殼體參數對炸藥快速烤燃響應的影響

孫培培，南 海

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殼體參數對炸藥快速烤燃響應的影響

孫培培，南 海

（西安近代化學研究所，陜西 西安，710065）

對不同殼體直徑與不同殼體約束的TNT與PBXN-109兩種炸藥進行了快速烤燃試驗。試驗結果顯示：在固定殼體約束條件下，殼體直徑對炸藥烤燃響應無影響，炸藥烤燃特性僅由炸藥自身特性決定；不同殼體約束對炸藥的烤燃響應有影響，隨著殼體約束增強，炸藥的快速烤燃等級增強；炸藥的快速烤燃響應特性由炸藥自身特性和殼體約束決定。

炸藥；快速烤燃；殼體直徑；殼體約束

自提出低易損彈藥概念后，炸藥的快速烤燃特性作為其中一項受到了高度重視[1-3]。快速烤燃試驗是將殼裝炸藥直接放在燃料火焰（如汽油、煤油、木料等）或氣體火焰（如丙烷）中進行烤燃，火焰平均溫度高于800℃，反應時間為數分鐘，試驗以收集到的破片來評價其響應等級。

呂子劍等[4]以推進劑為燃料對JB-9014和JOB- 9003炸藥件進行快烤試驗，認為炸藥中心溫度很低；美國ArmyArmament研究中心的M Witherell等[5]對30mm口徑的炮用燃燒彈進行了快速烤燃試驗，并用有限差分法進行了模擬計算。關于殼體參數對炸藥烤燃性能的影響，目前國內外研究較多的是殼體參數對炸藥慢速烤燃的影響，如西安近代化學研究所的馮曉軍、王曉峰[6]等進行了炸藥裝藥尺寸對慢速烤燃響應的研究，得出了隨著炸藥裝藥尺寸的增大，炸藥慢速烤燃反應的環境溫度和發生反應的劇烈程度都會增大的規律；國防科技大學荊松吉[7]認為炸藥尺寸對烤燃特性的影響主要為炸藥尺寸對臨界溫度和點火時間的影響；英國的Octávia Frota and Alan Bailey[8]對不同尺度的小型烤燃試驗裝置進行了試驗，發現隨著尺寸的增大，反應劇烈程度增大。

為了了解殼體參數變化對炸藥快速烤燃性能的影響，本文固定殼體長徑比為4:1，通過改變殼體直徑和殼體約束，研究殼體參數變化對炸藥快速烤燃性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置與儀器

圖1為快速烤燃試驗裝置實物圖，裝置主要由燃料槽體、支架、試驗樣彈組成。采用航空煤油作為加熱材料，溫度傳感器選用能耐1 200℃高溫的鎳鉻－鎳硅熱電偶，數據采集儀器選用彩色無紙記錄儀，能夠每1s測量記錄1次溫度數據，試驗測得的典型溫度——時間曲線如圖2所示。

圖1 試驗裝置圖

圖2 典型溫度——時間曲線圖

1.2 試驗方法

將試驗樣彈放入燃料槽體中心支架上，在測試樣品的中心水平的前、后、左、右4個方向上距殼體約30mm分別布置1支溫度傳感器，溫度傳感器的布置圖如圖3所示。將溫度傳感器與數據采集儀連接并保證正常工作。為安全起見，采用遠程點火方式點燃航空煤油。試驗過程通過數據采集儀采集火焰溫度信息，通過回收殼體碎片情況判定炸藥的響應等級。

圖3 傳感器布置圖

1.3 試驗樣品

本文選用TNT與PBXN-109炸藥兩種炸藥進行快速烤燃試驗， TNT炸藥采用熔鑄方式注入試驗樣彈中，PBXN-109采用澆注方式進行裝填。試驗固定長徑比為4:1、殼體厚度為3mm時，直徑分別為40mm、60mm、80mm、150mm；在直徑為60mm時，殼體約束分別為2mm（端蓋帶排氣孔）、2mm、4mm、6mm，所采用的樣彈結構如圖4所示。

圖4 彈體結構

2 試驗結果與討論

2.1 試驗結果

表1為不同尺度條件下兩種炸藥的響應結果，試驗結果顯示，TNT炸藥直徑在40mm到150mm之間變化，快速烤燃響應均為爆炸，PBXN-109炸藥直徑在40mm到150mm之間變化，快速烤燃響應均為燃燒，盡管兩種炸藥殼體直徑發生了變化，炸藥裝藥質量提高，但炸藥裝藥對快速烤燃試驗的整體響應沒有發生改變。

表1 不同殼體直徑條件下炸藥快速烤燃響應結果

Tab.1 Fast cook-off results of explosives with different shell diameters

表2為不同殼體約束條件下兩種炸藥快速烤燃響應結果，試驗結果顯示，對于TNT炸藥，當殼體厚度為2mm端蓋帶放氣孔時，響應為燃燒，后面隨著殼體厚度的增加，反應等級由爆炸增長到爆轟；而PBXN-109當殼體厚度在2mm至6mm之間變化時，快速烤燃響應均為燃燒。

表2 不同殼體約束條件下炸藥快速烤燃響應結果

Tab.2 Fast cook-off results of explosives with different shell constraints

上述試驗結果表明，在殼體厚度為3mm條件下，直徑的變化對快速烤燃響應結果基本沒有影響，響應結果由炸藥自身特性決定，TNT對快速烤燃響應敏感，4種直徑下均為爆炸，PBXN-109自身為低易損性炸藥，4種直徑下均為燃燒；而由TNT的試驗結果可知，殼體約束對炸藥的快速烤燃響應是有影響的，當約束弱時，響應相對降低，隨著約束的增強，TNT的快速烤燃響應等級隨之增加。

2.2 討論

炸藥的快速烤燃過程是炸藥快速受熱分解放出氣體，烤燃彈內壓力上升，發生響應的一個過程，發生響應的點位于烤燃火焰溫度最高處，通常位于烤燃彈體的底部。

在固定殼體約束情況下，分解過程受炸藥自身特點的控制，直徑變化僅僅改變了炸藥裝藥的質量，并沒有提高炸藥反應速率和能量釋放，因此整體上直徑的變化對炸藥快速烤燃響應的影響不大，不同炸藥分解溫度和特性不同，響應結果就不同；而約束對炸藥的分解過程是有影響的，當約束強時，烤燃彈內的壓力迅速上升，壓力的增加導致炸藥的反應速率和能量釋放速率加快，并最終導致炸藥發生響應，當約束弱時，壓力的增加可通過約束薄弱點進行釋放，炸藥響應等級減弱。

3 結論

炸藥快速烤燃中彈體底表面先發生響應，進而引起整個炸藥的響應；在固定殼體約束的條件下，殼體直徑對炸藥快速烤燃響應無影響，炸藥烤燃響應僅由炸藥的自身特性決定；殼體約束對炸藥快速烤燃響應有影響，隨著殼體約束的增強，炸藥的快速烤燃響應等級增加；炸藥的快速烤燃響應特性由炸藥自身特性和殼體約束決定。

參考文獻：

[1] Anderson C M and Pakulak J M. Cook-off studies one the general purpose cast explosives PBXC-116 and PBXC-117[R]. NWC TP 5629, AD-A026525, 1976.

[2] 張蕊,馮長根,陳朗.彈藥的熱烤(Cook-off)實驗[J].火工品, 2002(4):37-39．

[3] 王曉峰,戴蓉蘭,涂健.傳爆藥的烤燃實驗[J].火工品,2001(2): 5-7.

[4] 呂子劍,申春迎,向永.以推進劑為燃料對炸藥的快速烤燃試驗[R].綿陽:中國工程物理研究院科技年報,2003．

[5] Witherell M，Pflegl G．Prediction of propellant and explosive cook-off for the 30 mm Hel-T and raufoss MPLD-T rounds chambered in a hot MK44 Barrel advanced amphibious assault vehicle-AAAV[R].ADA388280,2001．

[6] 馮曉軍,王曉峰,韓助龍.炸藥裝藥尺寸對慢速烤燃響應的研究[J].爆炸與沖擊,2005,25(3):285-288．

[7] 荊松吉,張振宇.炸藥圓柱體烤燃二維數值模擬[J].含能材料,2004(12):521-525.

[8] Octávia Frota1,Alan Bailey. Effect of scale on cook-off studies of explosives[C]//Proceedings of the 26th International Pyrotechnic Seminar,1999.

The Influence of Shell Parameters on Fast Cook-off Reaction of Explosives

SUN Pei-pei，NAN Hai

（Xi’an Modern Chemistry Research Institute，Xi’an，710065）

Fast cook-off test of TNT and PBXN-109 explosives with different shell diameters and different shell constraints were both carried out, the test results show that the shell diameters have no influence on fast cook-off reaction of explosive, fast cook-off reaction is only decided by the characterities of the explosives itself, but the shell constraints have some influences. The stronger the shell constraints ,the higher the explosives’fast cook-off reaction level. The study indicate that explosives’fast cook-off reaction is decided by the characterities of the explosives and the shell constraints.

Explosives；Fast cook-off；Shell diameters；Shell constrains

1003-1480（2016）04-0029-03

TQ564

A

2016-04-16

孫培培（1984 -），女，工程師，主要從事混合炸藥配方與工藝研究。