物理界面對(duì)炸藥慢速烤燃特性的影響

高 峰，智小琦，劉學(xué)柱，牛新立

（1．中北大學(xué)地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051；2．山西江陽(yáng)化工有限公司，山西太原030041；3．黑龍江北方工具有限公司，黑龍江 牡丹江157000）

引 言

彈藥在制造、運(yùn)輸、貯存或戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下容易受到意外熱刺激而發(fā)生含能材料的點(diǎn)火爆炸，造成嚴(yán)重的事故，因此對(duì)彈藥熱易損性的研究受到了世界各國(guó)的重視?？救荚囼?yàn)是檢驗(yàn)和評(píng)估彈藥熱易損性的重要方法［1］，國(guó)內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量彈藥烤燃方面的研究。Frank Garcia等［2］研究了HMX基高能炸藥LX－04在不同約束條件下的烤燃試驗(yàn)。結(jié)果表明，隨著約束條件的減弱，烤燃響應(yīng)的劇烈程度也減弱；馮曉軍等［3－4］選用JB－B、TNT、R852三種炸藥研究了裝藥尺寸對(duì)慢速烤燃響應(yīng)特性的影響，結(jié)果表明，隨著裝藥尺寸的增加烤燃反應(yīng)的環(huán)境溫度會(huì)升高，發(fā)生烤燃反應(yīng)的劇烈程度越大，當(dāng)裝藥尺寸增大到一定程度后其對(duì)炸藥發(fā)生慢速烤燃反應(yīng)的環(huán)境溫度影響將減?。恢切＄龋?－6］研究了炸藥裝藥密度對(duì)慢速烤燃響應(yīng)特性的影響，得出裝藥密度是影響烤燃劇烈程度的主要因素。但有關(guān)物理界面對(duì)炸藥慢速烤燃響應(yīng)特性影響的報(bào)道較少，而實(shí)際彈藥中炸藥裝藥與彈體之間的物理界面對(duì)彈藥的熱易損性起著重要的作用。

本研究采用不同的物理界面對(duì)RDX 基高能炸藥進(jìn)行了慢速烤燃試驗(yàn)及數(shù)值模擬計(jì)算，研究了物理界面對(duì)炸藥慢速烤燃響應(yīng)特性的影響，以期為低易損彈藥的設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1．1 材 料

RDX，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司；T－09耐燒蝕隔熱涂料（簡(jiǎn)稱T－09涂料），山東非金屬材料研究所；GPS－2硅橡膠涂料（簡(jiǎn)稱GPS－2 涂料），上海橡膠制品研究所。

1．2 實(shí)驗(yàn)裝置

烤燃實(shí)驗(yàn)裝置主要由計(jì)算機(jī)、烤燃爐、MR13島電溫控儀、熱電偶等組成?？救紶t為烤燃彈提供熱量，用MR13 溫控儀控制烤燃爐溫度，升溫速率1℃／min?？救紡椡獗趫A柱部中央固定一只鎳鎘／鎳硅熱電偶，精度1級(jí)，測(cè)定烤燃過程中彈體外壁的溫度。通過自行設(shè)計(jì)的SFO 軟件實(shí)時(shí)采集烤燃過程中的溫度—時(shí)間歷程曲線。實(shí)驗(yàn)前對(duì)升溫速率做標(biāo)定，確保升溫速率在設(shè)定范圍。

1．3 烤燃彈結(jié)構(gòu)

烤燃彈的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由殼體、端蓋、物理界面和藥柱4部分組成。殼體材料為45號(hào)鋼，內(nèi)壁尺寸為Ф19mm×38mm，圓柱部壁厚為（3±0．04）mm，殼體兩端用螺紋與端蓋連接，端蓋壁厚（1±0．03）mm。RDX 高能炸藥配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：RDX 95．0%、添加劑5．0%；藥柱直徑分別為16、17、19mm，藥柱高分別為35、36、38mm，平均密度為理論最大密度的92%（1．628g／cm3）。物理界面分別為空氣、T－09涂料和GPS－2涂料。

圖1 烤燃彈結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Schematic diagram of cook－off bomb structure

從（25±2）℃開始加熱，直到發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)的劇烈程度用所收集的殼體破片尺寸、數(shù)量和殼體的變形程度衡量。每種烤燃彈至少做兩發(fā)平行試驗(yàn)。

2 結(jié)果及討論

2．1 物理界面對(duì)慢速烤燃溫度及烤燃時(shí)間的影響

不同物理界面的慢速烤燃試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同物理界面烤燃彈的烤燃試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Cook－off test result of cook－off bomb with different physical interfaces

表1結(jié)果顯示，對(duì)于不同物理界面的烤燃彈，其慢速烤燃響應(yīng)溫度及烤燃時(shí)間不同。物理界面為空氣時(shí)，烤燃彈的響應(yīng)溫度最高，烤燃時(shí)間最長(zhǎng)，物理界面為T－09 涂 料和GPS－2涂料時(shí)響應(yīng)溫度次之，藥柱直徑為19mm時(shí)烤燃彈的響應(yīng)溫度最低，烤燃時(shí)間最短。根據(jù)傳熱理論，單位時(shí)間內(nèi)由環(huán)境傳遞給藥柱的熱量隨著材料導(dǎo)熱系數(shù)的增加而增加。本研究殼體材料為45號(hào)鋼，在0～1 200℃范圍內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)約為43W／（m·K），空氣、T－09 涂料、GPS－2涂料、RDX的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0．0259、0．3、0．27、0．213W／（m·K）［7］。由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)低于殼體以及T－09涂料的導(dǎo)熱系數(shù)，物理界面為空氣時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)由環(huán)境傳入藥柱的熱量最少，導(dǎo)致烤燃彈的升溫速率最慢，烤燃響應(yīng)溫度最高，烤燃時(shí)間最長(zhǎng)。同理，物理界面為T－09 涂料時(shí)烤燃彈的響應(yīng)溫度最低，烤燃響應(yīng)時(shí)間最短。

2．2 物理界面對(duì)炸藥慢速烤燃響應(yīng)劇烈程度的影響

從表1可以看出，藥柱與殼體之間的物理界面不同，其烤燃響應(yīng)的劇烈程度不同。物理界面為空氣的烤燃彈及沒有物理界面的烤燃彈，烤燃響應(yīng)結(jié)果為爆轟反應(yīng)。物理界面為T－09涂料以及GPS－2涂料的烤燃彈，烤燃響應(yīng)結(jié)果為燃燒或爆燃反應(yīng)。

目前人們普遍認(rèn)為，非均質(zhì)炸藥起爆機(jī)理是熱點(diǎn)火和熱點(diǎn)引起的化學(xué)反應(yīng)成長(zhǎng)為爆轟的二階理論。其中熱點(diǎn)火階段的主要影響因素是炸藥顆粒之間空穴的尺寸和孔隙率［5］。對(duì)于物理界面為空氣的烤燃彈，藥柱受熱后容易發(fā)生膨脹，體積增大，密度減小，炸藥顆粒之間的空穴尺寸變大，藥柱中的空穴和其他缺陷產(chǎn)生倒塌和摩擦，使局部發(fā)熱，分解反應(yīng)加速，熱量增加，達(dá)到臨界溫度的熱點(diǎn)增多，起爆面積增大，導(dǎo)致劇烈的爆轟反應(yīng)。同時(shí)，隨著溫度的升高，空氣壓力升高，殼體內(nèi)壓力增大，這也是導(dǎo)致反應(yīng)劇烈的因素。

T－09和GPS－2涂料作物理界面時(shí)，藥柱和T－09及GPS－2涂料受熱后都會(huì)發(fā)生膨脹，但由于沒有自由空間，在烤燃過程中藥柱中心分解產(chǎn)生的高溫氣體很難向周圍滲透，產(chǎn)生的熱量增高，反應(yīng)速度強(qiáng)線性增加，局部壓力急劇增長(zhǎng)，當(dāng)高溫氣體的壓力達(dá)到殼體的強(qiáng)度極限而未達(dá)到爆轟所需的壓力時(shí)，發(fā)生壓力脹裂或端蓋沖開現(xiàn)象，即表1中的爆燃或燃燒反應(yīng)。

其次，烤燃過程中藥柱熱散失的不同也是導(dǎo)致反應(yīng)劇烈程度不同的因素。對(duì)于本研究中的烤燃彈，藥柱熱分解反應(yīng)放出的熱量以熱傳導(dǎo)的方式經(jīng)由物理界面以及殼體釋放到環(huán)境中。藥柱側(cè)表面單位時(shí)間內(nèi)釋放的熱量可采用圓柱坐標(biāo)系（r，φ，θ），簡(jiǎn)化為多層圓筒壁的一維導(dǎo)熱計(jì)算，藥柱兩端面單位時(shí)間內(nèi)釋放的熱量可簡(jiǎn)化為多層平壁的一維導(dǎo)熱計(jì)算。單位時(shí)間內(nèi)藥柱釋放到環(huán)境中的熱量為以上二者之和。

由傳熱學(xué)［7］可知，多層圓筒壁的一維導(dǎo)熱熱流量以及多層平壁的一維導(dǎo)熱計(jì)算公式分別為：

式中：Ф 為傳導(dǎo)的熱量，W；λi為第i 層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，（W·m－1·K－1）；t1－tn以及t1－tn＋1分別為多層圓筒壁和多層平壁兩表面的溫度差，℃；l為圓筒壁的長(zhǎng)度，m；di為第i 層材料圓筒的直徑；δi為各層平壁的厚度。

當(dāng)烤燃到一定階段，藥柱中心溫度開始高于殼體壁面的溫度，對(duì)于藥柱直徑為16mm的烤燃彈，假設(shè)藥柱表面溫度為t1，物理界面為空氣的烤燃彈殼體壁面溫度為t3，溫差為t1－t3。物理界面為GPS－2涂料的烤燃彈殼體壁面溫度為t′3，溫差為t1－t′3。物理界面為T－09涂料的烤燃彈殼體外壁面溫度t″3，溫差為t1－t″3。其 中d1＝16mm，d2＝19mm，d3＝25mm，δ1＝1．5mm，δ2＝1mm。

將各項(xiàng)參數(shù)代入以上兩式中并將二者相加計(jì)算得到藥柱直徑為16mm，物理界面分別為空氣、GPS－2涂料、T－09涂料的烤燃彈單位時(shí)間內(nèi)由藥柱內(nèi)釋放到環(huán)境中的熱量分別為Ф1、Ф2、Ф3，其比值分別為：

由數(shù)值模擬計(jì)算［8］可知：

因此

由此可見，對(duì)于界面為T－09及GPS－2涂料、藥柱直徑為16mm 的藥柱，在單位時(shí)間內(nèi)由藥柱表面?zhèn)鞯江h(huán)境中的熱量是界面為空氣的藥柱傳熱量的10倍左右。同理，界面為T－09及GPS－2涂料、直徑為17mm 的藥柱在單位時(shí)間內(nèi)由藥柱表面?zhèn)鞯江h(huán)境中的熱量是界面為空氣的藥柱所傳熱量的8 倍多。因此，熱散失是影響烤燃響應(yīng)結(jié)果的因素。這是因?yàn)榭救荚囼?yàn)中，溫度梯度是影響烤燃響應(yīng)劇烈程度的重要因素［9］。物理界面為空氣時(shí)，由于空氣熱導(dǎo)率很低，在一定程度上降低了藥柱表面的熱量散失，使得藥柱表面溫度和中心溫度的梯度減小，且當(dāng)空氣在烤燃彈中所占的比例在一定范圍內(nèi)時(shí)，這種作用會(huì)達(dá)到一個(gè)極值，熱點(diǎn)數(shù)量增加，點(diǎn)火后壓力波凝聚，爆轟波疊加，反應(yīng)劇烈程度增加。物理界面為T－09及GPS－2涂料的烤燃彈，在烤燃過程中藥柱表面分解產(chǎn)生的熱量通過T－09及GPS－2涂料及金屬殼體釋放到環(huán)境中，而中心分解產(chǎn)生的熱量會(huì)積聚導(dǎo)致自熱反應(yīng)，所以藥柱中心和邊緣會(huì)產(chǎn)生溫度梯度，中心點(diǎn)火后又沒有壓力波的積聚，故反應(yīng)的劇烈程度降低。

3 數(shù)值計(jì)算

為了進(jìn)一步研究物理層厚度對(duì)炸藥慢速烤燃響應(yīng)溫度及烤燃時(shí)間影響的規(guī)律，利用FLUENT 軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。物理界面分別為空氣、T－09涂料、GPS－2涂料，物理層厚度設(shè)計(jì)為0．5、1．0、1．5、2．0、2．5、3．0、3．5、4．0、4．5、5．0mm?？救紡椀奈锢砟Ｐ腿鐖D2所示。藥柱熱反應(yīng)和熱傳導(dǎo)遵循Frank－Kamenetskii方程［10］：

柱坐標(biāo)系下，溫度場(chǎng)的控制方程為：

式中：ρ、cv、κ、a分別為反應(yīng)物的密度（kg／m3）、比熱容（J·kg－1·K－1）、熱導(dǎo)率（J·m－1·K－1·s－1）及反應(yīng)分?jǐn)?shù)；Q 為反應(yīng)物的反應(yīng)熱（J／kg）；A 為指前因子（1／s）；E 為活化能（J／mol）；R 為氣體常數(shù)（J·mol－1·K－1）。

RDX基高能炸藥的化學(xué)反應(yīng)放熱項(xiàng)采用自編子程序嵌入到FLUENT主程序中［11］。材料參數(shù)見表2。

圖2 烤燃彈物理模型示意圖ig．2 Physical model schematic diagram of cook－off bomb

圖3為藥柱直徑為19mm 的烤燃彈以1℃／min的升溫速率加熱直至發(fā)生烤燃響應(yīng)的彈體外壁溫度隨時(shí)間的變化曲線。可以看出，通過數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)得到的溫度－時(shí)間曲線吻合度高，表明所取的參數(shù)合適。數(shù)值計(jì)算中藥柱熱反應(yīng)和熱傳導(dǎo)采用Frank－Kamenetskii方程。

圖3 直徑19mm 烤燃彈彈體的外壁溫度－時(shí)間曲線Fig．3 T－t curves of projectile body outer wall of the cook－off bomb with a diameter of 19mm

表2 試驗(yàn)材料參數(shù)值Table 2 Parameters of test materials

圖4 烤燃彈烤燃響應(yīng)溫度及烤燃時(shí)間與物理層厚度的關(guān)系曲線Fig．4 The relation curves of cook－off temperature，cook－off time and physical layer thickness

圖4為物理界面為空氣、T－09涂料、GPS－2涂料，烤燃彈響應(yīng)溫度及烤燃時(shí)間與物理層厚度關(guān)系的擬合曲線。在數(shù)值計(jì)算中藥柱熱反應(yīng)和熱傳導(dǎo)采用Frank－Kamenetskii模型。由圖4可知，3種物理界面烤燃彈的烤燃響應(yīng)溫度與烤燃時(shí)間隨物理層厚度的變化規(guī)律相同，烤燃響應(yīng)溫度及烤燃時(shí)間隨著物理層厚度的增加而增大，當(dāng)物理層厚度達(dá)到某一值時(shí)達(dá)到最大值，之后隨著物理層厚度的增加而減小。

當(dāng)物理層厚度較薄（小于2．5mm）時(shí)，藥柱尺寸較大，物理層厚度是影響炸藥慢速烤燃響應(yīng)特性的主要因素。由傳熱學(xué)［7］可知，隨著物理層厚度的增加，單位時(shí)間內(nèi)由烤燃彈外表面?zhèn)鞯剿幹行牡臒崃繙p小，由于慢速烤燃過程是個(gè)恒速升溫的過程，因此烤燃響應(yīng)溫度及烤燃時(shí)間隨物理層厚度的增加而增大。但當(dāng)物理層厚度較厚（大于2．5mm）時(shí)，藥柱尺寸明顯減小，此時(shí)藥柱尺寸的大?。此幜浚┦怯绊懻ㄋ幝倏救柬憫?yīng)特性的主要因素。由文獻(xiàn)［3］可知，炸藥的慢速烤燃反應(yīng)隨著裝藥尺寸的減小發(fā)生烤燃反應(yīng)的環(huán)境溫度會(huì)降低。因此，在一定條件下隨著物理層厚度的增加，藥柱尺寸減小，烤燃響應(yīng)溫度及烤燃時(shí)間逐漸減小。

4 結(jié) 論

（1）物理界面是影響慢速烤燃響應(yīng)特性的重要因素?？諝饨缑婺軌蛟黾涌救柬憫?yīng)溫度、響應(yīng)時(shí)間及烤燃響應(yīng)的劇烈程度。惰性界面能夠增加烤燃響應(yīng)溫度和響應(yīng)時(shí)間，降低烤燃響應(yīng)的劇烈程度。

（2）烤燃彈表面的散熱機(jī)制影響烤燃響應(yīng)結(jié)果。增大藥柱中心和表面溫差能降低烤燃響應(yīng)的劇烈程度。

（3）RDX 基炸藥慢速烤燃響應(yīng)溫度及烤燃時(shí)間受物理界面厚度影響。在一定條件下，選擇合理的界面厚度可以提高烤燃彈的烤燃響應(yīng)溫度，增加烤燃時(shí)間。

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