一种弹体排气缓释结构设计方法与试验研究*

陈科全，黄亨建，路中华，蒋治海，聂少云，陈红霞

(1 中国工程物理研究院化工材料研究所，四川绵阳 621900;2 中国工程物理研究院安全弹药研发中心，四川绵阳 621900)

0 引言

武器弹药在生产、运输、贮存和使用过程中，受到火灾等异常热刺激作用时可能引起炸药的点火爆炸，甚至发展为连锁爆炸等重大事故。因此，研究提高弹药的热安全性具有重要的现实意义。

热刺激条件下弹药反应的剧烈程度与其装药的密封状况密切相关，而弹体排气缓释结构可以有效降低弹药的反应等级，因此受到广泛重视。美欧等国较早的开始关注缓释结构设计在提高弹体安全性方面的应用［1-4］，美国空军和海军一直在联合研究提高通用炸弹安全性的方法，他们通过增加排气孔的方式将BLU-110、BLU-111和BLU-117战斗部的反应等级降为了爆燃或燃烧，而侵彻战斗部BLU-109和BLU-122在设计阶段即已检验了相应排气技术的有效性［5］。Madsen等［6］则采用缩比试验研究了B炸药、PAX-28、PBXN-109和PBXN-9等四种炸药在不同排气孔尺寸下的烤燃特性，并分析了试验弹的尺寸效应和低熔点材料选取等问题。

国内在这方面的公开报道还很少，徐双培［7］和智小琦［8］等通过任意开孔的方式试验研究了密封条件对快速烤燃(火烧)响应特性的影响，发现壳体密封性是影响钝化RDX传爆药烤燃特性的关键因素，但试验弹孔径的设计缺乏理论依据。

弹体排气缓释结构设计的关键是如何确定排气孔的尺寸，使其既能起到足够的排气泄压作用，又满足弹体结构强度等的要求。目前，缓释结构排气孔尺寸的设计多依据工程经验或大量实验研究，缺乏相应的理论支撑。为此，文中基于热刺激条件下弹体内炸药分解、燃烧引起的压强增长率与排气孔压强释放率之间的平衡关系，设计了一种弹体排气缓释结构。同时，以熔铸炸药RHT-1为研究对象，试验研究了慢速烤燃和火烧时排气缓释结构的作用效果。所得结果可为装药设计提供参考。

1 弹体排气缓释结构设计

1.1 缓释结构排气孔尺寸设计原理

缓释结构设计的关键是排气孔尺寸的确定，解决该问题的方法之一是建立弹体内压强增长率与排气孔压强释放率之间的平衡关系。根据Kinney等［9］的研究，弹体内炸药分解燃烧时的压强增长率可由下式计算:

式中:TB是火焰温度(K);R为摩尔气体常数，取8.314 ×10－5bar·m3/(mol·K);V 是体积(m3);dn/dt为气体生成率;M是分子气体生成量(kg/mol);ρ为炸药密度(kg/m3);T0为炸药温度(K);SB是炸药燃烧面积(m2);P为绝对压强(bar);α、A和B为材料常数。

排气孔气体压强释放率由下式计算［10］:

式中:AV为排气孔面积(m2);CD是排气系数，取0.6～1.0;a'为气流速度(m/s)，它与气体产物的温度和压缩性有关，可由下式计算:

如果弹体内压强增长率与排气孔气体压强释放率相等，则有:

即可得排气孔的最小面积为:

因此，只要已知炸药的相关物理化学参数，结合弹体的结构特征，由式(3)和式(5)即可求得相应排气孔的最小面积。

1.2 排气缓释结构设计

文中设计的排气缓释结构如图1所示，主要由低熔点材料组件和连接件等组成。该缓释结构的设计充分考虑了弹体内炸药受热分解、燃烧释放气体热量的特点，当弹体受到意外热刺激时，缓释结构中的低熔点材料组件逐渐软化，在弹体内气体压强的作用下迅速形成排气通道，达到排气泄压的作用。已知炸药烤燃条件下的反应温度约为130℃ ～230℃，通过文献和市场调研，初步选择了聚乙烯(PE)、工程塑料(PBT)、尼龙(PA-6)和聚碳酸酯(PC)四种常用工业材料，通过试验对比分析，最终低熔点材料确定为聚乙烯(PE)。

图1 排气缓释结构图

2 排气缓释结构作用效果试验研究

2.1 试验装置

针对慢速烤燃和火烧两类热刺激条件，分别设计了有、无排气缓释结构两类烤燃试验装置，含缓释结构的试验装置如图2所示。其中，试验弹壳体与端盖之间，以及缓释结构与端盖之间均通过细螺纹连接，且端盖上设有热电偶接口。试验弹壳体厚度为8 mm，材料为45号钢，装药尺寸为Ф50 mm×100 mm。

图2 烤燃试验装置(含缓释结构)

在进行烤燃试验装置的缓释结构排气孔尺寸设计时，由于暂无炸药RHT-1的计算参数，无法根据前述设计原理准确计算排气孔的面积。Graham等［10］在研究B炸药排气孔面积与燃烧面积之间的关系时发现，当排气孔面积不小于燃烧面积的1%时，排气孔可以有效的降低B炸药的反应等级。由于RHT-1炸药与B炸药的组分相近，为此参考文献［10］给出的结论，设装药端面全部燃烧反应，根据试验件的装药尺寸即可得到相应排气孔的最小直径为7.07 mm，在此将试验件排气孔的直径设计为8 mm。

2.2 试验方法

针对有、无排气缓释结构两种烤燃试验装置，分别进行了慢速烤燃和火烧两类试验研究。通过将热电偶置于炸药中断面径向不同位置处，实测炸药中心(R0)、半径(R1/2)和其表面(R1)温度的变化过程。试验现场如图3所示。

图3 烤燃试验现场

慢速烤燃通过可以控制升温速率的电加热带给试验弹外壳加热，为减少试验成本，首先从常温开始以5℃/min的升温速率进行加热，当试验弹壳体温度约为160℃时，再以1℃/min的恒定升温速率加热，直至发生爆响等反应为止。火烧试验过程中，用铁丝将试验弹固定在燃烧池正上方40 cm处，并用航空煤油对其进行加热。在弹体上下表面各安装一个热电偶(约50 mm处)，以测试弹体周围火焰温度的变化过程。同时，在离试验弹3 m处安装两个压电式压力传感器，以测试试验弹反应后的冲击波超压。最后，根据试验弹形成破片的大小、数量和超压测试结果，参照美军标MIL-STD-2105D确定其反应等级［11］。

2.3 结果与分析

2.3.1 慢速烤燃试验结果及分析

为研究慢速烤燃条件下排气缓释结构的作用效果，针对图2(a)所示模拟试验弹开展了相关试验，并研究了不含缓释结构时的反应特性。

试验过程中，含缓释结构试验弹首先观察到有少量炸药粉末喷出，约30 min后可看见明显的气流从排气孔喷出，如图4所示。可见，缓释结构排气效果很明显，证实了设计的缓释结构能很好地形成排气通道。

图4 慢烤过程中不同时刻缓释结构作用效果图

慢速烤燃后试验弹形成的破片对比如图5所示，试验测试结果如表1所列。可以发现，排气缓释结构不能降低熔铸炸药RHT-1慢速烤燃的反应等级，但延迟了其反应时间。分析其原因发现，含缓释结构试验弹发生爆响的时间比未含缓释结构时延迟了37.96 min，除了试验弹壳体温度更高之外，炸药的温度也更高，达到了其组分RDX大量分解反应时的温度，因此发生了部分爆轰。值得一提的是，实际中弹药受到的外部温度不可能无限增加，因此从炸药发生爆响的时间方面考虑，排气缓释结构相对的提高了熔铸炸药慢速烤燃时的安全性。

图5 慢速烤燃试验残骸

表1 慢速烤燃试验结果

图6所示为炸药不同位置温度随时间的变化过程。可见，炸药离试验弹壳体越远，其温度越低，升温速率也越小，但加热过程中炸药各处的温度差异逐渐缩小。这是由于熔铸炸药RHT-1中的TNT在80℃左右就开始熔化，因此加热后期的炸药为熔融状态所致。

图6 慢速烤燃过程中炸药不同位置温度测试结果

2.3.2 火烧试验结果及分析

仍以RHT-1炸药为研究对象，试验研究有、无排气缓释结构两种情况下炸药火烧时的反应特性。

火烧试验后的壳体残骸对比如图7所示，主要测试结果如表2所列。可以发现，虽然有、无排气缓释结构的试验弹发生反应的时间差异很小，但其反应等级相差很大。不含排气缓释结构时RHT-1装药的反应等级为爆轰，而增加缓释结构后，试验弹壳体保持完整，炸药喷出后全部燃烧，其反应等级仅为燃烧。因此，在所研究的情况下，排气缓释结构显著降低了熔铸炸药RHT-1火烧条件下的反应等级。

图7 火烧试验残骸

表2 火烧试验结果

试验测得弹体上表面(HT)、下表面(HL)的火焰温度和炸药中心、半径及其表面温度随时间的变化曲线如图8所示。可见，火焰温度基本维持在500℃ ～830℃之间，受试验弹的影响，弹体下表面的火焰温度高于其上表面的火焰温度。此外，炸药的温度分布极不均匀，其外表面的温度相对较高，而其内部的温度直至炸药发生反应时仍然较低，这与相关文献［12-13］报道的结论一致。

图8 火烧试验中火焰及炸药不同位置温度测试结果

3 结论

基于弹体内炸药分解、燃烧引起的压强增长率与排气孔压强释放率之间的平衡关系，设计了一种弹体排气缓释结构，并利用烤燃装置试验研究了慢速烤燃和火烧条件下缓释结构的作用效果。获得结论如下:

1)炸药烤燃过程中，设计的排气缓释结构能很好地形成排气通道，可见明显的气流喷出;

2)缓释结构显著降低了熔铸炸药RHT-1火烧时反应的剧烈程度，反应等级从爆轰降为燃烧;

3)慢速烤燃时，排气缓释结构不能降低熔铸炸药RHT-1的反应等级，但延迟了其反应的时间，相对的提高了熔铸炸药慢速烤燃时的安全性。

［1］Michael Fisher.Thermally activated venting system for IM［C］∥ Insensitive Munitions and Energetic Materials Technology Symposium，Miami，Florida，2007.

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［7］徐双培，胡双启，王东青，等.壳体密封性对小尺寸弹药快速烤燃响应规律的影响［J］.火炸药学报，2009，32(3):35-37.

［8］智小琦，胡双启，肖志华，等.密封条件对钝化RDX快速烤燃响应特性的影响［J］.火炸药学报，2010，33(1):31-33.

［9］Kinney G F，Sewell R G S.Venting of explosions，NWC TM 2448［R］.China Lake，1974.

［10］Graham K J.Mitigation of fuel fire threat to large rocket motors by venting［C］∥ Insensitive Munitions ＆ Energetic Materials SymposiumMunich，DE，2010.

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［13］向梅，黄毅民，饶国宁，等.不同升温速率下复合药柱烤燃试验与数值模拟研究［J］.爆炸与冲击，2013，33(4):394-400.