慢速烤燃環境下引信熱響應特性測試與仿真

韓炎暉， 婁文忠， 馮躍， 鄭福泉

(北京理工大學 機電學院， 北京 100081)

0 引言

大型艦艇戰斗群通常都裝備多種彈藥，艦載彈藥容易在意外火災或敵方打擊毀傷造成的環境熱交換過程中釀成自點火甚至爆轟等重大災難，嚴重威脅著參戰人員、武器裝備的作戰能力。艦載彈藥在遭受意外熱刺激下出現的一系列安全事故尤為慘痛，已引起各國高度重視。為了提高彈藥安全性，以美國為代表的西方國家于20世紀70年代開始發展不敏感彈藥(IM)技術研究，目的是在達到原彈藥性能的同時，當遇到加熱、撞擊等劇烈外部刺激時，將彈藥意外起爆概率和人員損傷降至最低[1]。美軍已嘗試在部分高價值武器設計與鑒定試驗中，加入彈藥及引信的不敏感設計和試驗項目[2]。我國不敏感彈藥技術起步較晚，但是對不敏感彈藥研究的重視程度日漸增強。總之，我國既沒有嚴格意義上的不敏感彈藥，也沒有建立統一的試驗方法和評價體系，嚴重制約了我國不敏感彈藥技術的發展[3]。因此，本文將聚焦艦載彈藥引信受意外熱環境刺激下的不敏感技術。

1 常規彈藥引信減敏技術

1.1 引信減敏技術需求

提高彈藥不敏感特性最直接有效的手段是降低戰斗部裝藥的感度，但炸藥感度降低的因素會引起戰斗部威力下降。因此，提高彈藥不敏感特性不能單純依賴于炸藥感度特性，應充分借鑒國外高度重視系統級安全性提升的發展思路：彈藥安全要求屬于系統性要求，貫穿彈藥的全壽命周期，涵蓋系統的各組成部分，通常涉及戰斗部、引信、火箭發動機及其點火具，相關技術包括低易損性火炸藥技術、安全點火與起爆控制技術、彈藥安全緩解技術、彈藥安全防護技術等[4]。

引信結構的減敏設計同樣是保證彈藥安全的核心，美國及北約國家極其重視引信減敏技術，如北大西洋公約組織成員國標準化協議STANAG 4187和STANAG 4439均對引信提出了不敏感設計要求[5]：不僅要確保勤務處理過程的高安全性，而且要有效降低彈藥在外部刺激下的危險性。

1.2 隔爆式引信對熱刺激減敏必要性

艦載彈藥種類繁多，主要包括反艦導彈、防空導彈、反潛火箭彈、深水炸彈、魚雷和各類型艦炮彈藥等，對于航空母艦、登陸船塢等大型綜合作戰平臺，還包括艦載機、坦克、裝甲車等裝備所配載的航空炸彈、空空導彈等武器彈藥。機電式安全和解除保險機構在艦載彈藥中占比高，部分高價值彈藥采用電子式安全和解除保險機構。前者一般采用錯位式爆炸序列，主要以機械隔爆方式實現引信的安全，通過傳感器收集到的目標信號經過處理傳給隔離機構來實施保險與解除保險動作，強調必須防止傳爆管在引信解除保險之前意外發火[6]。后者以直列式爆炸序列為基礎，采用鈍感炸藥作為首發爆炸元件裝藥，通過控制發火能量的供給來保證引信的安全，不需要機械隔離[7]。

分析國內外熱刺激環境導致的意外點火事故，從側面說明了彈藥意外點火并不是彈藥爆炸序列作用引起的，與隔爆機構是否解除保險狀態無關，而是因為熱刺激經引信結構體傳遞到隔板后的導爆藥和傳爆藥外殼，熱量過高引起藥劑自身發生燃燒，從而引發隔板后的爆炸序列。

雖然直列式安全和解除保險機構采用全電子起爆系統可有效防止被不正確邏輯或有害電磁能量源引發意外起爆，在安全方面具有先天優勢，但由于該機構空間尺寸大、成本高，無法推廣到占比高的帶有機電式安全和解除保險機構的常規艦載彈藥引信，因此研究隔爆式引信安全和解除保險機構不敏感技術同樣具有重要意義。同時，需要重點關注隔板后的爆炸序列，確保爆炸序列必須盡可能對熱刺激不敏感，且在熱刺激下引發彈藥的響應不能超過燃燒[6]。

本文以某型艦載無線電引信為例，研究常規隔爆式引信在受慢速烤燃熱刺激下的熱響應特性和引信內部熱傳遞規律；通過結合嵌入式多點測溫技術和有限元熱仿真技術，揭示并證實引信內部傳遞熱量過高是引發隔板后爆炸序列的本質。本文中提出的嵌入式多點測溫技術和采用的熱仿真方法，可為引信熱刺激減敏優化設計的驗證研究提供測試和仿真手段。

2 引信慢速烤燃試驗

2.1 引信烤燃試驗特點

對于引信鈍感化要求的內涵是依據彈藥安全性評估體系制定的，目前世界上主要有3種評估體系[2]，如北約不敏感彈藥評估和試驗標準體系、美國MIL-STD-2105D非核彈藥危險性評估試驗標準體系[7]、法國DGS/IPE 211893彈藥需求試驗標準體系等。我國彈藥安全性試驗系統還不夠成熟，尚未建立不敏感彈藥試驗和評估的標準體系，各研究團隊之間的試驗方法及其結果可比性不高。已開展的烤燃試驗中絕大多數是針對含能藥劑(小型烤燃試驗)或整個戰斗部(大型烤燃試驗)，不包含引信。國內外已有的相關試驗研究中，Pakulak[8]設計了小型烤燃彈試驗，采用可控制加熱速率的電加熱帶，對烤燃彈殼體加熱并用熱電偶測量藥柱的表面溫度；Jones等[9]對小型烤燃彈試驗裝置進行了改進，利用熱電偶測量了炸藥內部溫度；馮長根等[10]利用熱電偶進行了炸藥多點測溫烤燃試驗，對炸藥內部測量點進行了準確定位和測量；張晉元[11]針對殼體厚度對傳爆藥慢速烤燃的影響進行了研究，發現烤燃彈殼體厚度對慢速烤燃響應的劇烈性有很大影響，烤燃反應的劇烈程度隨著殼體厚度的增大而減小[12]。上述含能藥劑烤燃試驗指明了熱烤燃試驗系統構架，包括溫度環境實現與控制、熱電偶測溫，對開展引信烤燃試驗具有寶貴的借鑒意義。

引信烤燃試驗與含能藥劑烤燃試驗除了所需熱環境空間不同之外，最大區別在于熱傳導介質及途徑的復雜性，如圖1所示。對于含能藥劑烤燃試驗(見圖1(a))，熱量通過均質彈藥外殼沿徑向傳導至含能藥劑。由于引信結構復雜，以典型艦載76 mm口徑彈頭無線電引信為例(見圖1(b))，該引信主要由電子組件、安全和解除保險機構、導爆藥以及傳爆藥組成，其下體與戰斗部(藍色剖面線)連接。受限于引信空間，目前制定的測溫點數量為5個(見圖1(b))。在引信殼體受熱刺激后，到達導爆藥和傳爆藥的熱傳導途徑呈現混聯現象，即熱量可以從多組合部件、多方向傳遞。而最快傳熱路徑取決于結構的材質和尺寸，等效于不同相鄰組件的熱阻抗數值。需要特別說明的是，引信結構件多為金屬材料，在烤燃環境下導熱快，熱量瞬間即可傳至傳爆藥，進而發生燃燒甚至爆轟。

引信烤燃試驗的特殊性在于要通過剖析引信內部不同位置的溫度點，得到熱量在引信中的傳播途徑，發現引信中最薄弱的零部件(熱阻最低，即熱傳導最快的零部件)，進而在引信鈍感化設計中設法增加相關薄弱零部件的熱阻能力。

關于慢速烤燃試驗參數的確定，較多國內研究單位參考的是北大西洋公約組織標準AOP-39不敏感彈藥評估和研發指南[13]中對烤燃試驗相關要求規定執行的：標準試驗程序是首先以5.0 ℃/h的升溫速率將慢速烤燃試驗箱加熱至50 ℃，并維持8 h，然后以3.3 ℃/h的升溫速率加熱試樣，直至彈藥發生反應。需要特別說明的是，在已知某個適合慢速烤燃試驗升溫速率的情況下，可以采用裁剪試驗程序，不需要預熱過程，直接選用該升溫速率[2]。因此，本文在已知受試引信中導爆藥和傳爆藥5 s爆發點溫度為259 ℃時發生燃燒的前提下，為縮短烤燃試驗時間，考慮石英燈的加熱能力，以確保試驗過程中熱量從引信外殼完全傳遞到藥劑，選擇升溫速率70.2 ℃/h，從室溫22 ℃開始加熱、直到導爆藥和傳爆藥達到259 ℃，作為慢速烤燃試驗條件。

2.2 基于熱電偶的嵌入式測溫微系統

本文采用常規K型(鎳鉻- 鎳硅)熱電偶溫度傳感器，該傳感器構造簡單、準確度高、熱慣性小、穩定性及復現性好、溫度測量范圍寬，可以在-200～1 600 ℃范圍內連續測量。熱電偶測溫微系統主要由印制電路板制成，圖2所示為5路K型熱電偶測溫微系統印制電路板，包括具有放大、濾波和數/模轉換功能的數據處理模塊和數據采集模塊。

嵌入式測溫微系統的設計關鍵是如何將測溫微系統有效地嵌入引信，且不會過多地影響引信內部原有的熱傳遞通道。考慮到引信自身的體積空間有限，因此采用模塊替換法，其核心思想為用測溫模塊替代引信的某一模塊，實現空間替代；遵守熱阻抗等效原則，即測溫模塊與被替換模塊具有相近級別的導熱系數。

印制電路板材質的導熱系數為0.2～0.8 W/(m·℃)，采用聚合物(導熱系數為0.3～0.5 W/(m·℃))保護殼后導熱系數也較低；考慮到空氣介質的體積占比，等效的含保護殼測溫微系統整體導熱率在0.2～0.3 W/(m·℃)量級。對比表1中列舉的引信重要組件和導熱系數，由于電池組件導熱系數為0.3 W/(m·℃)，與測溫微系統等效導熱系數的量級接近，且電池組件體積與測溫微系統設計體積相當，故選擇其作為被替換模塊。

按照電池組件尺寸設計如下嵌入式測溫微系統(見圖3)框架：

1) 采用插針實現電路板的上下兩層排列連接；

2) 上層為信號接收層，聯接5路熱電偶測溫傳感器線路，可伸入引信內部的不同位置點測溫；

3) 下層為信號處理層，包括數據處理模塊、電源模塊和存儲模塊等，用于上層MAX6675數/模轉換后的數據校正、讀取或存儲等。本文采用彈載存儲測溫數據回讀模式設計。

表1 引信重要組件材質及其導熱系數

此外，為防止測溫微系統在慢速烤燃試驗中受熱損壞(印制電路板的玻璃態轉變溫度為170 ℃)，設計了基于Teflon材質(玻璃態轉變溫度為325 ℃)的防熱保護殼體(見圖4)。

2.3 基于石英燈加熱平臺的烤燃試驗

采用石英燈加熱平臺作為烤燃試驗外部熱刺激源，其系統由石英燈陣(布置在箱體上方)、隔熱外殼、功率控制器、三相變壓開關以及數據采集器組成(見圖5)。升溫速率控制在60～120 ℃/min范圍，以滿足慢速烤燃試驗要求。嵌入式測溫微系統5路溫度采集點分別固定在壓螺內側(測點1和測點5徑向對稱)、安全和解除保險機構(測點2)、導爆藥(測點3)以及傳爆藥(測點4)，如圖1(b)所示。

慢速烤燃試驗的操作步驟為：

1) 設置測溫微系統5 min延時，隨即啟動測試系統并將其安裝于引信中；

2) 將引信置入石英燈烤箱中，打開石英燈平臺功率控制器，設定為1.17 ℃/min升溫速率并計時；

3) 試驗結束，關閉電源，取出引信和測溫微系統，讀取數據。

該嵌入式測溫微系統性能穩定，可以記錄慢速烤燃試驗過程5個測點的溫度數據。在歷經12 000 s后，引信外殼溫度從室溫22 ℃達到270 ℃，此時導爆藥和傳爆藥溫度達到259 ℃；在加熱初期升溫速率非常慢，之后整體保持相對穩定的升溫速率，同時在加熱溫度升高至200 ℃后升溫速率減緩，這與石英燈加熱系統和烤箱絕熱條件有關；最終，安全和解除保險機構(測點2)、導爆藥(測點3)、傳爆藥(測點4)組件的溫度接近熱刺激溫度，表明經引信的傳熱速率很快。

結合嵌入式測溫微系統回讀的5路溫度數據(見圖6)和監測點位置示意圖(見圖1(b))，對熱源位置對引信傳熱速率及傳熱途徑規律分析如下：

1) 熱源相同距離處，導熱系數越大的結構其傳熱速率越快。例如：壓螺與戰斗部外殼結構體距離石英燈熱源較接近，但由于壓螺是高強鋁合金材質，導熱系數是45號鋼材質戰斗部外殼的5倍，壓螺升溫速率最快且相同時間內達到的溫度最高。

2) 相同導熱系數的結構體，距離熱源越近，熱傳遞速率越快。例如：分析壓螺測點1和測點5兩個測點的受熱情況，測點1由于最靠近石英燈熱源一側，顯示了最快的傳熱速率；而與其徑向對稱的測點5由于最遠離加熱源，導致傳熱最慢；即便如此，二者溫差最終也僅為9 ℃.

3)對于經多結構體熱傳遞后的下級結構體，其熱刺激特性取決于相鄰上一級結構體的受熱狀態，一般而言，串聯相鄰的最高溫度受熱體對次級結構體的熱影響最大。例如：分析安全和解除保險機構受熱情況可知，其熱刺激可來源于石英燈熱源- 壓螺或石英燈熱源- 戰斗部外殼等多條傳熱途徑；根據之前的分析可知壓螺比戰斗部外殼體具有更快的傳遞速率和更高的受熱溫度，因此作為次級結構體的安全和解除保險機構受相鄰壓螺熱源的影響更大，所構建的傳熱途徑為石英燈熱源- 壓螺- 安全和解除保險機構。

綜合上述分析可知，引信內部熱傳遞途徑確定為壓螺- 安全和解除保險機構- 導爆藥- 傳爆藥。此信息對于引信減敏設計能力的提升具有指導意義，表明通過防熱涂層改進風帽、安全和解除保險機構的熱阻抗等減敏措施，可以降低導爆藥和傳爆藥溫度，降低發生意外點火的概率。該結論也證明了隔爆式引信系統在受到強烈熱刺激后，熱量會經引信外殼傳遞到隔板后的導爆藥和傳爆藥，引發隔板后的爆炸序列。

3 引信烤燃仿真

烤燃試驗雖然是最直觀且能夠真實反映熱在引信內部傳遞路徑的方法，但放置的熱電偶數量有限，也不能全面反映每個組件內部溫度的變化情況。因此，需要配合有限元熱仿真進行綜合分析，全面掌握引信內部關鍵部件的溫度變化規律，為引信鈍感化設計提供充足的信息。

為了得到烤燃過程中不同時刻的溫度分布云圖，采用有限元仿真軟件ANSYS進行瞬態熱仿真，以熱傳導作為熱傳遞途徑。仿真時需要對烤燃試驗做以下簡化假設：

1) 引信各組件不發生宏觀相對位移，引信內部結構無間隙接觸；

2) 反應區內僅有熱傳導，熱交換遵循牛頓冷卻定律；

3) 各結構組件材料性質為各向同性，其物理化學參數均為常數，不隨溫度變化；

4) 忽略氣體對傳熱的影響，引信上部空氣腔內無對流。

結合慢速烤燃試驗條件，對引信設置了1.17 ℃/min的慢速升溫速率，有限元仿真邊界條件設置如下：

1) 在熱瞬態分析中，設置引信風帽和壓螺外表面以及戰斗部外表面的溫度(T)為一條函數分布曲線：T=22+1.17t/60(t的單位為min)，即從室溫開始加熱，恒定升溫速率為1.17 ℃/min.

2) 仿真軟件默認溫度為室溫22 ℃，即在求解時間域開始時刻，除外表面之外結構的其他部分溫度均為22 ℃.

3) 設置升溫上限為260 ℃，瞬態求解總時長約為203.4 min. 通過前期仿真結果可知：熱刺激每增加1 ℃，僅需1 min熱量便能從引信殼體完全傳到藥劑，因此考慮到求解耗時和實際傳熱效率，求解步長設為30 s.

需要特別說明的是，在有限元仿真方法中，引信與外界空氣無對流，因此仿真中設置升溫上限為260 ℃能確保導爆藥和傳爆藥的溫度達到259 ℃；而對于烤燃試驗，由于引信與外界空氣對流的存在，石英燈需要加熱到270 ℃左右才能保證藥劑溫度達到259 ℃.

由于引信可近似為軸對稱圖形，為減少計算量，也為方便地顯示其內部溫度分布云圖，建立1/4模型求解。

經歷12 205 s(203.4 min)升溫后，熱刺激溫度達到260 ℃時引信組件的溫度分布云圖如圖7所示。圖7表明：由于升溫速率較慢，熱傳導速率更快；除電池組件外，引信內部各組件的溫度基本一致，與外部加載溫度相差小于1 ℃. 相應地，各個組件溫度數據如圖8所示。由圖8可見，傳爆藥和導爆藥溫度也會升至259 ℃，此時傳爆藥和導爆藥將發生劇烈反應，危險甚大。通過比較安全和解除保險機構、導爆藥和傳爆藥的慢速烤燃試驗與仿真溫度結果(見表2)可知，試驗測試結果與仿真模擬結果差別不大，二者基本吻合；其中試驗測試結果比仿真結果的數據偏高，原因是熱電偶與引信剛性結構間的不良貼合造成了一定的接觸熱阻；此外，由于試驗環境與外界存在不可避免的熱交換，在傳爆藥溫度相同的情況下，試驗中的石英燈加熱溫度(270 ℃)要高于仿真中設置的溫度(260 ℃)。

Tab.2 Comparison of slow cook-off test and simulated temperature datum ℃

在慢速烤燃仿真中，由于升溫速率遠小于傳熱速率，難以準確獲取引信內部的傳熱途徑，本文采用瞬態熱仿真方法分析恒定熱刺激為800 ℃下引信各組件的瞬態傳熱過程。圖9所示為每60 s截取的溫度分布云圖。由圖9可見，由于電池組件是非金屬材質，傳熱速率慢，傳遞到安全和解除保險機構、導爆藥和傳爆藥的熱量主要來自壓螺組件。以60 s間隔提取溫度云圖，可以明顯發現引信內部傳熱途徑為：壓螺- 安全和解除保險機構- 導爆藥- 傳爆藥。

需要特別說明的是，本文的研究對象是76 mm口徑彈頭無線電引信，得到的熱傳遞途徑和熱響應規律可能會因引信類型不同(組件尺寸、材質)而有所差異。然而，即使研究對象變化，本文提出的嵌入式測溫方法和熱仿真方法對于開展引信熱減敏研究仍然具有借鑒意義。

4 結論

本文針對某典型艦載76 mm口徑彈頭無線電引信，采用慢速烤燃測試與有限元熱仿真技術相結合的方法，設計了嵌入式多路慢速烤燃測溫微系統，建立了引信瞬態熱仿真模型，結合試驗測試和仿真模擬結果綜合分析了外部熱刺激下引信各組件的溫度響應和熱傳遞路徑。得到主要結論如下：

1) 基于熱阻抗等效原則的模塊替換法，在不影響熱傳遞途徑的前提下，能夠合理指導用于烤燃試驗的熱電偶測溫微系統嵌入式設計，該方法可進一步推廣到多類裝備內部的嵌入式測溫系統。

2) 基于熱電偶的嵌入式測溫微系統和低導熱系數聚合物保護殼，實現了在石英燈烤燃平臺的高可靠嵌入測試、多路同步測試功能，該測溫微系統和烤燃平臺可滿足慢速烤燃試驗要求。

3) 試驗測試結果與仿真模擬結果基本吻合，升溫速率為1.17 ℃/min烤燃條件下，導爆藥和傳爆藥最終溫度將升至5 s爆發點溫度259 ℃，發生劇烈反應，危險甚大；引信熱傳遞途徑為：壓螺- 安全和解除保險機構- 導爆藥- 傳爆藥；該結論可為引信熱刺激減敏技術研究提供機理參考。