強約束下典型熔鑄和澆注炸藥的烤燃特性對比

【化學工程與材料科學】

強約束下典型熔鑄和澆注炸藥的烤燃特性對比

陳科全a,b，黃亨建a,b，路中華a,b，聶少云a,b，蔣治海a,b

(中國工程物理研究院a.化工材料研究所；b.安全彈藥研發中心，四川 綿陽621900)

摘要：利用自行設計的烤燃試驗裝置，以熔鑄RHT-1和澆注GHL-1 2種典型炸藥為研究對象，試驗研究了厚殼體強約束下2種炸藥慢速烤燃和火燒時的反應特性，并將試驗結果與薄殼體和相關戰斗部的烤燃結果進行了對比。研究表明：在所研究的厚殼體強約束情況下，澆注炸藥火燒時的安全性顯著優于熔鑄炸藥，而其慢速烤燃時的安全性略高于熔鑄炸藥；熔鑄裝藥戰斗部可以通過換裝澆注炸藥提高其安全性。

關鍵詞：炸藥；厚殼體強約束；慢速烤燃；快速烤燃

收稿日期：2014-07-29

基金項目：中物院化材所青年人才培養基金(QNRC-201312)；中物院學科發展基金(2012B0201019)

作者簡介：陳科全(1983—)，男，博士，助理研究員，主要從事彈藥工程與數值模擬研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.037

中圖分類號：TJ55；O64

文章編號：1006-0707(2015)01-0133-04

本文引用格式：陳科全，黃亨建,路中華，等.強約束下典型熔鑄和澆注炸藥的烤燃特性對比[J].四川兵工學報，2015(1):133-136.

Citation format:CHEN Ke-quan, HUANG Heng-jian, LU Zhong-hua, et al.Experimental Study on Cook-Off Test for Melt-Cast and Cast- Cured Explosive at Strong Constraint[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(1):133-136.

Experimental Study on Cook-Off Test for Melt-Cast and

Cast- Cured Explosive at Strong Constraint

CHEN Ke-quana,b, HUANG Heng-jiana,b, LU Zhong-huaa,b,

NIE Shao-yuna,b, JIANG Zhi-haia,b

(a.Institute of Chemical Materials; b.Robust Munitions Center,

China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Abstract:The slow cook-off and fast cook-off tests for melt-cast explosive RHT-1 and cast-cured explosive GHL-1 were carried out by using the thick shell and strong constraint apparatus designed by ourselves, and the test results were compared with those of thin shell and related warheads. In the case of the study, it shows that the reaction type of cast-cured explosive on the fast cook-off test is obviously lower than that of melt-cast explosive, and its safety under slow cook-off test is a little higher than that of melt-cast explosive. The security of warhead packing melt-cast explosive can be improved by being replaced with cast-cured explosive.

Key words: explosive; thick shell and strong constraint; slow cook-off; fast cook-off

現代戰爭的快速變化與發展，對于彈藥的能量與安全性提出了越來越高的要求。低易損性鈍感高能炸藥的研制是當前的研究熱點，而熱刺激條件下炸藥的易損性則是鈍感高能炸藥的重要研究內容之一。由于熱作用下炸藥的反應特性與其約束條件、分解動力學特性和熱點增長特性等相關，機理研究十分復雜，目前國內外主要通過烤燃試驗評價炸藥的熱易損性。

炸藥烤燃試驗包括慢速烤燃和快速烤燃2類條件。慢速烤燃試驗評估的是彈藥受到外部間接加熱時的響應特性。1984年，Parker等[1]最早設計了小型烤燃彈試驗(SCB)，被認為是炸藥慢速烤燃試驗的雛形。Scholtes等[2]改進了SCB試驗系統，建立了含升溫速率控制裝置的TNO-PLM慢烤試驗。Chidester等[3]利用類似TNO-PLM的慢烤試驗裝置，通過在不同位置布置測溫熱電偶的方式研究了炸藥的點火位置等。國內，炸藥的慢烤試驗基本都建立在TNO-PLM模式之上。包括國標 GB/T14372—2005《危險貨物運輸爆炸品認可、分項試驗方法和判據》[4]和國軍標GJB772A—1997《炸藥試驗方法》[5]中均規定了類似 TNO-PLM的烤燃試驗裝置。近年來，張蕊[6]、智小琦[7]等學者也針對起爆藥和傳爆藥等含能材料進行了慢速烤燃試驗研究，得到了它們的耐熱性和反應溫度等。快速烤燃試驗考核的是彈藥直接受到大火烘烤時的響應特性，亦稱為火燒試驗。在快速烤燃方面，Witherell等[8]試驗研究了30 mm燃燒彈快速烤燃時的反應特性，并與數值模擬結果進行了對比，結果吻合較好。呂子劍等[9]以推進劑為燃料對JB-9014和JOB-9003炸藥進行了快速烤燃試驗。楊麗俠等[10]則研究了發射藥快速烤燃時的反應特性，獲得了發射藥易損性的響應特性和影響因素。代曉淦等[11]針對不同尺寸的PBX-2炸藥進行了快速烤燃試驗，得到裝藥尺寸與反應劇烈程度間的定性關系。

值得一提的是，雖然國內外對于炸藥的烤燃特性已開展了較多的試驗研究，但使用的試驗彈殼體均較薄，無法模擬侵徹反艦類厚殼體強約束戰斗部的烤燃反應特性。為此，本文利用自行設計的厚殼體強約束模擬試驗彈，研究了熔鑄RHT-1和澆鑄GHL-1 2種典型炸藥慢速烤燃和火燒時的反應特性，并與薄殼體和相關戰斗部的試驗結果進行了對比，獲得了一些規律性的認識。研究結果可為侵徹反艦類戰斗部的設計提供參考。

1試驗裝置及方法

1.1試驗裝置

調研表明，現有烤燃試驗裝置的殼體厚度多為2～4 mm[7,10-12]，不適于模擬侵徹反艦類戰斗部的烤燃特性。為此，這里參照相關標準設計了圖1所示的厚殼體強約束烤燃試驗裝置。試驗系統包括試驗彈、加熱帶、熱電偶、壓力傳感器、控溫測溫系統和油池等。試驗彈外筒與端蓋之間通過細螺紋連接，并采用耐熱密封圈保證裝藥內腔具有良好的密封性；端蓋上設有熱電偶插口，熱電偶敏感部分置于炸藥

1-下夾板；2-夾緊螺栓；3,11-烤燃彈體；4-電加熱帶；

中斷面徑向不同位置處，通過信號線與電腦專用系統記錄殼體和炸藥溫度的變化過程?？救荚囼炑b置實物圖如圖2所示。

圖2　烤燃試驗裝置

模擬試驗彈殼體厚度為8 mm，材料為45#鋼。裝藥尺寸為Ф50 mm×100 mm，裝填熔鑄RHT-1(TNT/RDX/其他)和澆注GHL-1(RDX/AL/其他)2種典型炸藥。

1.2試驗方法

慢速烤燃試驗通過電加熱帶給模擬試驗彈外殼加熱，并用控溫系統控制其升溫速率。為減少試驗成本，在不影響試驗結果的情況下，首先從常溫開始(以實測為準)以5℃/min的升溫速率對模擬試驗彈加熱，當其殼體溫度達到160℃左右時，再以1 ℃/min的恒定升溫速率加熱，直至發生爆響等反應為止。

火燒試驗時，用鐵絲將試驗彈固定在油池中心上方40 cm 處，并用航空煤油對模擬試驗彈進行加熱。在離試驗彈上下表面約50 mm處各安裝一個熱電偶，以測試彈體周圍火焰溫度的變化過程。

針對熔鑄RHT-1和澆注GHL-1兩種炸藥，分別進行了慢速烤燃和火燒試驗研究。試驗過程中，實測炸藥中心(R0)、半徑(R1/2)和其表面(R1)溫度隨時間的變化曲線，并利用壓電式壓力傳感器測得試驗彈反應后的沖擊波超壓。此外，裝藥反應等級參照美軍標MIL-STD-2105D確定[13]。

2結果與討論

2.1慢速烤燃試驗結果及分析

針對設計的厚殼體強約束模擬試驗彈，分別以熔鑄炸藥RHT-1和澆注炸藥GHL-1為研究對象，開展慢速烤燃試驗。

試驗測得炸藥不同位置溫度隨時間的變化曲線如圖3所示,主要結果如表1所示。可以發現， 熔鑄炸藥模擬試驗彈發生爆響的時間小于澆注裝藥的情況，因此其爆響時加熱帶的溫度也較小。同時， 熔鑄炸藥反應時的溫度約為213.1℃，而澆注炸藥的反應溫度僅177.1℃，兩者相差較大。究其原因是，2種炸藥的組分完全不同，熔鑄炸藥RHT-1中的TNT在100℃以下就會熔融，因此其加熱后期的溫度分布較均勻，反之澆注炸藥主要成分RDX的熔點約為205℃，其分解較難，導致加熱過程中容易形成較多的局部熱點，因此其反應時的溫度較低。

圖3　慢速烤燃過程中炸藥不同位置溫度測試結果

試驗工況環境溫度/℃爆響時間/min3m處超壓/kPa反應等級爆響時溫度/℃加熱帶炸藥I-1(RHT-1)16.591.03—爆炸227.6213.1I-2(GHL-1)14.8103.6825.7爆炸246.2177.1

模擬試驗彈慢速烤燃后的殼體殘骸如圖4所示?？梢?，在所研究的厚殼體強約束情況下，兩發試驗彈均發生爆炸，但形成的破片存在一定差異。其中，澆注裝藥試驗彈殼體形成一個完整破片，而熔鑄炸藥形成了多個破片。結合2種炸藥反應時間的差異，可見強約束條件下澆注炸藥慢速烤燃時的安全性略高于熔鑄炸藥。

圖4　熔鑄和澆注兩種炸藥慢烤試驗殘骸

2.2快速烤燃試驗結果及分析

仍以前述2種炸藥為對象，研究厚殼體強約束下炸藥快速烤燃時的反應特性。

快速烤燃時，熔鑄裝藥試驗彈上下表面火焰溫度和炸藥不同位置的溫度變化過程如圖5所示。可以發現，火焰溫度基本維持在500～830℃之間，滿足試驗要求。從圖5(b)可以看出，快烤過程中炸藥的溫度分布極不均勻，其外表面的溫度上升較快，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[11,14]報道的結果一致。澆注炸藥溫度變化趨勢與熔鑄裝藥試驗結果一致，這里不再贅述。

圖5　熔鑄裝藥試驗彈快烤時火焰溫度

圖6所示為熔鑄炸藥RHT-1和澆注炸藥GHL-1模擬試驗彈火燒后的殼體殘骸，主要試驗結果如表2所示?？梢?，在所研究的厚殼體強約束情況下，雖然兩發試驗彈發生反應的時間差異較小，但熔鑄裝藥試驗彈形成的破片很小，僅回收到少量破片，反應等級為爆轟，反之澆注裝藥試驗彈的端蓋被沖開，殼體保持完整，炸藥噴出后全部燃燒，其反應等級僅為燃燒，即強約束條件下澆注炸藥火燒時的安全性顯著優于熔鑄炸藥。

表2　熔鑄RHT-1和澆注GHL-1炸藥火燒試驗結果

圖6　熔鑄和澆注2種炸藥快烤試驗殘骸

2.3烤燃試驗結果與相關戰斗部反應特性對比

為分析不同約束情況下炸藥烤燃反應等級之間的差異，以及它們與真實戰斗部反應特性之間的聯系，在此將厚殼體強約束模擬試驗彈的結果與薄殼體試驗結果和相關戰斗部的反應特性進行了對比，如表3所列。其中，M933與M934戰斗部主裝藥為B炸藥，其組分與熔鑄炸藥RHT-1相近?？梢园l現，不同殼體厚度下，熔鑄炸藥慢速烤燃和火燒時的反應程度均較劇烈，而澆注炸藥的熱安全性相對較高，這進一步證實了澆注炸藥烤燃安全性高于熔鑄炸藥的結論[15]。因此建議熔鑄裝藥戰斗部可以通過換裝澆注炸藥提高其安全性。模擬烤燃試驗彈與真實戰斗部烤燃結果的對比發現，兩者的反應等級存在一定差異，而各種戰斗部的殼體厚度和結構組成各不相同，相應的烤燃反應特性也不能一概而論，對真實戰斗部的烤燃安全性尚需從反應機理方面進一步深入研究。

表3　不同約束下炸藥烤燃結果與戰斗部反應特性的對比

注：M933、M934裝填炸藥為B炸藥

3結論

利用自行設計的烤燃試驗裝置，試驗研究了熔鑄RHT-1和澆注GHL-1兩種典型炸藥慢速烤燃和火燒時的反應特性，并與薄殼體和相關戰斗部的烤燃結果進行了對比。獲得結論如下：

1) 厚殼體強約束情況下，澆注炸藥慢速烤燃條件下發生爆響的時間大于熔鑄裝藥的情況，且其形成的破片也更少，澆注炸藥慢速烤燃時的安全性略高于熔鑄炸藥；

2) 快速烤燃時，澆注炸藥的安全性顯著優于熔鑄炸藥，其中熔鑄裝藥試驗彈的反應等級為爆轟，而澆注裝藥僅發生燃燒反應；

3) 不同殼體厚度下，熔鑄炸藥慢速烤燃和火燒時的反應等級均較高，而澆注炸藥的熱安全性相對較好，建議熔鑄裝藥戰斗部可以通過換裝澆注炸藥提高其安全性。

參考文獻：

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(責任編輯蒲東)