引信的隔熱與緩釋結構設計及驗證

焦 敏,陳 翔,宋乙丹,劉 濤

(1.中國工程物理研究院 電子工程研究所, 四川 綿陽 621999;2.中國工程物理研究院 化工材料研究所, 四川 綿陽 621999)

0 引言

武器彈藥的不敏感設計主要是針對彈藥中含炸藥的各部組件在經歷高溫、撞擊等意外刺激時的設計改進。對彈藥設計緩釋結構、包覆隔熱層是降低其反應劇烈程度的有效途徑。Kelly[1]通過對侵徹戰斗部頭部設計多孔泄壓的方式使得快速烤燃慢速烤燃試驗反應等級降為燃燒;沈飛等[2]對公斤級裝藥的烤燃彈設計泄壓通道實現了可靠泄壓,避免裝藥反應的進一步增長;陳科全等[3]設計了一種彈體排氣緩釋結構可顯著降低熔鑄炸藥火燒時反應等級同時延長慢烤反應時間;王洪波等[4]研究發現隔熱彈衣可有效延遲裝藥點火反應時間,楊筱等[5]研究炸藥隔熱層存在臨界厚度,且隨升溫速率的增大而減小。總的來說,我國對于彈藥在泄壓緩釋及隔熱包覆方面開展了相關研究,并取得一定的成果。而引信作為彈藥系統中重要組成部分,引信的不敏感設計對提高彈藥系統安全性有重要意義[6]。因引信處于彈體內部,所以相比于撞擊環境,圍繞高溫環境條件下控制引信響應的劇烈程度是引信不敏感設計的重要內容之一,我國在引信傳爆藥烤燃試驗中的熱反應過程演變等方面開展了研究[7-9],但對降低引信反應劇烈程度方面的設計報道較少[10-11],所以研究引信熱緩釋設計來降低其反應劇烈程度對改善彈藥整體安全性具有重要意義。

本研究以引信傳爆藥盒模擬件和引信簡化模擬件為對象,獲得能發揮有效緩釋作用的泄壓面積設計、隔熱材料選型設計方法,通過快速烤燃、慢速烤燃試驗驗證了2種緩釋設計的效果,以期為引信的不敏感設計提供一定的參考。

1 熱緩釋設計

1.1 結構構型設計

由于引信的熱敏感部位主要集中在含火工品炸藥的位置,即其傳爆序列組件,因此,本研究中采用2種模擬件進行研究,一是將傳爆序列組件簡化為傳爆藥盒作為對象,通過設計傳爆藥盒的泄放面積大小來達到熱緩釋的效果;二是以引信簡化模擬件為對象,通過對外表面涂覆不同厚度隔熱材料來達到熱緩釋的效果。

傳爆藥盒材料為鋁合金,殼體厚度為4 mm,內腔尺寸Φ20 mm×31 mm,炸藥藥柱采用以RDX為基的裝藥,其密度為1.65 g/cm3,主要組分為RDX、氟橡膠和石墨(質量分數為96.5%、3.0%、0.5%)。傳爆藥盒結構示意圖如圖1所示,分為3類:① 殼體不設計泄壓孔,殼體與端蓋的連接關系與全引信保持一致;② 殼體設計泄壓孔,通過泄壓孔面積的設計達到泄放目的,藥柱與殼體間無裝配膠;③ 殼體設計泄壓孔滿足泄放目的,藥柱與殼體之間涂覆裝配膠,驗證裝配膠對泄放的作用。

圖1 傳爆藥盒示意圖

引信簡化模擬件,將電路組件部分采用等效件,傳爆藥盒殼體、引信殼體結構和材料及傳爆藥盒與殼體的連接關系與全引信保持一致,結構示意圖如圖2所示。

圖2 引信簡化模擬件示意圖Fig.2 Schematic of simplified fuze

1.2 泄放面積設計

熱環境下的能量泄放,就是解決在炸藥燃燒時壓力增長與釋放之間平衡的問題。Kinney and Sewell[12]依據內彈道中含能材料燃燒的規律,得到壓力增長率為

(1)

式中:R為普適氣體常數,取8.314 J/(mol·K),V為體積(m3);TB為火焰溫度(K);M為燃燒時氣體產物分子的平均摩爾質量(kg/mol);ρ為炸藥的密度(kg/m3);T0為點火時刻的炸藥溫度(K);α、A、B為炸藥燃燒速率與溫度之間的關系,通過試驗測得。SB為燃燒面積(m2);P為絕對壓強。

Graham等[13]得到的壓力釋放率公式

(2)

式中:AV為泄壓面積,CD為排氣系數(0.6～1.0),當泄壓孔為圓形時,取0.82;a*為氣體通過氣孔的速度。

為使傳爆藥穩定燃燒而不發生爆轟反應,氣體的壓力釋放率大于等于傳爆藥燃燒的氣體壓力增長率。所以,

(3)

才能達到釋放壓力的作用。

所以,這里根據胡榮祖等[14]得到RDX(C3H6N6O6)密度1 660 kg/m3,氣體產物平均摩爾質量為27.2 g/mol。Sinditskii等[15]的試驗得到RDX相關的燃燒速率與溫度之間的關系,得到α為10-8m/(s·K),A為34.089,B為0.028 53 K-1。根據Graham等[13]研究成果,這里氣體通過氣孔的速度為735 m/s。試驗測試得到點火溫度為463 K,由此計算出傳爆藥盒泄壓孔的孔徑大于等于1.1 mm,取整后取最小孔徑為2 mm。

1.3 隔熱材料選型設計

在高溫高熱環境下,隔熱材料的選擇不僅考慮隔熱效果,還要考慮材料的防火性能[16]。這里選擇以防火阻燃樹脂復合改性阻燃樹脂材料為基礎,調節阻燃劑、成炭劑、隔熱填料、發泡劑以及助劑和溶劑的比例。通過對2、4 mm厚度隔熱防護涂層的樣品(見圖3)進行加熱測試。測試在500、600、800、1 000 ℃加熱時涂層樣品背面溫度情況,發現阻燃隔熱性能與涂層厚度成正相關,如圖4所示。而測試后的樣品如圖5(a)和圖5(b)所示,發現涂層表面均有部分裂紋,這種裂紋的存在一方面大大降低了涂層本身的阻燃隔熱效果,另一方面,高溫火焰可通過裂紋對涂層內部材料進行燒蝕,這也加速了涂層的失效速度。在測試過程中,樣品表面均出現了碳層,碳層的存在將大大提高了涂層的熱輻射性能,同時對涂層的阻燃隔熱性能也有了一定程度提升。因此,將采用引信模擬件進行2、4 mm隔熱防火涂層材料的涂覆。

圖3 涂層樣品

圖5 不同溫度測試后樣品狀態

2 兩種熱緩釋設計的試驗驗證

2.1 泄壓孔設計的慢烤試驗結果及分析

將傳爆藥盒試驗件放置在見證鋼盒內,慢烤箱在產品表面布置溫度傳感器、箱內正中放置一個溫度傳感器作為主控溫度傳感器,如圖6所示。

圖6 慢烤試驗狀態

以5 ℃/min的升溫速率將箱內溫度升至120 ℃,在120 ℃下試驗件達到熱平衡,然后以1 ℃/h升溫速率升高試驗箱內溫度,直至升溫至345 ℃或發生反應為止,試驗全過程實時監測和記錄溫度數據。為驗證泄壓孔的泄放作用、裝配膠的影響,依據2.2節分析,共設計4種狀態的試驗產品,包括無泄壓孔設計和無灌封膠狀態、單個泄壓孔設計和無灌封膠狀態、單個泄壓孔設計和含灌封膠狀態以及雙泄壓孔設計和無灌封膠狀態,如表1所示。

表1 泄壓孔設計狀態

試驗中發現,無泄壓孔設計的試驗件發生反應時發出巨大聲響,在高溫作用下,炸藥在有限密閉空間內快速分解產生大量氣體,使得慢烤箱被炸毀,見證鋼盒整體嚴重變形,鋼盒底部與頂部被沖出明顯圓形凹坑,如圖7(a)所示;而設計泄壓孔的試驗件,試驗后查看部分裝藥從孔內噴出到慢烤箱體上,炸藥在快速分解的同時,通過泄壓孔迅速釋放大量氣體,使得反應明顯比無泄壓孔時更弱,見證鋼盒僅有微小變形,如圖7(b)所示。

圖7 有無泄壓孔試驗件在慢烤試驗后見證鋼盒變形情況

而對于不同泄壓面積的2個試驗件,雙孔比單孔的反應明顯減弱。單孔反應后試驗件破裂多塊破片,如圖8(a)所示;而雙孔反應后試驗件外殼完整保留,反應過程中,觀察到炸藥相繼從2個孔中噴出裝藥,噴射到慢烤箱內,炸藥噴出位置有明顯燒蝕痕跡,說明泄壓孔釋放掉部分氣體壓力,炸藥僅發生了燃燒,如圖8(b)所示。

圖8 不同數量泄壓孔設計的試驗件在慢烤試驗后的碎片回收情況

對于裝藥是否包覆裝配膠,從試驗結果看,如圖8(a)和圖9所示,包覆裝配膠的泄壓孔設計,在反應時比無包覆裝配膠的反應更加劇烈,回收的殼體碎片更多更小。分析原因可能是因為包覆膠對裝藥的包裹使得裝藥噴出受阻,從一定程度上加強了裝藥的密封性,致使氣體在有限空間內急劇膨脹。

圖9 含灌封膠設計的試驗件在慢烤試驗后試驗件回收情況

2.2 隔熱設計的快烤試驗結果及分析

將如圖10所示的引信模擬件放置于航空煤油油池上方進行火燒,為確保模擬件處于火焰高溫區,將模擬件放置在距離油面30 cm上方左右,通過點燃煤油對模擬件進行加熱,保證火焰溫度達到550 ℃到發生反應時間內的平均溫度應不低于800 ℃。

圖10 模擬件示意圖

依據2.3節的分析,對引信模擬件進行2、4 mm厚度的隔熱層涂覆,如圖11所示。分別對無隔熱層、2 mm隔熱層、4 mm隔熱層進行快烤試驗,試驗過程中圖像如圖12所示。記錄3種模擬件試驗,聽到爆響聲的時間分別為93、442、567 s,如表2所示。隔熱層能夠顯著降低模擬件的升溫速率,大幅延長引信模擬件的反應開始時間。但從反應時刻火焰和爆響聲劇烈程度,以及如圖13所示的模擬件反應殘骸可以判斷,3種模擬件反應劇烈程度相當。所以,隔熱層的涂覆能明顯延緩引信反應時間,并不能減弱引信反應等級。

表2 不同隔熱層厚度引信的反應時間

圖11 引信涂覆模擬件

圖12 烤燃過程視頻截圖

圖13 模擬件殘骸

3 結論

針對以某RDX基炸藥壓裝裝藥的傳爆藥盒、引信模擬件進行熱緩釋設計,通過對泄壓面積進行調整、涂覆隔熱材料等方法,探索引信在快速烤燃、慢速烤燃環境下的反應情況,并對其熱緩釋效果進行了驗證。得到如下結論:

1) 泄壓孔的設計能顯著減弱傳爆藥盒的反應等級,且泄壓面積的增大加強了熱緩釋效果。

2) 對于含泄壓孔設計的傳爆藥盒裝藥包覆裝配膠后,一定程度上提升了裝藥的密封性,使得包覆后反應比無包覆的反應更加劇烈,但該反應程度與泄壓面積和包覆層對裝藥密封性的提升程度的匹配性均有較大關系,還需進一步研究。

3) 涂覆隔熱層材料的引信模擬件可以明顯延緩引信反應時間,但對反應劇烈程度的影響微弱。根據工程應用空間的有限性,建議采用2 mm涂覆厚度進行設計。