不同約束條件下硝酸酯類PBX炸藥裝藥慢烤響應特性

鄧 海，趙小鋒，任新聯，李 剛，梁爭峰

(1.西安近代化學研究所,陜西 西安710065； 2.海軍裝備項目管理中心，北京 100000)

引 言

澆注高聚物黏結炸藥(PBX)是以高能單質炸藥作為主體炸藥，添加高聚物黏結劑和增塑劑、固化劑等組成的混合炸藥，具有能量密度高、機械感度低、抗過載能力強、力學性能良好等特點，已廣泛裝填于各類武器彈藥。近年來，黏結劑與增塑劑的飛速發展，高黏結力黏結劑的出現，降低了黏結劑的用量，提高了主體炸藥的含量，進一步提高了澆注PBX的綜合性能。硝酸酯類PBX炸藥加入了NG等含能添加劑，能量水平大幅提高，金屬加速能力強，但由于硝酸酯化學性質不穩定，受熱易分解，該類炸藥在使用過程中存在熱安全性較差的問題[1-3]。目前，戰場環境的惡化，對彈藥的不敏感性提出了嚴格的要求，提高該類炸藥工程應用中的熱安全性需求迫切。

烤燃試驗是研究炸藥熱安全性的主要方法之一，通過烤燃試驗可以研究炸藥的溫度變化、響應特性以及影響因素，對于評估裝藥的應用安全性、檢驗對意外熱刺激的敏感程度和發生反應時的劇烈程度有著重要意義。國內外已經在炸藥配方、升溫速率、殼體強度、泄壓結構等方面[4-6]對裝藥烤燃特性的影響做了大量研究。鄧海等[7]研究了B炸藥在不同密閉條件下的慢烤響應，發現排泄孔能抑制裝藥的響應劇烈程度，密閉條件下裝藥的響應更為劇烈；Lori等[8]、Madsen等[9]研究了不同尺寸排氣孔對4種RDX基含鋁壓裝炸藥裝藥慢烤響應劇烈程度的影響，并分析了試驗彈的尺寸效應問題；沈飛等[10-11]研究了HMX基含鋁炸藥在不同約束條件下慢烤響應特性及密封緩釋結構的設計，發現調節殼體強度與泄壓孔面積可以調控裝藥的響應劇烈程度，驗證了兩級密封結構能夠實現慢烤過程打通泄壓通道。Gillard等[12]分析了在慢烤燃條件下AP/HTPB推進劑的熱分解反應過程，并且考慮了AP與HTPB間的質量和熱量傳遞作用，對慢烤過程進行了數值模擬。

以上研究多集中研究約束條件對熔鑄炸藥及常規含鋁炸藥慢烤響應的影響，針對含能黏結劑硝酸酯類PBX裝藥的慢烤響應規律的影響研究較少。殼體約束與戰斗部裝藥的不敏感特性密切相關，不同種類的戰斗部殼體約束條件不同，在不改變裝藥種類的前提下，提升其安全性，采用的技術手段與殼體約束條件緊密聯系。本研究采用慢速加熱的試驗方法，對不同殼體約束條件的硝酸酯類PBX裝藥進行響應規律的研究、測量裝藥內部溫度場的變化以及升溫過程裝藥的反應特征，可為后續不敏感戰斗部的設計提供一定的支撐。

1 試 驗

1.1 樣 品

試驗所用樣品為硝酸酯類PBX高能炸藥(NG、PEG、Al、HMX質量比為15∶3∶16∶66)，密度1.85g/cm3，由西安近代化學研究所提供，裝藥尺寸為Ф100mm×200mm，烤燃彈殼體厚度為5mm，材料為45#鋼，烤燃彈端蓋設計有不同排氣孔，排氣孔面積(Sh)分別占裝藥截面積(Sc)的20%、16%、10%、5%、0%，共計5種約束工況，裝藥內部不同位置安裝有測溫熱電偶，其結構如圖1所示。

圖1 試樣彈結構示意圖Fig.1 Structure diagram of test bomb

在慢烤過程中，當炸藥裝藥出現熱點火后，將產生大量的氣體產物，殼體內部壓力迅速升高，對端蓋產生向外的作用力F：

F=P(Sc-Sh)

(1)

式中：P為炸藥點火后的產物的壓力；Sc為端蓋面積，也為藥柱的截面積；Sh為端蓋上所設排氣孔的面積。

通過調節排氣孔的尺寸，可以調節殼體內部壓力的釋放效率，抑制內部壓力的增長，從而抑制裝藥點火后的反應速率迅速增長，減緩裝藥慢烤反應的劇烈等級。

1.2 試驗裝置及原理

試驗系統包括加熱烤箱、熱電偶、控溫儀器、視屏監控儀器和計算機，其中，加熱烤箱具有良好的保溫性，加熱功率在4000W左右，通過箱內電熱絲加熱，由控溫儀控制烤箱內空氣域的溫度，控溫范圍0～350℃，烤箱的一側用耐高溫鋼化玻璃作為擋板，以便視屏監控裝置能在慢烤過程中對試樣進行觀察，試驗系統布置圖如圖2所示。

圖2 試驗布置圖Fig.2 Test layout

試驗時布置多支熱電偶，2支熱電偶安裝在箱子內部，選用1支作為控溫熱電偶，用于控溫系統控制升溫速率；3只作為測溫熱電偶，根據工況分別布置在裝藥中心、裝藥中間距邊緣二分之一半徑處、試驗彈殼體表面，用于測量不同位置溫度隨時間的變化。

試驗時在鋼化玻璃正對面不同距離安放視頻監控裝置，對慢烤過程進行全程監控，采取先以3℃/min的升溫速率加溫到95℃，然后保溫2h，最后以0.15℃/min進行加熱至試樣發生劇烈反應為止。通過本次試驗，可以清楚地觀察到試樣慢速升溫的響應過程及現象，獲得相應的溫度隨時間的變化曲線。

2 結果與討論

2.1 裝藥受熱過程的溫度場特性

試驗測得Sh/Sc=20%的裝藥慢烤過程不同位置的溫度變化曲線如圖3所示。

新世紀以來，黨和政府逐步加強以民生為重點的社會建設，民生問題相關研究一度受到學術界關注。然而民生領域十分寬廣，研究要取得良好成效，須深化研究層次，關注包含教育領域在內的具體民生問題必不可少。伴隨著新民主主義革命時期黨的教育工作研究的深入，解放戰爭時期黨的教育工作受到學者們的關注，國內外對此都有研究。

圖3 Sh/Sc=20%裝藥不同位置的溫度變化曲線Fig.3 The temperature curves of different positions of charge at Sh/Sc=20%

從圖3可以看出，在快速加熱階段，由于傳熱界面熱阻及熱傳導系數的限制，烤燃彈殼體與裝藥內部溫度上升速率依次減小，殼體溫度與烤箱內部溫度差急劇變大，裝藥內部溫度與殼體的溫度差也快速變大；在保溫階段，隨著殼體溫度的增加，烤箱內部溫度與殼體溫度差不斷減小，殼體溫度上升的速率也隨之減小，裝藥內部溫度同樣以一個由快向慢的速率增加，增加的趨勢與殼體溫度增加的趨勢幾乎相同，到保溫段結束時，樣彈殼體溫度升至83℃，裝藥中心的溫度升至73℃。在緩慢加熱段，可以看出殼體與裝藥內部的溫度都呈線性增加，烤燃彈殼體與裝藥內部不同點的溫度差幾乎不變，殼體與裝藥中心的溫度差維持在10℃左右，裝藥中心與裝藥1/2半徑處的溫度差維持在2℃左右。可以得出裝藥殼體與裝藥間的界面熱阻、裝藥的熱傳導系數隨溫度的變化幾乎維持不變，在達到臨界溫度之前，裝藥內部發生熱分解反應速率較小，放熱對裝藥內部溫度分布影響可以忽略。

炸藥加速反應階段，當裝藥中心溫度達到136℃時，炸藥中心溫度升高速率明顯加快，逐漸趕上裝藥1/2半徑處的溫度，此后炸藥內部溫度的增加速率越來越快，經過一定時間加熱，當溫度升至152.1℃時，炸藥內部溫度突然階躍上升，迅速上升至幾百攝氏度，超過樣彈殼體的溫度，可判斷已經發生了劇烈反應。這是由于炸藥溫度升至136℃后，炸藥自熱反應放出了更多的熱量，造成裝藥的熱積累與熱損失的失衡，熱量不斷累積，炸藥溫度顯著上升，高溫環境使得熱分解放熱速率不斷加快，隨著熱量的不斷積累，當溫度升至152.1℃時，裝藥的熱積累與熱損失的失衡嚴重惡化，熱生成速率呈指數式升高，引起了炸藥的點火反應。

2.2 裝藥受熱膨脹及點火特性

慢烤過程中，隨著烤箱內溫度的逐漸升高，炸藥裝藥發生軟化變為糊狀，并產生物理膨脹，攝像儀記錄的Sh/Sc=10%裝藥膨脹變化過程如圖4所示。

圖4 Sh/Sc=10%裝藥受熱膨脹過程Fig.4 Thermal expansion process of charge at Sh/Sc=10%

從圖4中可以看出，開始的很長一段時間難以觀察到炸藥有明顯的變化，當箱內溫度升至165.7℃時，從排氣孔處有炸藥向外擠出，向外膨脹擠出的速度較慢；當箱內溫度升至169.3℃時，炸藥從排氣孔擠出的速率明顯增快，這時有大量的糊狀炸藥從排氣孔排出，在端蓋上堆積；當溫度升至172.6℃后，直到發生點火反應的階段，從排氣孔處沒有更多的炸藥向外排出，端蓋上堆積的糊狀炸藥沒有再增加。當烤箱內溫度較低時，裝藥內部PEG等黏結劑在較低溫度時，未發生熔化，炸藥裝藥呈現為固體狀，藥柱強度較高，熱膨脹程度較小，難以發現膨脹變化；當溫度升至165.7℃后，裝藥內部的塑料黏結劑開始發生熔化，裝藥表層變為糊狀，藥柱強度降低，受熱膨脹開始向外排出，當溫度升至169.3℃時。裝藥內部塑料黏結劑整體熔化，裝藥整體呈糊狀，熱膨脹效應增強，糊狀炸藥快速向外排出，當溫度升至172.6℃后，熱膨脹效應不再隨溫度增強，無更多的炸藥向外排出。

隨著烤箱內溫度的逐漸升高，當溫度升至點火臨界溫度時，炸藥裝藥發生點火反應，攝像儀記錄的裝藥點火過程如圖5所示。

圖5 Sh/Sc=10%裝藥點火過程Fig.5 Ignition process of charge at Sh/Sc=10%

從圖5可以看出，當箱內溫度升至179.5℃時，糊狀的炸藥開始向外快速涌出，約2s后，在向外涌出的糊狀炸藥尖端部位出現火點，點火區域快速增大，約1s后，發生瞬態噴濺燃燒，此后火花不斷從排氣孔噴出，維持穩定燃燒反應，大約經過96s，殼體內的裝藥燃燒完全。這是由于當裝藥溫度不斷升高時，炸藥自身熱分解反應速率不斷增加，熱量不斷積累，當箱內溫度升至179.5℃時，高溫環境使炸藥熱分解速率呈指數式升高，經過短暫的加速反應，放出大量的熱，引起了炸藥的劇烈點火反應，當排氣孔面積足夠大時，殼體內部的壓力能快速釋放，燃燒反應沒有轉化為更劇烈的反應，最終只發生了燃燒反應。

2.3 排氣孔占比對裝藥響應溫度的影響

考慮到裝藥時的安全性與便利性，以及試驗工況的統一性，只在Sh/Sc=20%的烤燃彈裝藥內部安裝有傳感器。在慢烤試驗時，所有工況統一在彈壁安裝1個溫度傳感器、烤箱內不同位置安裝2個溫度傳感器。試驗測得不同工況的烤燃彈響應時間和溫度如表1所示。

表1 不同工況響應時的溫度Tab.1 Reaction temperature under different conditions

由表1可以看出，裝藥響應時內部溫度為151℃，不同排氣孔占比的烤燃彈響應時，烤箱的溫度在175.9～182.5℃，響應時間在619～638min，各工況烤燃的響應溫度和響應時間存在較小偏差，Sh/Sc=0%的全密閉烤燃彈，響應溫度、響應時間稍微偏小，考慮到環境溫度的不同、方形烤箱內部存在溫度的不均勻性、試驗設備控溫存在過沖的偏差，各工況烤燃彈的響應時間、響應溫度的較小差異可以忽略，可以得出，排氣孔面積占比對烤燃彈慢烤的響應溫度及響應時間影響較小。

2.4 排氣孔面積占比對裝藥響應劇烈程度的影響

試驗完成后，5種不同排泄孔占比的烤燃彈試驗后殘骸如圖6所示。

從圖6可以看出，當Sh/Sc=20%和Sh/Sc=16%時，烤燃樣彈發生燃燒反應，殘骸如圖6(a)、圖6(b)所示，烤燃彈結構保持完整、未發生變形，烤燃彈周圍散落大量的炸藥燃燒后的殘渣，烤燃箱結構完整，只有燃燒的痕跡；當Sh/Sc=10%，烤燃彈發生了燃爆反應，如圖6(c)所示，烤燃彈端蓋螺紋被拉脫，殼體結構完整，未發生明顯膨脹變形，烤燃箱只剩底板，幾乎完全解體；當Sh/Sc=5%，烤燃彈發生了燃爆反應，如圖6(d)所示，烤燃彈端蓋被剪切沖掉，殼體直徑明顯增大，呈鼓形，有明顯的膨脹變形，烤燃箱無完整結構，完全解體；當Sh/Sc=0，烤燃彈發生了爆炸及以上反應，如圖6(e)所示，烤燃彈和烤箱完全解體，周圍未發現大片殘骸，地上被炸出一個大坑。

圖6 不同工況的試驗殘骸Fig.6 Test remains under different conditions

從試驗結果可以看出，隨著排泄孔面積占比減小，烤燃彈的反應劇烈程度逐漸增加，Sh/Sc=20%、Sh/Sc=16%時，排氣孔能夠快速排出裝藥點火后的產物，釋放壓力，點火后反應速率未增加，發生了燃燒反應；Sh/Sc=10%時，排氣孔較小，造成炸藥點火后的產物及殘藥，排泄時間增長，殼體內壓力未能快速降低，使得炸藥的反應速率有所增加，發生了爆燃反應，造成了端蓋螺紋拉脫；Sh/Sc=5%時，排氣孔更小，造成炸藥點火后的產物及殘藥不能迅速排出，殼體內壓力未能迅速降低，使得炸藥的反應速率快速增加，發生了更為劇烈的爆燃反應，造成了殼體的膨脹及端蓋的迅速剪切破壞，這表明排氣孔的面積縮小，加劇了炸藥點火反應速率的進一步增加，該泄壓孔占比處于臨界值附近；Sh/Sc=0時，無排氣孔，炸藥點火后的產物及殘藥無法排出，殼體內壓力迅速升高，使得炸藥的反應速率迅速增加，發生了劇烈爆炸及以上的反應。

3 結 論

(1)通過對Φ100mm×200mm硝酸酯類PBX炸藥裝藥進行慢烤試驗發現，裝藥發生響應時內部溫度為151℃；在裝藥中心溫度達到136℃之前，裝藥中心處與裝藥半徑1/2邊緣處，兩個位置的溫度差維持不變，在溫度超過136℃后，裝藥熱分解速率明顯增大，裝藥中心溫度升溫速率變快，超過裝藥半徑1/2邊緣處的溫度。

(2)硝酸酯類PBX炸藥裝藥在慢速升溫過程中，裝藥會發生軟化變成糊狀，熱膨脹后從排氣孔處向外擠出；點火反應時，從最后涌出炸藥的頂端內部發生點火，點火過程包括：局部區域點火、點火區域擴大、裝藥瞬態噴濺燃燒、穩定明火燃燒過程，且點火過程持續時間較短、明火燃燒階段時間較長。

(3)對于Φ100mm×200mm的公斤級裝藥慢烤，排氣孔面積占比對響應時間與響應溫度影響較小，但隨著排氣孔占比的減小，裝藥的慢烤響應劇烈程度不斷增大，排泄孔面積與裝藥截面面積比值大于16%，裝藥發生穩定燃燒反應；排泄孔面積與裝藥截面面積比值在5%～10%之間，裝藥發生燃爆反應；排泄孔面積與裝藥截面面積比值小于5%，裝藥發生爆炸及以上反應；排泄孔面積與裝藥截面面積比值必須大于5%，才能較好地控制響應等級，保證殼體結構不發生碎片性破壞。