物理界面對炸藥慢速烤燃特性的影響

高 峰，智小琦，劉學柱，牛新立

（1．中北大學地下目標毀傷技術國防重點學科實驗室，山西太原030051；2．山西江陽化工有限公司，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、運輸、貯存或戰場環境下容易受到意外熱刺激而發生含能材料的點火爆炸，造成嚴重的事故，因此對彈藥熱易損性的研究受到了世界各國的重視?？救荚囼炇菣z驗和評估彈藥熱易損性的重要方法［1］，國內外研究人員進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。結果表明，隨著約束條件的減弱，烤燃響應的劇烈程度也減弱；馮曉軍等［3－4］選用JB－B、TNT、R852三種炸藥研究了裝藥尺寸對慢速烤燃響應特性的影響，結果表明，隨著裝藥尺寸的增加烤燃反應的環境溫度會升高，發生烤燃反應的劇烈程度越大，當裝藥尺寸增大到一定程度后其對炸藥發生慢速烤燃反應的環境溫度影響將減小；智小琦等［5－6］研究了炸藥裝藥密度對慢速烤燃響應特性的影響，得出裝藥密度是影響烤燃劇烈程度的主要因素。但有關物理界面對炸藥慢速烤燃響應特性影響的報道較少，而實際彈藥中炸藥裝藥與彈體之間的物理界面對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RDX 基高能炸藥進行了慢速烤燃試驗及數值模擬計算，研究了物理界面對炸藥慢速烤燃響應特性的影響，以期為低易損彈藥的設計提供參考。

1 實 驗

1．1 材 料

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

1．2 實驗裝置

烤燃實驗裝置主要由計算機、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，測定烤燃過程中彈體外壁的溫度。通過自行設計的SFO 軟件實時采集烤燃過程中的溫度—時間歷程曲線。實驗前對升溫速率做標定，確保升溫速率在設定范圍。

1．3 烤燃彈結構

烤燃彈的結構如圖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號鋼，內壁尺寸為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（質量分數）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 烤燃彈結構示意圖Fig．1 Schematic diagram of cook－off bomb structure

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

2 結果及討論

2．1 物理界面對慢速烤燃溫度及烤燃時間的影響

不同物理界面的慢速烤燃試驗結果見表1。

表1 不同物理界面烤燃彈的烤燃試驗結果Table 1 Cook－off test result of cook－off bomb with different physical interfaces

表1結果顯示，對于不同物理界面的烤燃彈，其慢速烤燃響應溫度及烤燃時間不同。物理界面為空氣時，烤燃彈的響應溫度最高，烤燃時間最長，物理界面為T－09 涂 料和GPS－2涂料時響應溫度次之，藥柱直徑為19mm時烤燃彈的響應溫度最低，烤燃時間最短。根據傳熱理論，單位時間內由環境傳遞給藥柱的熱量隨著材料導熱系數的增加而增加。本研究殼體材料為45號鋼，在0～1 200℃范圍內導熱系數約為43W／（m·K），空氣、T－09 涂料、GPS－2涂料、RDX的導熱系數分別為0．0259、0．3、0．27、0．213W／（m·K）［7］。由于空氣的導熱系數低于殼體以及T－09涂料的導熱系數，物理界面為空氣時，單位時間內由環境傳入藥柱的熱量最少，導致烤燃彈的升溫速率最慢，烤燃響應溫度最高，烤燃時間最長。同理，物理界面為T－09 涂料時烤燃彈的響應溫度最低，烤燃響應時間最短。

2．2 物理界面對炸藥慢速烤燃響應劇烈程度的影響

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，烤燃響應結果為爆轟反應。物理界面為T－09涂料以及GPS－2涂料的烤燃彈，烤燃響應結果為燃燒或爆燃反應。

目前人們普遍認為，非均質炸藥起爆機理是熱點火和熱點引起的化學反應成長為爆轟的二階理論。其中熱點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］。對于物理界面為空氣的烤燃彈，藥柱受熱后容易發生膨脹，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生倒塌和摩擦，使局部發熱，分解反應加速，熱量增加，達到臨界溫度的熱點增多，起爆面積增大，導致劇烈的爆轟反應。同時，隨著溫度的升高，空氣壓力升高，殼體內壓力增大，這也是導致反應劇烈的因素。

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

其次，烤燃過程中藥柱熱散失的不同也是導致反應劇烈程度不同的因素。對于本研究中的烤燃彈，藥柱熱分解反應放出的熱量以熱傳導的方式經由物理界面以及殼體釋放到環境中。藥柱側表面單位時間內釋放的熱量可采用圓柱坐標系（r，φ，θ），簡化為多層圓筒壁的一維導熱計算，藥柱兩端面單位時間內釋放的熱量可簡化為多層平壁的一維導熱計算。單位時間內藥柱釋放到環境中的熱量為以上二者之和。

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

式中：Ф 為傳導的熱量，W；λi為第i 層材料的導熱系數，（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為圓筒壁的長度，m；di為第i 層材料圓筒的直徑；δi為各層平壁的厚度。

當烤燃到一定階段，藥柱中心溫度開始高于殼體壁面的溫度，對于藥柱直徑為16mm的烤燃彈，假設藥柱表面溫度為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。

將各項參數代入以上兩式中并將二者相加計算得到藥柱直徑為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間內由藥柱內釋放到環境中的熱量分別為Ф1、Ф2、Ф3，其比值分別為：

由數值模擬計算［8］可知：

因此

由此可見，對于界面為T－09及GPS－2涂料、藥柱直徑為16mm 的藥柱，在單位時間內由藥柱表面傳到環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 的藥柱在單位時間內由藥柱表面傳到環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結果的因素。這是因為烤燃試驗中，溫度梯度是影響烤燃響應劇烈程度的重要因素［9］。物理界面為空氣時，由于空氣熱導率很低，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，且當空氣在烤燃彈中所占的比例在一定范圍內時，這種作用會達到一個極值，熱點數量增加，點火后壓力波凝聚，爆轟波疊加，反應劇烈程度增加。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生的熱量通過T－09及GPS－2涂料及金屬殼體釋放到環境中，而中心分解產生的熱量會積聚導致自熱反應，所以藥柱中心和邊緣會產生溫度梯度，中心點火后又沒有壓力波的積聚，故反應的劇烈程度降低。

3 數值計算

為了進一步研究物理層厚度對炸藥慢速烤燃響應溫度及烤燃時間影響的規律，利用FLUENT 軟件進行數值計算。物理界面分別為空氣、T－09涂料、GPS－2涂料，物理層厚度設計為0．5、1．0、1．5、2．0、2．5、3．0、3．5、4．0、4．5、5．0mm。烤燃彈的物理模型如圖2所示。藥柱熱反應和熱傳導遵循Frank－Kamenetskii方程［10］：

柱坐標系下，溫度場的控制方程為：

式中：ρ、cv、κ、a分別為反應物的密度（kg／m3）、比熱容（J·kg－1·K－1）、熱導率（J·m－1·K－1·s－1）及反應分數；Q 為反應物的反應熱（J／kg）；A 為指前因子（1／s）；E 為活化能（J／mol）；R 為氣體常數（J·mol－1·K－1）。

RDX基高能炸藥的化學反應放熱項采用自編子程序嵌入到FLUENT主程序中［11］。材料參數見表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生烤燃響應的彈體外壁溫度隨時間的變化曲線。可以看出，通過數值計算和試驗得到的溫度－時間曲線吻合度高，表明所取的參數合適。數值計算中藥柱熱反應和熱傳導采用Frank－Kamenetskii方程。

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

表2 試驗材料參數值Table 2 Parameters of test materials

圖4 烤燃彈烤燃響應溫度及烤燃時間與物理層厚度的關系曲線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，烤燃彈響應溫度及烤燃時間與物理層厚度關系的擬合曲線。在數值計算中藥柱熱反應和熱傳導采用Frank－Kamenetskii模型。由圖4可知，3種物理界面烤燃彈的烤燃響應溫度與烤燃時間隨物理層厚度的變化規律相同，烤燃響應溫度及烤燃時間隨著物理層厚度的增加而增大，當物理層厚度達到某一值時達到最大值，之后隨著物理層厚度的增加而減小。

當物理層厚度較?。ㄐ∮?．5mm）時，藥柱尺寸較大，物理層厚度是影響炸藥慢速烤燃響應特性的主要因素。由傳熱學［7］可知，隨著物理層厚度的增加，單位時間內由烤燃彈外表面傳到藥柱中心的熱量減小，由于慢速烤燃過程是個恒速升溫的過程，因此烤燃響應溫度及烤燃時間隨物理層厚度的增加而增大。但當物理層厚度較厚（大于2．5mm）時，藥柱尺寸明顯減小，此時藥柱尺寸的大?。此幜浚┦怯绊懻ㄋ幝倏救柬憫匦缘闹饕蛩?。由文獻［3］可知，炸藥的慢速烤燃反應隨著裝藥尺寸的減小發生烤燃反應的環境溫度會降低。因此，在一定條件下隨著物理層厚度的增加，藥柱尺寸減小，烤燃響應溫度及烤燃時間逐漸減小。

4 結 論

（1）物理界面是影響慢速烤燃響應特性的重要因素。空氣界面能夠增加烤燃響應溫度、響應時間及烤燃響應的劇烈程度。惰性界面能夠增加烤燃響應溫度和響應時間，降低烤燃響應的劇烈程度。

（2）烤燃彈表面的散熱機制影響烤燃響應結果。增大藥柱中心和表面溫差能降低烤燃響應的劇烈程度。

（3）RDX 基炸藥慢速烤燃響應溫度及烤燃時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溫度，增加烤燃時間。

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