裝藥結構熱安全性試驗方法及其特點分析

張中禮，吳松，魯亮，胡宇鵬

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

裝藥結構在意外火災或敵方打擊下易處于較為苛刻的熱環境，即對裝藥結構形成熱刺激環境。當炸藥所在環境達到某一溫度，將形成熱點，導致炸藥的熱點火，甚至引發連鎖爆炸后果，尤其大型艦艇艦載彈藥在遭受意外熱刺激下出現的一系列安全事故尤為慘痛，已引起各國高度重視。因此，裝藥結構在熱刺激下的熱安全性試驗（熱烤）是彈藥安全性研究的重要內容之一。根據其升溫速率的不同，將含炸藥結構的熱烤試驗分為快烤和慢烤試驗[1]，慢烤試驗的升溫速率一般小于0.05 ℃/s，快烤試驗的升溫速率大于1 ℃/s。熱烤試驗裝置、熱烤試驗方法及計算仿真方法研究是熱烤試驗研究的主要方向[2]，尤其是通過熱烤環境下的溫度、壓力、殼體破裂運動等可視化/量化的狀態反應參量測試診斷和仿真預測技術評估其反應等級更是當前的研究重點[3—6]。

國內針對裝藥結構熱烤試驗主要參照2003年形成的美軍標MIL-STD-2105C《非核彈藥危險性評估試驗》及其2011年發布的MIL-STD-2105D。對于快烤試驗，主要采用油池火燒方式[7]進行試驗加載，其燃料主要有燃油、酒精、木材等，其對于裝藥結構所受火災快烤環境具有較好的等效性，但存在燃燒時間控制具有一定難度，溫度受環境風速和空氣流動影響較大，且伴隨著火燒過程產生氣體及顆粒污染物排放的問題。對于慢烤試驗，主要采用電加熱絲（帶）[8—9]、電加熱爐（箱）[10—11]和石英燈陣輻射方式[12]。3種加熱方式均能較好地實現慢烤溫升控制，但不同熱傳遞形式的溫度可控性不同，適用于不同的溫控目標。不同約束條件下裝藥快烤試驗研究表明，裝藥最終響應的劇烈程度與其所受約束強度成正相關[13]，不同加熱方式對裝藥反應約束強度的改變，可能導致不同的裝藥反應劇烈程度。

針對裝藥結構不同熱加載方式的傳熱特性和不同產品的溫控要求及反應情況，文中對開放空間油池火燒、可控噴射火燒、石英燈陣輻射3種快烤試驗方法，電加熱絲（帶）、電加熱爐和石英燈陣輻射3種慢烤試驗方法，從不同加載方式的主要傳熱形式、溫度可控性、污染物排放及加載方式對裝藥反應等級可能產生的影響進行分析討論，分析了各加熱方法的特點。

1 試驗加載方法

1.1 開放油池火燒試驗

作為最常用的快烤試驗方法，開放油池火燒試驗通過采用一定尺寸的油池（油盤），添加有機燃料作為加熱材料，直接加熱試樣。油池火燒環境所提供的熱流密度，至少相當于表面吸收系數為0.8的試件在周圍空氣靜止的環境下，完全暴露在平均輻射系數不小于0.9、平均溫度不小于800 ℃的烴類燃料/空氣火焰中所受到的熱流密度。火燒試驗設施應使試件直接置于包覆厚度為1~3 m的火焰中，試件底部距離液面的安裝高度在0.6~1 m。火焰輻射系數與火焰總衰減系數K、火焰場總壓力P和火焰平均射線行程L有關。對于常規的煤油類火燒試驗，火焰包覆厚度在1~3 m，能夠使其平均輻射系數達到不小于0.9的要求，同時試驗過程中產生的大量炭黑附著在試件表面，使得試件表面吸收系數滿足不低于0.8的要求。對火焰場溫度測試及數值模擬結果均表明，火焰場溫度在高度方向上呈現如下規定分布：在0.6 m高度處，火焰平均溫度可達到900 ℃以上，最高可達1000 ℃以上；在1.0 m高度處，火焰溫度平均值可達800 ℃以上；在0.6~1.5 m的高度區間，隨高度的升高，火焰場溫度呈下降趨勢[14]。

火焰場包覆和溫度均易受試驗時風速和風向的影響，有人通過數值模擬研究[15]分析了橫向風對試件周圍火焰熱輻射通量分布產生的影響。驗證了在風速為2 m/s時，試件周圍的熱輻射通量基本上仍呈現對稱分布，低于2 m/s的風速不會對油池火燒試驗產生較大影響，而當風速超過2 m/s后，火焰將無法包覆整個試件，會影響試驗周圍火焰厚度的一致性，下風向火焰的熱輻射通量增大，試件附近的火焰熱輻射通量降低。當火燒試驗過程處于無風或微風狀態時（如圖1所示），煤油火焰將試件包覆良好，試件附近各方向的火焰溫度基本保持在800 ℃以上。

1.2 可控噴射火燒試驗

針對開放油池火燒試驗加熱速度、火焰溫度、加熱時間等控制困難以及污染排放的問題，2006年美國Atwood等[16]研究設計了可控火燒試驗系統（見圖2）。該系統更換燃料種類為丙烷，改變燃料供給方式為霧化噴射，通過控制燃料噴射速率和空氣吹入速度，實現火燒溫度和熱流輸出的穩定控制，同時解決了燃燒時間的控制問題，大幅降低了火燒試驗的污染物排放[17]。

圖1 油池火燒試驗系統及其加載曲線Fig.1 The picture of fire test system and temperature graph of different directions: a) the fire test system; b) the temperature graph of different directions

圖2 可控火燒試驗系統和裝置[1]Fig.2 Sketch and picture of temperature controlled fire system[1]: a) sketch of temperature controlled fire system; b) picture of temperature controlled fire system

1.3 紅外輻射燈陣試驗

石英燈輻射加熱是航天飛行器結構熱試驗中使用最為廣泛的啟動熱模擬方式，其加熱熱流場計算、平板及錐形等各類形狀石英燈加熱器設計及影響因素等均已有深入研究[18—19]。已有研究者采用石英燈陣輻射加熱器開展了室溫至800 ℃、50 ℃/s溫升速率熱邊界模擬試驗[20]，表明石英燈陣輻射加熱方式具備模擬火燒試驗環境800~1000 ℃的能力。文中研制的平板輻射加熱系統采用紅外輻射燈陣能夠模擬火燒環境的熱流和溫度條件，燈陣輻射裝置具備快速升溫能力，能夠使試件表面在1 min內由室溫上升至滿足火燒環境條件要求的溫度。在溫度保持階段，輻射燈陣裝置所得到的溫度加載曲線波動較小，輻射燈陣快烤加載裝置及其加載曲線如圖3 a和圖4 a所示。經校準表明，該裝置可以實現最高溫度為1200 ℃，最大偏差為40 ℃（3.3%），小于5%的預定目標，最大溫升速率不小于200 ℃/s，最大溫升速率誤差為5.7%。

輻射燈陣加載系統同時具備較慢溫升速率的烤燃試驗加載能力。采用半圓形石英燈管組成石英燈陣，對圓柱或圓錐狀試件進行可控溫升的輻射熱加載，使試件內部炸藥達到熱點火反應溫度，發生烤燃反應，其升溫速率從3.3 ℃/h~1 ℃/min可調節，加熱溫度不低于400 ℃。還可根據點火位置的需要，采用分區控溫的方法，實現不低于4個溫度的協調控制，控制不同區域的溫升曲線如圖3 b和圖4 b所示，達到指定位置裝藥發生熱點火的加載效果，控制炸藥點火位置和不同區域的預熱深度，使炸藥在熱點火前達到預期的溫度分布，而非均勻加載可能導致的過試驗條件加載。

1.4 電加熱帶和電加熱爐

圖3 石英燈陣快慢烤加載系統Fig.3 The picture of fire/slow test system by infrared radiation lamps array: a) the picture of fire test system; b) the picture of slow test system

圖4 石英燈陣快慢烤試驗加載曲線Fig.4 The temperature graphs of fire/slow test system by infrared radiation lamps array: a) fire test system; b) slow test system

圖5 電加熱帶和高溫烤箱慢烤試驗系統Fig.5 The picture of slow cook-off test system by electric heating swathes and electric heating case: a) the picture of slow cook-off test system by electric heating swathes; b) the picture of slow cook-off test system by electric heating case

電加熱帶纏繞和電加熱爐作為常規慢速烤燃加載方法（如圖5所示），一般以裝藥結構表面或裝藥表面的測點作為溫度控制點，可以按照指定的溫升速率進行加熱，直至炸藥發生反應。試驗研究發現，采用電加熱帶作為加載裝置，裝藥結構反應時，薄弱泄壓部位被加熱帶纏繞，可能使某些結構約束增強，導致發生更高等級的反應。例如在對某裝藥結構進行慢烤試驗時，采用電加熱爐慢烤試驗裝藥的反應等級為燃燒反應，而在采用加熱帶纏繞的試驗件發生了等級更高的爆炸反應，因此對于某些結構設計有薄弱環節的裝藥結構，采用加熱帶纏繞的加載方式可能使設計失效[21]。

對某周向帶泄壓孔的裝藥結構慢烤試驗，采用相同的加載曲線，電加熱箱和電加熱帶慢烤試驗裝藥結構發生反應的時間均為280 min左右。電加熱帶試驗裝藥發生反應時，瞬間發生劇烈爆炸，溫度測試系統在快速上升時測試中斷。電加熱箱試驗裝藥發生反應時，排氣孔處噴出火焰，燃燒約1 min后，火焰熄滅，開始冒煙，濃煙充滿整個試驗箱內。直至裝藥反應結束，彈體結構保持完整，未發生移動，彈體表面各測點在反應前溫度快速上升，最高溫度分別達到549.5、448.9、383.6 ℃，反應等級為燃燒。試驗加載溫度如圖6所示。

2 幾種加熱方式特點分析

2.1 快烤試驗加載分析

3種快烤試驗加載方式的對比見表1。采用開放油池火燒進行試驗加載，主要通過火焰場輻射和對流換熱的形式進行熱交換。在試驗開始后，溫度不可控，易受自然環境風速、風向影響，使火焰偏離，導致試驗件受熱環境達不到相應標準規定的要求。同時油池火一般采用煤油作為燃料，火燒過程產生較嚴重的污染。采用丙烷作為燃料的可控噴射火燒試驗技術作為溫度可控，更為清潔的快烤試驗方式，具有顯著的優勢，但對于裝藥結構可能發生爆炸以上的反應的情況，可控噴射火燒裝置的管壁可能導致其反應等級上升。采用紅外輻射燈陣加熱技術，以輻射熱流作為試驗加載的熱流輸入，升溫速率、溫度曲線可控，溫度均勻性好，不易受自然風速、風向的影響，試驗加載直接導致的污染物排放幾乎為零。紅外輻射燈陣加熱方法同時兼具開放油池火燒和可控噴射火燒試驗方法的優點，不會因為加熱方式對裝藥反應造成影響。

圖6 電加熱帶和電加熱箱慢烤試驗各加載點溫度變化曲線Fig.6 The temperature graphs of slow cook-off by (a) electric heating swathes and (b) electric heating case

表1 3種快烤試驗加載方式對比Tab.1 Comparison of the three fast cook-off test methods

2.2 慢烤試驗加載分析

3種慢烤試驗加載方式的對比見表2。以電加熱帶或電加熱片作為常規慢烤試驗的加載方式，其溫升速率可控性好，且根據不同的加熱功率和控制算法配置，可以實現不同區域不同溫升速率的分區控制加載，使得模擬導彈整體快慢烤情況下內部裝藥結構不同部位在不同升溫速率下的慢速烤燃試驗得以實現。在摸清裝藥結構熱邊界條件的情況下，采用裝藥結構部件替代導彈整體進行安全性烤燃試驗成為可能。根據已進行的多發烤燃試驗結果來看，在針對某些存在薄弱環節的裝藥結構加載時，電加熱帶可能使設計失效，從而導致裝藥反應等級提升。采用電加熱箱進行慢烤試驗，其溫升速率可控性好，溫度均勻性較好，但不能對試驗件不同區域不同溫升速率進行分區控制加載，只能進行均勻加載。由于試驗件周圍介質透明，可通過烤箱觀察窗對試驗件反應過程進行直觀觀察。采用石英燈陣輻射加載進行慢烤試驗，其溫升速率可控性好，溫度均勻加載和不同溫升速率分區控制加載均易于實現，且試驗件周圍介質透明，便于對試驗件反應過程進行直觀觀察和記錄。由于加載裝置與試驗件之間未發生接觸，不存在裝藥結構約束增強或泄壓通道堵塞等問題，不會導致裝藥結構反應等級提升。

表2 3種慢烤試驗加載方式對比Tab.2 Comparison of the three slow cook-off test methods

3 結論

1）開放油池火燒作為常用快烤試驗加載方式，其溫度不可控，且存在較嚴重污染物排放的缺陷。可控噴射火燒采用更清潔的丙烷火燒作為替代，其溫度可控性好，污染物排放較少，但火燒裝置燃燒室的管壁可能導致裝藥反應等級上升。紅外輻射加熱兼具開放油池火燒和可控噴射火燒試驗方法的優點，在降低污染和溫度可控性方面具有明顯的優勢，同時不會因為試驗裝置給裝藥反應等級造成影響。

2）電加熱帶作為常用慢烤試驗加載方式，能夠實現均勻加載和分區加載不同的控制模式，但加熱帶纏繞可能導致裝藥結構薄弱環節或泄壓通道失效，從而提升裝藥反應等級。電加熱箱加載時，試驗件與試驗裝置之間無接觸，不會導致裝藥反應等級提升，但僅能實現均勻加載。石英燈紅外輻射兼具電加熱帶和電加熱箱加載方式的優點，具有良好的溫度可控性，能夠實現均勻加載和分區加載不同的控制模式，且不會因為試驗裝置給裝藥反應等級造成影響。