快熱作用下帶殼梯黑鋁炸藥快速燃燒實驗研究

趙生偉， 丁洋， 王長利， 吳玉蛟

(西北核技術研究所， 陜西 西安 710024)

快熱作用下帶殼梯黑鋁炸藥快速燃燒實驗研究

趙生偉， 丁洋， 王長利， 吳玉蛟

(西北核技術研究所， 陜西 西安 710024)

為了獲得快速熱作用下鑄裝梯黑鋁炸藥熱響應特性，并確定光纖探針用于測定熔鑄型炸藥快速燃燒過程化學反應陣面傳播速度的可行性。采用快速加熱裝置加熱鋼制圓管，作用于內部梯黑鋁炸藥，以光纖探針測定炸藥化學反應陣面傳播速度和軌跡。結果表明：在230 MPa的管體約束強度、開口端加裝端蓋情況下，裝填長度為400 mm的梯黑鋁炸藥化學反應陣面最大傳播速度約為1 000 m/s；開口端未加裝端蓋時，最高傳播速度約為500 m/s；兩種情況中炸藥都沒有發生完全爆轟。因此，快速熱作用下帶殼鑄裝梯黑鋁炸藥熱響應狀態為快速燃燒，光纖探針能夠準確測定小于1 000 m/s的熔鑄型炸藥化學反應陣面傳播速度。

兵器科學與技術； 梯黑鋁炸藥; 快速熱作用; 快速燃燒; 光纖探針

0 引言

鑄裝梯黑鋁(THL)炸藥是一種含鋁混合炸藥，廣泛應用于戰斗部裝藥[1-3]。在國防武器裝備發展中，含鋁混合炸藥廣泛用作各類戰斗部裝藥，由此形成金屬殼體加上含鋁混合炸藥的帶殼炸藥組合體。在彈藥的貯存、運輸、試驗過程中，由于火災事故等原因，金屬殼體可能受到火烤的快速熱作用。

針對快速熱作用下含鋁混合炸藥熱響應過程的研究，未見相關公開文獻報道[1-20]。因此，以熔鑄型THL炸藥為研究對象，開展快速熱作用下帶殼鑄裝THL炸藥快速燃燒過程的研究，在學術上和實際應用上都有重要的意義。傳統電離探針用于低速燃燒速度測量時，由于燃燒陣面離子產物較少，會產生信號時序混亂的現象；光纖探針記錄波陣面的光信號，避免了電離產物的影響[4-7]。段寶福采用光纖探針測定了乳化炸藥燃燒轉爆轟過程中化學反應陣面傳播速度[4]；Asay 等采用光纖探針分析了粒狀奧克托今炸藥燃燒轉爆轟過程中的化學反應劇烈程度[8-9]。

本文開展了快速熱作用下鑄裝THL炸藥快速燃燒實驗。采用自研制快速加熱裝置產生快速熱輸入條件，以光纖探針測定炸藥化學反應陣面傳播速度和傳播軌跡，從而確定在快速熱作用下鋼管約束鑄裝炸藥的熱響應狀態，分析其熱響應特性。同時確認光纖探針用于炸藥快速燃燒過程化學反應陣面傳播速度測試的可行性，對采用光纖探針深入研究炸藥劇烈化學反應過程具有重要的參考作用。

1 快速加熱帶殼炸藥實驗系統

1.1 平臺結構

快速加熱帶殼炸藥實驗系統由實驗裝置和測試系統組成，結構示意圖見圖1. 實驗裝置包括：快速加熱裝置、約束鋼管、炸藥。快速加熱裝置提供快速熱輸入條件，約束鋼管提供強約束條件。約束鋼管加熱端為盲孔，另一端為開口，開口端分為加裝端蓋和直接開口兩種情況，加裝端蓋時端蓋與管體以螺紋聯接，實驗裝置布設示意圖及實物圖見圖2. 測試系統為光纖測速系統，包括光纖探針、光電轉換裝置、記錄設備。

圖1 實驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

圖2 實驗布設結構示意圖及實物圖Fig.2 Experimental setup

1.2 快速加熱裝置

圖3 加熱裝置結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of heating unit

快速加熱裝置采用高能固態燃料噴射加熱原理，利用高能固體燃料產生的高溫氣體加熱，作用范圍為φ60 mm，加熱時長10 s，加熱裝置結構示意圖見圖3. 采用快速加熱裝置加熱效應鋼板，標定其加熱效果。效應板為邊長300 mm×300 mm的45號鋼板，板厚分別為13 mm. 采用鎳鉻鎳硅熱電偶溫度傳感器測定鋼板背面溫度歷程，效應板背表面典型溫度歷程曲線見圖4，圖4中曲線標注距離為測點至中心點位置，溫度歷程峰值溫度及對應時間見表1.

圖4 典型溫度歷程曲線Fig.4 Typical temperature history

表1 溫度歷程峰值溫度

從表1可以看出：加熱時長為10 s時，中心點最高溫度為1 011 ℃，達到最高溫度的時間為16.0 s，平均溫升速率為63 ℃/s；加熱時長為14 s時，中心點最高溫度為1 290 ℃，達到最高溫度的時間為15.8 s，平均溫升速率為82 ℃/s；從最高溫度和溫升速率看，加熱設備能夠達到快速加熱鋼板的效果。

1.3 約束鋼管及炸藥

約束鋼管采用45號鋼棒料切削加工而成，內徑40 mm、外徑70 mm，管體長度為400 mm，裝藥長度385 mm，裝藥質量為850 g. 加熱盲孔端厚度為13 mm.

炸藥為熔鑄型含鋁混合炸藥THL，成分為梯恩梯(TNT)、黑索今(RDX)和鋁粉(AL)，三者比例分別為60%、24%、16%.

1.4 光纖測試系統

光纖測試系統由石英光纖探針、光電二極管、放大器和記錄系統組成。其工作原理為：光纖探針采集反應陣面上的光信號，通過光電二極管將光電信號轉換為電信號，由記錄系統將這些有時序的脈沖信號記錄下來。系統原理示意圖及實物見圖5.

圖5 光纖測速系統示意圖及實物圖Fig.5 Fiber-optic probe system for velocity measurement

光纖探針沿約束鋼管壁小孔徑向埋設于炸藥內，間距固定，沿管體軸向方向共布設10個光纖探針，從起始位置探針編號依次為F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10，相鄰兩探針間距35 mm，光纖為直徑1 mm的塑料光纖。根據炸藥爆轟后測定的光信號，確定光信號間的時間差，從而計算化學反應陣面傳播速度。

2 實驗結果與分析

共實施快速熱作用下熔鑄型THL炸藥快速燃燒實驗3次。其中實驗1、實驗2加裝端蓋，即軸向采用強約束，實驗3沒有軸向端蓋。實驗設置參數見表2.

2.1 開口端加端蓋

實驗1、實驗2實測光纖平均波速見表3、表4，典型實測光纖歷程曲線見圖6，實測化學反應陣面傳播軌跡見圖7，實驗后管體破片實物圖見圖8.

表2 實驗設置參數

表3 實驗1實測光纖平均波速

表4 實驗2實測光纖平均波速

圖7 實測化學反應陣面傳播軌跡Fig.7 Measured propagation path of chemical reaction front

圖8 管體破片實物圖Fig.8 Photogragh of fragments

實驗1、實驗2中管體都發生碎裂，但碎裂程度不高，破片質量范圍分別為35～2 981 g和46～5 946 g；從破碎宏觀現象判斷，管體內炸藥沒有發生完全爆轟。

從圖7的數據可以看出：1)實驗1，在0～280 mm距離內，化學反應陣面傳播速度逐步增大，傳播速度從235 m/s增大到1 030 m/s；在280～315 mm距離內，傳播速度又降低到921 m/s；2) 實驗2，在0～280 mm距離內，化學反應陣面傳播速度從283 m/s逐步增大到1 015 m/s；在280～315 mm距離內，降低至875 m/s. 從兩次實驗的溫度上升速率、化學反應最高溫度等數據測試結果可以看出，實驗有很好的重復性。從管體破碎情況和實測化學反應陣面傳播速度分析，管體內THL炸藥在快速熱作用下發生熱點火并逐漸發展為快速燃燒。

2.2 開口端無端蓋

實驗3實測光纖平均波速見表5，實測光纖歷程曲線見圖9，實測化學反應陣面傳播軌跡見圖10，管體破片實物圖見圖11.

實驗3中管體結構完整，沒有發生碎裂，管體內炸藥沒有發生完全爆轟。在0～280 mm距離內，化學反應陣面傳播速度從269.0 m/s增大到507.0 m/s；在280～315 mm距離內，降低至463.5 m/s.

表5 實驗3實測光纖平均波速

圖9 實測光纖歷程曲線Fig.9 Measured history curve of fiber-optic probe

圖10 實測化學反應陣面傳播軌跡 Fig.10 Measured proparation path of chemical reaction front

圖11 實驗后管體實物圖Fig.11 Photogragh of tube after experiment

參考美軍《非核彈藥的危險性評估試驗》(MIL-STD-2015C)中關于彈藥反應等級劃分標準：類型Ⅰ：爆轟反應，類型Ⅱ：部分爆轟反應，類型Ⅲ：爆炸反應，類型Ⅳ：爆燃反應，類型Ⅴ：燃燒反應。分析對比3次實驗，可得：1) 在快速熱作用下THL炸藥熱點火，帶殼炸藥發生類型Ⅲ爆炸反應，即被限制的含能物質點火并快速燃燒產生局部高壓，導致外殼結構過壓破裂，金屬殼體破碎為大塊破片(脆性破裂)。2) 管體加裝端蓋時，化學反應陣面傳播速度最大約為1 000 m/s；無端蓋時，化學反應陣面傳播速度最大約為500 m/s. 從化學反應陣面傳播速度看，隨時間化學反應劇烈程度逐漸增強。3) 管體是否加裝軸向端蓋，即炸藥是否受到軸向約束，炸藥都會發生熱點火，熱點火后的劇烈化學反應程度不同。4) 由于炸藥裝填的不均勻性、探針安裝位置及測量誤差的影響，化學反應陣面傳播速度不是穩定增大，但趨勢逐漸增大，能夠反應化學反應陣面傳播軌跡。5) 光纖探針用于確定炸藥快速燃燒測試，在小于1 000 m/s范圍內，能夠準確測定化學反應陣面傳播速度，從而確定炸藥的化學反應狀態。

3 結論

塑料光纖探針應用于炸藥快速燃燒過程測試，實驗范圍內，能夠確定炸藥化學反應陣面傳播速度和傳播軌跡，反映炸藥化學反應劇烈程度。另外，在230 MPa的管體約束強度、開口端加裝端蓋情況下，裝填長度約為400 mm的THL炸藥化學反應陣面傳播最大速度約為1 000 m/s；開口端未加裝端蓋時，傳播最大速度約為500 m/s. 兩種情況中炸藥都沒有發生爆轟，化學反應狀態應該為快速燃燒，帶殼炸藥發生類型Ⅲ爆炸反應。因此：1) 在本文實驗條件下，熔鑄型THL炸藥先發生熱點火，隨后發展為快速燃燒；2) 管體開口端是否加裝端蓋，即炸藥是否受到軸向約束，炸藥都發生熱點火，但熱點火后的化學反應劇烈程度會受軸向約束的影響。

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ExperimentalInvestigationaboutFastBurningofTNT-RDX-AlExplosivewithShellatFastHeatingRate

ZHAO Sheng-wei, DING Yang, WANG Chang-li, WU Yu-jiao

(Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an 710024, Shaanxi, China)

The fast burning of cast-loaded TNT/RDX/Al explosive with metal shell at fast thermal effect was experimented to obtain its thermal response characteristics and ascertain the feasibility of fiber-optic probe to measure the propagation velocity of chemical reaction front. A fast heating equipment is used to fast heat a steel tube, which is 400 mm in length, filled with cast-loaded TNT/RDX/Al explosve, and the propagation velocity and path of chemical reaction front are measured by using the fiber-optic probe. The result shows that the propagation velocity of chemical reaction front is 200～1 000 m/s when the open end of steel tube is covered with an end cap. Its propagation velocity is 200～500 m/s when the open end is not covered with the end cap. The detonation dosen’t happen and the state of chemical reaction is fast burning. So the thermal response state of cast-loaded TNT/RDX/Al explosives at fast heating rate is rapid burning. The fiber-optic probe can be used to obtain the propagation velocity of chemical reaction front at less than 1 000 m/s.

ordnance science and technology; cast-loaded TNT/RDX/Al explosive; fast thermal effect; fast burning; fiber-optic probe

TQ564.4+2

A

1000-1093(2017)11-2105-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.11.004

2017-01-10

國家自然科學基金項目(11302180)

趙生偉(1978—)， 男， 副研究員。 E-mail： zhaoshengwei@nint.ac.cn