物理界面对炸药慢速烤燃特性的影响

高 峰，智小琦，刘学柱，牛新立

（1．中北大学地下目标毁伤技术国防重点学科实验室，山西太原030051；2．山西江阳化工有限公司，山西太原030041；3．黑龙江北方工具有限公司，黑龙江 牡丹江157000）

引 言

弹药在制造、运输、贮存或战场环境下容易受到意外热刺激而发生含能材料的点火爆炸，造成严重的事故，因此对弹药热易损性的研究受到了世界各国的重视。烤燃试验是检验和评估弹药热易损性的重要方法［1］，国内外研究人员进行了大量弹药烤燃方面的研究。Frank Garcia等［2］研究了HMX基高能炸药LX－04在不同约束条件下的烤燃试验。结果表明，随着约束条件的减弱，烤燃响应的剧烈程度也减弱；冯晓军等［3－4］选用JB－B、TNT、R852三种炸药研究了装药尺寸对慢速烤燃响应特性的影响，结果表明，随着装药尺寸的增加烤燃反应的环境温度会升高，发生烤燃反应的剧烈程度越大，当装药尺寸增大到一定程度后其对炸药发生慢速烤燃反应的环境温度影响将减小；智小琦等［5－6］研究了炸药装药密度对慢速烤燃响应特性的影响，得出装药密度是影响烤燃剧烈程度的主要因素。但有关物理界面对炸药慢速烤燃响应特性影响的报道较少，而实际弹药中炸药装药与弹体之间的物理界面对弹药的热易损性起着重要的作用。

本研究采用不同的物理界面对RDX 基高能炸药进行了慢速烤燃试验及数值模拟计算，研究了物理界面对炸药慢速烤燃响应特性的影响，以期为低易损弹药的设计提供参考。

1 实 验

1．1 材 料

RDX，甘肃银光化学工业集团有限公司；T－09耐烧蚀隔热涂料（简称T－09涂料），山东非金属材料研究所；GPS－2硅橡胶涂料（简称GPS－2 涂料），上海橡胶制品研究所。

1．2 实验装置

烤燃实验装置主要由计算机、烤燃炉、MR13岛电温控仪、热电偶等组成。烤燃炉为烤燃弹提供热量，用MR13 温控仪控制烤燃炉温度，升温速率1℃／min。烤燃弹外壁圆柱部中央固定一只镍镉／镍硅热电偶，精度1级，测定烤燃过程中弹体外壁的温度。通过自行设计的SFO 软件实时采集烤燃过程中的温度—时间历程曲线。实验前对升温速率做标定，确保升温速率在设定范围。

1．3 烤燃弹结构

烤燃弹的结构如图1所示，主要由壳体、端盖、物理界面和药柱4部分组成。壳体材料为45号钢，内壁尺寸为Ф19mm×38mm，圆柱部壁厚为（3±0．04）mm，壳体两端用螺纹与端盖连接，端盖壁厚（1±0．03）mm。RDX 高能炸药配方（质量分数）为：RDX 95．0%、添加剂5．0%；药柱直径分别为16、17、19mm，药柱高分别为35、36、38mm，平均密度为理论最大密度的92%（1．628g／cm3）。物理界面分别为空气、T－09涂料和GPS－2涂料。

图1 烤燃弹结构示意图Fig．1 Schematic diagram of cook－off bomb structure

从（25±2）℃开始加热，直到发生反应。反应的剧烈程度用所收集的壳体破片尺寸、数量和壳体的变形程度衡量。每种烤燃弹至少做两发平行试验。

2 结果及讨论

2．1 物理界面对慢速烤燃温度及烤燃时间的影响

不同物理界面的慢速烤燃试验结果见表1。

表1 不同物理界面烤燃弹的烤燃试验结果Table 1 Cook－off test result of cook－off bomb with different physical interfaces

表1结果显示，对于不同物理界面的烤燃弹，其慢速烤燃响应温度及烤燃时间不同。物理界面为空气时，烤燃弹的响应温度最高，烤燃时间最长，物理界面为T－09 涂 料和GPS－2涂料时响应温度次之，药柱直径为19mm时烤燃弹的响应温度最低，烤燃时间最短。根据传热理论，单位时间内由环境传递给药柱的热量随着材料导热系数的增加而增加。本研究壳体材料为45号钢，在0～1 200℃范围内导热系数约为43W／（m·K），空气、T－09 涂料、GPS－2涂料、RDX的导热系数分别为0．0259、0．3、0．27、0．213W／（m·K）［7］。由于空气的导热系数低于壳体以及T－09涂料的导热系数，物理界面为空气时，单位时间内由环境传入药柱的热量最少，导致烤燃弹的升温速率最慢，烤燃响应温度最高，烤燃时间最长。同理，物理界面为T－09 涂料时烤燃弹的响应温度最低，烤燃响应时间最短。

2．2 物理界面对炸药慢速烤燃响应剧烈程度的影响

从表1可以看出，药柱与壳体之间的物理界面不同，其烤燃响应的剧烈程度不同。物理界面为空气的烤燃弹及没有物理界面的烤燃弹，烤燃响应结果为爆轰反应。物理界面为T－09涂料以及GPS－2涂料的烤燃弹，烤燃响应结果为燃烧或爆燃反应。

目前人们普遍认为，非均质炸药起爆机理是热点火和热点引起的化学反应成长为爆轰的二阶理论。其中热点火阶段的主要影响因素是炸药颗粒之间空穴的尺寸和孔隙率［5］。对于物理界面为空气的烤燃弹，药柱受热后容易发生膨胀，体积增大，密度减小，炸药颗粒之间的空穴尺寸变大，药柱中的空穴和其他缺陷产生倒塌和摩擦，使局部发热，分解反应加速，热量增加，达到临界温度的热点增多，起爆面积增大，导致剧烈的爆轰反应。同时，随着温度的升高，空气压力升高，壳体内压力增大，这也是导致反应剧烈的因素。

T－09和GPS－2涂料作物理界面时，药柱和T－09及GPS－2涂料受热后都会发生膨胀，但由于没有自由空间，在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，产生的热量增高，反应速度强线性增加，局部压力急剧增长，当高温气体的压力达到壳体的强度极限而未达到爆轰所需的压力时，发生压力胀裂或端盖冲开现象，即表1中的爆燃或燃烧反应。

其次，烤燃过程中药柱热散失的不同也是导致反应剧烈程度不同的因素。对于本研究中的烤燃弹，药柱热分解反应放出的热量以热传导的方式经由物理界面以及壳体释放到环境中。药柱侧表面单位时间内释放的热量可采用圆柱坐标系（r，φ，θ），简化为多层圆筒壁的一维导热计算，药柱两端面单位时间内释放的热量可简化为多层平壁的一维导热计算。单位时间内药柱释放到环境中的热量为以上二者之和。

由传热学［7］可知，多层圆筒壁的一维导热热流量以及多层平壁的一维导热计算公式分别为：

式中：Ф 为传导的热量，W；λi为第i 层材料的导热系数，（W·m－1·K－1）；t1－tn以及t1－tn＋1分别为多层圆筒壁和多层平壁两表面的温度差，℃；l为圆筒壁的长度，m；di为第i 层材料圆筒的直径；δi为各层平壁的厚度。

当烤燃到一定阶段，药柱中心温度开始高于壳体壁面的温度，对于药柱直径为16mm的烤燃弹，假设药柱表面温度为t1，物理界面为空气的烤燃弹壳体壁面温度为t3，温差为t1－t3。物理界面为GPS－2涂料的烤燃弹壳体壁面温度为t′3，温差为t1－t′3。物理界面为T－09涂料的烤燃弹壳体外壁面温度t″3，温差为t1－t″3。其 中d1＝16mm，d2＝19mm，d3＝25mm，δ1＝1．5mm，δ2＝1mm。

将各项参数代入以上两式中并将二者相加计算得到药柱直径为16mm，物理界面分别为空气、GPS－2涂料、T－09涂料的烤燃弹单位时间内由药柱内释放到环境中的热量分别为Ф1、Ф2、Ф3，其比值分别为：

由数值模拟计算［8］可知：

因此

由此可见，对于界面为T－09及GPS－2涂料、药柱直径为16mm 的药柱，在单位时间内由药柱表面传到环境中的热量是界面为空气的药柱传热量的10倍左右。同理，界面为T－09及GPS－2涂料、直径为17mm 的药柱在单位时间内由药柱表面传到环境中的热量是界面为空气的药柱所传热量的8 倍多。因此，热散失是影响烤燃响应结果的因素。这是因为烤燃试验中，温度梯度是影响烤燃响应剧烈程度的重要因素［9］。物理界面为空气时，由于空气热导率很低，在一定程度上降低了药柱表面的热量散失，使得药柱表面温度和中心温度的梯度减小，且当空气在烤燃弹中所占的比例在一定范围内时，这种作用会达到一个极值，热点数量增加，点火后压力波凝聚，爆轰波叠加，反应剧烈程度增加。物理界面为T－09及GPS－2涂料的烤燃弹，在烤燃过程中药柱表面分解产生的热量通过T－09及GPS－2涂料及金属壳体释放到环境中，而中心分解产生的热量会积聚导致自热反应，所以药柱中心和边缘会产生温度梯度，中心点火后又没有压力波的积聚，故反应的剧烈程度降低。

3 数值计算

为了进一步研究物理层厚度对炸药慢速烤燃响应温度及烤燃时间影响的规律，利用FLUENT 软件进行数值计算。物理界面分别为空气、T－09涂料、GPS－2涂料，物理层厚度设计为0．5、1．0、1．5、2．0、2．5、3．0、3．5、4．0、4．5、5．0mm。烤燃弹的物理模型如图2所示。药柱热反应和热传导遵循Frank－Kamenetskii方程［10］：

柱坐标系下，温度场的控制方程为：

式中：ρ、cv、κ、a分别为反应物的密度（kg／m3）、比热容（J·kg－1·K－1）、热导率（J·m－1·K－1·s－1）及反应分数；Q 为反应物的反应热（J／kg）；A 为指前因子（1／s）；E 为活化能（J／mol）；R 为气体常数（J·mol－1·K－1）。

RDX基高能炸药的化学反应放热项采用自编子程序嵌入到FLUENT主程序中［11］。材料参数见表2。

图2 烤燃弹物理模型示意图ig．2 Physical model schematic diagram of cook－off bomb

图3为药柱直径为19mm 的烤燃弹以1℃／min的升温速率加热直至发生烤燃响应的弹体外壁温度随时间的变化曲线。可以看出，通过数值计算和试验得到的温度－时间曲线吻合度高，表明所取的参数合适。数值计算中药柱热反应和热传导采用Frank－Kamenetskii方程。

图3 直径19mm 烤燃弹弹体的外壁温度－时间曲线Fig．3 T－t curves of projectile body outer wall of the cook－off bomb with a diameter of 19mm

表2 试验材料参数值Table 2 Parameters of test materials

图4 烤燃弹烤燃响应温度及烤燃时间与物理层厚度的关系曲线Fig．4 The relation curves of cook－off temperature，cook－off time and physical layer thickness

图4为物理界面为空气、T－09涂料、GPS－2涂料，烤燃弹响应温度及烤燃时间与物理层厚度关系的拟合曲线。在数值计算中药柱热反应和热传导采用Frank－Kamenetskii模型。由图4可知，3种物理界面烤燃弹的烤燃响应温度与烤燃时间随物理层厚度的变化规律相同，烤燃响应温度及烤燃时间随着物理层厚度的增加而增大，当物理层厚度达到某一值时达到最大值，之后随着物理层厚度的增加而减小。

当物理层厚度较薄（小于2．5mm）时，药柱尺寸较大，物理层厚度是影响炸药慢速烤燃响应特性的主要因素。由传热学［7］可知，随着物理层厚度的增加，单位时间内由烤燃弹外表面传到药柱中心的热量减小，由于慢速烤燃过程是个恒速升温的过程，因此烤燃响应温度及烤燃时间随物理层厚度的增加而增大。但当物理层厚度较厚（大于2．5mm）时，药柱尺寸明显减小，此时药柱尺寸的大小（即药量）是影响炸药慢速烤燃响应特性的主要因素。由文献［3］可知，炸药的慢速烤燃反应随着装药尺寸的减小发生烤燃反应的环境温度会降低。因此，在一定条件下随着物理层厚度的增加，药柱尺寸减小，烤燃响应温度及烤燃时间逐渐减小。

4 结 论

（1）物理界面是影响慢速烤燃响应特性的重要因素。空气界面能够增加烤燃响应温度、响应时间及烤燃响应的剧烈程度。惰性界面能够增加烤燃响应温度和响应时间，降低烤燃响应的剧烈程度。

（2）烤燃弹表面的散热机制影响烤燃响应结果。增大药柱中心和表面温差能降低烤燃响应的剧烈程度。

（3）RDX 基炸药慢速烤燃响应温度及烤燃时间受物理界面厚度影响。在一定条件下，选择合理的界面厚度可以提高烤燃弹的烤燃响应温度，增加烤燃时间。

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