè)面放置熱電偶，如圖11所示。由于目前本文所采用的試驗(yàn)方法無(wú)法測(cè)得裝藥內(nèi)部的點(diǎn)火溫度，所以結(jié)合引信體結(jié)構(gòu)，在本文后續(xù)的試驗(yàn)部分描述中所提到的引信反應(yīng)溫度為反應(yīng)時(shí)引信底部輸出端的殼體溫度。

圖11 試驗(yàn)中熱電偶放置位置Fig.11 Placement of the mocouole in experiment

試驗(yàn)從環(huán)境溫度開始對(duì)引信進(jìn)行加熱，分別以3.3 ℃/h，1 ℃/min和2 ℃/min的升溫速率加熱引信試驗(yàn)樣機(jī)直至傳爆序列發(fā)生反應(yīng)為止，記錄反應(yīng)時(shí)間及反應(yīng)溫度。反應(yīng)的劇烈程度根據(jù)實(shí)驗(yàn)后收集到的試驗(yàn)樣機(jī)破片和引信體的變形程度衡量。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

在不同升溫速率下，均是傳爆藥部分發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)爆藥底部產(chǎn)生凹陷并未發(fā)生反應(yīng)，三種升溫速率下傳爆藥的反應(yīng)溫度在175.9～229.2 ℃之間。

其中升溫速率為3.3 ℃/h時(shí)，有一發(fā)殼體無(wú)明顯變形和裂紋，傳爆管底部被剪切掉，形成一塊較大的破片，傳爆管內(nèi)有黑色碳化的藥渣殘留，判斷反應(yīng)程度為燃燒，其余兩發(fā)殼體發(fā)生塑性變形，傳爆管底部被切掉，形成兩塊大破片，判斷反應(yīng)程度為爆燃。升溫速率為1 ℃/min時(shí)，三發(fā)反應(yīng)程度均為爆燃，殼體均塑性變形，傳爆管側(cè)壁產(chǎn)生裂紋，底部被切掉，形成了若干小破片。升溫速率為2 ℃/min時(shí)，有一發(fā)引信反應(yīng)后，殼體發(fā)生了塑性變形，傳爆管側(cè)壁有較大裂紋，底部飛出，形成若干小破片，判斷反應(yīng)程度處于爆燃和爆炸之間，其余兩發(fā)反應(yīng)為爆燃，試驗(yàn)結(jié)果如圖12、圖13所示。

圖12 不同升溫速率下引信試驗(yàn)樣機(jī)的反應(yīng)程度照片F(xiàn)ig.12 The results of fuze’s cook-off experiment at different heating rates

表2 不同升溫速率烤燃試驗(yàn)結(jié)果

表2中試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于這種典型中大口徑榴彈引信，采用JHX-1不敏感傳爆序列裝藥慢速烤燃試驗(yàn)時(shí)，引信傳爆序列的反應(yīng)溫度隨著升溫速率的增大而升高，反應(yīng)程度隨著升溫速率的增大而加劇；升溫速率為1 ℃/min時(shí)引信傳爆序列的反應(yīng)程度與升溫速率為3.3 ℃/h的相差不大，升溫速率為2 ℃/min時(shí)發(fā)生一發(fā)介于爆燃或爆炸，與升溫速率為3.3 ℃/h的相差較大。

3.3 結(jié)果對(duì)比與分析

不同升溫速率下的引信烤燃試驗(yàn)結(jié)果和仿真計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

從表3中可以看出，仿真所得反應(yīng)時(shí)的殼體溫度與試驗(yàn)測(cè)得的反應(yīng)溫度基本一致，反應(yīng)溫度隨升溫速率的增大而有所升高。仿真所得反應(yīng)溫度與試驗(yàn)值最大誤差為8.2%，以此來驗(yàn)證本文所建仿真模型及計(jì)算方法的合理性和可行性。

從仿真結(jié)果中可以看出，當(dāng)升溫速率為3.3 ℃/h時(shí)，傳爆序列發(fā)生反應(yīng)的位置在傳爆藥柱的中心區(qū)域。升溫速率為1 ℃/min和2 ℃/min時(shí)，傳爆藥柱上的溫度分布情況比較相似。升溫速率為1 ℃/min時(shí)引信傳爆序列發(fā)生反應(yīng)時(shí)的點(diǎn)火溫度和殼體溫度與升溫速率為3.3 ℃/h時(shí)的仿真結(jié)果更加接近，誤差不超過3%；從烤燃試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，升溫速率為1 ℃/min時(shí)引信傳爆序列的反應(yīng)程度與升溫速率為3.3 ℃/h的相差不大，2 ℃/min時(shí)發(fā)生一發(fā)介于爆燃或爆炸，與升溫速率為3.3 ℃/h的相差較大。

4 結(jié)論

本文提出了引信慢速烤燃特性的等效試驗(yàn)方法。通過建立導(dǎo)爆藥、傳爆藥與殼體為耦合的熱傳導(dǎo)界面，且在耦合界面上溫度和熱流連續(xù)的引信慢速烤燃仿真模型，對(duì)不同升溫速率條件與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法的慢速烤燃特性進(jìn)行對(duì)比仿真，得到等效試驗(yàn)方法，縮短慢速烤燃試驗(yàn)的耗時(shí)，提高研究效率。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，1 ℃/min和3.3 ℃/h升溫速率下，引信反應(yīng)程度基本相同，反應(yīng)溫度相差不超過3%，因此，可以采用1 ℃/min的升溫速率代替3.3 ℃/h的升溫速率進(jìn)行等效試驗(yàn)，以縮短引信慢速烤燃特性試驗(yàn)的時(shí)間，提高研究效率。本文的研究成果可以為不敏感引信慢速烤燃特性研究及試驗(yàn)提供指導(dǎo)和參考。