2,4-二硝基苯甲醚基熔鑄炸藥的烤燃機理分析

段 繼,智小琦

(中北大學 機電工程學院, 太原 030051)

0 引言

2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)是一種感度和毒性都低于TNT的炸藥,是不敏感熔鑄炸藥的良好載體。美國于1960年首次研制出一系列以DNAN為載體的塑性鈍感炸藥并投入生產[1]。近些年國內外關于DNAN的研究也從未間斷。王紅星等[2]研究了DNAN在RDX中的非等溫結晶動力學,得到了結晶動力學活化能的計算方法。陳朗等[3]試驗研究了純DNAN炸藥的烤燃特性,得到了純DNAN的熔化溫度和點火溫度,并進行了仿真研究。 朱道理等[4]試驗研究了DNAN/HMX熔鑄炸藥的流變特性,得到了固相組分含量、粒子尺寸及溫度對懸浮態炸藥流變特性的影響。由于流變特性的存在,熔鑄炸藥的烤燃過程最為復雜。相變后炸藥內部出現自然對流,導致傳熱特性發生變化,而懸浮態炸藥的粘度又直接對炸藥流變產生影響。

為了研究2,4-二硝基苯甲醚基熔鑄炸藥熱刺激下的傳熱和響應特性,在1 ℃/min升溫速率下進行了3種尺寸的烤燃試驗,測試了炸藥內部的溫度變化曲線,得到了測點位置的熔化和點火溫度以及響應等級。建立了耦合RDX在熔化DNAN中的溶解度、懸浮態炸藥表觀粘度和多組分多步反應動力學模型的仿真模型,計算并分析了不同尺寸烤燃試件內部的溫度場變化、熔化后懸浮態的流動特性以及尺寸對響應特性的影響,為進一步認識2,4-二硝基苯甲醚基熔鑄炸藥在熱刺激下的響應機制和熱安定性提供了理論依據。

1 烤燃試驗

烤燃試驗裝置如圖1所示。主要由炸藥、鋼質殼體和端蓋組成。端蓋采用螺紋連接并密封,端蓋壁厚為1 mm,殼體壁厚為3 mm。熔鑄炸藥主要成分為RDX/DNAN/Al (41/34/25)。設置φ19 mm×19 mm、φ19 mm×38 mm、φ19 mm×76 mm三種裝藥尺寸,炸藥內部設置TC1和TC2兩個測點,分別位于炸藥幾何中心和水平偏心6 mm處。

圖1 烤燃試驗裝置

試驗時將試件置于烤燃爐中,升溫速率設置為1 ℃/min,根據熱電偶測試得到的溫度-時間曲線,獲取測點處炸藥的熔化溫度和點火溫度,根據響應后判斷出響應等級。

2 RDX在DNAN中的溶解度

研究表明RDX在DNAN中的溶解度的變化將影響混合炸藥懸浮液的表觀粘度,而表觀粘度是決定混合炸藥內部流動狀態的重要參量。對于熔鑄炸藥而言,內部流動計算結果將直接影響熱響應機理的正確性,因此,構建考慮RDX溶解度的模型分析方法是有必要的。

羅觀等[5]通過試驗得到了87～96 ℃溫度下RDX在DNAN中的溶解度,Phil J.Davies和Arthur Provatas[6]測得了100～150 ℃下RDX在DNAN中的溶解度,測試數據見表1。

表1 RDX在100 g DNAN中的溶解度

依據Mcclelland外推法,混合炸藥中RDX溶解度隨溫度的變化符合以下關系[9]

(1)

式中:φ0表示RDX在DNAN中的溶解質量分數;T表示溫度(℃);Tm.RDX表示RDX的熔點(℃);Tm.DNAN表示DNAN在混合物中的熔點(℃)。ai表示擬合系數。擬合結果見表2。RDX溶解度-溫度曲線見圖2。

表2 RDX溶解度擬合系數

圖2 RDX溶解度-溫度曲線

3 懸浮態熔鑄炸藥表觀粘度

DNAN與TNT的物理性質相似,這里假設懸浮態DNAN基熔鑄炸藥粘度符合Quemada模型

(2)

式中:μapp表示懸浮液的表觀粘度(Pa·s);μc表示沒有固體懸浮顆粒下的液體粘度(Pa·s);φmax表示懸浮液最大固相粒子體積分數。對于RDX而言,φmax很大程度決定于RDX粒子間相互作用,取φmax=0.713[10]。φ可依據方程(1)計算得到。

假設RDX-DNAN連續相體系的液體粘度表達式形式與RDX-TNT連續相體系相似,可表示為[11]

μc=α(T-Tm)β

(3)

式中:T為當前溫度(℃);Tm為RDX-DNAN連續相體系的熔化溫度(℃);α和β為擬合系數。基于激擾法和相似性原理,結合烤燃試驗修正,RDX-DNAN體系擬合系數取值分別為0.127和-0.304。

4 混合炸藥多步反應動力學

混合炸藥在熱刺激條件下,各組分遵循各自的分解規律,其中固相組分RDX表現出明顯的多步反應特性。隨著炸藥內部反應的進行,熱量逐漸積累,炸藥溫度升高,加速了自熱分解反應放出更多熱量,最終發生點火。對炸藥內部各組分的反應動力學過程描述準確與否,是模擬計算預測混合炸藥內部反應動力學變化的關鍵。采用多步熱分解反應動力學模型,能更準確的描述反應過程中發生的吸熱和放熱反應對總體反應的影響,是對炸藥熱響應更科學的分析。

RDX熱分解過程采用三步四物質反應機制描述[12]:

A→Br1=Z1exp(-E1/RT)ρA

(4)

B→Cr2=Z2exp(-E2/RT)ρB

(5)

DNAN多步反應動力學機制未見報道,依然以單步反應來描述DNAN的反應過程為

E→Fr4=Z4exp(-E4/RT)ρE

(7)

式中:A表示RDX;B表示固體中間產物;C和D表示氣體產物;E表示DNAN;F表示氣體產物;ρi表示組分i的質量分數;Zi表示指前因子;Ei表示活化能;ri表示反應速率;R表示氣體摩爾常數;T表示溫度,反應動力學計算中的溫度單位為K。炸藥反應動力學參數見表3[3,11]。炸藥中的鋁粉在發生點火前可認為是惰性物質。

表3 炸藥反應動力學參數

5 混合炸藥的熱物性參數

在混合炸藥仿真計算中,將單元網格看作多組分混合網格,混合炸藥的熱物性參數可通過各組分計算得到。各組分的熱物性參數見表4。

表4 RDX[11],DNAN[3],Al和鋼的熱物性參數

混合炸藥比熱和導熱系數分別依據質量調和平均和體積調和平均來計算[3],比熱和導熱系數可表示為

結合試驗可得到混合炸藥熱物性參數,見表5。

6 結果與討論

圖3為3種裝藥尺寸試件的響應結果,殼體結構基本完好,炸藥響應內部壓力升高,端蓋受剪切破壞,殼體內部和端蓋留有白色炸藥產物。其中,φ19 mm×19 mm和φ19 mm×38 mm試件為上端蓋剪切破壞,φ19 mm×76 mm試件為上下兩端蓋剪切破壞。分析試驗后效認為,在1 ℃/min升溫速率下,3種裝藥尺寸試件均未發生爆炸反應,響應等級為燃燒反應。試驗測試數據見表6。

表6 烤燃試驗測試結果

圖3 烤燃試驗響應結果

從炸藥熔化溫度的測試結果發現,不同尺寸的DNAN基混合炸藥的熔點基本相同約87 ℃,均低于純DNAN的熔點(95 ℃),其原因是部分RDX組分溶解于DNAN中,形成了低共熔體系。受到懸浮態炸藥內部自然對流傳熱的影響,隨著試件尺寸的增大,炸藥內部溫度不均勻程度沿軸向逐漸增大;臨界點火時炸藥熱分解導致的熱積聚在自然對流的作用下遠離炸藥中心,中心測點溫度隨裝藥尺寸的增加而降低,預點火階段中心溫度與壁面溫度的最大溫差近16 ℃;小尺寸試件內部的溫度分布更均勻,點火所需時間更長。

對φ19 mm×19 mm、φ19 mm×38 mm、φ19 mm×76 mm 3種裝藥尺寸的試件進行了數值計算,并與試驗結果對比,溫度歷程匹配良好,較準確的預測了不同尺寸試件的點火位置,見表7。

表7 試驗結果與數值計算結果對比

測點處試驗和數值計算的溫度曲線對比如圖4所示。

圖4 試驗和計算T-t曲線

分析計算云圖發現,φ19 mm×19 mm和φ19 mm×38 mm試件的預點火位置在上端,而φ19 mm×76 mm試件的預點火位置在上下兩端,這與烤燃試驗φ19 mm×19 mm和φ19 mm×38 mm試件上端蓋剪切破壞,φ19 mm×76 mm試件上下端剪切破壞試驗后效一致。

φ19 mm×19 mm試件內部流動引起的熱積聚區域移動過程見圖5。從圖5(a)可以看到,炸藥近壁面處溫度剛剛達到熔化溫度(87 ℃)時,溫度場呈對稱橢圓狀分布,且熔化引起內部密度差導致內部未熔化炸藥緩慢向下運動;圖5(b)所示,隨著炸藥分解釋放熱量的積聚,在對流傳熱的作用下,高溫區域向上移動;圖5(c)所示,隨著上端熱積聚效應的增加,內部流動也隨著溫度分布而變化,高溫區域流動逐漸轉變為中心向上兩側向下流動,高溫區域逐漸向中心移動;圖5(d)所示,點火時高溫區域下移至接近中心處。

圖5 φ19 mm×19 mm典型時刻云圖

預點火階段高溫區域主要分布在試件上端,上端反應速率快,氣體產物集中于上端,因此φ19 mm×19 mm試件上端產生剪切破壞。對于φ19 mm×19 mm試件,點火位置為中心處。

19 mm×38 mm試件在預點火階段的內部溫度和流動變化與φ19 mm×19 mm試件相似,典型時刻云圖如圖6所示。預點火階段熱積聚高溫區域先向上移動,隨著熱積聚程度的增加,逐漸向中心移動,點火區域在近中心處。

圖6 φ19 mm×38 mm典型時刻云圖

φ19 mm×76 mm試件在預點火階段,熱積聚區域同樣向上端移動,但由于軸向尺寸增加,下端與低溫區域的溫差增大,導致下端逐漸產生第二個熱積聚高溫區域。19 mm×76 mm試件為上下兩端點火。φ19 mm×76 mm典型時刻云圖如圖7所示。

圖7 φ19 mm×76 mm典型時刻云圖

對比了相同時刻3種尺寸的溫度場分布,對比云圖如圖8所示。流動對于溫度分布的影響是非常明顯的,隨著軸向尺寸的增加,流動對點火位置的影響逐漸減小。

圖8 相同時刻不同尺寸的溫度場對比

7 結論

1) 裝藥尺寸為φ19 mm×19 mm、φ19 mm×38 mm、φ19 mm×76 mm的DNAN基熔鑄炸藥,點火溫度隨裝藥尺寸的增大而降低,分別為196.7、184.6、180.9 ℃,3種裝藥尺寸的響應等級均為燃燒反應。

2) DNAN基熔鑄炸藥預點火階段內部呈明顯的階段性溫度分布特性,熔化前炸藥內部溫度場呈對稱橢圓形分布,熔化后受密度差和粘性流動的影響逐漸形成中心向下兩側向上的緩慢流動,隨著炸藥自熱反應的加劇,先在炸藥上端形成內熱高溫區,再向中心擴散,流動逐漸轉變為中心向上兩側向下的緩慢流動。

3) 點火位置與尺寸有關,φ19 mm×19 mm和φ19 m×38 mm試件在近中心處發生點火,φ19 mm×76 mm試件軸向尺寸增加了中心與兩端溫差,伴隨自熱反應的加劇,在下端產生另一個內熱高溫區,最終在上下兩端非對稱性點火。