一種彈體排氣緩釋結構設計方法與試驗研究*

陳科全，黃亨建，路中華，蔣治海，聶少云，陳紅霞

(1 中國工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽 621900;2 中國工程物理研究院安全彈藥研發中心，四川綿陽 621900)

0 引言

武器彈藥在生產、運輸、貯存和使用過程中，受到火災等異常熱刺激作用時可能引起炸藥的點火爆炸，甚至發展為連鎖爆炸等重大事故。因此，研究提高彈藥的熱安全性具有重要的現實意義。

熱刺激條件下彈藥反應的劇烈程度與其裝藥的密封狀況密切相關，而彈體排氣緩釋結構可以有效降低彈藥的反應等級，因此受到廣泛重視。美歐等國較早的開始關注緩釋結構設計在提高彈體安全性方面的應用［1-4］，美國空軍和海軍一直在聯合研究提高通用炸彈安全性的方法，他們通過增加排氣孔的方式將BLU-110、BLU-111和BLU-117戰斗部的反應等級降為了爆燃或燃燒，而侵徹戰斗部BLU-109和BLU-122在設計階段即已檢驗了相應排氣技術的有效性［5］。Madsen等［6］則采用縮比試驗研究了B炸藥、PAX-28、PBXN-109和PBXN-9等四種炸藥在不同排氣孔尺寸下的烤燃特性，并分析了試驗彈的尺寸效應和低熔點材料選取等問題。

國內在這方面的公開報道還很少，徐雙培［7］和智小琦［8］等通過任意開孔的方式試驗研究了密封條件對快速烤燃(火燒)響應特性的影響，發現殼體密封性是影響鈍化RDX傳爆藥烤燃特性的關鍵因素，但試驗彈孔徑的設計缺乏理論依據。

彈體排氣緩釋結構設計的關鍵是如何確定排氣孔的尺寸，使其既能起到足夠的排氣泄壓作用，又滿足彈體結構強度等的要求。目前，緩釋結構排氣孔尺寸的設計多依據工程經驗或大量實驗研究，缺乏相應的理論支撐。為此，文中基于熱刺激條件下彈體內炸藥分解、燃燒引起的壓強增長率與排氣孔壓強釋放率之間的平衡關系，設計了一種彈體排氣緩釋結構。同時，以熔鑄炸藥RHT-1為研究對象，試驗研究了慢速烤燃和火燒時排氣緩釋結構的作用效果。所得結果可為裝藥設計提供參考。

1 彈體排氣緩釋結構設計

1.1 緩釋結構排氣孔尺寸設計原理

緩釋結構設計的關鍵是排氣孔尺寸的確定，解決該問題的方法之一是建立彈體內壓強增長率與排氣孔壓強釋放率之間的平衡關系。根據Kinney等［9］的研究，彈體內炸藥分解燃燒時的壓強增長率可由下式計算:

式中:TB是火焰溫度(K);R為摩爾氣體常數，取8.314 ×10－5bar·m3/(mol·K);V 是體積(m3);dn/dt為氣體生成率;M是分子氣體生成量(kg/mol);ρ為炸藥密度(kg/m3);T0為炸藥溫度(K);SB是炸藥燃燒面積(m2);P為絕對壓強(bar);α、A和B為材料常數。

排氣孔氣體壓強釋放率由下式計算［10］:

式中:AV為排氣孔面積(m2);CD是排氣系數，取0.6～1.0;a'為氣流速度(m/s)，它與氣體產物的溫度和壓縮性有關，可由下式計算:

如果彈體內壓強增長率與排氣孔氣體壓強釋放率相等，則有:

即可得排氣孔的最小面積為:

因此，只要已知炸藥的相關物理化學參數，結合彈體的結構特征，由式(3)和式(5)即可求得相應排氣孔的最小面積。

1.2 排氣緩釋結構設計

文中設計的排氣緩釋結構如圖1所示，主要由低熔點材料組件和連接件等組成。該緩釋結構的設計充分考慮了彈體內炸藥受熱分解、燃燒釋放氣體熱量的特點，當彈體受到意外熱刺激時，緩釋結構中的低熔點材料組件逐漸軟化，在彈體內氣體壓強的作用下迅速形成排氣通道，達到排氣泄壓的作用。已知炸藥烤燃條件下的反應溫度約為130℃ ～230℃，通過文獻和市場調研，初步選擇了聚乙烯(PE)、工程塑料(PBT)、尼龍(PA-6)和聚碳酸酯(PC)四種常用工業材料，通過試驗對比分析，最終低熔點材料確定為聚乙烯(PE)。

圖1 排氣緩釋結構圖

2 排氣緩釋結構作用效果試驗研究

2.1 試驗裝置

針對慢速烤燃和火燒兩類熱刺激條件，分別設計了有、無排氣緩釋結構兩類烤燃試驗裝置，含緩釋結構的試驗裝置如圖2所示。其中，試驗彈殼體與端蓋之間，以及緩釋結構與端蓋之間均通過細螺紋連接，且端蓋上設有熱電偶接口。試驗彈殼體厚度為8 mm，材料為45號鋼，裝藥尺寸為Ф50 mm×100 mm。

圖2 烤燃試驗裝置(含緩釋結構)

在進行烤燃試驗裝置的緩釋結構排氣孔尺寸設計時，由于暫無炸藥RHT-1的計算參數，無法根據前述設計原理準確計算排氣孔的面積。Graham等［10］在研究B炸藥排氣孔面積與燃燒面積之間的關系時發現，當排氣孔面積不小于燃燒面積的1%時，排氣孔可以有效的降低B炸藥的反應等級。由于RHT-1炸藥與B炸藥的組分相近，為此參考文獻［10］給出的結論，設裝藥端面全部燃燒反應，根據試驗件的裝藥尺寸即可得到相應排氣孔的最小直徑為7.07 mm，在此將試驗件排氣孔的直徑設計為8 mm。

2.2 試驗方法

針對有、無排氣緩釋結構兩種烤燃試驗裝置，分別進行了慢速烤燃和火燒兩類試驗研究。通過將熱電偶置于炸藥中斷面徑向不同位置處，實測炸藥中心(R0)、半徑(R1/2)和其表面(R1)溫度的變化過程。試驗現場如圖3所示。

圖3 烤燃試驗現場

慢速烤燃通過可以控制升溫速率的電加熱帶給試驗彈外殼加熱，為減少試驗成本，首先從常溫開始以5℃/min的升溫速率進行加熱，當試驗彈殼體溫度約為160℃時，再以1℃/min的恒定升溫速率加熱，直至發生爆響等反應為止。火燒試驗過程中，用鐵絲將試驗彈固定在燃燒池正上方40 cm處，并用航空煤油對其進行加熱。在彈體上下表面各安裝一個熱電偶(約50 mm處)，以測試彈體周圍火焰溫度的變化過程。同時，在離試驗彈3 m處安裝兩個壓電式壓力傳感器，以測試試驗彈反應后的沖擊波超壓。最后，根據試驗彈形成破片的大小、數量和超壓測試結果，參照美軍標MIL-STD-2105D確定其反應等級［11］。

2.3 結果與分析

2.3.1 慢速烤燃試驗結果及分析

為研究慢速烤燃條件下排氣緩釋結構的作用效果，針對圖2(a)所示模擬試驗彈開展了相關試驗，并研究了不含緩釋結構時的反應特性。

試驗過程中，含緩釋結構試驗彈首先觀察到有少量炸藥粉末噴出，約30 min后可看見明顯的氣流從排氣孔噴出，如圖4所示。可見，緩釋結構排氣效果很明顯，證實了設計的緩釋結構能很好地形成排氣通道。

圖4 慢烤過程中不同時刻緩釋結構作用效果圖

慢速烤燃后試驗彈形成的破片對比如圖5所示，試驗測試結果如表1所列。可以發現，排氣緩釋結構不能降低熔鑄炸藥RHT-1慢速烤燃的反應等級，但延遲了其反應時間。分析其原因發現，含緩釋結構試驗彈發生爆響的時間比未含緩釋結構時延遲了37.96 min，除了試驗彈殼體溫度更高之外，炸藥的溫度也更高，達到了其組分RDX大量分解反應時的溫度，因此發生了部分爆轟。值得一提的是，實際中彈藥受到的外部溫度不可能無限增加，因此從炸藥發生爆響的時間方面考慮，排氣緩釋結構相對的提高了熔鑄炸藥慢速烤燃時的安全性。

圖5 慢速烤燃試驗殘骸

表1 慢速烤燃試驗結果

圖6所示為炸藥不同位置溫度隨時間的變化過程。可見，炸藥離試驗彈殼體越遠，其溫度越低，升溫速率也越小，但加熱過程中炸藥各處的溫度差異逐漸縮小。這是由于熔鑄炸藥RHT-1中的TNT在80℃左右就開始熔化，因此加熱后期的炸藥為熔融狀態所致。

圖6 慢速烤燃過程中炸藥不同位置溫度測試結果

2.3.2 火燒試驗結果及分析

仍以RHT-1炸藥為研究對象，試驗研究有、無排氣緩釋結構兩種情況下炸藥火燒時的反應特性。

火燒試驗后的殼體殘骸對比如圖7所示，主要測試結果如表2所列。可以發現，雖然有、無排氣緩釋結構的試驗彈發生反應的時間差異很小，但其反應等級相差很大。不含排氣緩釋結構時RHT-1裝藥的反應等級為爆轟，而增加緩釋結構后，試驗彈殼體保持完整，炸藥噴出后全部燃燒，其反應等級僅為燃燒。因此，在所研究的情況下，排氣緩釋結構顯著降低了熔鑄炸藥RHT-1火燒條件下的反應等級。

圖7 火燒試驗殘骸

表2 火燒試驗結果

試驗測得彈體上表面(HT)、下表面(HL)的火焰溫度和炸藥中心、半徑及其表面溫度隨時間的變化曲線如圖8所示。可見，火焰溫度基本維持在500℃ ～830℃之間，受試驗彈的影響，彈體下表面的火焰溫度高于其上表面的火焰溫度。此外，炸藥的溫度分布極不均勻，其外表面的溫度相對較高，而其內部的溫度直至炸藥發生反應時仍然較低，這與相關文獻［12-13］報道的結論一致。

圖8 火燒試驗中火焰及炸藥不同位置溫度測試結果

3 結論

基于彈體內炸藥分解、燃燒引起的壓強增長率與排氣孔壓強釋放率之間的平衡關系，設計了一種彈體排氣緩釋結構，并利用烤燃裝置試驗研究了慢速烤燃和火燒條件下緩釋結構的作用效果。獲得結論如下:

1)炸藥烤燃過程中，設計的排氣緩釋結構能很好地形成排氣通道，可見明顯的氣流噴出;

2)緩釋結構顯著降低了熔鑄炸藥RHT-1火燒時反應的劇烈程度，反應等級從爆轟降為燃燒;

3)慢速烤燃時，排氣緩釋結構不能降低熔鑄炸藥RHT-1的反應等級，但延遲了其反應的時間，相對的提高了熔鑄炸藥慢速烤燃時的安全性。

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