力-熱敏感結(jié)構(gòu)在熔鑄裝藥慢烤緩釋系統(tǒng)中的應(yīng)用*

鄧 海，沈 飛，梁爭(zhēng)峰，王 輝

(西安近代化學(xué)研究所，西安 710065)

0 引言

彈藥在制造、存貯、運(yùn)輸、使用過(guò)程遭遇意外的熱刺激時(shí)，極易引起彈藥的點(diǎn)火爆炸，造成重大的安全事故[1]。因此，研究彈藥針對(duì)意外熱刺激的緩釋裝置對(duì)于提高彈藥的熱安全性及低易損性有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

熔鑄裝藥戰(zhàn)斗部，在慢速烤燃過(guò)程中，存在熔化、分解排氣、加速反應(yīng)至點(diǎn)火的特點(diǎn)[2]，并且彈體內(nèi)的壓力會(huì)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(qiáng)度，又要確保在裝藥未劇烈反應(yīng)前可靠泄壓，最重要的緩釋方法是在殼體上設(shè)置泄壓孔，并用對(duì)溫度敏感或是對(duì)壓力敏感的材料或結(jié)構(gòu)進(jìn)行封堵。國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展的相關(guān)的研究，表明了該方式有較好的緩釋效果[3-4]。Lori[5]等對(duì)HTPB等3種水下炸藥在不同直徑排氣孔工況下進(jìn)行了慢烤實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于同一種炸藥，隨排氣孔直徑增加，慢烤響應(yīng)等級(jí)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(diǎn)材料的選取原則。Roy[7]等設(shè)計(jì)了一種在高壓高溫環(huán)境下通過(guò)易熔金屬及墊片封堵排氣通道的泄壓結(jié)構(gòu)，并用數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證了排氣結(jié)構(gòu)泄壓的可行性。陳紅霞[8]等設(shè)計(jì)了一種模擬裝置研究了4種低熔點(diǎn)材料在溫度、壓力作用下的反應(yīng)特性，對(duì)比分析了4種材料的溫度特性對(duì)泄壓能力的影響。

上述文獻(xiàn)主要研究了不同密閉狀態(tài)下裝藥的慢烤響應(yīng)特征和封堵泄壓孔材料的選取問(wèn)題，對(duì)于易熔材料、壓敏結(jié)構(gòu)在裝藥緩釋系統(tǒng)中應(yīng)用的研究鮮有報(bào)道。文中以典型熔鑄炸藥(B炸藥)為研究對(duì)象，運(yùn)用自行設(shè)計(jì)的烤燃樣彈，研究了非密閉B炸藥裝藥的慢烤響應(yīng)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(shí)的緩釋過(guò)程，得到了兩種結(jié)構(gòu)的破壞緩釋特點(diǎn)，能為后續(xù)不敏感戰(zhàn)斗部的設(shè)計(jì)提供參考。

1 非密閉熔鑄裝藥的慢烤實(shí)驗(yàn)

1.1 泄壓孔尺寸設(shè)計(jì)原理

排氣孔尺寸選取是決定緩釋結(jié)構(gòu)能否有效泄壓的關(guān)鍵，其選取關(guān)鍵在于確定彈體內(nèi)壓力增長(zhǎng)率與排氣孔壓強(qiáng)釋放率之間的平衡關(guān)系。

排氣孔氣體壓強(qiáng)釋放率可由下式計(jì)算[9]：

(1)

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

(2)

彈體內(nèi)炸藥分解反應(yīng)時(shí)的壓強(qiáng)增長(zhǎng)率可由下式計(jì)算[10]：

(3)

式中：TB是火焰溫度(K)；R為氣體摩爾常數(shù)；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(duì)壓強(qiáng)(bar)；α、A、B為炸藥的常數(shù)。

如果彈體內(nèi)壓強(qiáng)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(guān)參數(shù)，結(jié)合彈體特征，由上式可以求得相應(yīng)排氣孔的最小面積，由于文中所用炸藥的計(jì)算參數(shù)暫未被量化，以及主旨在于研究?jī)煞N緩釋結(jié)構(gòu)形成泄壓通道的特征，因此選取開(kāi)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(yīng)等級(jí)。

1.2 烤燃彈與試樣

針對(duì)慢速烤燃的熱刺激特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種便于安裝熱敏和壓敏結(jié)構(gòu)的通用烤燃樣彈，其結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)樣品為B炸藥(TNT與RDX質(zhì)量比為40/60)，密度1.65 g/cm3；端蓋用螺紋連接，在端蓋上設(shè)計(jì)排氣緩釋結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)定制的加熱套對(duì)烤燃樣彈進(jìn)行慢速升溫，在樣彈殼體上安裝控溫?zé)犭娕?，?nèi)部底側(cè)布置測(cè)溫?zé)犭娕?，全程監(jiān)測(cè)彈體和炸藥的溫度，用控溫儀對(duì)升溫速率進(jìn)行控制，在烤燃樣彈外包裹石棉布進(jìn)行保溫,并在其斜上方安放攝像頭，正對(duì)緩釋結(jié)構(gòu)，對(duì)慢烤過(guò)程中緩釋結(jié)構(gòu)作用過(guò)程進(jìn)行觀察。

實(shí)驗(yàn)采用1 ℃/min的速率對(duì)彈體進(jìn)行加熱，直到發(fā)生劇烈反應(yīng)為止，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)后的殘骸與視頻監(jiān)控錄像綜合判斷響應(yīng)烈度及反應(yīng)特點(diǎn)。

1.4 不同階段反應(yīng)特點(diǎn)與分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)后的視頻錄像及熱電偶監(jiān)測(cè)的溫度數(shù)據(jù)對(duì)非密閉條件的熔鑄裝藥慢烤的反應(yīng)過(guò)程和特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并結(jié)合劇烈反應(yīng)后彈體殘骸對(duì)響應(yīng)等級(jí)進(jìn)行了判斷。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)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(shí)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(guò)程可分為4個(gè)階段：固體升溫、熔化/相變、液體升溫、加速分解至點(diǎn)火。

從曲線2可以看出固體升溫階段，炸藥表層的溫度相對(duì)于殼體的溫度只有很小的滯后；炸藥溫度到92℃左右，開(kāi)始出現(xiàn)溫度平臺(tái)，這時(shí)炸藥開(kāi)始熔化，由于熔化過(guò)程吸熱，同時(shí)熱量要向未熔化的炸藥傳熱，而此時(shí)殼體和炸藥表層的溫差很小，傳入炸藥內(nèi)部的熱量不足以完全補(bǔ)充吸收和散失的熱量，導(dǎo)致炸藥溫度幾乎處于平臺(tái)上下波動(dòng)，經(jīng)過(guò)13 min左右的平臺(tái)期，炸藥全部熔化，此后由于液態(tài)炸藥增加了對(duì)流換熱作用，使炸藥內(nèi)部熱量交換速率加快，炸藥內(nèi)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(shí)，液態(tài)炸藥已向外膨脹，有小的氣泡產(chǎn)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(lái)越厲害，產(chǎn)生氣泡的速率和數(shù)量不斷增加，炸藥溫度到171 ℃時(shí)，氣泡明顯增多，出現(xiàn)沸騰的現(xiàn)象，并有少量氣體排出，說(shuō)明這時(shí)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(shí)，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(shí)炸藥發(fā)生顯著的自加速分解反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)擴(kuò)散，使炸藥內(nèi)部溫度迅速升高，促使分解反應(yīng)的劇烈程度急劇加強(qiáng)，而劇烈反應(yīng)產(chǎn)生更多的熱量進(jìn)一步加大了反應(yīng)的劇烈程度，經(jīng)過(guò)短暫的熱積累，導(dǎo)致裝藥點(diǎn)火，發(fā)生了燃燒反應(yīng)，其狀態(tài)如圖4(d)所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知非密封條件下的熔鑄裝藥在慢烤過(guò)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(chǎn)生氣泡、排出氣體、出現(xiàn)沸騰的現(xiàn)象，最終發(fā)生燃燒反應(yīng)，因此可知排氣孔在熔鑄裝藥慢烤過(guò)程中能有效泄壓、降低慢烤響應(yīng)的劇烈程度。

2 泄壓敏感結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

被動(dòng)泄壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一般基于兩種原理，一種是對(duì)溫度敏感，即溫度上升至某個(gè)臨界值時(shí)，結(jié)構(gòu)自動(dòng)破壞形成壓力釋放通道，文中采用易熔材料作為排氣結(jié)構(gòu)的封堵材料，溫度升高時(shí)，堵頭熔化破裂；另一種是對(duì)壓力敏感，即在緩釋結(jié)構(gòu)中設(shè)置強(qiáng)度相對(duì)薄弱部件，當(dāng)彈體內(nèi)的壓力超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)，使薄弱部位破裂，形成泄壓通道，達(dá)到泄壓的目的，文中采用刻槽板殼結(jié)構(gòu)作為薄弱部件。

2.1 易熔金屬的選取

選取易熔金屬時(shí)，首先需要分析裝藥內(nèi)溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，然后據(jù)此選擇具有匹配熔點(diǎn)的金屬材料，在裝藥發(fā)生局部點(diǎn)火前，易熔金屬達(dá)到相移區(qū)間，發(fā)生熔化或力學(xué)強(qiáng)度大幅降低，使閥門打開(kāi)，不斷排出氣體產(chǎn)物，裝藥反應(yīng)速率不繼續(xù)增加。

易熔合金是溫度敏感泄壓結(jié)構(gòu)的重要材料，其熔點(diǎn)一般低于232 ℃，通常由Bi、Sn、Pb、In等低熔點(diǎn)金屬元素構(gòu)成，依據(jù)以上非密閉條件下帶殼B炸藥的慢烤響應(yīng)特點(diǎn)對(duì)易熔合金進(jìn)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(qiáng)度及B炸藥的慢烤溫度場(chǎng)特點(diǎn)，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(gòu)件，如圖5所示。

2.2 壓力膜片的設(shè)計(jì)

對(duì)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(yīng)用較多，文中也選用該方式設(shè)計(jì)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(gè)十字型和一個(gè)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(shí)能保持足夠的強(qiáng)度，在受內(nèi)壓時(shí)產(chǎn)生應(yīng)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(jù)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(qiáng)度;q0為膜片承受的最大壓力?？梢砸罁?jù)膜片的初始參數(shù)及響應(yīng)特征，預(yù)估膜片破裂時(shí)彈體內(nèi)部的壓力閾值，對(duì)膜片的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3 熱、力敏感膜片在緩釋結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

非密封的排氣通道能順利泄壓，降低裝藥的慢烤響應(yīng)等級(jí)，但是對(duì)于戰(zhàn)斗部，有強(qiáng)度及安全性等方面的要求，必須是一個(gè)密封、完整的結(jié)構(gòu)。因此文中基于對(duì)非密閉熔鑄裝藥慢烤反應(yīng)特點(diǎn)的分析，選用易熔金屬和壓力敏感膜片封堵排氣孔，對(duì)熔鑄裝藥進(jìn)行了慢烤實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)樣品、實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)設(shè)置與非密閉裝藥慢烤實(shí)驗(yàn)保持一致，通過(guò)慢烤過(guò)程中的視屏監(jiān)控及反應(yīng)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(yīng)特性。加裝兩種敏感膜片的樣彈如圖7所示。

3.1 熱敏結(jié)構(gòu)的緩釋特點(diǎn)及效果

加裝易熔金屬緩釋結(jié)構(gòu)后裝藥慢烤過(guò)程不同時(shí)刻的狀態(tài)如圖8所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，當(dāng)炸藥溫度為91 ℃時(shí)，易熔金屬開(kāi)始軟化，此時(shí)的狀態(tài)如圖8(a)所示，表面開(kāi)始變皺；炸藥溫度到96 ℃時(shí)，易熔金屬明顯軟化，由于彈體內(nèi)炸藥的膨脹以及緩慢分解反應(yīng)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(shí)，可以看到凸起的易熔金屬膜片從壓蓋邊緣開(kāi)始出現(xiàn)斷裂，液態(tài)炸藥從裂縫處開(kāi)始溢出，狀態(tài)如圖8(c)所示，這時(shí)易熔金屬膜片在力、熱耦合作用下發(fā)生形變和熔化，在應(yīng)力集中的位置最先出現(xiàn)變形破裂，形成泄壓排氣通道；炸藥溫度106 ℃時(shí)，易熔金屬膜片在壓蓋邊緣處已經(jīng)全部斷裂，掉進(jìn)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(guò)程一樣，炸藥溫度為196 ℃時(shí)，炸藥發(fā)生了劇烈的燃燒反應(yīng)，反應(yīng)后的殘骸如圖9(a)所示。可以發(fā)現(xiàn)，彈體完好，無(wú)變形損壞，殼體表面明顯有炸藥膨脹出來(lái)燃燒后的殘?jiān)?，取下壓蓋發(fā)現(xiàn)一塊易熔金屬膜片殘骸，如圖9(b)所示，斷裂處呈現(xiàn)拉伸滑移式裂口，說(shuō)明易熔金屬達(dá)到一定溫度后，發(fā)生了軟化，在彈體內(nèi)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(guò)程中，首先發(fā)生軟化，在軟化過(guò)程中受到力、熱耦合的作用而出現(xiàn)裂口,形成了泄壓通道。

3.2 壓敏結(jié)構(gòu)的緩釋特點(diǎn)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(qiáng)度較低，力學(xué)性能較差，用其直接封堵泄壓口，不易滿足戰(zhàn)斗部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，因此進(jìn)行了加裝強(qiáng)度更高的壓力敏感膜片時(shí)熔鑄裝藥的慢烤實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)炸藥溫度到139 ℃時(shí)，烤燃樣彈發(fā)生了劇烈反應(yīng)，反應(yīng)后的殘骸如圖10所示，可以看出，烤燃樣彈完整，無(wú)變形破損，殼體外無(wú)炸藥燃燒后的殘?jiān)砻嬗袩诘暮圹E，結(jié)合反應(yīng)時(shí)的聲響可判斷發(fā)生了劇烈的燃燒反應(yīng)。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(dāng)彈體溫度不斷升高時(shí)，裝藥發(fā)生了緩慢的分解反應(yīng)，不斷有氣體產(chǎn)物生成，同時(shí)炸藥受熱發(fā)生膨脹，彈體內(nèi)部壓力隨溫度的升高而不斷升高，當(dāng)壓力達(dá)到膜片的破壞閾值時(shí)，就會(huì)使膜片從預(yù)制應(yīng)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(yīng)等級(jí)，其中易熔金屬對(duì)溫度比較敏感，達(dá)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(shí)斷裂，形成泄壓通道，最后的響應(yīng)特點(diǎn)和非密閉條件下裝藥慢烤的響應(yīng)特征相同，只發(fā)生燃燒反應(yīng)，屬于一種柔和、平緩泄壓方式；壓力膜片對(duì)壓力敏感，當(dāng)彈體內(nèi)部壓力達(dá)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(yīng)，屬于一種瞬態(tài)快速泄壓方式。此外，易熔金屬存在強(qiáng)度低、壓力膜片存在設(shè)計(jì)參數(shù)難確定等問(wèn)題，因此兩類敏感組件實(shí)際運(yùn)用時(shí)在材料選取與技術(shù)優(yōu)化方面還需后續(xù)進(jìn)行更為深入的研究。

4 結(jié)論

1)預(yù)留排氣孔的熔鑄裝藥在慢烤過(guò)程中，會(huì)經(jīng)歷熔化，向外膨脹、沸騰、冒氣及點(diǎn)火燃燒的過(guò)程，排氣孔能順利排氣、抑制彈體內(nèi)壓力增長(zhǎng)，降低熔鑄裝藥的慢烤反應(yīng)等級(jí)。

2)用易熔金屬和壓力敏感膜片封堵熔鑄裝藥的排氣孔時(shí)，在慢烤過(guò)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(yīng)，可以有效的緩解熔鑄裝藥慢烤的響應(yīng)等級(jí)。

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