阻燃隔層對云爆戰斗部拋撒性能的影響?

何 超 杜海文 王世英 周 濤 韓天一

西安近代化學研究所（陜西西安，710065）

0 引言

云爆彈又稱燃料空氣炸彈，是一種毀傷威力大、作用范圍廣、能量利用率高的面殺傷性武器[1]。 不同于現階段的常規戰斗部，云爆戰斗部是內部裝填不含氧或者含少量氧的純液態或者液固混合態燃料的一種新型戰斗部[2]。 云爆戰斗部的作用過程分為兩個階段:第一階段，通過拋撒藥爆炸拋撒燃料，與空氣混合形成燃料空氣炸藥云團；第二階段，通過高能炸藥對燃料空氣炸藥云團進行二次起爆，形成云霧爆轟[3]。 因此，燃料的拋撒是云霧爆轟的前提條件。 燃料拋撒及云霧形成規律一直是國內外學者研究的熱點[4-6]。 在燃料拋撒形成云霧的過程中，提前發生點火燃燒的現象稱為竄火。 竄火的發生極大地降低了云爆戰斗部的作用威力。 因此，解決竄火問題是云爆戰斗部研究的一個重要方面[7]。

針對云爆戰斗部燃料拋撒及竄火的問題，國內前期開展了大量研究工作。 張奇等[8]認為，拋撒過程中竄火現象的發生與中心拋撒藥量有關，中心拋撒藥量越大，越容易竄火。 杜海文等[9]通過數值仿真及實驗研究，得出比藥量（中心拋撒藥與燃料裝藥的質量比）是影響燃料初始階段拋撒竄火的主要因素；針對實驗用液固型云爆劑，比藥量在0.95%～1.70%范圍內，不會導致竄火。 為了解決燃料在拋撒過程中的竄火問題，史遠通等[10]通過數值計算模型，對中心拋撒裝藥的爆炸空腔及腔內溫度的變化規律進行了研究并得出，與耦合中心拋撒裝藥相比，采用不耦合中心拋撒裝藥的爆炸空腔內的溫度衰減較快，安全性更好。 肖紹清[11]研究了T 型拋撒裝藥結構，采用直徑不同的拋撒藥柱進行間隔裝填，并在剩余的空間內填充多孔惰性材料，得出T 型拋撒裝藥結構對抑制竄火有利。 趙志國等[12]采用T 型拋撒裝藥結構代替柱形裝藥，并用調低敏感組分含量的液體燃料代替原液固型燃料，解決了300 kg 級云爆戰斗部靜爆實驗竄火問題。

以往研究大多集中于中心拋撒藥量的調整或拋撒裝藥結構的優化，少量涉及燃料配方的優化。 但這些方法仍不能完全抑制爆炸拋撒過程中的竄火問題。 為此，王永旭等[13]將阻燃介質填充于中心拋撒藥周圍，用以抑制中心拋撒藥爆炸產生的高溫和火焰，并進行了1 kg 裝藥的燃料拋撒實驗，一定程度上驗證了該裝藥的有效性，但由于裝藥量太小，放大之后的有效性還有待進一步驗證。

在前人研究的基礎上，不改變中心拋撒裝藥及燃料配方，采取在中心拋撒藥與燃料間增加阻燃隔層的方法解決竄火問題。 通過60 kg 級裝藥燃料拋撒實驗對阻燃隔層的防竄火性能進行驗證。 并研究了不同隔層厚度對燃料拋撒的影響，得出最佳設計參數，以期為云爆戰斗部的優化設計提供參考。

1 實驗裝置

云爆戰斗部尺寸為?320 mm×700 mm，主要由雷管座、中心拋撒藥、阻燃隔層、中心管、燃料和殼體組成，結構如圖1 所示。

其中，殼體為圓柱形薄璧筒體結構，材料為Q235 鋼，側壁厚度為4 mm，側壁外壁預制軸向V 形應力槽；燃料為液固型，主要由高密度液態燃料和鋁粉組成，裝填密度1.26 g/cm3，裝填質量60～61 kg；中心拋撒藥為高能炸藥，拋撒藥直徑為50 mm，拋撒藥質量為2.1 kg，比藥量為3.5%。

阻燃隔層裝填于中心拋撒藥與中心管之間。 阻燃材料為ABC 干粉滅火劑。 阻燃材料采用分次振動裝填方式，單次裝填（100 ±5） g 后，振動60 s，再進行下一次裝填，裝填形態為粉末狀，要求裝填密度達（0.65 ±0.02） g/cm3。 為研究阻燃隔層厚度對拋撒的影響，在保持中心拋撒藥狀態一致的前提下，共設計了厚度為0（1＃）、5（2＃）、10（3＃）、15（4＃） mm 和20（5＃）mm 5 種實驗狀態。 每種狀態實驗裝置為2發，分別對應編號為1＃-1、1＃-2、2＃-1、2＃-2、3＃-1、3＃-2、4＃-1、4＃-2、5＃-1 和5＃-2。

2 實驗及測試方法

爆心選擇在平坦、開闊的地面上。 將實驗裝置豎直放置于高1.5 m 的木制彈架上，通過8＃工業雷管起爆。 為獲取云團隨時間的變化規律，采用高速相機記錄燃料爆炸拋撒的整個過程。 高速相機布設于鋼制掩體后方，距離爆心100 m。 高速相機型號為Fastcam Mini UX100，拍攝速度為2 000 幀/s。

3 實驗結果及分析

3.1 燃料拋撒過程及現象

通過高速相機分別記錄了5 種狀態共10 發實驗裝置的作用過程，如圖2～圖6 所示。

圖2 為1＃實驗（無阻燃隔層）中燃料的拋撒過程。 1 ms 時刻，產生明亮的火光，火光將實驗裝置完全覆蓋；10 ms 時刻，燃料已大部分發生燃燒，并且火勢進一步擴大；30 ms 時刻，燃料已完全燃燒。結果表明，在無阻燃隔層的情況下，實驗裝置1＃-1和1＃-2 在拋撒初期即發生劇烈的竄火現象。

圖3 為2＃實驗中燃料的拋撒過程。 由圖3 可見:1 ms 時刻，產生明亮的火光，火光基本將實驗裝置覆蓋；10 ms 時刻，部分云團發生燃燒，并且火勢進一步擴大；30 ms 時刻，云團已大部分燃燒；50 ms時刻，云團已完全燃燒。 結果表明，在阻燃隔層厚度5 mm 的情況下，實驗裝置在拋撒時仍發生竄火現象，但劇烈程度低于無阻燃隔層狀態。

圖4 ～圖6 分別為3＃、4＃、5＃實驗中燃料的拋撒過程。 以上實驗裝置均實現燃料的正常拋撒，未發生竄火現象，至80 ms 時刻，云團正常形成。 結果表明，在阻燃隔層厚度為10～20 mm 的情況下，燃料均可正常拋撒，未發生竄火現象。

圖4 3＃實驗的拋撒過程Fig.4 Spreading process in Experiment 3＃

圖5 4＃實驗的拋撒過程Fig.5 Spreading process in Experiment 4＃

圖6 5＃實驗的拋撒過程Fig.6 Spreading process in Experiment 5＃

3.2 云霧運動特性

為獲取云霧運動特性，對高速相機記錄的燃料拋撒過程進行處理和分析，可以得到云霧尺寸、擴展速度隨時間的變化規律。

3.2.1 云霧徑向擴散特性

1＃-1、1＃-2 裝置在燃料拋撒初期即發生竄火，無法觀測云霧的擴散過程；2＃-1、2＃-2 裝置在20 ms 以后竄火導致劇烈燃燒，因此只能觀測到20 ms 以內的云霧擴散過程；3＃-1、3＃-2、4＃-1、4＃-2、5＃-1、5＃-2 裝置燃料均正常拋撒，可觀測到云霧擴散全過程。

圖7 為云霧直徑D隨時間t的變化曲線。 由圖7 可知，云霧直徑隨時間的延長而遞增。 0～20 ms 范圍內，相同時刻的云霧直徑由大到小排序為:2＃、3＃、4＃、5＃；20～80 ms 范圍內，相同時刻的云霧直徑由大到小排序為:3＃、4＃、5＃；80～100 ms 范圍內，云霧直徑不再增加，3＃-1、3＃-2、4＃-1、4＃-2、5＃-1 和5＃-2 實驗裝置所形成的最終云霧直徑分別為18.3、18.5、17.4、17.1、16.2 m 和15.9 m。

圖7 云霧直徑隨時間的變化曲線Fig.7 Curves of cloud diameter changing with time

對圖7 求導，得到云霧徑向運動速度v隨時間t的變化關系，如圖8 所示。 由圖8 可見，燃料徑向擴散速度隨時間的增加而遞減，2＃-1、2＃-2、3＃-1、3＃-2、4＃-1、4＃-2、5＃-1 和5＃-2 實驗裝置徑向拋撒初速分別為580、592、548、532、488、492、438 m/s 和425 m/s，徑向拋撒初速由大到小排序為:2＃、3＃、4＃、5＃。

圖8 云霧徑向擴散速度隨時間的變化曲線Fig.8 Curves of radial diffusion velocity of cloud changing with time

3.2.2 云霧軸向擴散特性

圖9 為云霧厚度H隨時間t的變化曲線。 由圖9 可見:0～40 ms 范圍內，云霧厚度隨時間遞增；40～100 ms 范圍內，云霧厚度無變化，相同時刻不同狀態實驗裝置云霧厚度相當，最終H ＝3.3～3.4 m。

圖9 云霧厚度隨時間的變化曲線Fig.9 Curves of cloud thickness changing with time

對圖9 進行求導，可以得到云霧軸向運動速度v隨時間t的變化關系，如圖10 所示。 由圖10 可見:0～40 ms 范圍內，燃料軸向擴散速度隨時間的增加而遞減，不同狀態實驗裝置軸向拋撒初速為158～170 m/s，無明顯差異；40～100 ms 范圍內，燃料軸向擴散速度降低，至趨近于0。

圖10 云霧軸向擴散速度隨時間的變化曲線Fig.10 Curves of axial diffusion velocity of cloud changing with time

3.3 阻燃隔層對拋撒過程的影響分析

3.3.1 阻燃隔層對竄火的影響

1＃-1、1＃-2 實驗裝置無阻燃隔層，在拋撒初期即發生劇烈竄火；因此，無燃料拋撒過程。 2＃-1、2＃-2實驗裝置阻燃隔層厚度為5 mm，拋撒過程中發生竄火，30 ms 時大部分云霧發生燃燒。 3＃-1、3＃-2、4＃-1、4＃-2、5＃-1 和5＃-2 實驗裝置阻燃隔層厚度為10～20 mm，拋撒過程未發生竄火，云霧正常形成，表明隨著阻燃隔層厚度的增加，竄火問題得到改善。

針對60 kg 級裝藥實驗裝置，當阻燃隔層厚度不小于10 mm 時，能有效抑制竄火。

3.3.2 阻燃隔層對云霧半徑的影響

圖11 為不同徑向擴散參數與阻燃隔層厚度δ的對應關系。 隨著阻燃隔層厚度的增加，徑向拋撒初速以及云霧直徑均減小，阻燃隔層厚度由10 mm增加至20 mm，燃料徑向拋撒初速及云霧直徑分別減小了20%和13%。

圖11 不同徑向擴散參數與阻燃隔層厚度的對應關系Fig.11 Relatonship between different radial diffusion paraments and the thickness of flame-retardant layer

依據實驗數據，擬合出云霧直徑D與阻燃隔層厚度δ的關系式:D ＝20.75 -220δ。

3.3.3 阻燃隔層對云霧厚度的影響

圖12 為不同軸向擴散參數與阻燃隔層厚度的對應關系。 不同阻燃隔層厚度下，軸向拋撒初速以及云霧厚度均無明顯變化。

圖12 不同軸向擴散參數與阻燃隔層厚度的對應關系Fig.12 Relatonship between different radial diffusion paraments and the thickness of flame-retardant layer

3.3.4 阻燃隔層對二次起爆的影響

依據實驗得到的云霧尺寸，可計算出云霧的體積，進而得出云霧平均濃度（表1）。 由表1 可知，隨著阻燃隔層厚度的增加，由于云霧直徑減小，造成云霧體積減小、云霧平均濃度增加。 阻燃隔層厚度為10～20 mm 時，所形成云霧的云霧平均濃度為88 ～108 g/m3，濃度范圍處于該燃料爆炸極限范圍（45～205 g/m3）內，因此，不會降低二次起爆可靠性。

表1 不同實驗裝置云霧平均濃度計算結果Tab.1 Calculation results of average concentration of cloud for different experimental

對5＃-2 實驗裝置拋撒形成的云霧進行了二次起爆。 云霧可以正常起爆形成爆轟火球（圖13）。

圖13 5＃-2 實驗裝置云霧爆轟火球Fig.13 Detonation fireball of cloud in Experiment 5＃-2

3.4 機理分析

針對戰斗部燃料拋撒竄火機理，賈承志等[14]對燃料分散過程進行數值模擬得出，中心拋撒藥起爆后產生高溫、高壓環境，當溫度高于燃料自燃點，且濃度位于燃料爆炸極限區間內時，即發生竄火。

ABC 干粉的滅火原理主要體現在兩個方面:一是ABC 干粉中的磷酸二氫銨NH4H2PO4在燃燒火焰中吸熱并分解出氨NH3和磷酸H3PO4，高溫下磷酸進一步分解生成五氧化二磷P2O5，反應過程中吸收大量熱，故有較好的降溫作用；二是分解產生的游離氨能與火焰燃燒反應中產生的OH 自由基反應，減少并終止燃燒反應產生的自由基，降低了燃燒反應速率[15]。 因此，依靠ABC 干粉阻燃隔層降低中心拋撒藥爆轟產物的溫度，抑制燃燒火焰，可達到防竄火的目的。 阻燃隔層厚度越大，ABC 干粉的量就越多，反應吸收的熱量也越多，防竄火性能更好。

燃料拋撒主要依靠中心拋撒藥爆轟產物的膨脹壓力來驅動。 凝聚相炸藥爆轟產物狀態方程為

式中:p為爆轟產物的壓力；v為爆轟產物的比容；A、k分別為與炸藥性質相關的常數。

ABC 干粉滅火劑顆粒度小、裝填密度低、裝填狀態較為松散，相較于燃料，約束性更弱。 因此，當存在阻燃隔層時，中心拋撒藥爆轟產物向外膨脹的速度更快。 由式（1）可知，比容v快速增加時，壓力p迅速降低，阻燃隔層使得爆轟產物作用于燃料的壓力降低，導致燃料拋撒初速降低、云霧直徑減小，且阻燃隔層厚度越大，這種降低效果越明顯。

開展了不同阻燃隔層厚度的拋撒仿真，讀取了燃料拋撒初速曲線，如圖14 所示。 由圖14 可見，隔層厚度為0、10 mm 和20 mm 時，拋撒初速分別為641、568 m/s 和452 m/s，仿真結果與實驗結果趨勢一致，拋撒初速隨隔層厚度的增加而減小。

圖14 不同隔層厚度時拋撒初速的仿真結果Fig.14 Simulation results of initial velocity of dispersal with different layer thicknesses

4 結論

1） 一定厚度的阻燃隔層可抑制竄火發生。 針對60 kg 級裝藥云爆戰斗部，當阻燃隔層厚度不小于10 mm 時，拋撒過程不再發生竄火。

2） 阻燃隔層的厚度對燃料拋撒產生一定影響。燃料徑向拋撒初速及云霧直徑隨阻燃隔層厚度的增加而減小。 阻燃隔層厚度由10 mm 增加至20 mm，燃料徑向拋撒初速及云霧直徑分別減小了20%和13%；隨著阻燃隔層厚度的增加，燃料軸向拋撒初速及云霧厚度無明顯變化。