改性硝基胍裝藥快烤響應(yīng)特性研究?

張 巖 趙 雪 芮久后 徐飛揚 徐 森③ 劉大斌 錢 華③

①南京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院(江蘇南京，210094)

②北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室(北京，100081)

③國家民用爆破器材質(zhì)量檢驗檢測中心(江蘇南京，210094)

引言

隨著我國軍事技術(shù)的快速發(fā)展，戰(zhàn)斗機、艦艇和航空母艦等作戰(zhàn)平臺逐步被列裝和使用。由于航母、戰(zhàn)斗機、大型水面艦艇等既是武器發(fā)射平臺，也是各種武器彈藥的儲存庫房，在戰(zhàn)爭中一旦被擊中或發(fā)生火災(zāi)，極易引起彈藥存放處的爆炸，導(dǎo)致艦艇沉沒等災(zāi)難性事故，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。

彈藥低易損評估主要依據(jù)MIL—STD—2105D標(biāo)準(zhǔn)。其中，快速烤燃(快烤)試驗是彈藥低易損評估中最常見的試驗之一，主要用于評估彈藥遭遇火災(zāi)刺激后的響應(yīng)特性。

基于爆炸毀傷效應(yīng)形式，低易損彈藥的響應(yīng)特性主要分為3類:爆炸沖擊波、爆炸破片和熱輻射。國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量關(guān)于爆炸沖擊波、爆炸破片的毀傷效應(yīng)的研究。王紅星等[1]研究了DNAN基炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波在空氣中的傳播規(guī)律，并模擬了不同量級DNAN基炸藥爆炸的沖擊波傳播過程。李峰等[2]分析了破片和沖擊波共同刺激下對裝甲板的毀傷效應(yīng)，通過相似理論對裝甲板毀傷因素進(jìn)行了分析。

而對于爆炸品的熱輻射特性，國內(nèi)外相關(guān)研究則較少。曹鳳霞[3]研究了爆炸產(chǎn)生的熱輻射毀傷效應(yīng)，分析了熱輻射毀傷準(zhǔn)則及其適用條件，總結(jié)了熱輻射對人和木材的毀傷模型。熱輻射毀傷模型是計算火球熱輻射毀傷效應(yīng)的理論基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的火球模型有很多種，但一般在滿足某些假設(shè)前提下才成立，存在著普適性不高的問題。因此，為提高火球模型的準(zhǔn)確性，需修正傳統(tǒng)模型。Shi等[4]提出了多因素修正方法，建立了可預(yù)測周圍目標(biāo)升溫的熱輻射模型。王艷平等[5]觀察到火團(tuán)燃燒幾何特征的變化，提出了燃燒熱輻射柱體理論模型，并通過燃燒熱輻射試驗與球體熱輻射模型的對比，驗證了柱體理論模型的合理性。Bonilla等[6]提出了一種確定動態(tài)火球熱輻射的新方法，該方法將障礙物的存在對火球熱輻射毀傷的影響考慮在內(nèi)。

高價值武器平臺的發(fā)展對彈藥的鈍感特性也提出了新的要求[7-8]。近年來，高能鈍感混合炸藥已成為新列裝武器彈藥用的主流炸藥[9]。硝基胍(NQ)是一種常用的鈍感炸藥，因具有較低的機械感度和較高的爆炸水平而常被用作推進(jìn)劑、發(fā)射藥和炸藥裝藥的鈍感組分[10-12]，已經(jīng)被證明可以有效提高火炸藥配方的鈍感特性。但是，由于工業(yè)NQ為針狀晶體，存在表面缺陷，較差的流散性和較低的裝藥密度極大地影響了NQ裝藥的力學(xué)性能和爆轟性能。

隨著對彈藥鈍感要求的進(jìn)一步提高，希望通過改變NQ的粒度和形狀特性(改性)來提高NQ晶體性能。研究改性后的NQ裝藥在快烤試驗中的響應(yīng)特性，并對其響應(yīng)過程中爆炸沖擊波、爆炸破片和熱輻射3種類型的毀傷效應(yīng)進(jìn)行了分析，從而進(jìn)一步優(yōu)化炸藥配方中NQ的性能，達(dá)到提高炸藥安全性的目的。

1 試驗

1.1 試驗樣品

樣品采用壓裝工藝。主要成分為改性NQ，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約97%。外殼呈圓柱體，兩頭用帶螺紋的端蓋密封，材料為45＃鋼。裝藥尺寸為?60 mm×240 mm，殼體厚度為3 mm，裝藥質(zhì)量為1 147 g。

1.2 試驗設(shè)計

油池系統(tǒng)主要包括油池、燃料、支架。其中，油池底面尺寸為1 500 mm×1 500 mm，高100 mm；燃料為航空煤油，加注量為100 L；支架高度為600 mm，由鋼焊接而成，用于支撐被試彈藥，保證其不掉入油池中。樣品前、后、左、右共布置4支鎧裝K型熱電偶，每支熱電偶處為一個測溫點，分別標(biāo)為1＃、2＃、3＃、4＃，測溫精度小于0.1℃，測溫范圍為0～1 200℃。距離樣品3、4、5 m處各放置一個PCB壓力傳感器(記為A、B、C)，記錄樣品發(fā)生反應(yīng)時產(chǎn)生的沖擊波壓力，采樣頻率為1 MHz。距離樣品中心10 m和15 m處為熱輻射測點，每一個測點各放置一套ALTP熱輻射傳感器和HFM熱輻射傳感器組合，用于測試快烤反應(yīng)時刻的熱通量閾值。距離樣品正前方20 m處放置一臺普通相機來記錄快烤試驗過程。共進(jìn)行兩次試驗。試驗布局示意圖及熱通量測試系統(tǒng)原理圖如圖1～圖2所示。

圖1 試驗布局示意圖(單位:m)Fig.1 Schematic diagram of test layout(Unit:m)

圖2 熱通量測試系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of heat flux test system

1.3 熱輻射測試系統(tǒng)

1.3.1 ALTP熱輻射傳感器

工作溫度不大于150℃，響應(yīng)頻率為100～1 000 kHz。該傳感器由外延生長的高度各向異性薄膜組成，薄膜表面被加熱輻射時，會在薄膜中引起熱梯度，處理為電壓信號輸出，一般需連接放大器來增強采集信號，熱通量可由式(1)計算得到。

式中:q為熱通量，W/cm2；V為電壓，μV；A為放大倍數(shù)；Ks為靈敏度系數(shù)，μV/(W·cm-2)。

1.3.2 HFM熱輻射傳感器

工作溫度不大于350℃，響應(yīng)時間為17μs。傳感器頭部中心部分的熱電堆熱通量傳感器(HFS)感應(yīng)熱通量，外圍部分的電阻溫度傳感元件(RTS)測量溫度。由于一般所測熱通量較小，需連接差分放大器以便數(shù)據(jù)采集器采集電壓信號，熱通量通過式(2)計算得到。

式中:q為熱通量，W/cm2；VHFS為來自HFS的電壓信號，μV；GHFS為HFS通道的放大器增益；g、h為靈敏度和溫度之間關(guān)系的系數(shù)，單位分別為μV/(W·cm-2·℃-1)、μV/(W·cm-2)；△T為反應(yīng)前、后熱輻射測點處的溫度差，℃，由RTS測得。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品快烤過程及反應(yīng)情況

快烤過程部分照片如圖3和圖4所示。試驗中，火焰溫度θ隨時間t的變化曲線如圖5所示。試驗后，殼體破碎情況如圖6所示。

圖3 第1發(fā)快烤反應(yīng)過程Fig.3 Reaction process of No.1 fast cook-off test

圖4 第2發(fā)快烤反應(yīng)過程Fig.4 Reaction process of No.2 fast cook-off test

以火焰時刻為升溫起點，根據(jù)快烤溫度隨時間的變化曲線，結(jié)合錄像信息可知:第1發(fā)快烤試驗，點火后108 s樣品反應(yīng)，109 s后火球尺寸達(dá)到最大，此時溫度最高為894.3℃，反應(yīng)持續(xù)時間約2 s；第2發(fā)快烤試驗，點火后142 s樣品發(fā)生反應(yīng)，143 s后產(chǎn)生最大火球，此時最高溫度為960.7℃，反應(yīng)持續(xù)時間也在2 s左右。

由圖6可以看出:第1發(fā)快烤試驗后，兩側(cè)端蓋脫落，外殼破裂，但仍為一個整體；結(jié)合試驗錄像可以看出，反應(yīng)瞬間，裝藥整體被推出約1.0 m；NQ裝藥持續(xù)燃燒至完全反應(yīng)，無破片飛出。根據(jù)橘黃書第7修訂版[13]附錄8中有關(guān)反應(yīng)劇烈程度的說明，判斷快烤響應(yīng)等級為爆燃。第2發(fā)快烤試驗后，外殼發(fā)生破裂，形成少量大塊；結(jié)合試驗錄像發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)瞬間，一側(cè)端蓋被推出，推出距離為4.3 m；NQ裝藥劇烈燃燒，無殘余。同理，判定快烤響應(yīng)等級為爆燃。第2發(fā)快烤反應(yīng)程度較第1發(fā)劇烈。這是因為第2發(fā)快烤升溫至發(fā)生反應(yīng)的時間比第1發(fā)長；NQ在殼體內(nèi)累積的產(chǎn)氣量較多，在殼體內(nèi)憋壓，導(dǎo)致反應(yīng)加劇。

2.2 樣品的毀傷效應(yīng)

2.2.1 爆炸沖擊波毀傷效應(yīng)

兩發(fā)快烤試驗中，爆炸沖擊波壓力p隨時間t的變化關(guān)系如圖7所示。表1為GJB 5212—2004中規(guī)定的沖擊波壓力對人體的殺傷判據(jù)[14]。

圖7 兩發(fā)快烤試驗的p-t曲線Fig.7 p-t curves of the two fast cook-off tests

由圖7可知:第1發(fā)快烤試驗中，未測到明顯的沖擊波超壓；第2發(fā)快烤試驗中，傳感器A測得的超壓峰值最大，傳感器B、C測得的超壓峰值依次減小。低于輕微殺傷等級對應(yīng)的沖擊波壓力(30～40 kPa)，表明沖擊波超壓破壞效應(yīng)可忽略不計。

2.2.2 爆炸破片毀傷效應(yīng)

參照橘黃書第7修訂版[13]系列試驗6(c):金屬迸射物距離-質(zhì)量(L-m)關(guān)系曲線(圖8)，并根據(jù)破片動能對物質(zhì)危險等級進(jìn)行劃分，如表2所示。

圖8 迸射物L(fēng)-m曲線Fig.8 L-m curves of projectile

表2 物質(zhì)危險等級劃分依據(jù)Tab.2 Basis for hazard classification of substances

由錄像結(jié)合試驗后收集到的殼體碎片可知:第1發(fā)快烤試驗中無破片產(chǎn)生；第2發(fā)快烤試驗中一側(cè)端蓋在反應(yīng)時刻被推出，試驗后測得推出距離為4.3 m，端蓋質(zhì)量為27.8 g。根據(jù)圖8及表2可知:第2發(fā)快烤試驗，破片動能顯著小于8 J，屬于1.4項、配裝組S；此時，破片迸射效應(yīng)不會大大妨礙在鄰近進(jìn)行的救火或其他應(yīng)急工作，即破片破壞效應(yīng)可忽略。

2.2.3 熱輻射毀傷效應(yīng)

2.2.3.1 熱通量試驗值

以樣品反應(yīng)時刻火球爆發(fā)持續(xù)時間t為橫坐標(biāo)、熱通量q為縱坐標(biāo)作圖，如圖9所示。計算火球爆發(fā)全過程的熱通量峰值和平均值，見表3。試驗前，已對10 m和15 m處相同加注量煤油的熱通量進(jìn)行了測試:10 m處，熱通量平均值約為1.8 kW/m2；15 m處，熱通量平均值約為1.3 kW/m2。表3中的結(jié)果均為扣除空白試驗后的熱通量。

圖9 兩發(fā)快烤試驗不同測試位置處的q-t曲線Fig.9 q-t curves at different test points in two fast cook-off tests

表3 熱通量試驗結(jié)果Tab.3 Test results of heat flux

由圖9可以看出，兩發(fā)快烤反應(yīng)時刻，熱通量隨時間變化曲線的趨勢相同，一致性高。由表2可知，熱通量隨測試距離的增大而減小，10 m處的熱通量峰值和平均值均約為15 m處的1.2倍。同一發(fā)快烤試驗中同一距離處，兩種熱輻射傳感器的熱通量測量值相近；但HFM傳感器測量值偏大，峰值和平均值均約為ALTP傳感器的1.1倍左右。這是不同傳感器間的測試差異所導(dǎo)致的，在誤差允許范圍內(nèi)。因此，兩種熱輻射傳感器可靠。同一距離處，第2發(fā)快烤反應(yīng)的熱通量為第1發(fā)的2倍左右。分析認(rèn)為，由于第2發(fā)快烤點火后升溫至樣品發(fā)生反應(yīng)用時長，NQ在殼體內(nèi)累積的產(chǎn)氣量多，殼內(nèi)憋壓嚴(yán)重，殼體開裂瞬間內(nèi)部壓力急劇釋放；因此，火球最高溫度、最大直徑、反應(yīng)持續(xù)時間等特征參量均明顯高于第1發(fā)快烤試驗。

2.2.3.2 熱通量理論值

假設(shè)不發(fā)生大氣能量散失的情況下，用Baker公式計算火球的熱通量[15]:

式中:q為熱通量，W/m2；T為火球溫度，K；D為火球直徑，m；R為火源到受熱位置的距離，m；F、G為常量，取F=161.7、G=5.26×10-5。

第1發(fā)快烤試驗樣品反應(yīng)時刻，火球最高溫度為894.3℃。根據(jù)油池長度為1.5 m，結(jié)合錄像中火球與油池的比例，算得火球最大直徑約為2.5 m。根據(jù)式(3)，距離樣品中心10 m和15 m處的熱通量理論計算值分別為:

第2發(fā)快烤試驗樣品反應(yīng)時刻，火球最高溫度為960.7℃，火球最大直徑約為3.5 m。同理，根據(jù)式(3)可得:q10m=92.2 kW/m2、q15m=41.0 kW/m2。

兩發(fā)快烤試驗中，熱輻射傳感器測量值與理論計算值對比見表4。

表4 各方法獲得的熱通量對比Tab.4 Comparison of heat flux obtained by each method

由表4可知，使用Baker公式計算的熱通量顯著大于測試值。這是因為:一方面，NQ裝藥并沒有全部表現(xiàn)為熱輻射反應(yīng)，其中，一部分NQ用來克服殼體做功，一部分泄壓釋放，只有部分參與了熱輻射的計算；另一方面，Baker公式針對的是穩(wěn)態(tài)火球模型，在計算時假設(shè)火球直徑和火球溫度為常量(測試過程獲得參量的最大值)，且火球的瞬態(tài)成長過程以及熱輻射過程中傳導(dǎo)和對流過程交換的熱量均忽略不計[16]。實際上，火球上升高度和火球作用時間等特征參量是隨時間不斷變化的，均為時間函數(shù)，且環(huán)境因素(諸如風(fēng)向、風(fēng)速大小、測點處的大氣壓等)對火球熱輻射的測量值均有不可忽視的影響。觀察表4數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，兩發(fā)快烤試驗的熱通量理論值與實測值均隨距離的增大而減小，且第2發(fā)快烤試驗的熱通量理論值也為第1發(fā)的2倍左右，理論值與實測值的規(guī)律具有一致性。

2.2.3.3 熱輻射毀傷效應(yīng)

表5是經(jīng)過大量試驗證明的基于熱通量準(zhǔn)則的熱輻射傷害閾值[3]。

快烤試驗裝置中的支架、油池等為鋼結(jié)構(gòu)，試驗后未發(fā)生變形。根據(jù)表5中設(shè)備、設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)開始變形的相關(guān)表述可知，試樣反應(yīng)時刻火球位置產(chǎn)生的熱通量小于25.0 kW/m2，距離火球10、15 m處的實際熱通量應(yīng)小于火球中心處。由此判斷，Baker公式求得的熱通量偏大，兩套熱輻射測試系統(tǒng)的測量值更接近實際值。

由測量值可知，快烤過程中改性NQ裝藥反應(yīng)時刻產(chǎn)生的熱輻射在距離火球15 m處仍可能對人體造成二度燒傷。因快烤反應(yīng)持續(xù)時間約為2 s，根據(jù)表5可知，試樣反應(yīng)過程中，熱通量小于4.0 kW/m2時，人及設(shè)備是安全的。因此，可初步判斷第1發(fā)快烤試驗的安全距離約為10 m，第2發(fā)快烤試驗的安全距離大于15 m。

表5 熱通量對人及設(shè)備的傷害效應(yīng)Tab.5 Injury effect of heat flux on people and equipment

3 結(jié)論

1)改性后的NQ裝藥在快烤響應(yīng)過程中幾乎無爆炸沖擊波及爆炸破片的破壞效應(yīng)，熱輻射是其主要的毀傷形式；快烤響應(yīng)等級為爆燃。

2)快烤試驗中，由于NQ產(chǎn)氣量大，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，密閉殼體內(nèi)壓力持續(xù)增加。因此，一般情況下，從升溫開始至NQ發(fā)生反應(yīng)的時間越長，反應(yīng)程度會越劇烈，NQ的熱輻射毀傷效應(yīng)也越顯著。

3)熱通量理論值與測量值具有一致性。熱輻射傳感器測得的熱通量更接近真實值，更具有實際意義。NQ快烤反應(yīng)時刻基于熱輻射的安全距離大于15 m。