销毁弹喷管喉部截面积对未爆弹作用效能的影响

张启功，李金明，安振涛，孙立明



销毁弹喷管喉部截面积对未爆弹作用效能的影响

张启功，李金明，安振涛，孙立明

（军械工程学院，河北 石家庄，050003）

以Q235钢板模拟弹丸壳体，通过改变销毁弹喷管喉部截面积，研究其对销毁弹工作时间及熔穿效果的影响。结果表明：喉部截面积过小会导致喷管堵塞，作业效果差。喉部截面积为4πmm2时，熔穿后剩余燃烧时间达到3.48s，熔穿孔的直径达到8.91mm，可以使炸药燃烧产物顺利释放出去，提高了销毁未爆弹的作用效能。而喉部截面积过大，熔穿时间增加，熔穿剩余作业时间缩短，不利于销毁作业。

销毁弹；喷管喉部截面积；未爆弹；销毁

部队作战训练过程中常常出现射击未爆弹，此类弹药严重干扰部队行动，当前排除此类弹药多采用引爆法销毁[1]。虽然此方法销毁可靠，但也潜藏巨大风险和不便，主要表现在销毁人员需要近距离触及未爆弹药，同时，引爆法销毁需要用到炸药、雷管等点火起爆器材，工作准备时间长、效率低、风险高[1-3]。鉴于以上弊端，结合弹药结构和弹丸装药燃爆属性，笔者提出引燃非引爆的销毁方法，制作了一款引燃销毁弹。喷管是销毁弹重要组成部分，其中喉部截面积大小影响销毁弹内部的燃烧压强、燃烧产物流速、流量等重要技术参数，本文在已知燃烧剂组分、几何形状、尺寸、环境温度等条件下，分析销毁弹喉部截面积对销毁作业效能的影响。

1 销毁弹结构及工作原理

引燃销毁弹由壳体、燃烧剂、底部引火装置、喷管等组成，如图1所示。燃烧剂由含铝高热剂加入多种改性药剂混合挤压成型，封装在壳体内；燃烧剂为中空柱体，中心孔为引燃孔，一端紧贴弹底部引火装置，一端紧贴喷管。喷管由耐高温石墨材料压制而成。其工作原理是当底部引火装置击发后，引燃引火药，点燃燃烧剂，燃烧剂燃烧释放大量热量，使生成物保持其熔融态，熔融态混合物在气流的推动下从喷管喷出。这种高温熔融态物质（温度可达2 300~3 500℃）具有熔穿金属、引燃易燃物质特性，可用于熔穿壳体较薄的弹丸金属壳体，引燃弹药主装药，以达到销毁未爆弹的目的。

图1 销毁弹的结构

为避免未爆弹内部炸药在销毁的过程中被引爆，需控制炸药燃烧压力。炸药燃烧压力受炸药燃速和弹丸壳体熔穿孔面积的影响。如果炸药燃速过快，穿孔面积过小，就会在弹丸主装药内形成快速叠加的压缩波，可能会使炸药燃烧转爆轰。为避免燃烧转爆轰现象出现，首先，销毁弹熔融物的流量不易过小，流量过小，熔穿弹丸壳体时间较长，熔穿孔面积较小；其次，流速不易过小，流速小不能高效地在弹丸壳体上开孔。因此，在销毁弹的燃烧剂质量和燃烧面积一定的情况下，减小销毁弹喉部截面积，能够提高燃烧产物的流速、作业时间，增大弹丸壳体上开孔面积，使炸药燃烧产物能够顺利释放出去，从而避免了燃烧转爆轰现象发生，达到燃烧销毁危险品弹药的目的。

2 销毁弹喷管喉部截面积对压强的影响分析

销毁弹的喷管位于壳体的尾部，由收敛段和喉部两部分组成，如图2所示。

控制喉部截面积的大小，从而控制燃烧产物的流速、流量，调整熔穿时间，提高销毁效率。在给定燃烧剂成分、装药几何尺寸、工作环境温度等条件下假设：

（1）燃烧剂药柱的燃烧面积保持不变；

（2）壳体内部的气体压强处处相等，生成燃气密度ρ保持不变；

（3）压强变化和侵蚀引起的局部燃烧变化忽略不计，药柱燃面上各点的燃速相等且可用式（1）[4]表达：

式（1）中：、均为常数；为燃烧剂的平均燃烧速率；为壳体内部的气体压强；

（4）假设燃烧产物全部经喷管喷出，不计残留。

图2 喷管结构

可得喷管喉部截面积与压力关系式为：

式（2）中：s为喷管喉部截面积；为壳体内部的气体压强；s为熔融物密度；为燃烧剂密度；A为燃烧面积；其中A、、s均为常值。

由此可得出下列结论：

（2）销毁弹的吹除力是燃烧室的压强、喷管喉部截面积A和吹除力系数的乘积：

（3）

吹除力系数为：

式（4）中：p为销毁弹周围环境压强；p=；A为扩张段截面积，其中A=A；为比热比函数：

将式（2）、（4）代入式（3）得：

由吹除力公式（3），可知弹内压强的变化直接决定销毁弹的吹除力大小，由式（5）可见，随着压强的升高，吹除力随之增大。其中，弹内压强受喉部截面积控制，进而喷喉的面积是决定销毁弹吹除力的重要因素。

（3）燃烧剂作用时间为，则有：

式（6）中：为装药总质量；u为金属熔流喷出速度；A为喷管喉部截面积；ρ为射流密度。

将平均燃烧速率代入式（6）得：

在燃烧剂的成分和装药的几何尺寸一定时，弹内压强受喉部截面积控制，喉部截面积越大，弹内压强越小，燃烧剂的燃速越小，装药燃尽的时间越长，因此，喷喉的面积又是决定销毁弹工作时间的重要因素。

3 实验与分析

3.1 喷管喉部截面积与工作时间的关系

3.1.1实验结果

销毁弹采用压制成型的燃烧剂药柱，药柱密度为2.28g/cm3，药柱外径25mm、内孔6mm、长90mm；喷管喷孔收敛角为45°，曲率直径与喉径比1/D=0.5。在以上参数不变的条件下，喉部截面积由喷喉直径D表征，通过分别取D为3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm改变喉部截面积进行对比实验。采用秒表计时，将厚10mm的Q235钢作为靶板，钢靶距离销毁弹喷口10mm，实验记录销毁弹点火时间、靶板熔穿时间、靶板熔穿后剩余燃烧时间，实验结果如表1所示。

3.1.2销毁弹点火时间分析

从表1中2~6组试验数据可以发现，点火时间随着喉部截面积的减小而缩短。从1组实验现象可以发现，销毁弹击发后，未喷射出高温熔融物，而在喷口产生小股火焰；在13.60s时，销毁弹复燃断续喷射熔融物，持续到19.29s销毁弹熄灭。收集残余物发现喷管口部有挂渣，喷管壳体烧蚀严重。实验研究表明，在点火初期，熔融物通过压力和重力作用向喷管移动，由于初始阶段弹内压强较低，受喷管的阻力作用，熔融物易滞留在喷管表面，当喉部截面积较小时，易堵塞喷管，造成断续作业，甚至发生弹壳破裂形成危险。销毁弹的点火时间受药柱体积装填分数和喉部截面积影响，在确定药柱体积装填分数下，改变喉部截面积，可调节压强上升速度，控制点火时间。

表1 销毁弹不同喉部截面积下工作时间实验结果

Tab.1 The working time of disposal ammunition with different nozzle throat caliber

3.1.3销毁弹熔穿时间

从表1中靶板熔穿时间可见，熔穿时间随着喷喉截面积的减小而缩短。靶板熔渣堆积情况如图3所示。由图3可见，熔渣堆积量随着截面积减小而减少，弹内压强随着喷管喉部截面积减少而不断增加，导致销毁弹所产生的吹除力不断增大。实验研究表明，调节喉部截面积，可以控制销毁弹内压强，提高熔融物喷出速度和吹除力，增加冲刷熔化效果，缩短销毁弹熔穿时间。

图3 不同喉部截面积下的熔渣堆积量

3.1.4销毁弹剩余燃烧时间

销毁弹剩余燃烧时间是靶板熔穿后熔融物对主装药实施火焰刺激的持续时间。由表1中可见随着喷喉直径的不断减少，靶板熔穿时间缩短，剩余燃烧时间随之增加。其中2组实验的销毁弹剩余燃烧时间较长，可以使主装药有充足的能量达到稳定燃烧。实验表明，弹内压强随喷管面积减小而增加，导致作业时间和靶板熔穿时间变化，进而增加了剩余燃烧时间。

3.2 喷管喉部截面积与熔穿孔径的关系

将6组不同喉部截面积的销毁弹装入特制的实验架内，实验记录取各组销毁弹的开孔特征参数，研究喉部截面积和销毁性能的对应关系，实验结果如表2所示。

表2 不同喉部截面积下销毁弹实验开孔孔径结果

Tab.2 The cutting aperture of disposal ammunition with different nozzle area

销毁弹主要依靠金属熔融物的热效应、机械效应和化学效应熔穿金属。金属熔融物从喷口高速射向靶板，利用金属熔融物的热效应对表层靶板进行熔化，对下层靶板进行预热；利用金属熔融物的机械效应和化学效应继续冲刷下层靶板，直至靶板熔穿。靶板熔穿后，在靶板下表面形成小孔，加大了喷管与作用面的距离，导致金属熔融物的冲刷速度不断减小，喷射锥角逐渐加大，边界扰动增大，对底层的冲刷作用不断降低，直接影响内孔孔径的变化。实验效果如图4所示。

图4 不同喉部截面积下的开孔孔径

由表 2可见，1组的断续作业严重影响开孔的孔径和深度。2~6组，内孔孔径随着喉部截面积的不断减小而增加，外孔孔径不随喉部截面积变化而变化。实验结果表明，弹内压强随喉部截面积的不断增加而逐渐减小，导致熔融物的流速不断减小，致使销毁弹对靶板的冲刷能力降低。对于主要依靠冲刷作用的内孔，随着喉部截面积不断增大，冲刷作用下降，开孔孔径也随之减少。而对于主要依靠熔化作用的外孔，喉部截面积变化对外孔的影响较小。由此可见，喉部截面积与内孔孔径有明显的相关性，对外孔无明显影响。

4 结论

（1）销毁弹是一种采用引燃非引爆的销毁思路设计的未爆弹药销毁设备，销毁弹喷管喉部截面积影响着弹内压强变化趋势，进而影响弹药销毁的作用效能。喉部截面积过小会导致喷管堵塞，断续作业，不利于销毁作业的进行，喉部截面积过大时，导致弹内压强降低，吹除力和冲刷力降低，销毁弹作业效果差。对本型号销毁弹，喷喉直径D=4mm为宜，此时熔穿时间、熔穿效果都较好。

（2）作业时间对弹药销毁的作业效能有着重要的影响，销毁弹持续时间越长，主装药越稳定燃烧，提高了销毁未爆弹的作用效能。销毁弹喷管喉部截面积通过剩余燃烧时间进而影响销毁弹的作业效能。

[1] 李金明,雷彬,丁玉奎.通用弹药销毁处理技术[M].北京:国防工业出版社,2012.

[2] 娄建武,龙源,谢兴博.废弃火炸药和常规弹药的处置与销毁技术[M].北京:国防工业出版社,2007.

[3] 王泽山,张丽华,曹欣茂.废弃火炸药的处理与再利用[M].北京:国防工业出版社,1999.

[4] 王光林.固体火箭发动机设计[M].西安:西北工业大学出版社,1994.

[5] 王森.装备结构钢燃烧型切割弹切割技术的研究[D].石家庄,军械工程学院,2012.

Influence of Nozzle Throat Area of Disposal Ammunition on Destruction Effect

ZHANG Qi-gong, LI Jin-ming, AN Zhen-tao, SUN Li-ming

(Ordnance Engineering College，Shijiazhuang，050003)

With Q235 steel plate as the ammunition shell material, through changing the nozzle throat area, its effect on destruction to unexploded ammunition was experimental studied. The results show that, for this destroying device, when the throat area was small, the nozzle was plugged and the destroying effect was poor. While the caliber of the throat area is about 4mm, the after-effect period reaches 3.48s, and the ammunition can cut steel plate with the perforation caliber of 8.91mm, the ammunition destruction effect is improved. However, with the increase of nozzle throat area, the perforation time is increased, and the after-effect period time is shorten, which lead the poor destroying operation.

Disposal ammunition；Nozzle throat area；Unexploded ammunition；Disposal

1003-1480（2015）03-0010-04

TJ450.89

A

2015-03-04

张启功（1990-），男，在读硕士研究生，从事弹药保障与安全技术研究。