張中禮，吳松，魯亮，胡宇鵬

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

裝藥結(jié)構(gòu)在意外火災(zāi)或敵方打擊下易處于較為苛刻的熱環(huán)境，即對裝藥結(jié)構(gòu)形成熱刺激環(huán)境。當(dāng)炸藥所在環(huán)境達(dá)到某一溫度，將形成熱點(diǎn)，導(dǎo)致炸藥的熱點(diǎn)火，甚至引發(fā)連鎖爆炸后果，尤其大型艦艇艦載彈藥在遭受意外熱刺激下出現(xiàn)的一系列安全事故尤為慘痛，已引起各國高度重視。因此，裝藥結(jié)構(gòu)在熱刺激下的熱安全性試驗(yàn)（熱烤）是彈藥安全性研究的重要內(nèi)容之一。根據(jù)其升溫速率的不同，將含炸藥結(jié)構(gòu)的熱烤試驗(yàn)分為快烤和慢烤試驗(yàn)[1]，慢烤試驗(yàn)的升溫速率一般小于0.05 ℃/s，快烤試驗(yàn)的升溫速率大于1 ℃/s。熱烤試驗(yàn)裝置、熱烤試驗(yàn)方法及計(jì)算仿真方法研究是熱烤試驗(yàn)研究的主要方向[2]，尤其是通過熱烤環(huán)境下的溫度、壓力、殼體破裂運(yùn)動(dòng)等可視化/量化的狀態(tài)反應(yīng)參量測試診斷和仿真預(yù)測技術(shù)評估其反應(yīng)等級更是當(dāng)前的研究重點(diǎn)[3—6]。

國內(nèi)針對裝藥結(jié)構(gòu)熱烤試驗(yàn)主要參照2003年形成的美軍標(biāo)MIL-STD-2105C《非核彈藥危險(xiǎn)性評估試驗(yàn)》及其2011年發(fā)布的MIL-STD-2105D。對于快烤試驗(yàn)，主要采用油池火燒方式[7]進(jìn)行試驗(yàn)加載，其燃料主要有燃油、酒精、木材等，其對于裝藥結(jié)構(gòu)所受火災(zāi)快烤環(huán)境具有較好的等效性，但存在燃燒時(shí)間控制具有一定難度，溫度受環(huán)境風(fēng)速和空氣流動(dòng)影響較大，且伴隨著火燒過程產(chǎn)生氣體及顆粒污染物排放的問題。對于慢烤試驗(yàn)，主要采用電加熱絲（帶）[8—9]、電加熱爐（箱）[10—11]和石英燈陣輻射方式[12]。3種加熱方式均能較好地實(shí)現(xiàn)慢烤溫升控制，但不同熱傳遞形式的溫度可控性不同，適用于不同的溫控目標(biāo)。不同約束條件下裝藥快烤試驗(yàn)研究表明，裝藥最終響應(yīng)的劇烈程度與其所受約束強(qiáng)度成正相關(guān)[13]，不同加熱方式對裝藥反應(yīng)約束強(qiáng)度的改變，可能導(dǎo)致不同的裝藥反應(yīng)劇烈程度。

針對裝藥結(jié)構(gòu)不同熱加載方式的傳熱特性和不同產(chǎn)品的溫控要求及反應(yīng)情況，文中對開放空間油池火燒、可控噴射火燒、石英燈陣輻射3種快烤試驗(yàn)方法，電加熱絲（帶）、電加熱爐和石英燈陣輻射3種慢烤試驗(yàn)方法，從不同加載方式的主要傳熱形式、溫度可控性、污染物排放及加載方式對裝藥反應(yīng)等級可能產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析討論，分析了各加熱方法的特點(diǎn)。

1 試驗(yàn)加載方法

1.1 開放油池火燒試驗(yàn)

作為最常用的快烤試驗(yàn)方法，開放油池火燒試驗(yàn)通過采用一定尺寸的油池（油盤），添加有機(jī)燃料作為加熱材料，直接加熱試樣。油池火燒環(huán)境所提供的熱流密度，至少相當(dāng)于表面吸收系數(shù)為0.8的試件在周圍空氣靜止的環(huán)境下，完全暴露在平均輻射系數(shù)不小于0.9、平均溫度不小于800 ℃的烴類燃料/空氣火焰中所受到的熱流密度?；馃囼?yàn)設(shè)施應(yīng)使試件直接置于包覆厚度為1~3 m的火焰中，試件底部距離液面的安裝高度在0.6~1 m?；鹧孑椛湎禂?shù)與火焰總衰減系數(shù)K、火焰場總壓力P和火焰平均射線行程L有關(guān)。對于常規(guī)的煤油類火燒試驗(yàn)，火焰包覆厚度在1~3 m，能夠使其平均輻射系數(shù)達(dá)到不小于0.9的要求，同時(shí)試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的大量炭黑附著在試件表面，使得試件表面吸收系數(shù)滿足不低于0.8的要求。對火焰場溫度測試及數(shù)值模擬結(jié)果均表明，火焰場溫度在高度方向上呈現(xiàn)如下規(guī)定分布：在0.6 m高度處，火焰平均溫度可達(dá)到900 ℃以上，最高可達(dá)1000 ℃以上；在1.0 m高度處，火焰溫度平均值可達(dá)800 ℃以上；在0.6~1.5 m的高度區(qū)間，隨高度的升高，火焰場溫度呈下降趨勢[14]。

火焰場包覆和溫度均易受試驗(yàn)時(shí)風(fēng)速和風(fēng)向的影響，有人通過數(shù)值模擬研究[15]分析了橫向風(fēng)對試件周圍火焰熱輻射通量分布產(chǎn)生的影響。驗(yàn)證了在風(fēng)速為2 m/s時(shí)，試件周圍的熱輻射通量基本上仍呈現(xiàn)對稱分布，低于2 m/s的風(fēng)速不會(huì)對油池火燒試驗(yàn)產(chǎn)生較大影響，而當(dāng)風(fēng)速超過2 m/s后，火焰將無法包覆整個(gè)試件，會(huì)影響試驗(yàn)周圍火焰厚度的一致性，下風(fēng)向火焰的熱輻射通量增大，試件附近的火焰熱輻射通量降低。當(dāng)火燒試驗(yàn)過程處于無風(fēng)或微風(fēng)狀態(tài)時(shí)（如圖1所示），煤油火焰將試件包覆良好，試件附近各方向的火焰溫度基本保持在800 ℃以上。

1.2 可控噴射火燒試驗(yàn)

針對開放油池火燒試驗(yàn)加熱速度、火焰溫度、加熱時(shí)間等控制困難以及污染排放的問題，2006年美國Atwood等[16]研究設(shè)計(jì)了可控火燒試驗(yàn)系統(tǒng)（見圖2）。該系統(tǒng)更換燃料種類為丙烷，改變?nèi)剂瞎┙o方式為霧化噴射，通過控制燃料噴射速率和空氣吹入速度，實(shí)現(xiàn)火燒溫度和熱流輸出的穩(wěn)定控制，同時(shí)解決了燃燒時(shí)間的控制問題，大幅降低了火燒試驗(yàn)的污染物排放[17]。

圖1 油池火燒試驗(yàn)系統(tǒng)及其加載曲線Fig.1 The picture of fire test system and temperature graph of different directions: a) the fire test system; b) the temperature graph of different directions

圖2 可控火燒試驗(yàn)系統(tǒng)和裝置[1]Fig.2 Sketch and picture of temperature controlled fire system[1]: a) sketch of temperature controlled fire system; b) picture of temperature controlled fire system

1.3 紅外輻射燈陣試驗(yàn)

石英燈輻射加熱是航天飛行器結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)中使用最為廣泛的啟動(dòng)熱模擬方式，其加熱熱流場計(jì)算、平板及錐形等各類形狀石英燈加熱器設(shè)計(jì)及影響因素等均已有深入研究[18—19]。已有研究者采用石英燈陣輻射加熱器開展了室溫至800 ℃、50 ℃/s溫升速率熱邊界模擬試驗(yàn)[20]，表明石英燈陣輻射加熱方式具備模擬火燒試驗(yàn)環(huán)境800~1000 ℃的能力。文中研制的平板輻射加熱系統(tǒng)采用紅外輻射燈陣能夠模擬火燒環(huán)境的熱流和溫度條件，燈陣輻射裝置具備快速升溫能力，能夠使試件表面在1 min內(nèi)由室溫上升至滿足火燒環(huán)境條件要求的溫度。在溫度保持階段，輻射燈陣裝置所得到的溫度加載曲線波動(dòng)較小，輻射燈陣快烤加載裝置及其加載曲線如圖3 a和圖4 a所示。經(jīng)校準(zhǔn)表明，該裝置可以實(shí)現(xiàn)最高溫度為1200 ℃，最大偏差為40 ℃（3.3%），小于5%的預(yù)定目標(biāo)，最大溫升速率不小于200 ℃/s，最大溫升速率誤差為5.7%。

輻射燈陣加載系統(tǒng)同時(shí)具備較慢溫升速率的烤燃試驗(yàn)加載能力。采用半圓形石英燈管組成石英燈陣，對圓柱或圓錐狀試件進(jìn)行可控溫升的輻射熱加載，使試件內(nèi)部炸藥達(dá)到熱點(diǎn)火反應(yīng)溫度，發(fā)生烤燃反應(yīng)，其升溫速率從3.3 ℃/h~1 ℃/min可調(diào)節(jié)，加熱溫度不低于400 ℃。還可根據(jù)點(diǎn)火位置的需要，采用分區(qū)控溫的方法，實(shí)現(xiàn)不低于4個(gè)溫度的協(xié)調(diào)控制，控制不同區(qū)域的溫升曲線如圖3 b和圖4 b所示，達(dá)到指定位置裝藥發(fā)生熱點(diǎn)火的加載效果，控制炸藥點(diǎn)火位置和不同區(qū)域的預(yù)熱深度，使炸藥在熱點(diǎn)火前達(dá)到預(yù)期的溫度分布，而非均勻加載可能導(dǎo)致的過試驗(yàn)條件加載。

1.4 電加熱帶和電加熱爐

圖3 石英燈陣快慢烤加載系統(tǒng)Fig.3 The picture of fire/slow test system by infrared radiation lamps array: a) the picture of fire test system; b) the picture of slow test system

圖4 石英燈陣快慢烤試驗(yàn)加載曲線Fig.4 The temperature graphs of fire/slow test system by infrared radiation lamps array: a) fire test system; b) slow test system

圖5 電加熱帶和高溫烤箱慢烤試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5 The picture of slow cook-off test system by electric heating swathes and electric heating case: a) the picture of slow cook-off test system by electric heating swathes; b) the picture of slow cook-off test system by electric heating case

電加熱帶纏繞和電加熱爐作為常規(guī)慢速烤燃加載方法（如圖5所示），一般以裝藥結(jié)構(gòu)表面或裝藥表面的測點(diǎn)作為溫度控制點(diǎn)，可以按照指定的溫升速率進(jìn)行加熱，直至炸藥發(fā)生反應(yīng)。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，采用電加熱帶作為加載裝置，裝藥結(jié)構(gòu)反應(yīng)時(shí)，薄弱泄壓部位被加熱帶纏繞，可能使某些結(jié)構(gòu)約束增強(qiáng)，導(dǎo)致發(fā)生更高等級的反應(yīng)。例如在對某裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行慢烤試驗(yàn)時(shí)，采用電加熱爐慢烤試驗(yàn)裝藥的反應(yīng)等級為燃燒反應(yīng)，而在采用加熱帶纏繞的試驗(yàn)件發(fā)生了等級更高的爆炸反應(yīng)，因此對于某些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有薄弱環(huán)節(jié)的裝藥結(jié)構(gòu)，采用加熱帶纏繞的加載方式可能使設(shè)計(jì)失效[21]。

對某周向帶泄壓孔的裝藥結(jié)構(gòu)慢烤試驗(yàn)，采用相同的加載曲線，電加熱箱和電加熱帶慢烤試驗(yàn)裝藥結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng)的時(shí)間均為280 min左右。電加熱帶試驗(yàn)裝藥發(fā)生反應(yīng)時(shí)，瞬間發(fā)生劇烈爆炸，溫度測試系統(tǒng)在快速上升時(shí)測試中斷。電加熱箱試驗(yàn)裝藥發(fā)生反應(yīng)時(shí)，排氣孔處噴出火焰，燃燒約1 min后，火焰熄滅，開始冒煙，濃煙充滿整個(gè)試驗(yàn)箱內(nèi)。直至裝藥反應(yīng)結(jié)束，彈體結(jié)構(gòu)保持完整，未發(fā)生移動(dòng)，彈體表面各測點(diǎn)在反應(yīng)前溫度快速上升，最高溫度分別達(dá)到549.5、448.9、383.6 ℃，反應(yīng)等級為燃燒。試驗(yàn)加載溫度如圖6所示。

2 幾種加熱方式特點(diǎn)分析

2.1 快烤試驗(yàn)加載分析

3種快烤試驗(yàn)加載方式的對比見表1。采用開放油池火燒進(jìn)行試驗(yàn)加載，主要通過火焰場輻射和對流換熱的形式進(jìn)行熱交換。在試驗(yàn)開始后，溫度不可控，易受自然環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向影響，使火焰偏離，導(dǎo)致試驗(yàn)件受熱環(huán)境達(dá)不到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。同時(shí)油池火一般采用煤油作為燃料，火燒過程產(chǎn)生較嚴(yán)重的污染。采用丙烷作為燃料的可控噴射火燒試驗(yàn)技術(shù)作為溫度可控，更為清潔的快烤試驗(yàn)方式，具有顯著的優(yōu)勢，但對于裝藥結(jié)構(gòu)可能發(fā)生爆炸以上的反應(yīng)的情況，可控噴射火燒裝置的管壁可能導(dǎo)致其反應(yīng)等級上升。采用紅外輻射燈陣加熱技術(shù)，以輻射熱流作為試驗(yàn)加載的熱流輸入，升溫速率、溫度曲線可控，溫度均勻性好，不易受自然風(fēng)速、風(fēng)向的影響，試驗(yàn)加載直接導(dǎo)致的污染物排放幾乎為零。紅外輻射燈陣加熱方法同時(shí)兼具開放油池火燒和可控噴射火燒試驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)，不會(huì)因?yàn)榧訜岱绞綄ρb藥反應(yīng)造成影響。

圖6 電加熱帶和電加熱箱慢烤試驗(yàn)各加載點(diǎn)溫度變化曲線Fig.6 The temperature graphs of slow cook-off by (a) electric heating swathes and (b) electric heating case

表1 3種快烤試驗(yàn)加載方式對比Tab.1 Comparison of the three fast cook-off test methods

2.2 慢烤試驗(yàn)加載分析

3種慢烤試驗(yàn)加載方式的對比見表2。以電加熱帶或電加熱片作為常規(guī)慢烤試驗(yàn)的加載方式，其溫升速率可控性好，且根據(jù)不同的加熱功率和控制算法配置，可以實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域不同溫升速率的分區(qū)控制加載，使得模擬導(dǎo)彈整體快慢烤情況下內(nèi)部裝藥結(jié)構(gòu)不同部位在不同升溫速率下的慢速烤燃試驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn)。在摸清裝藥結(jié)構(gòu)熱邊界條件的情況下，采用裝藥結(jié)構(gòu)部件替代導(dǎo)彈整體進(jìn)行安全性烤燃試驗(yàn)成為可能。根據(jù)已進(jìn)行的多發(fā)烤燃試驗(yàn)結(jié)果來看，在針對某些存在薄弱環(huán)節(jié)的裝藥結(jié)構(gòu)加載時(shí)，電加熱帶可能使設(shè)計(jì)失效，從而導(dǎo)致裝藥反應(yīng)等級提升。采用電加熱箱進(jìn)行慢烤試驗(yàn)，其溫升速率可控性好，溫度均勻性較好，但不能對試驗(yàn)件不同區(qū)域不同溫升速率進(jìn)行分區(qū)控制加載，只能進(jìn)行均勻加載。由于試驗(yàn)件周圍介質(zhì)透明，可通過烤箱觀察窗對試驗(yàn)件反應(yīng)過程進(jìn)行直觀觀察。采用石英燈陣輻射加載進(jìn)行慢烤試驗(yàn)，其溫升速率可控性好，溫度均勻加載和不同溫升速率分區(qū)控制加載均易于實(shí)現(xiàn)，且試驗(yàn)件周圍介質(zhì)透明，便于對試驗(yàn)件反應(yīng)過程進(jìn)行直觀觀察和記錄。由于加載裝置與試驗(yàn)件之間未發(fā)生接觸，不存在裝藥結(jié)構(gòu)約束增強(qiáng)或泄壓通道堵塞等問題，不會(huì)導(dǎo)致裝藥結(jié)構(gòu)反應(yīng)等級提升。

表2 3種慢烤試驗(yàn)加載方式對比Tab.2 Comparison of the three slow cook-off test methods

3 結(jié)論

1）開放油池火燒作為常用快烤試驗(yàn)加載方式，其溫度不可控，且存在較嚴(yán)重污染物排放的缺陷?？煽貒娚浠馃捎酶鍧嵉谋榛馃鳛樘娲?，其溫度可控性好，污染物排放較少，但火燒裝置燃燒室的管壁可能導(dǎo)致裝藥反應(yīng)等級上升。紅外輻射加熱兼具開放油池火燒和可控噴射火燒試驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)，在降低污染和溫度可控性方面具有明顯的優(yōu)勢，同時(shí)不會(huì)因?yàn)樵囼?yàn)裝置給裝藥反應(yīng)等級造成影響。

2）電加熱帶作為常用慢烤試驗(yàn)加載方式，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻加載和分區(qū)加載不同的控制模式，但加熱帶纏繞可能導(dǎo)致裝藥結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)或泄壓通道失效，從而提升裝藥反應(yīng)等級。電加熱箱加載時(shí)，試驗(yàn)件與試驗(yàn)裝置之間無接觸，不會(huì)導(dǎo)致裝藥反應(yīng)等級提升，但僅能實(shí)現(xiàn)均勻加載。石英燈紅外輻射兼具電加熱帶和電加熱箱加載方式的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的溫度可控性，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻加載和分區(qū)加載不同的控制模式，且不會(huì)因?yàn)樵囼?yàn)裝置給裝藥反應(yīng)等級造成影響。