力-熱敏感結構在熔鑄裝藥慢烤緩釋系統(tǒng)中的應用*

鄧 海，沈 飛，梁爭峰，王 輝

(西安近代化學研究所，西安 710065)

0 引言

彈藥在制造、存貯、運輸、使用過程遭遇意外的熱刺激時，極易引起彈藥的點火爆炸，造成重大的安全事故[1]。因此，研究彈藥針對意外熱刺激的緩釋裝置對于提高彈藥的熱安全性及低易損性有十分重要的現實意義。

熔鑄裝藥戰(zhàn)斗部，在慢速烤燃過程中，存在熔化、分解排氣、加速反應至點火的特點[2]，并且彈體內的壓力會隨著炸藥的相變以及熱分解的加劇而不斷增加。在既要保證彈體強度，又要確保在裝藥未劇烈反應前可靠泄壓，最重要的緩釋方法是在殼體上設置泄壓孔，并用對溫度敏感或是對壓力敏感的材料或結構進行封堵。國內外已開展的相關的研究，表明了該方式有較好的緩釋效果[3-4]。Lori[5]等對HTPB等3種水下炸藥在不同直徑排氣孔工況下進行了慢烤實驗，實驗表明，對于同一種炸藥，隨排氣孔直徑增加，慢烤響應等級隨之降低。Madsen[6]等研究了在不同排氣孔尺寸下B炸藥的烤燃特性,分析了低熔點材料的選取原則。Roy[7]等設計了一種在高壓高溫環(huán)境下通過易熔金屬及墊片封堵排氣通道的泄壓結構，并用數值計算驗證了排氣結構泄壓的可行性。陳紅霞[8]等設計了一種模擬裝置研究了4種低熔點材料在溫度、壓力作用下的反應特性，對比分析了4種材料的溫度特性對泄壓能力的影響。

上述文獻主要研究了不同密閉狀態(tài)下裝藥的慢烤響應特征和封堵泄壓孔材料的選取問題，對于易熔材料、壓敏結構在裝藥緩釋系統(tǒng)中應用的研究鮮有報道。文中以典型熔鑄炸藥(B炸藥)為研究對象，運用自行設計的烤燃樣彈，研究了非密閉B炸藥裝藥的慢烤響應特性和熱敏感易熔金屬、壓力敏感的金屬膜片在烤燃彈慢烤時的緩釋過程，得到了兩種結構的破壞緩釋特點，能為后續(xù)不敏感戰(zhàn)斗部的設計提供參考。

1 非密閉熔鑄裝藥的慢烤實驗

1.1 泄壓孔尺寸設計原理

排氣孔尺寸選取是決定緩釋結構能否有效泄壓的關鍵，其選取關鍵在于確定彈體內壓力增長率與排氣孔壓強釋放率之間的平衡關系。

排氣孔氣體壓強釋放率可由下式計算[9]：

(1)

式中：AV為排氣孔面積(m2)；CD是排氣系數，取0.6～1；a′為氣流速度(m/s),它與氣體產物的溫度和壓縮性相關，可由下式計算：

(2)

彈體內炸藥分解反應時的壓強增長率可由下式計算[10]：

(3)

式中：TB是火焰溫度(K)；R為氣體摩爾常數；V是體積(m3)；M是分子氣體生成量(kg/mol)；ρ為炸藥的密度(kg/m3)；T0為炸藥的溫度(K)；SB是炸藥的燃燒面積(m2)；P是絕對壓強(bar)；α、A、B為炸藥的常數。

如果彈體內壓強生成率與排氣孔釋放率相等，則有：

(4)

可得排氣孔最小面積：

(5)

因此，只要已知炸藥的相關參數，結合彈體特征，由上式可以求得相應排氣孔的最小面積，由于文中所用炸藥的計算參數暫未被量化，以及主旨在于研究兩種緩釋結構形成泄壓通道的特征，因此選取開孔面積占比(25%)較大的排氣孔直徑，以確保形成泄壓通道后能明顯降低裝藥的反應等級。

1.2 烤燃彈與試樣

針對慢速烤燃的熱刺激特點，設計了一種便于安裝熱敏和壓敏結構的通用烤燃樣彈，其結構如圖1所示。殼體厚度為10 mm,材料為45#鋼，裝藥尺寸為Φ50 mm×50 mm，實驗樣品為B炸藥(TNT與RDX質量比為40/60)，密度1.65 g/cm3；端蓋用螺紋連接，在端蓋上設計排氣緩釋結構，其主要由安裝敏感膜片的凹槽、敏感膜片、壓蓋等組成，泄壓通道大小為Φ25 mm，結構如圖1所示。

1.3 實驗裝置及方法

實驗時，通過定制的加熱套對烤燃樣彈進行慢速升溫，在樣彈殼體上安裝控溫熱電偶，內部底側布置測溫熱電偶，全程監(jiān)測彈體和炸藥的溫度，用控溫儀對升溫速率進行控制，在烤燃樣彈外包裹石棉布進行保溫,并在其斜上方安放攝像頭，正對緩釋結構，對慢烤過程中緩釋結構作用過程進行觀察。

實驗采用1 ℃/min的速率對彈體進行加熱，直到發(fā)生劇烈反應為止，最后通過實驗后的殘骸與視頻監(jiān)控錄像綜合判斷響應烈度及反應特點。

1.4 不同階段反應特點與分析

根據實驗后的視頻錄像及熱電偶監(jiān)測的溫度數據對非密閉條件的熔鑄裝藥慢烤的反應過程和特點進行了分析，并結合劇烈反應后彈體殘骸對響應等級進行了判斷。實驗過程中測得的殼體與炸藥的升溫歷程曲線如圖3所示。

曲線1為殼體的升溫曲線，曲線2為炸藥溫度隨時間變化曲線。從曲線2可以看出，非密閉條件下B炸藥的慢速烤燃過程可分為4個階段：固體升溫、熔化/相變、液體升溫、加速分解至點火。

從曲線2可以看出固體升溫階段，炸藥表層的溫度相對于殼體的溫度只有很小的滯后；炸藥溫度到92℃左右，開始出現溫度平臺，這時炸藥開始熔化，由于熔化過程吸熱，同時熱量要向未熔化的炸藥傳熱，而此時殼體和炸藥表層的溫差很小，傳入炸藥內部的熱量不足以完全補充吸收和散失的熱量，導致炸藥溫度幾乎處于平臺上下波動，經過13 min左右的平臺期，炸藥全部熔化，此后由于液態(tài)炸藥增加了對流換熱作用，使炸藥內部熱量交換速率加快，炸藥內部溫度趨于均勻，隨著殼體溫度的增加，液態(tài)炸藥整體以幾乎相同的升溫速率繼續(xù)升溫。在炸藥溫度升高至132℃時，液態(tài)炸藥已向外膨脹，有小的氣泡產生，其狀態(tài)如圖4(a)所示。隨著溫度的增加，炸藥向外膨脹得越來越厲害，產生氣泡的速率和數量不斷增加，炸藥溫度到171 ℃時，氣泡明顯增多，出現沸騰的現象，并有少量氣體排出，說明這時炸藥的自熱分解速率在不斷加快，不斷向外排出氣體，其狀態(tài)如圖4(b)所示。炸藥溫度到197 ℃時，炸藥的溫度迅速增加，液態(tài)炸藥劇烈沸騰，排出大量的氣體，狀態(tài)如圖4(c)所示，此時炸藥發(fā)生顯著的自加速分解反應，產生的熱量不能及時擴散，使炸藥內部溫度迅速升高，促使分解反應的劇烈程度急劇加強，而劇烈反應產生更多的熱量進一步加大了反應的劇烈程度，經過短暫的熱積累，導致裝藥點火，發(fā)生了燃燒反應，其狀態(tài)如圖4(d)所示。

從實驗結果可知非密封條件下的熔鑄裝藥在慢烤過程中，首先發(fā)生熔化，然后隨著炸藥溫度的升高，液態(tài)炸藥受熱膨脹，不斷產生氣泡、排出氣體、出現沸騰的現象，最終發(fā)生燃燒反應，因此可知排氣孔在熔鑄裝藥慢烤過程中能有效泄壓、降低慢烤響應的劇烈程度。

2 泄壓敏感結構的設計

被動泄壓結構的設計一般基于兩種原理，一種是對溫度敏感，即溫度上升至某個臨界值時，結構自動破壞形成壓力釋放通道，文中采用易熔材料作為排氣結構的封堵材料，溫度升高時，堵頭熔化破裂；另一種是對壓力敏感，即在緩釋結構中設置強度相對薄弱部件，當彈體內的壓力超過某個閾值時，使薄弱部位破裂，形成泄壓通道，達到泄壓的目的，文中采用刻槽板殼結構作為薄弱部件。

2.1 易熔金屬的選取

選取易熔金屬時，首先需要分析裝藥內溫度場的變化規(guī)律，然后據此選擇具有匹配熔點的金屬材料，在裝藥發(fā)生局部點火前，易熔金屬達到相移區(qū)間，發(fā)生熔化或力學強度大幅降低，使閥門打開，不斷排出氣體產物，裝藥反應速率不繼續(xù)增加。

易熔合金是溫度敏感泄壓結構的重要材料，其熔點一般低于232 ℃，通常由Bi、Sn、Pb、In等低熔點金屬元素構成，依據以上非密閉條件下帶殼B炸藥的慢烤響應特點對易熔合金進行了部分篩選，其成分和性能如表3所示。

表3 部分易熔金屬成分和性能

綜合考慮易熔合金的性能、強度及B炸藥的慢烤溫度場特點，選取了Bi-Sn類型的易熔金屬，并制成了Φ31 mm×3 mm的膜片作為溫度敏感構件，如圖5所示。

2.2 壓力膜片的設計

對于壓力膜片，一般采用刻槽式平板，該原理在輕氣炮等裝置中應用較多，文中也選用該方式設計了一種壓力膜片，材料為硬鋁LY12，尺寸Φ31 mm×1 mm,在膜片外表面刻一個十字型和一個Φ20 mm的V型槽，刻槽深度為0.5 mm,如圖6所示。采用外刻槽的目的是在受外壓時能保持足夠的強度，在受內壓時產生應力匯聚，形成破裂剪切帶，促使膜片能迅速破裂，形成泄壓通道。根據靜態(tài)膜片剪切破裂的公式：

(6)

式中，τ為膜片的有效厚度;σr為膜片的抗剪切強度;q0為膜片承受的最大壓力?？梢砸罁て某跏紖导绊憫卣?，預估膜片破裂時彈體內部的壓力閾值，對膜片的設計參數進行優(yōu)化。

3 熱、力敏感膜片在緩釋結構中的應用

非密封的排氣通道能順利泄壓，降低裝藥的慢烤響應等級，但是對于戰(zhàn)斗部，有強度及安全性等方面的要求，必須是一個密封、完整的結構。因此文中基于對非密閉熔鑄裝藥慢烤反應特點的分析，選用易熔金屬和壓力敏感膜片封堵排氣孔，對熔鑄裝藥進行了慢烤實驗，實驗樣品、實驗裝置、實驗設置與非密閉裝藥慢烤實驗保持一致，通過慢烤過程中的視屏監(jiān)控及反應后樣彈的殘骸狀態(tài)，分析研究了裝藥在兩種情況下的反應特性。加裝兩種敏感膜片的樣彈如圖7所示。

3.1 熱敏結構的緩釋特點及效果

加裝易熔金屬緩釋結構后裝藥慢烤過程不同時刻的狀態(tài)如圖8所示。

從實驗結果可以得出，當炸藥溫度為91 ℃時，易熔金屬開始軟化，此時的狀態(tài)如圖8(a)所示，表面開始變皺；炸藥溫度到96 ℃時，易熔金屬明顯軟化，由于彈體內炸藥的膨脹以及緩慢分解反應釋放了氣體，易熔金屬明顯向外凸起，狀態(tài)如圖8(b)所示；炸藥溫度到101 ℃時，可以看到凸起的易熔金屬膜片從壓蓋邊緣開始出現斷裂，液態(tài)炸藥從裂縫處開始溢出，狀態(tài)如圖8(c)所示，這時易熔金屬膜片在力、熱耦合作用下發(fā)生形變和熔化，在應力集中的位置最先出現變形破裂，形成泄壓排氣通道；炸藥溫度106 ℃時，易熔金屬膜片在壓蓋邊緣處已經全部斷裂，掉進了液態(tài)的炸藥，形成了通暢的排氣泄壓通道。

此后的狀態(tài)和非密封狀態(tài)的過程一樣，炸藥溫度為196 ℃時，炸藥發(fā)生了劇烈的燃燒反應，反應后的殘骸如圖9(a)所示?？梢园l(fā)現，彈體完好，無變形損壞，殼體表面明顯有炸藥膨脹出來燃燒后的殘渣，取下壓蓋發(fā)現一塊易熔金屬膜片殘骸，如圖9(b)所示，斷裂處呈現拉伸滑移式裂口，說明易熔金屬達到一定溫度后，發(fā)生了軟化，在彈體內壓的作用下發(fā)生了拉伸式破壞。因此可知這種易熔合金在慢烤過程中，首先發(fā)生軟化，在軟化過程中受到力、熱耦合的作用而出現裂口,形成了泄壓通道。

3.2 壓敏結構的緩釋特點及效果

易熔金屬膜片能可靠的形成泄壓通道，但是易熔合金的強度較低，力學性能較差，用其直接封堵泄壓口，不易滿足戰(zhàn)斗部的結構強度要求，因此進行了加裝強度更高的壓力敏感膜片時熔鑄裝藥的慢烤實驗。實驗結果顯示，當炸藥溫度到139 ℃時，烤燃樣彈發(fā)生了劇烈反應，反應后的殘骸如圖10所示，可以看出，烤燃樣彈完整，無變形破損，殼體外無炸藥燃燒后的殘渣，表面有燒黑的痕跡，結合反應時的聲響可判斷發(fā)生了劇烈的燃燒反應。取下壓力膜片，從斷裂口可以看出，膜片發(fā)生了剪切式斷裂，當彈體溫度不斷升高時，裝藥發(fā)生了緩慢的分解反應，不斷有氣體產物生成，同時炸藥受熱發(fā)生膨脹，彈體內部壓力隨溫度的升高而不斷升高，當壓力達到膜片的破壞閾值時，就會使膜片從預制應力集中槽處發(fā)生剪切破壞，形成泄壓通道。

由此可以看出在緩釋裝置中壓力敏感膜片和易熔金屬膜片都能有效形成泄壓通道，減緩裝藥的慢烤響應等級，其中易熔金屬對溫度比較敏感，達到一定的溫度后發(fā)生軟化，在壓力和溫度的耦合作用下，發(fā)生拉伸時斷裂，形成泄壓通道，最后的響應特點和非密閉條件下裝藥慢烤的響應特征相同，只發(fā)生燃燒反應，屬于一種柔和、平緩泄壓方式；壓力膜片對壓力敏感，當彈體內部壓力達到膜片的破壞閾值，發(fā)生剪切破壞，瞬間泄壓，炸藥從彈體噴射出發(fā)生燃燒反應，屬于一種瞬態(tài)快速泄壓方式。此外，易熔金屬存在強度低、壓力膜片存在設計參數難確定等問題，因此兩類敏感組件實際運用時在材料選取與技術優(yōu)化方面還需后續(xù)進行更為深入的研究。

4 結論

1)預留排氣孔的熔鑄裝藥在慢烤過程中，會經歷熔化，向外膨脹、沸騰、冒氣及點火燃燒的過程，排氣孔能順利排氣、抑制彈體內壓力增長，降低熔鑄裝藥的慢烤反應等級。

2)用易熔金屬和壓力敏感膜片封堵熔鑄裝藥的排氣孔時，在慢烤過程中兩者都能可靠的形成泄壓通道，使其只發(fā)生燃燒反應，可以有效的緩解熔鑄裝藥慢烤的響應等級。

3)易熔金屬在緩釋過程中發(fā)生拉伸式破裂，泄壓過程柔和、平緩；壓力敏感膜片在緩釋過程中發(fā)生剪切破壞，泄壓過程劇烈、迅速。