彈體緩釋排氣通道形成條件研究

【化學工程與材料科學】

彈體緩釋排氣通道形成條件研究

陳紅霞，蔣治海，陳科全，路中華

(中國工程物理研究院化工材料研究所， 四川 綿陽621900)

摘要：為設計可靠的彈體排氣緩釋裝置，提高緩釋裝置排氣通道形成能力，通過試驗研究了聚乙烯PE、工程塑料PBT、尼龍PA-6和聚碳酸酯PC四種低熔點材料在溫度、壓力及溫度壓力耦合作用下的反應特性,并研究了材料厚度對排氣通道形成的影響；研究結果表明材料的溫度特性是影響排氣通道形成的決定因素，材料厚度影響形成排氣通道所需要的壓力大小,但對形成的排氣通道面積影響較?。痪垡蚁┎牧显谡ㄋ幏磻獪囟认滦纬膳艢馔ǖ滥芰?，可作為排氣緩釋裝置材料；研究結果可為彈體排氣緩釋裝置的設計提供有效參考。

關鍵詞：緩釋結構；低熔點材料；排氣通道；溫壓耦合作用

收稿日期：2015-03-17

作者簡介：陳紅霞(1987—)，女，助理研究員，主要從事彈藥設計及彈藥毀傷威力評估研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.09.036

中圖分類號：TJ55；O64

文章編號：1006-0707(2015)09-0145-05

收稿日期：2015-02-17

基金項目：國家自然科學基金的資助(51179197)

本文引用格式：陳紅霞，蔣治海，陳科全，等.彈體緩釋排氣通道形成條件研究[J].四川兵工學報，2015(9):145-148.

Citation format:CHEN Hong-xia, JIANG Zhi-hai, CHEN Ke-quan，et al.Research on Formation Condition of Venting Channel of Missile[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(9):145-148.

Research on Formation Condition of Venting Channel of Missile

CHEN Hong-xia, JIANG Zhi-hai, CHEN Ke-quan，LU Zhong-hua

(Institute of Chemical Materials, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Abstract:To design a reliable venting device of missile with good ability to format a vent channel, the response properties of 4 low melting materials (polyethylene, engineering plastic PBT, Nylon PA-6 and Polycarbonate) under temperature, pressure and pressure-temperature comprehensive function were studied through experiments. At the time, influence of thickness in the ability of vent formation was studied in details, too. The results show that temperature dependence of these materials has a maximum effect on the vent-formatting capacity. The thickness of venting device has significant effect on the pressure to obtain a vent, but it makes little impact to the area of vent channel. Polyethylene can be used in venting device for its great capacity to format a vent under the reaction temperature of explosive. These results can provide some reference for design of venting device of missile.

Key words: venting device; low melting material; venting channel; pressure-temperature comprehensive

function

武器彈藥在制造、運輸、貯存和使用過程中，可能由火燒或高溫等外刺激導致其裝藥密閉空間內的溫度和壓力升高，從而使其裝藥產生從燃燒到爆燃再到爆轟的鏈式反應，影響武器彈藥的安全性。而排氣緩釋裝置可在此情況下形成排氣通道，釋放燃燒熱與氣體，減小內壓，從而有效降低裝藥的反應等級。因此，有效、可靠的排氣緩釋裝置對提高彈藥安全具有重要意義。

美歐等國最早將排氣緩釋結構應用于戰斗部的設計中[1-4]。美國空軍和海軍通過在戰斗部端部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爆燃或燃燒，而BLU-109和BLU-122硬目標侵徹戰斗部在設計階段即已檢驗了相應排氣技術的有效性[5]。徐雙培[6]和智小琦等[7]通過開孔的方式試驗研究了彈藥殼體密封狀態對快速烤燃響應特性的影響，發現采用一定的泄漏方式可有效降低傳爆藥的烤燃響應劇烈程度。Madsen等[8]則采用縮比試驗研究了B炸藥、PAX-28、PBXN-109和PBXN-9四種炸藥在不同排氣孔面積下的烤燃特性，發現排氣孔面積的大小對炸藥反應的猛烈程度影響顯著，只有當排氣通道足夠大時才能有效降低炸藥的反應劇烈程度。排氣通道通過低熔點材料在炸藥燃燒時的高溫及高壓綜合作用下融化破裂而形成，因此低熔點材料在溫度及壓力作用下破裂的特性是決定排氣緩釋裝置形成排氣通道能力的關鍵。目前，針對排氣緩釋裝置低熔點材料的選取尚無相關文獻可供參考。本文通過試驗對幾種常見低熔點材料開展研究，以獲得其在溫度、壓力及溫度壓力復合作用下形成排氣通道的規律。為彈體排氣緩釋裝置設計中低熔點材料的選取提供參考。

1試驗裝置及方法

1.1試驗裝置

試驗裝置如圖1所示。該裝置主要由筒體、端蓋、壓蓋、低熔點組件等組成，筒體內腔尺寸為Ф100 mm×100 mm，壁厚為10 mm，端蓋厚度為15 mm。在端蓋的凹槽結構中放入低熔點材料組件，上下添加耐溫墊圈保證筒體的密封性，采用螺釘將壓蓋與端蓋連接，排氣通孔直徑為8 mm。

1.壓力表； 2.出口控制閥； 3,入口控制閥；

排氣緩釋結構對低熔點組件材料有較高的要求。一方面在貯存、運輸、正常使用條件下具有足夠的強度，不影響彈藥的應用需求。另一方面，在炸藥受到高溫或火燒刺激條件下，在達到炸藥最低燃點或爆炸點前必須失去大部分強度，形成排氣通道，降低彈藥的反應劇烈程度，提高安全性?，F有研究表明，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，低熔點材料初選了聚乙烯(PE)、工程塑料(PBT)、尼龍(PA-6)和聚碳酸酯(PC)四種，相關的物理力學參數如表1所示。

表1　幾種低熔點材料的物理力學參數

1.2試驗方法

采用電熱鼓風干燥箱對低熔點組件進行加熱，干燥箱型號為HZG225BK，通過XMT微電腦智能溫度控制器進行溫度調節和控制，溫度波動度≤±1.0℃，溫度均勻度≤±2.5%，最高使用溫度小于300℃，具有超溫短路保護功能，內腔工作尺寸為600 mm×500 mm×750 mm。溫度作用試驗時，將相同厚度的四種低熔點材料的片材同時置于電熱鼓風干燥箱內，然后以約5℃的升溫速率對組件進行加熱，每達到一個目標溫度時，保溫30 min，并記錄低熔點材料的狀態。

壓力作用試驗布局如圖2所示。試驗通過往圖1所示裝置中通入高壓氣體以控制壓力變化，氣體的導入導出通過軟銅管實現。在端蓋的兩個通孔中插入軟銅管，通過焊接固定，一銅管的另一端與活套球閥焊接后與高壓轉接閥連接，另一銅管與數字氣壓表連接。高壓氣體通過轉接閥導出，經過連接銅管后進入筒體內腔，對低熔點組件進行壓力作用，通過數字壓力表對筒內的壓力進行讀數。試驗時通過轉接閥逐漸增大氣壓，每隔1 MPa壓力記錄一次試件狀態。

溫度壓力耦合作用試驗布局如圖3所示。試驗過程中，首先將裝有低熔點組件的試驗裝置放置在干燥箱內加熱，顯示溫度到達設定值后保溫半小時，使低熔點組件充分受熱并達到設定溫度；然后打開高壓氮氣罐開關，通過轉接閥逐漸增大氣壓，并時刻觀察壓力表讀數，獲得不同溫度下形成排氣通道時的壓力值。

圖2　排氣緩釋結構壓力作用試驗布局

圖3　溫度壓力耦合作用試驗布局

2結果與討論

2.1溫度作用試驗結果

圖4為不同溫度作用下4種材料的狀態，將其結果列于表2，可以看出當溫度低于100℃時，4種材料幾乎都沒有發生狀態變化。聚乙烯組件在110℃開始慢慢變軟，歷經半軟化后在140℃時完全軟化，在200℃時處于癱化狀態；工程塑料在140℃采開始逐漸變軟，到220℃基本軟化；而尼龍和聚碳酸酯在220℃變化不明顯，只是略微變軟。

圖4　4種材料不同溫度下的物理狀態

2.2壓力作用試驗結果

為研究僅在壓力作用下緩釋結構能否形成排氣通道，采用圖2的試驗裝置研究了常溫下4種低熔點材料組件在0～8 MPa壓力作用下的變形情況，試驗中組件厚度均為1 mm。試驗結果如表3所示，在0～8 MPa壓力作用下，所有組件均沒有出現破壞,聚乙烯PE出現可見的凸起變形。因此，對所選取的4種試驗材料，在常溫下均具有足夠的強度，在低壓下無法單靠壓力作用形成排氣通道，排氣緩釋通道的形成需要壓力與溫度的共同作用。

表2　4種材料的溫度作用試驗結果

表3　4種材料的壓力作用試驗結果

2.3溫度壓力耦合作用試驗結果

由于炸藥導熱系數遠低于殼體材料，導致炸藥的表面溫度低于炸藥溫度，因此，材料形成通道的溫度應低于炸藥反應溫(130～230℃)才能有效降低炸藥的反應等級。根據壓力試驗結果可知，排氣緩釋通道的形成需要壓力與溫度的共同作用，因此其材料應在130℃下有明顯狀態變化。根據溫度試驗結果，選擇在130℃度溫度下狀態變化明顯的聚乙烯材料，進行溫度壓力耦合作用試驗。試驗采用了2 mm和3 mm兩種不同厚度的聚乙烯片材。

不同溫度下低熔點組件聚乙烯的變形和成孔試驗結果如表4所列,不同厚度的試件形成的通道情況如圖5、圖6所示。由表4試驗結果可見,溫度越高,形成的排氣通道越大，組件能承受的壓強也越小。當溫度為140℃時，低熔點組件基本處于熔融狀態，無法對筒體進行加壓，熔化的部分組件從孔內吹出，此溫度下形成了充分的排氣通道。低熔點材料組件處于熔融態以前，隨著組件厚度的增加，相同溫度下使試件破裂而形成排氣通道所需的壓力也越大,但所形成的排氣通道大小相近。而隨著溫度的升高,形成的排氣通道由小裂縫到小孔,直至完全融化通道充分形成。因此，材料的溫度特性是影響排氣通道形成的決定因素，當排氣緩釋裝置的材料在爆燃溫度下無法充分熔化時，通過壓力作用形成的排氣通道面積較小,難以可靠的滿足充分降低炸藥烤燃反應的劇烈程度所需的排氣通道大小的要求。

表4　不同厚度聚乙烯組件的溫度壓力耦合作用試驗結果

圖5　2 mm 聚乙烯組件在不同溫度下的破壞情況

圖6　3 mm聚乙烯組件在不同溫度下的破壞情況

3結論

通過試驗研究了不同厚度的、不同類型的低熔點材料分別在不同溫度、壓力及溫度壓力耦合作用下形成排氣通道的規律特性，研究結果表明：在炸藥反應溫度范圍內，聚乙烯材料狀態變化明顯，適合用于排氣緩釋裝置的設計制造；在排氣緩釋裝置未完全熔化時，隨著溫度升高，形成的排氣通道面積逐漸增大，但靠壓力與溫度綜合作用形成的排氣通道面積總體較小，完全熔化時形成的排氣通道面積較大；排氣緩釋裝置所用材料的溫度特性是影響排氣通道形成的決定因素。

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(責任編輯楊繼森)