泄壓孔堵螺材料對引信泄壓效果的影響

徐 瑞,鄒金龍,劉瑞峰,曲卓君,班繪豐

(1.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所,陜西 西安 710065;2.機(jī)電動態(tài)控制重點(diǎn)實驗室,陜西 西安 710065)

0 引言

自從不敏感彈藥的概念被提出以來,如何提高彈藥系統(tǒng)在意外刺激下的安全性始終是不敏感彈藥研究的重點(diǎn)問題。經(jīng)過多年的研究,不敏感含能材料和危害緩解結(jié)構(gòu)逐漸成為降低彈藥系統(tǒng)在意外刺激下響應(yīng)等級的重要手段。在危害緩解結(jié)構(gòu)中,緩釋泄壓結(jié)構(gòu)是用于降低彈藥在熱刺激下的響應(yīng)等級的一種常用結(jié)構(gòu)。

本世紀(jì)初,國外就對緩釋泄壓結(jié)構(gòu)的有效性開展了初步研究[1],證實了緩釋泄壓結(jié)構(gòu)可以有效降低彈藥在熱刺激下響應(yīng)的劇烈程度。隨后,國外陸續(xù)開展了不同裝藥烤燃彈在緩釋泄壓結(jié)構(gòu)作用下的響應(yīng)特性研究[2-3],泄壓孔尺寸、升溫速率對彈藥響應(yīng)特性影響研究[4]以及泄壓孔臨界尺寸計算[5-6]等,對緩釋泄壓結(jié)構(gòu)作用下彈藥的響應(yīng)特性有了較充分的研究。國內(nèi)對于緩釋泄壓結(jié)構(gòu)的研究起步較晚,在緩釋泄壓結(jié)構(gòu)設(shè)計[7-8]及泄壓孔尺寸設(shè)計[9]方向取得了一定成果,但對于緩釋泄壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理及方法依然缺乏深入的認(rèn)識,尤其缺乏對引信泄壓緩釋結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的深入研究。由于引信傳爆序列裝藥相比戰(zhàn)斗部裝藥密度較低、更容易起爆,所以當(dāng)彈藥經(jīng)歷烤燃、破片撞擊等極端環(huán)境時,即使戰(zhàn)斗部采用了緩釋泄壓設(shè)計,如果引信傳爆序列裝藥先于戰(zhàn)斗部主裝藥發(fā)生爆炸、爆轟等劇烈反應(yīng)的話,依然會引爆戰(zhàn)斗部主裝藥,使得彈藥系統(tǒng)無法滿足不敏感彈藥要求。為此,本文在對引信使用環(huán)境分析的基礎(chǔ)上,研究不同低熔點(diǎn)材料作用下引信泄壓孔堵螺的作用效果,以期為引信緩釋泄壓結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒。

1 慢速烤燃引信響應(yīng)特性研究

1.1 無泄壓引信響應(yīng)特性

為了研究引信在慢速烤燃條件下的響應(yīng)特性,以典型中大口徑榴彈引信為研究對象進(jìn)行慢速烤燃試驗,引信導(dǎo)爆藥、傳爆藥均為FOX-7。采用烤燃試驗爐對引信進(jìn)行加熱,引信樣機(jī)在爐體內(nèi)裝配方式為吊裝。以12 ℃/h快速升溫至120 ℃,然后以3.3 ℃/h的升溫速率逐漸加熱直至反應(yīng)結(jié)束。

無泄壓引信響應(yīng)情況見圖1。編號1引信響應(yīng)時刻外壁溫度為189.1 ℃,編號2引信響應(yīng)時刻外壁溫度為186.8 ℃。引信響應(yīng)后殼體完全破壞失效,引信體破碎成大量大小不一的破片,響應(yīng)等級判斷為爆轟?？梢钥闯?無泄壓孔時,引信在慢速烤燃條件下會發(fā)生劇烈的爆轟反應(yīng),引信輸出能量很有可能直接引爆戰(zhàn)斗部,造成嚴(yán)重后果。因此,引信需要進(jìn)行緩釋泄壓設(shè)計,使得引信可以在烤燃環(huán)境下滿足不敏感彈藥的要求,降低其在意外刺激下響應(yīng)的劇烈程度。

圖1 無泄壓引信響應(yīng)情況

1.2 泄壓結(jié)構(gòu)作用原理

引信泄壓結(jié)構(gòu)的作用原理是:通過降低引信內(nèi)部由于裝藥受熱反應(yīng)產(chǎn)生的氣體壓力,控制傳爆序列反應(yīng)速率,從而維持引信裝藥處于穩(wěn)定燃燒狀態(tài),避免裝藥發(fā)生由燃燒向爆炸、爆轟的狀態(tài)轉(zhuǎn)化。由于裝藥受熱反應(yīng)過程是一個持續(xù)相互作用的促進(jìn)和循環(huán)過程,故泄壓技術(shù)的關(guān)鍵是如何保證氣體的產(chǎn)生與釋放的平衡,從而保證裝藥內(nèi)部的壓力穩(wěn)定。泄壓通道的氣體釋放效率會直接影響泄壓效果,因此泄壓孔堵螺應(yīng)在合適的時機(jī)作用,保證引信內(nèi)部壓力能夠及時釋放。

2 引信泄壓孔堵螺材料選用要求

引信在全壽命周期內(nèi)可能遇到的環(huán)境包括勤務(wù)處理環(huán)境、發(fā)射環(huán)境、彈道環(huán)境和目標(biāo)區(qū)終點(diǎn)環(huán)境等。為了滿足引信在全壽命周期內(nèi)的安全性要求,密封性要求泄壓孔設(shè)計應(yīng)保證其在常溫環(huán)境下有較好的安定性,同時滿足不同過載環(huán)境下的使用要求。

為了確保緩釋泄壓結(jié)構(gòu)在烤燃環(huán)境下有效作用,在引信內(nèi)部設(shè)計合理的泄壓通道,確定泄壓通道尺寸之后,選擇合適的溫度敏感材料作為泄壓通道出口堵螺是關(guān)鍵。由于引信在其全壽命周期內(nèi)會經(jīng)歷多種復(fù)雜環(huán)境,因此堵螺材料的選擇需要確保密封性的同時,還應(yīng)具有對溫度或壓力敏感的特性,可以在溫度或壓力升高的條件下達(dá)到釋放引信體內(nèi)部壓力的作用。

常用泄壓結(jié)構(gòu)分為兩類:1) 以高強(qiáng)度金屬作為泄壓孔堵螺材料,通過刻槽、降低厚度等方式設(shè)置薄弱環(huán)節(jié),當(dāng)彈體內(nèi)部壓力達(dá)到設(shè)計泄壓閾值時,泄壓孔堵螺破裂,形成泄壓通道;2) 以低熔點(diǎn)材料作為泄壓孔堵螺材料,當(dāng)溫度達(dá)到某個臨界值時,低熔點(diǎn)材料熔化,形成泄壓通道。

為了滿足引信使用環(huán)境要求,緩釋泄壓結(jié)構(gòu)應(yīng)具有一定強(qiáng)度。采用刻槽、降低厚度等方式設(shè)置緩釋泄壓結(jié)構(gòu)會降低引信在沖擊、高過載等環(huán)境下的安全性。因此,選用低熔點(diǎn)材料作為引信用泄壓孔堵螺材料。

為了更好地選擇引信泄壓孔堵螺材料,采用數(shù)值模擬對引信的響應(yīng)特性進(jìn)行研究。計算時,為方便求解,對引信烤燃數(shù)值模擬做如下假設(shè):

1) 慢速烤燃過程中的傳熱方式僅考慮熱傳導(dǎo);

2) 慢速烤燃過程中殼體材料參數(shù)保持不變,且殼體與藥柱間無間隙;

3) 烤燃過程中炸藥物理化學(xué)參數(shù)保持不變;

4) 炸藥的自熱反應(yīng)遵循Arrhenius方程。

炸藥的烤燃過程中在烤燃彈內(nèi)部系統(tǒng)中的質(zhì)量、動量、能量的連續(xù)方程可以用以下通用形式來表示:

(1)

式(1)中,φ為通用變量,包含質(zhì)量、動量、能量等;ρ為流體密度;Γ為通用的擴(kuò)散系數(shù);μ為粘度(kg/m);S代表炸藥自熱反應(yīng)源項(J)。

根據(jù)Arrhenius定律,FOX-7炸藥的自熱反應(yīng)源項為

S=ρ·Q·Z·exp(-E/RT)·f(α),

(2)

式(2)中,ρ為炸藥密度(kg/m3),Q為反應(yīng)熱(J/kg);Z為指前因子(s-1);E為活化能(J/mol);R為普適氣體常數(shù),R=8.314(J/(mol·K);T為溫度(K);f(α)為反應(yīng)機(jī)理函數(shù),采用零級反應(yīng)進(jìn)行計算,因此f(α)=1。

FOX-7炸藥的物性參數(shù)與化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)[10-11]如表1所示。

表1 FOX-7炸藥物性參數(shù)與化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)

表2為仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比?？梢钥闯?仿真與試驗誤差均小于5%,參數(shù)取值可信。仿真結(jié)果可以較好地模擬真實試驗的溫度分布情況。

表2 仿真與試驗結(jié)果

圖2為引信不同時刻溫度云圖。響應(yīng)時刻,引信點(diǎn)火位置位于傳爆藥中心。FOX-7炸藥為壓裝炸藥,裝藥點(diǎn)火后初始燃燒并非是規(guī)則的層流燃燒,而是與裝藥內(nèi)部裂紋、孔隙相關(guān)的復(fù)雜對流燃燒,傳爆藥中心發(fā)生點(diǎn)火后,高溫高壓氣體首先由中心產(chǎn)生,高溫高壓氣體產(chǎn)生后會進(jìn)一步加速傳爆藥燃燒反應(yīng),導(dǎo)致傳爆藥由燃燒反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z反應(yīng)。可見,泄壓孔堵螺需要在傳爆藥發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟反應(yīng)之前有效作用,才可以降低引信響應(yīng)的劇烈程度。

圖2 引信不同時刻溫度云圖

圖3為數(shù)值模擬得到的引信慢速烤燃溫度曲線。3.3 ℃/h升溫速率下,引信點(diǎn)火時刻外壁溫度194.5 ℃,傳爆藥溫度205.2 ℃。為了保證引信泄壓孔堵螺有效作用,泄壓孔堵螺材料的熔點(diǎn)應(yīng)該低于引信點(diǎn)火時刻外壁溫度194.5 ℃,并且要在引信響應(yīng)溫度或其以下時能夠有效打開泄壓通道,釋放引信內(nèi)部壓力,才能達(dá)到降低引信響應(yīng)劇烈程度的作用。同時,為了保證引信的使用性能,泄壓孔堵螺材料應(yīng)在引信高溫貯存溫度(71 ℃)以下保證足夠的強(qiáng)度,并且理化性能不發(fā)生轉(zhuǎn)變。

圖3 引信慢速烤燃溫度曲線

選用鉛鉍合金(lead bismuth eutectic,LBE)以及超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)為泄壓孔堵螺材料,表3為選用材料的主要參數(shù)性能。

表3 低熔點(diǎn)材料參數(shù)性能[12-13]

對引信內(nèi)部材料與低熔點(diǎn)材料共同進(jìn)行升溫試驗,每20 ℃觀測一次,觀察不同溫度下材料狀態(tài)變化。不同溫度下材料狀態(tài)見圖4,圖中從左至右依次為引信風(fēng)帽、聚砜、超高分子量聚乙烯、鉛鉍合金。初始狀態(tài)下,引信各零部件材料與低熔點(diǎn)材料均為固態(tài);120 ℃時,低熔點(diǎn)材料強(qiáng)度發(fā)生變化,形狀無明顯變化;140 ℃時,低熔點(diǎn)材料出現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變,鉛鉍合金完全熔化,熔化后具有流動性,高分子量聚乙烯外側(cè)變透明,變透明部分軟化變形;160 ℃時,高分子量聚乙烯完全透明變形,材料完全軟化。可以看出,120 ℃時兩種材料理化性能均未發(fā)生明顯變化,能夠滿足引信高溫貯存溫度要求,鉛鉍合金在熔化后具有流動性,采用鉛鉍合金作為泄壓孔堵螺材料其會在達(dá)到金屬熔點(diǎn)后完全熔化流出,形成排氣通道,提前釋放引信體內(nèi)部壓力,保證引信泄壓通道在內(nèi)部壓力升高前已完全打開。超高分子量聚乙烯材料達(dá)到熔點(diǎn)后發(fā)生變形、軟化,但作為泄壓孔堵螺材料時引信內(nèi)部排氣通道不會完全打開,需要有一定氣體壓力才可以沖開泄壓孔,當(dāng)排氣通道打開較晚時,泄壓孔無法有效降低引信響應(yīng)劇烈程度。因此,需要進(jìn)一步試驗進(jìn)行對比,驗證超高分子量聚乙烯材料作為泄壓孔堵螺的可行性。

圖4 不同溫度材料狀態(tài)

3 試驗驗證

在引信體側(cè)壁設(shè)置直徑5 mm的泄壓孔,如圖5所示。泄壓孔堵螺材料分別為超高分子量聚乙烯和鉛鉍合金,每種材料各進(jìn)行三發(fā)平行試驗,綜合評價不同材料的泄壓作用效果。

圖5 引信體泄壓孔

圖6為超高分子量聚乙烯泄壓孔堵螺響應(yīng)情況。其中,編號3的樣機(jī)傳爆管與導(dǎo)爆管底部均被剪切破壞,引信體側(cè)面有碰撞變形痕跡,初步判斷為引信體響應(yīng)后與爐體碰撞后產(chǎn)生變形。編號4的引信樣機(jī)僅傳爆管底部被剪切破壞,導(dǎo)爆管完好,引信體無明顯變形;編號5的引信樣機(jī)傳爆管底部凸起,未被剪切破壞,僅頭部風(fēng)帽脫落。

圖6 超高分子量聚乙烯泄壓孔堵螺樣機(jī)破壞情況

圖7為鉛鉍合金泄壓孔堵螺響應(yīng)情況。三發(fā)鉛鉍合金泄壓孔堵螺引信樣機(jī)破壞模式均為傳爆管底部被剪切破壞,傳爆管底部被剪切后均形成完整圓形破片,編號6與7號樣機(jī)引信體外壁均有明顯碰撞變形,初步判斷為引信響應(yīng)后與爐體碰撞產(chǎn)生變形。

圖7 鉛鉍合金泄壓孔堵螺樣機(jī)破壞情況

表4為不同引信樣機(jī)響應(yīng)溫度及破壞情況?？梢钥闯?無泄壓孔時引信響應(yīng)平均溫度最低,鉛鉍合金泄壓孔堵螺響應(yīng)平均溫度高于超高分子量聚乙烯泄壓孔堵螺;兩種泄壓孔堵螺材料均可以有效降低引信響應(yīng)劇烈程度,表明超高分子量聚乙烯材料在內(nèi)部壓力下順利打開了泄壓通道。但超高分子量聚乙烯泄壓孔堵螺響應(yīng)后殼體破壞情況具有一定的不確定性,三發(fā)分別呈現(xiàn)不同破壞狀態(tài),鉛鉍合金泄壓孔堵螺響應(yīng)情況具有較好的一致性,說明超高分子聚乙烯材料軟化后強(qiáng)度不一致,泄壓通道打開時間具有不確定性,導(dǎo)致三發(fā)引信殼體破壞程度不一致。

表4 不同引信樣機(jī)響應(yīng)溫度及破壞情況

對于超高分子量聚乙烯泄壓孔堵螺,其在軟化變形后強(qiáng)度降低,部分傳爆藥氣體通過泄壓孔排出,導(dǎo)致引信內(nèi)部熱量部分散失,響應(yīng)時刻平均溫度升高,但超高分子量聚乙烯并未完全沖出,而是氣體壓力達(dá)到其失效閾值后被完全沖開。由于引信鄰近響應(yīng)時刻氣體壓力上升速率較快,同時超高分子量聚乙烯的變形程度及熔化后的強(qiáng)度缺乏一致性,使得點(diǎn)火時刻傳爆管內(nèi)部壓力不一致,造成三發(fā)引信出現(xiàn)不同的破壞模式。

對于鉛鉍合金泄壓孔堵螺,其在140 ℃前已完全熔化流出,泄壓孔處于開放狀態(tài),傳爆藥內(nèi)部熱量與氣體壓力通過泄壓孔排出。由于熱量散失,傳爆藥自熱反應(yīng)時間延長,導(dǎo)致最終響應(yīng)時刻溫度較高。同時,鉛鉍合金泄壓孔堵螺熔化后均流出到引信體外部,使得傳爆管內(nèi)部熱分解產(chǎn)生的氣體均有效排出,點(diǎn)火時刻傳爆管內(nèi)部壓力有較好的一致性,三發(fā)引信的破壞模式也具有良好的一致性。

4 結(jié)論

本文通過對比不同泄壓孔堵螺材料的性能,結(jié)合數(shù)值模擬對不同泄壓孔堵螺材料的選用要求進(jìn)行分析,通過慢速烤燃試驗得出不同泄壓孔堵螺材料作用下引信的響應(yīng)特征,通過與無泄壓引信響應(yīng)特征進(jìn)行對比,可以得出以下結(jié)論:

1) 不同泄壓孔堵螺材料均可以有效降低引信響應(yīng)劇烈程度。

2) 超高分子量聚乙烯作為泄壓孔堵螺材料其在達(dá)到熔點(diǎn)后僅發(fā)生軟化、變形,泄壓通道并未完全打開,且其變形程度及軟化后強(qiáng)度缺乏一致性,導(dǎo)致點(diǎn)火后引信內(nèi)部壓力不一致,引信也出現(xiàn)不同的破壞模式。

3) 易熔合金作為泄壓孔堵螺材料其在達(dá)到熔點(diǎn)后完全熔化流出,泄壓通道完全打開,引信響應(yīng)時刻內(nèi)部壓力一致,使得引信響應(yīng)劇烈程度具有較高的一致性,能夠保證引信破壞程度的一致性。