侵徹彈體慢速烤燃響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)研究

戴湘暉， 段建， 沈子楷， 王可慧， 李名銳， 李鵬杰， 鄭亞峰， 周剛

(1.西北核技術(shù)研究院 強(qiáng)動載與效應(yīng)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710024； 2.西安近代化學(xué)研究所， 陜西 西安 710065)

0 引言

侵徹彈體在貯存、運(yùn)輸、裝卸和使用過程中必須保證安全，并在使用壽命周期內(nèi)不得降低其安全性。熱載荷是影響彈體安全性的危險源之一，現(xiàn)代戰(zhàn)爭對武器彈藥的熱安全性要求越來越高，武器彈藥一旦遇到外界意外熱刺激，就有可能發(fā)生點(diǎn)火乃至爆炸等嚴(yán)重事故，其熱安全性問題受到越來越多關(guān)注?？救紝?shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)和評估彈藥易損性的重要方法，可以模擬火焰燒烤、庫房緩慢升溫、戰(zhàn)場暗火加熱等刺激條件。通過測試裝藥在不同升溫速率下的溫度及壓力變化、反應(yīng)等級、爆炸時間等數(shù)據(jù)，可以確定彈藥在受到外部緩慢及快速加熱時的反應(yīng)類型?？救紝?shí)驗(yàn)根據(jù)考核目的不同分為慢速烤燃實(shí)驗(yàn)和快速烤燃實(shí)驗(yàn)，其中慢速烤燃實(shí)驗(yàn)是獲取彈藥在緩慢升溫條件下響應(yīng)特性的一種有效手段，對彈藥的易損性能評估和熱安全性研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。慢速烤燃過程可簡化為熱傳導(dǎo)、化學(xué)分解、力學(xué)響應(yīng)等多個物理過程和化學(xué)過程，這些過程的相互作用和耦合最終影響彈體的響應(yīng)溫度和響應(yīng)類型。侵徹彈體慢速烤燃響應(yīng)特性一般按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行考核，需要將其置于慢烤箱中預(yù)熱至55.5 ℃，然后經(jīng)受3.3 ℃/h的升溫速率緩慢加熱，獲取彈體發(fā)生反應(yīng)的加熱時間和溫度，以及確定彈體裝藥隨熱環(huán)境逐步上升時的響應(yīng)特性[1]。

關(guān)于彈藥慢速烤燃響應(yīng)特性研究國內(nèi)外已有諸多報道。Ho[2]研究了慢速烤燃條件下高氯酸銨/端羥基聚丁二烯推進(jìn)劑的反應(yīng)劇烈程度，并分析了推進(jìn)劑的熱力學(xué)性質(zhì)與烤燃行為的聯(lián)系；Gillard等[3]詳細(xì)分析了高氯酸銨/端羥基聚丁二烯在慢速烤燃條件下的分解反應(yīng)過程，考慮了高氯酸銨與端羥基聚丁二烯間的質(zhì)量和熱量傳遞作用，對其過程進(jìn)行了數(shù)值模擬；Caro等[4]利用小尺寸慢速烤燃裝置，分析了推進(jìn)劑端羥基聚丁二烯和端羥基聚醚在相同慢速烤燃條件下的響應(yīng)程度，發(fā)現(xiàn)端羥基聚丁二烯中有機(jī)相的液化是兩種推進(jìn)劑在慢烤條件下響應(yīng)程度差異的重要影響因素；Komai等[5]對縮水甘油疊氮聚醚/ 高氯酸銨推進(jìn)劑和高氯酸銨/端羥基聚丁二烯復(fù)合推進(jìn)劑進(jìn)行慢速烤燃實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)縮水甘油疊氮聚醚/高氯酸銨推進(jìn)劑的熱反應(yīng)比高氯酸銨/端羥基聚丁二烯復(fù)合推進(jìn)劑更溫和，后者烤燃裝置的破壞程度更嚴(yán)重；陳中娥等[6]利用同步差示掃描/熱重聯(lián)用儀和掃描電鏡，對比分析了端羥基聚丁二烯推進(jìn)劑和高能硝酸酯增塑聚醚推進(jìn)劑在慢速烤燃條件下的熱分解特性和烤燃行為的關(guān)系，認(rèn)為高氯酸銨分解形成的多孔性物質(zhì)是導(dǎo)致端羥基聚丁二烯烤燃響應(yīng)劇烈的主要因素；趙孝彬等[7]利用慢速烤燃裝置研究了端羥基聚醚和縮水甘油疊氮聚醚推進(jìn)劑的慢速烤燃特性的影響因素，發(fā)現(xiàn)配方和約束條件對慢速烤燃特性影響較大；智小琦等[8]、李娟娟等[9]和胡雙啟等[10]研究了以黑索今為主的高能炸藥裝藥密度對慢速烤燃響應(yīng)特性的影響，研究結(jié)果表明當(dāng)裝藥密度在理論最大密度的80%左右時響應(yīng)最為劇烈；張亞坤等[11]采用以黑索今為基的高能炸藥進(jìn)行了慢速烤燃實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真，研究結(jié)果表明烤燃溫度對凝聚炸藥的熱分解有重要影響；馮曉軍等[12]利用自行研制的實(shí)驗(yàn)裝置，選用JB-B、TNT、R852等3種炸藥，研究探討了炸藥裝藥尺寸對慢速烤燃響應(yīng)特性的影響，得出了隨著炸藥裝藥尺寸的增大，炸藥慢速烤燃反應(yīng)的環(huán)境溫度和發(fā)生反應(yīng)的劇烈程度都會增大的規(guī)律；高峰等[13]通過慢速烤燃實(shí)驗(yàn)和FLUENT數(shù)值模擬，研究了空氣、T-09耐燒蝕隔熱涂料和GPS-2硅橡膠涂料等3種物理界面對炸藥慢速烤燃特性的影響；田軒等[14]利用慢速烤燃實(shí)驗(yàn)和沖擊波感度實(shí)驗(yàn)研究了二氨基-2，2-二硝基乙烯和黑索今不同混合比例對炸藥響應(yīng)特性的影響。

上述文獻(xiàn)研究了裝填少量推進(jìn)劑或炸藥的簡易彈體在慢速烤燃條件下的響應(yīng)特性，而目前關(guān)于厚殼體、強(qiáng)約束及大裝藥量全尺寸侵徹彈體的慢速烤燃響應(yīng)特性研究報道較少。為獲取侵徹彈體在慢速烤燃條件下的響應(yīng)特性，設(shè)計了一整套慢速烤燃實(shí)驗(yàn)裝置，精確記錄了慢速烤燃溫度時程曲線，重點(diǎn)對彈體破片、反射沖擊波峰值超壓、反應(yīng)機(jī)理及響應(yīng)類型進(jìn)行了分析，以期為侵徹彈體在儲存、安全使用等方面提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 彈體設(shè)計

彈體為卵形頭部、圓柱彈身結(jié)構(gòu)，由殼體、裝藥、面漆、尾蓋和堵蓋組成，如圖1所示，總質(zhì)量為290 kg. 殼體和尾蓋材料均為35CrMnSiA高強(qiáng)鋼，主裝藥為HA-3澆注型溫壓炸藥，面漆為JLGM型草綠色漆，堵蓋材料為2A12鋁合金。HA-3溫壓炸藥澆注于殼體內(nèi)腔中，尾蓋與殼體通過螺紋連接，并在外螺紋上涂硫化硅橡膠進(jìn)行密封，4個堵蓋通過螺紋沿圓周均布安裝在尾蓋上。彈體長度為1 250 mm，外徑為242.4 mm，內(nèi)腔直徑為194 mm，面漆厚度為0.2 mm.

圖1 彈體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental penetrator structure

HA-3是一種以奧克托今為基的富金屬燃料型抗過載澆注溫壓炸藥，具有良好的低易損性能，密度為1.84 g/cm3，當(dāng)量為1.8倍TNT. 彈體裝藥量為35.3 kg，裝藥TNT當(dāng)量為63.54 kg.

殼體力學(xué)性能參數(shù)通過對隨爐熱處理試件的檢測獲得。采用4組標(biāo)準(zhǔn)試件分別綁在殼體頭部、身部和尾部不同位置，與殼體隨爐進(jìn)行熱處理。表1為隨爐試件力學(xué)性能檢測結(jié)果，4組隨爐試件的力學(xué)性能參數(shù)基本一致，說明殼體熱處理較為均勻，屈服強(qiáng)度平均值為1 282.5 MPa，沖擊功平均值為68.65 J.

表1 隨爐試件力學(xué)性能檢測結(jié)果Tab.1 Properties of heat treated specimens

1.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計

慢速烤燃實(shí)驗(yàn)裝置主要由侵徹彈體、慢烤箱、測溫?zé)犭娕?、控溫?zé)犭娕?、溫控儀、溫度記錄儀、沖擊波超壓傳感器、視頻監(jiān)控等組成，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場布局如圖2所示。慢烤箱采用45號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼加工而成，外形直徑為1 m，長度為2 m，烤箱壁厚為2 mm，通過電熱絲為慢烤箱提供熱源，加熱功率為3 800 W；測溫和控溫均采用K類熱電偶；溫控儀采用可編程的PID自整定控制儀，可通過調(diào)節(jié)比例、微分、積分參數(shù)來獲得不同的升溫速率，控溫精度可達(dá)±0.2 ℃/min；采用溫度記錄儀連續(xù)記錄實(shí)驗(yàn)過程中的溫度時程曲線；沖擊波超壓傳感器選用壓電式壓力傳感器，搭配電荷放大器進(jìn)行沖擊波超壓測量；采用視頻監(jiān)控對整個實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行全程攝像。

圖2 慢速烤燃實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場布局示意圖Fig.2 Layout of slow cook-off experiment

將慢烤箱放置在實(shí)驗(yàn)場中央，彈體水平放置在慢烤箱內(nèi)支架上，保證彈體基本位于慢烤箱中央，由慢烤箱持續(xù)給彈體加熱；通過控溫?zé)犭娕己蜏乜貎x控制慢烤箱溫度，控溫范圍為0～800 ℃；在距彈體質(zhì)心水平7 m的圓周上布置3個沖擊波超壓傳感器，順時針依次為1號傳感器、2號傳感器和3號傳感器，測量彈體反應(yīng)時的反射沖擊波峰值超壓，φ為沖擊波入射角；在彈體尾部表面沿圓周方向均布6個熱電偶，將其與工控機(jī)連接并對彈體表面溫度進(jìn)行實(shí)時采集，每10 min采集一次數(shù)據(jù)；在距彈體質(zhì)心20 m處布置3路視頻監(jiān)控，對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行多方位全程攝像；在慢烤箱上方布置一盞探照燈，保證夜間實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的照明。實(shí)驗(yàn)過程中，啟動慢烤箱對彈體預(yù)熱至55.5 ℃，從55.5 ℃開始以3.3 ℃/h的速率升溫并開始計時，綜合加熱時間、彈體表面溫度、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場破壞情況和反射沖擊波峰值超壓對彈體的反應(yīng)機(jī)理及響應(yīng)類型進(jìn)行分析判斷。

2 結(jié)果與討論

2.1 加熱過程分析

圖3為慢速烤燃實(shí)驗(yàn)過程錄像。將彈體表面溫度達(dá)到55.5 ℃時計為0 h0 min0 s；彈體裝藥在42 h45 min23 s時發(fā)生了燃燒，可清晰看到黑煙從慢烤箱中冒出；42 h45 min25 s時慢烤箱后蓋被沖開，可清晰看到熊熊燃燒的火焰，且慢烤箱后蓋未發(fā)現(xiàn)撞擊痕跡；42 h46 min3 s時火焰逐漸變小，且伴隨有黑煙從慢烤箱中冒出；42 h46 min4 s時發(fā)生了更為劇烈的反應(yīng)，并導(dǎo)致錄像中斷。

圖3 慢速烤燃實(shí)驗(yàn)過程錄像Fig.3 Photographs of slow cook-off experiment

圖4為熱電偶獲取的彈體表面溫度時程曲線。慢烤箱預(yù)設(shè)溫度與熱電偶獲取的溫度較為一致，彈體表面溫度以3.3 ℃/h的速率保持直線上升。42 h40 min0 s時刻溫度曲線停止，此時對應(yīng)的彈體表面溫度約190 ℃，42 h50 min0 s時刻未能采集到有效數(shù)據(jù)。這是因?yàn)闇y溫?zé)犭娕济?0 min采集一次數(shù)據(jù)，當(dāng)彈體發(fā)生劇烈反應(yīng)時，熱電偶被破壞，數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)了異常；同時也間接表明彈體在42 h40 min0 s至42 h50 min0 s之間發(fā)生了劇烈反應(yīng)，這與采用實(shí)驗(yàn)錄像分析得到的結(jié)果是吻合的。

圖4 彈體表面溫度時程曲線Fig.4 Penetrator surface temperature vs. time

2.2 實(shí)驗(yàn)后現(xiàn)場破壞情況分析

圖5為慢速烤燃實(shí)驗(yàn)后的現(xiàn)場照片。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場遭受了嚴(yán)重破壞，實(shí)驗(yàn)裝置被完全炸碎，未見明顯炸坑，地表較實(shí)驗(yàn)前覆蓋了一層浮土；慢烤箱筒體破裂成大塊破片，撕裂痕跡明顯，并發(fā)生了嚴(yán)重的褶皺扭曲變形；慢烤箱后蓋脫落且結(jié)構(gòu)完整，未見撞擊痕跡；在土壤表面回收到了彈體尾部殘骸和2個較大的殼體破片，尾蓋上的堵蓋盲孔(厚度為2 mm)被貫穿，彈體尾部在尾蓋底端面處斷裂；在慢烤箱正下方的土壤中挖出了8個尺寸相對較小的殼體破片。

圖5 慢速烤燃實(shí)驗(yàn)后現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.5 Photographs of experimental site after test

圖6為該侵徹彈體慢速烤燃實(shí)驗(yàn)得到的破片與空氣中靜爆(完全爆轟)得到的破片對比。破片均為長條狀的剪切破片，因殼體脹裂導(dǎo)致；慢速烤燃實(shí)驗(yàn)最大破片尺寸約為300 mm×160 mm，最小破片尺寸約為80 mm×60 mm；靜爆實(shí)驗(yàn)最大破片尺寸約為90 mm×40 mm，最小破片尺寸約為10 mm×10 mm；慢速烤燃實(shí)驗(yàn)破片尺寸明顯大于靜爆實(shí)驗(yàn)破片尺寸。

圖6 彈體破片對比Fig.6 Comparison of penetrator fragments

通過對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的破壞情況及破片尺寸的對比分析可以得出以下結(jié)論：1)彈體慢速烤燃反應(yīng)程度比完全爆轟要溫和；2)彈體尾蓋上的堵蓋盲孔和彈體尾部(靠近尾蓋底端面處)為彈體的薄弱部位，高壓氣體易從該處薄弱部位脹裂并泄壓；3)由于慢烤箱后蓋上未發(fā)現(xiàn)撞擊痕跡，可以判斷慢烤箱后蓋是由高壓氣體沖開而不是由斷裂的彈體尾部撞開導(dǎo)致，說明彈體尾蓋上的堵蓋盲孔首先被高壓氣體貫穿，高壓氣體從盲孔中泄露并不斷在慢烤箱中累積，最終超過慢烤箱后蓋的承受極限而將其沖開。

2.3 反射沖擊波峰值超壓分析

地面沖擊波超壓傳感器測得的是反射沖擊波超壓。3個傳感器均成功獲取到7 m處的反射沖擊波超壓，結(jié)果如圖7所示。3個傳感器測得的沖擊波超壓波形極為相似，正壓持續(xù)時間約3 ms.

圖7 反射沖擊波超壓結(jié)果Fig.7 Reflected shock wave overpressure

反射沖擊波峰值超壓結(jié)果如表2所示，3個峰值超壓較為接近，算術(shù)平均值為0.065 MPa.

表2 反射沖擊波峰值超壓測試結(jié)果Tab.2 Peak values of reflected shock wave overpressure

侵徹彈體在空氣中爆炸的反射沖擊波峰值超壓一般采用我國國防工程設(shè)計規(guī)范中規(guī)定的經(jīng)驗(yàn)公式[15]進(jìn)行計算。殼體破壞耗能后留給爆炸產(chǎn)物的等效裸露炸藥在空氣中爆炸產(chǎn)生的沖擊波峰值超壓Δp為

(1)

式中：R′為比例距離(m/kg1/3)，

(2)

R為沖擊波超壓傳感器距爆心的距離(m)，ωbe為殼體破壞耗能后留給爆炸產(chǎn)物的等效裸露炸藥TNT當(dāng)量(kg)，k為與壓力傳感器安裝地面有關(guān)的系數(shù)(對于混凝土、巖石等剛性地面，k=2；對于土壤地面，k=1.8)。

地面反射沖擊波峰值超壓Δp′為

Δp′=Δp(1+cosφ)，

(3)

式中：φ為沖擊波入射角(測點(diǎn)和彈體質(zhì)心之間連線與豎直方向的夾角)，如圖2所示。

采用(1)式～(3)式求得等效裸露炸藥當(dāng)量與反射沖擊波峰值超壓的關(guān)系，如圖8所示，反射沖擊波峰值超壓隨等效裸露炸藥當(dāng)量的增大呈對數(shù)增加。慢烤實(shí)驗(yàn)獲得的反射沖擊波超壓峰值0.065 MPa對應(yīng)的等效裸露裝藥當(dāng)量為4.153 kg，約為實(shí)際裝藥當(dāng)量的1/15.

圖8 等效裸露炸藥當(dāng)量與反射沖擊波峰值超壓曲線Fig.8 Peak overpressure of reflected shock wave vs. exposed explosive equivalent

該侵徹彈體在空氣中靜爆且完全爆轟時(實(shí)驗(yàn)條件：彈體頭部朝下豎放，質(zhì)心距地面高度2.5 m)，測得7 m處的反射沖擊波峰值超壓分別為0.29 MPa、0.24 MPa、0.28 MPa、0.28 MPa和0.25 MPa，算術(shù)平均值為0.268 MPa，由(1)式～(3)式計算得到等效裸露炸藥當(dāng)量為30.025 kg. 若忽略慢烤箱(壁厚為2 mm)破壞耗能對沖擊波峰值超壓的衰減，慢烤實(shí)驗(yàn)反應(yīng)時對應(yīng)的等效裸露炸藥當(dāng)量約為靜爆實(shí)驗(yàn)的1/7，說明很大一部分炸藥消耗在燃燒過程中且未形成爆轟，同時也說明彈體裝藥未發(fā)生完全爆轟反應(yīng)。

2.4 彈體反應(yīng)機(jī)理分析

彈藥的慢速烤燃過程實(shí)際上是炸藥受熱后的熱分解過程，目前普遍被接受的響應(yīng)機(jī)制是二階段理論，即熱點(diǎn)火階段和由熱點(diǎn)引起的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z階段的理論。影響熱點(diǎn)火階段的主要因素是炸藥顆粒間的凹穴和氣孔。在壓藥過程中，構(gòu)成孔隙凹穴的形成或氣孔的產(chǎn)生必須要有另外的附加能量，這些能量儲存在凹穴或氣孔的表面，稱為表面能。當(dāng)彈體受熱后，炸藥裝藥經(jīng)受殼體傳導(dǎo)傳熱、輻射傳熱的共同作用后發(fā)生分解放出熱量，使凹穴或氣孔破壞，表面能釋放，釋放的表面能又反過來加熱凹穴或氣孔周圍的介質(zhì)，使溫度升高，發(fā)生點(diǎn)火。由于炸藥的熱傳導(dǎo)系數(shù)小，點(diǎn)火產(chǎn)生的熱量不能及時釋放，熱積累和自加熱進(jìn)一步加劇炸藥的反應(yīng)速度，產(chǎn)生大量高溫氣體，導(dǎo)致殼體內(nèi)部壓力急劇增長。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，堵蓋底部盲孔發(fā)生壓力脹裂；高壓氣體從4個通孔中噴出，不斷在慢烤箱中累積，最終將慢烤箱后蓋沖開；裝藥燃燒導(dǎo)致放出氣體的速率進(jìn)一步加快，引起彈體內(nèi)部壓力增速提高，另外由于彈體主體部分未發(fā)生脹裂，約束仍較強(qiáng)，且氣體釋放能力有限，彈體內(nèi)部壓力越來越高，最終導(dǎo)致更為劇烈的反應(yīng)，產(chǎn)生較大的彈體及慢烤箱破片。

2.5 彈體響應(yīng)類型分析

根據(jù)美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-2105D對鈍感彈藥反應(yīng)的評估標(biāo)準(zhǔn)，將響應(yīng)類型分為6個等級：Ⅰ級為爆轟反應(yīng)；Ⅱ級為部分爆轟反應(yīng)；Ⅲ級為爆炸反應(yīng)；Ⅳ級為爆燃反應(yīng)；Ⅴ級為燃燒反應(yīng)；Ⅵ級為無響應(yīng)[1]。

彈體慢速烤燃響應(yīng)類型通過實(shí)驗(yàn)錄像、實(shí)驗(yàn)后現(xiàn)場的破壞情況和反射沖擊波峰值超壓綜合分析確定。首先，從實(shí)驗(yàn)錄像可看出彈體最先發(fā)生燃燒，緊接著由燃燒轉(zhuǎn)爆炸或爆轟；其次，通過反射沖擊波超壓峰值反推該侵徹彈體反應(yīng)時對應(yīng)的等效裸露裝藥當(dāng)量，并與實(shí)際裝藥當(dāng)量和完全爆轟時的等效裸露裝藥當(dāng)量進(jìn)行對比，可判斷彈體的劇烈響應(yīng)為爆炸或部分爆轟；最后，由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場回收到的彈體和慢烤箱破片尺寸較大且未見明顯炸坑，可斷定彈體的劇烈響應(yīng)為爆炸而不是部分爆轟。綜合以上分析結(jié)果并對照響應(yīng)類型的等級，將侵徹彈體慢速烤燃響應(yīng)類型定性為Ⅴ級燃燒轉(zhuǎn)Ⅲ級爆炸反應(yīng)。

3 結(jié)論

本文設(shè)計并開展了全尺寸侵徹彈體慢速烤燃實(shí)驗(yàn)，對彈體慢速烤燃過程、實(shí)驗(yàn)后現(xiàn)場的破壞情況、反射沖擊波峰值超壓、反應(yīng)機(jī)理及響應(yīng)類型進(jìn)行了詳細(xì)分析。得到主要結(jié)論如下：

1)全尺寸侵徹彈體從55.5 ℃開始以3.3 ℃/h的速率升溫，加熱42 h45 min23 s后發(fā)生燃燒，對應(yīng)的彈體表面溫度約為190 ℃，41 s后發(fā)生了更為劇烈的反應(yīng)，彈體和慢烤箱被炸裂成大塊破片。

2)通過反射沖擊波超壓峰值反推該侵徹彈體劇烈反應(yīng)時對應(yīng)的等效裸露裝藥當(dāng)量為4.153 kg，遠(yuǎn)小于該侵徹彈體實(shí)際裝藥當(dāng)量和完全爆轟時的等效裸露裝藥當(dāng)量。

3)對于本文所述厚殼體、強(qiáng)約束及大裝藥量的侵徹彈體，慢速烤燃響應(yīng)類型為燃燒轉(zhuǎn)爆炸。