泄壓孔堵螺材料對引信泄壓效果的影響

徐 瑞,鄒金龍,劉瑞峰,曲卓君,班繪豐

(1.西安機電信息技術研究所,陜西 西安 710065;2.機電動態控制重點實驗室,陜西 西安 710065)

0 引言

自從不敏感彈藥的概念被提出以來,如何提高彈藥系統在意外刺激下的安全性始終是不敏感彈藥研究的重點問題。經過多年的研究,不敏感含能材料和危害緩解結構逐漸成為降低彈藥系統在意外刺激下響應等級的重要手段。在危害緩解結構中,緩釋泄壓結構是用于降低彈藥在熱刺激下的響應等級的一種常用結構。

本世紀初,國外就對緩釋泄壓結構的有效性開展了初步研究[1],證實了緩釋泄壓結構可以有效降低彈藥在熱刺激下響應的劇烈程度。隨后,國外陸續開展了不同裝藥烤燃彈在緩釋泄壓結構作用下的響應特性研究[2-3],泄壓孔尺寸、升溫速率對彈藥響應特性影響研究[4]以及泄壓孔臨界尺寸計算[5-6]等,對緩釋泄壓結構作用下彈藥的響應特性有了較充分的研究。國內對于緩釋泄壓結構的研究起步較晚,在緩釋泄壓結構設計[7-8]及泄壓孔尺寸設計[9]方向取得了一定成果,但對于緩釋泄壓結構的設計原理及方法依然缺乏深入的認識,尤其缺乏對引信泄壓緩釋結構設計原理的深入研究。由于引信傳爆序列裝藥相比戰斗部裝藥密度較低、更容易起爆,所以當彈藥經歷烤燃、破片撞擊等極端環境時,即使戰斗部采用了緩釋泄壓設計,如果引信傳爆序列裝藥先于戰斗部主裝藥發生爆炸、爆轟等劇烈反應的話,依然會引爆戰斗部主裝藥,使得彈藥系統無法滿足不敏感彈藥要求。為此,本文在對引信使用環境分析的基礎上,研究不同低熔點材料作用下引信泄壓孔堵螺的作用效果,以期為引信緩釋泄壓結構設計提供借鑒。

1 慢速烤燃引信響應特性研究

1.1 無泄壓引信響應特性

為了研究引信在慢速烤燃條件下的響應特性,以典型中大口徑榴彈引信為研究對象進行慢速烤燃試驗,引信導爆藥、傳爆藥均為FOX-7。采用烤燃試驗爐對引信進行加熱,引信樣機在爐體內裝配方式為吊裝。以12 ℃/h快速升溫至120 ℃,然后以3.3 ℃/h的升溫速率逐漸加熱直至反應結束。

無泄壓引信響應情況見圖1。編號1引信響應時刻外壁溫度為189.1 ℃,編號2引信響應時刻外壁溫度為186.8 ℃。引信響應后殼體完全破壞失效,引信體破碎成大量大小不一的破片,響應等級判斷為爆轟。可以看出,無泄壓孔時,引信在慢速烤燃條件下會發生劇烈的爆轟反應,引信輸出能量很有可能直接引爆戰斗部,造成嚴重后果。因此,引信需要進行緩釋泄壓設計,使得引信可以在烤燃環境下滿足不敏感彈藥的要求,降低其在意外刺激下響應的劇烈程度。

圖1 無泄壓引信響應情況

1.2 泄壓結構作用原理

引信泄壓結構的作用原理是:通過降低引信內部由于裝藥受熱反應產生的氣體壓力,控制傳爆序列反應速率,從而維持引信裝藥處于穩定燃燒狀態,避免裝藥發生由燃燒向爆炸、爆轟的狀態轉化。由于裝藥受熱反應過程是一個持續相互作用的促進和循環過程,故泄壓技術的關鍵是如何保證氣體的產生與釋放的平衡,從而保證裝藥內部的壓力穩定。泄壓通道的氣體釋放效率會直接影響泄壓效果,因此泄壓孔堵螺應在合適的時機作用,保證引信內部壓力能夠及時釋放。

2 引信泄壓孔堵螺材料選用要求

引信在全壽命周期內可能遇到的環境包括勤務處理環境、發射環境、彈道環境和目標區終點環境等。為了滿足引信在全壽命周期內的安全性要求,密封性要求泄壓孔設計應保證其在常溫環境下有較好的安定性,同時滿足不同過載環境下的使用要求。

為了確保緩釋泄壓結構在烤燃環境下有效作用,在引信內部設計合理的泄壓通道,確定泄壓通道尺寸之后,選擇合適的溫度敏感材料作為泄壓通道出口堵螺是關鍵。由于引信在其全壽命周期內會經歷多種復雜環境,因此堵螺材料的選擇需要確保密封性的同時,還應具有對溫度或壓力敏感的特性,可以在溫度或壓力升高的條件下達到釋放引信體內部壓力的作用。

常用泄壓結構分為兩類:1) 以高強度金屬作為泄壓孔堵螺材料,通過刻槽、降低厚度等方式設置薄弱環節,當彈體內部壓力達到設計泄壓閾值時,泄壓孔堵螺破裂,形成泄壓通道;2) 以低熔點材料作為泄壓孔堵螺材料,當溫度達到某個臨界值時,低熔點材料熔化,形成泄壓通道。

為了滿足引信使用環境要求,緩釋泄壓結構應具有一定強度。采用刻槽、降低厚度等方式設置緩釋泄壓結構會降低引信在沖擊、高過載等環境下的安全性。因此,選用低熔點材料作為引信用泄壓孔堵螺材料。

為了更好地選擇引信泄壓孔堵螺材料,采用數值模擬對引信的響應特性進行研究。計算時,為方便求解,對引信烤燃數值模擬做如下假設:

1) 慢速烤燃過程中的傳熱方式僅考慮熱傳導;

2) 慢速烤燃過程中殼體材料參數保持不變,且殼體與藥柱間無間隙;

3) 烤燃過程中炸藥物理化學參數保持不變;

4) 炸藥的自熱反應遵循Arrhenius方程。

炸藥的烤燃過程中在烤燃彈內部系統中的質量、動量、能量的連續方程可以用以下通用形式來表示:

(1)

式(1)中,φ為通用變量,包含質量、動量、能量等;ρ為流體密度;Γ為通用的擴散系數;μ為粘度(kg/m);S代表炸藥自熱反應源項(J)。

根據Arrhenius定律,FOX-7炸藥的自熱反應源項為

S=ρ·Q·Z·exp(-E/RT)·f(α),

(2)

式(2)中,ρ為炸藥密度(kg/m3),Q為反應熱(J/kg);Z為指前因子(s-1);E為活化能(J/mol);R為普適氣體常數,R=8.314(J/(mol·K);T為溫度(K);f(α)為反應機理函數,采用零級反應進行計算,因此f(α)=1。

FOX-7炸藥的物性參數與化學反應動力學參數[10-11]如表1所示。

表1 FOX-7炸藥物性參數與化學反應動力學參數

表2為仿真結果與試驗結果對比。可以看出,仿真與試驗誤差均小于5%,參數取值可信。仿真結果可以較好地模擬真實試驗的溫度分布情況。

表2 仿真與試驗結果

圖2為引信不同時刻溫度云圖。響應時刻,引信點火位置位于傳爆藥中心。FOX-7炸藥為壓裝炸藥,裝藥點火后初始燃燒并非是規則的層流燃燒,而是與裝藥內部裂紋、孔隙相關的復雜對流燃燒,傳爆藥中心發生點火后,高溫高壓氣體首先由中心產生,高溫高壓氣體產生后會進一步加速傳爆藥燃燒反應,導致傳爆藥由燃燒反應轉變為爆轟反應。可見,泄壓孔堵螺需要在傳爆藥發生燃燒轉爆轟反應之前有效作用,才可以降低引信響應的劇烈程度。

圖2 引信不同時刻溫度云圖

圖3為數值模擬得到的引信慢速烤燃溫度曲線。3.3 ℃/h升溫速率下,引信點火時刻外壁溫度194.5 ℃,傳爆藥溫度205.2 ℃。為了保證引信泄壓孔堵螺有效作用,泄壓孔堵螺材料的熔點應該低于引信點火時刻外壁溫度194.5 ℃,并且要在引信響應溫度或其以下時能夠有效打開泄壓通道,釋放引信內部壓力,才能達到降低引信響應劇烈程度的作用。同時,為了保證引信的使用性能,泄壓孔堵螺材料應在引信高溫貯存溫度(71 ℃)以下保證足夠的強度,并且理化性能不發生轉變。

圖3 引信慢速烤燃溫度曲線

選用鉛鉍合金(lead bismuth eutectic,LBE)以及超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)為泄壓孔堵螺材料,表3為選用材料的主要參數性能。

表3 低熔點材料參數性能[12-13]

對引信內部材料與低熔點材料共同進行升溫試驗,每20 ℃觀測一次,觀察不同溫度下材料狀態變化。不同溫度下材料狀態見圖4,圖中從左至右依次為引信風帽、聚砜、超高分子量聚乙烯、鉛鉍合金。初始狀態下,引信各零部件材料與低熔點材料均為固態;120 ℃時,低熔點材料強度發生變化,形狀無明顯變化;140 ℃時,低熔點材料出現狀態轉變,鉛鉍合金完全熔化,熔化后具有流動性,高分子量聚乙烯外側變透明,變透明部分軟化變形;160 ℃時,高分子量聚乙烯完全透明變形,材料完全軟化。可以看出,120 ℃時兩種材料理化性能均未發生明顯變化,能夠滿足引信高溫貯存溫度要求,鉛鉍合金在熔化后具有流動性,采用鉛鉍合金作為泄壓孔堵螺材料其會在達到金屬熔點后完全熔化流出,形成排氣通道,提前釋放引信體內部壓力,保證引信泄壓通道在內部壓力升高前已完全打開。超高分子量聚乙烯材料達到熔點后發生變形、軟化,但作為泄壓孔堵螺材料時引信內部排氣通道不會完全打開,需要有一定氣體壓力才可以沖開泄壓孔,當排氣通道打開較晚時,泄壓孔無法有效降低引信響應劇烈程度。因此,需要進一步試驗進行對比,驗證超高分子量聚乙烯材料作為泄壓孔堵螺的可行性。

圖4 不同溫度材料狀態

3 試驗驗證

在引信體側壁設置直徑5 mm的泄壓孔,如圖5所示。泄壓孔堵螺材料分別為超高分子量聚乙烯和鉛鉍合金,每種材料各進行三發平行試驗,綜合評價不同材料的泄壓作用效果。

圖5 引信體泄壓孔

圖6為超高分子量聚乙烯泄壓孔堵螺響應情況。其中,編號3的樣機傳爆管與導爆管底部均被剪切破壞,引信體側面有碰撞變形痕跡,初步判斷為引信體響應后與爐體碰撞后產生變形。編號4的引信樣機僅傳爆管底部被剪切破壞,導爆管完好,引信體無明顯變形;編號5的引信樣機傳爆管底部凸起,未被剪切破壞,僅頭部風帽脫落。

圖6 超高分子量聚乙烯泄壓孔堵螺樣機破壞情況

圖7為鉛鉍合金泄壓孔堵螺響應情況。三發鉛鉍合金泄壓孔堵螺引信樣機破壞模式均為傳爆管底部被剪切破壞,傳爆管底部被剪切后均形成完整圓形破片,編號6與7號樣機引信體外壁均有明顯碰撞變形,初步判斷為引信響應后與爐體碰撞產生變形。

圖7 鉛鉍合金泄壓孔堵螺樣機破壞情況

表4為不同引信樣機響應溫度及破壞情況。可以看出,無泄壓孔時引信響應平均溫度最低,鉛鉍合金泄壓孔堵螺響應平均溫度高于超高分子量聚乙烯泄壓孔堵螺;兩種泄壓孔堵螺材料均可以有效降低引信響應劇烈程度,表明超高分子量聚乙烯材料在內部壓力下順利打開了泄壓通道。但超高分子量聚乙烯泄壓孔堵螺響應后殼體破壞情況具有一定的不確定性,三發分別呈現不同破壞狀態,鉛鉍合金泄壓孔堵螺響應情況具有較好的一致性,說明超高分子聚乙烯材料軟化后強度不一致,泄壓通道打開時間具有不確定性,導致三發引信殼體破壞程度不一致。

表4 不同引信樣機響應溫度及破壞情況

對于超高分子量聚乙烯泄壓孔堵螺,其在軟化變形后強度降低,部分傳爆藥氣體通過泄壓孔排出,導致引信內部熱量部分散失,響應時刻平均溫度升高,但超高分子量聚乙烯并未完全沖出,而是氣體壓力達到其失效閾值后被完全沖開。由于引信鄰近響應時刻氣體壓力上升速率較快,同時超高分子量聚乙烯的變形程度及熔化后的強度缺乏一致性,使得點火時刻傳爆管內部壓力不一致,造成三發引信出現不同的破壞模式。

對于鉛鉍合金泄壓孔堵螺,其在140 ℃前已完全熔化流出,泄壓孔處于開放狀態,傳爆藥內部熱量與氣體壓力通過泄壓孔排出。由于熱量散失,傳爆藥自熱反應時間延長,導致最終響應時刻溫度較高。同時,鉛鉍合金泄壓孔堵螺熔化后均流出到引信體外部,使得傳爆管內部熱分解產生的氣體均有效排出,點火時刻傳爆管內部壓力有較好的一致性,三發引信的破壞模式也具有良好的一致性。

4 結論

本文通過對比不同泄壓孔堵螺材料的性能,結合數值模擬對不同泄壓孔堵螺材料的選用要求進行分析,通過慢速烤燃試驗得出不同泄壓孔堵螺材料作用下引信的響應特征,通過與無泄壓引信響應特征進行對比,可以得出以下結論:

1) 不同泄壓孔堵螺材料均可以有效降低引信響應劇烈程度。

2) 超高分子量聚乙烯作為泄壓孔堵螺材料其在達到熔點后僅發生軟化、變形,泄壓通道并未完全打開,且其變形程度及軟化后強度缺乏一致性,導致點火后引信內部壓力不一致,引信也出現不同的破壞模式。

3) 易熔合金作為泄壓孔堵螺材料其在達到熔點后完全熔化流出,泄壓通道完全打開,引信響應時刻內部壓力一致,使得引信響應劇烈程度具有較高的一致性,能夠保證引信破壞程度的一致性。