炸药装药密度对慢速烤燃响应特性的影响＊

智小琦，胡双启

（1.中北大学机电工程学院，山西 太原030051；2.中北大学化工与环境学院，山西 太原030051）

研究影响炸药装药易损性的因素对弹药的安全使用起着重要作用。慢速烤燃实验是弹药危险性评估实验标准的重要组成部分［1］，这方面的研究也比较多。大多数的研究主要集中在改变炸药的组分和配方对烤燃响应剧烈程度的影响方面［2－3］，并通过测量烤燃过程中炸药装药内不同点的温度及壳体在烤燃过程中的应力、应变情况了解烤燃反应机理，这些研究成果为研制低易损炸药和了解烤燃机制奠定了基础；而烤燃实验是高危险性和高代价的实验，烤燃过程包括热传导、化学分解、力学响应等多个物理和化学过程，这些过程的相互作用和耦合影响了最终的响应温度和响应的剧烈程度。为简化烤燃工作、降低实验的危险性并深入分析烤燃响应的机制，在采用微断层摄影等先进技术观测烤燃过程的基础上，三维数值模拟炸药烤燃实验的技术也在迅速发展［4－6］，增加了人们对烤燃机制的认识；近几年，研究壳体结构［7－8］、炸药装药与壳体的自由空间［9］、烤燃弹的密封性［10］等物理因素对慢速烤燃响应剧烈程度的影响，成为研究含能材料烤燃的又一发展方向。

本文中，拟采用以RDX 为基的高能炸药，系统研究炸药装药密度对烤燃响应剧烈程度的影响，以期发现装药密度与热烤响应剧烈程度的关系，为炸药装药在弹箭中的安全使用和研究孔隙率在烤燃过程中的作用提供技术支持。

1 实 验

烤燃弹试样如图1所示，圆柱体长29mm、内径23mm、壁厚3mm，两端用螺纹与端盖链接，端盖壁厚1mm，长径比1.26，尺寸规格类似子母战斗部中的子弹结构或一些传爆药结构。壳体材料为普通45钢，未进行热处理。炸药是以RDX 为主的高能混合炸药，其中RDX 质量占95.0%，其余5.0%为添加剂。试样平均密度分别为最大理论密度（TMD 为1.771 4g／cm3）的94.5%、93.2%、92.1%、85.6%、80.1%、75.2%和70.0%，对应的装药质量的变化范围在15.4～20.6g之间，每一试样至少做3发平行实验。

图1 烤燃弹试样结构简图Fig.1 Aschematic of the cook－off bombs

慢烤实验系统程序如图2所示。在烤燃过程中，电热丝为烤燃弹提供热源，以传导传热和辐射传热为主；MR13温度控制仪控制电热丝的升温速率，升温速率为（1±0.2）℃／min；烤燃弹外壁的圆柱部中点分隔90°固定2只镍铬／镍硅热电偶，精度0.004T（T 为测量温度），以测定烤燃弹发生反应时的环境温度。计算机与热电偶和MR13温度控制／显示仪连接，通过自行设计的DC 软件实时采集烤燃过程中的温度－时间曲线。实验前首先对升温速率做标定，确保升温速率在设定范围，当试样温度为（25±1）℃时开始升温。

图2 慢烤实验系统示意图Fig.2System sketch of slow cook－off experiment

2 结果与讨论

表1 中为烤燃弹的实验状态及响应结果，表中ρ／ρTMD 为相对密度，t 为响应时间，T 为反应温度。图3为响应后所收集的破片状态。从表1和图3可以看出，烤燃响应特性随装药密度的不同而变化。当ρ／ρTMD＝94.5%时，发生了压力胀裂［11］；当ρ／ρTMD为93.2%～85.6%时，随着密度的降低，烤燃反应的剧烈程度增加；当ρ／ρTMD≈80%时产生了燃烧转爆轰现象；当ρ／ρTMD＜75.20%时，随着密度的降低，反应的剧烈程度也随之降低，当ρ／ρTMD≈70%时出现了爆燃现象。实验中没有发现残药。

表1 不同密度的烤燃结果Table 1 The results for different densities in cook－off

图3 不同密度的烤燃弹响应后的破片状态Fig.3 Fragments recovered from cook－off at different percent TMD

非均质炸药爆轰的响应机制目前普遍被接受的是二阶段理论，即热点火阶段和由热点引起的化学反应转变为爆轰阶段的理论。影响热点火阶段的主要因素是炸药颗粒间的尺寸和孔隙率。因此，在一定条件下，孔隙率（或装药密度）决定着炸药装药的响应特性。在压药过程中，构成孔隙的凹穴的形成或气孔的产生必须要有另外的附加能量，这些能量储存在凹穴或气孔的表面，称为表面能［12］。当烤燃弹受热后，炸药装药经受壳体传导传热、辐射传热的共同作用后发生热分解反应，使凹穴或气孔破坏，表面能释放。释放的表面能又加热空穴或气体周围的介质，使温度升高，形成热点。由爆轰物理可知，单位表面的表面能与温度升高值之间的关系为

式中：rb为空穴的初始半径，ρ 为炸药的理论密度，cV为炸药的比定容热容，Es为炸药的表面能。

如将表面能视为炸药的特征常数，可用凝聚炸药的Es代替。而Es可用以下经典公式近似计算

式中：E 为炸药的弹性模量；a 为原子间距，可近似用分子间的平均线性距离表示；M 为炸药分子质量；ρ 为炸药晶体的密度；c 为声速。

用RDX 的参数近似代替混合炸药的参数，M ＝222kg，ρ ＝1.816g／cm3，c＝2.62km／s，代入式（2），得到Es＝728J／m2。将该值代入式（1），取rb＝1μm，cV＝1.12kJ／（kg·K），计算的平均升温ΔT ＝810℃。可见，此时表面层早已破坏、熔化、蒸发变为气体，并冲入空穴或气孔内，在空穴或气孔内形成热点进而产生热起爆。另一方面，在一定的密度范围内，随着孔隙率的增加，在慢速烤燃过程中药柱中心分解产生的高温气体容易渗透到周围的区域，使局部温度升高，分解反应加速，热量增加，同样也会致反应剧烈程度增加。因此，在ρ／ρTMD＝93.2%～80.1%的密度范围内，空隙率增加时，达到临界温度的热点数增多，起爆面积增大，导致反应剧烈程度增加。

特别地，当ρ／ρTMD 达到80%时，烤燃响应结果出现了燃烧转爆轰现象，这与文献［11］的研究结果类似。可见，装药密度是凝聚炸药在一定条件下产生燃烧转爆轰的重要因素。文尚刚等［13］压制了3种密度水平的B炸药（m（TNT）∶m（RDX）＝40∶60），用电探针和压力传感器研究了爆燃向爆轰转变的DDT 效应。研究结果显示，在容积限定的条件下，装药密度为1.597g／cm3时发生了爆燃转爆轰现象，爆速达到7 452m／s；装药密度为1.654g／cm3时产生了低速爆轰现象，爆速为4 400m／s；而装药密度为1.681g／cm3的药柱没有发生爆轰。关于炸药烤燃的燃烧转爆轰现象还有待作更深入细致的研究。

当ρ／ρTMD＞94%时，由于装药的孔隙率很低，在慢速烤燃过程中药柱中心分解产生的高温气体很难向周围渗透，压力急剧增长；同时由于炸药的热导系数较低，导热性能差，使药柱中心分解产生的热量急剧增高，反应速度强线性增加，因此导致了压力胀裂现象［11］产生。而且，由于装药密度高即孔隙率低，炸药的热导性差，药柱中心达到分解温度的时间较长，因此，耐烤燃时间也较长。

但是，当装药密度降低到一定值后，随着装药密度的继续减低，炸药质量减少，单位体积内产生的能量及分解产生的高温气体量减少，因此反应剧烈程度降低。除此之外，当装药密度较低时，限定空间内的压力增长率减小，温度增长率减慢，导致反应剧烈程度降低。同时，由于壳体材料达到极限强度的时间增加，因此，耐烤燃时间有所增加。

虽然在MIL－STD－2105C中，把响应的剧烈水平作为衡量钝感弹药的唯一标准。但是，从一定意义上讲，烤燃弹响应的剧烈水平、反应温度或耐烤燃时间均是衡量弹药易损性指标的重要参数，因此，提高耐烤燃时间，在一定条件下也起到了降低弹药易损性的作用。

3 结 论

（1）装药密度对炸药的慢速烤燃响应特性有重要影响。对于以RDX 为基的高能炸药所压制的小药柱而言，装药密度不同时慢速烤燃响应会产生压力胀裂、部分爆轰、燃烧转爆轰和燃烧等现象。

（2）上述研究结论能为炸药慢速烤燃机理研究及炸药热安全性研究提供一定的参考。

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