强约束下典型熔铸和浇注炸药的烤燃特性对比

【化学工程与材料科学】

强约束下典型熔铸和浇注炸药的烤燃特性对比

陈科全a,b，黄亨建a,b，路中华a,b，聂少云a,b，蒋治海a,b

(中国工程物理研究院a.化工材料研究所；b.安全弹药研发中心，四川 绵阳621900)

摘要：利用自行设计的烤燃试验装置，以熔铸RHT-1和浇注GHL-1 2种典型炸药为研究对象，试验研究了厚壳体强约束下2种炸药慢速烤燃和火烧时的反应特性，并将试验结果与薄壳体和相关战斗部的烤燃结果进行了对比。研究表明：在所研究的厚壳体强约束情况下，浇注炸药火烧时的安全性显著优于熔铸炸药，而其慢速烤燃时的安全性略高于熔铸炸药；熔铸装药战斗部可以通过换装浇注炸药提高其安全性。

关键词：炸药；厚壳体强约束；慢速烤燃；快速烤燃

收稿日期：2014-07-29

基金项目：中物院化材所青年人才培养基金(QNRC-201312)；中物院学科发展基金(2012B0201019)

作者简介：陈科全(1983—)，男，博士，助理研究员，主要从事弹药工程与数值模拟研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.037

中图分类号：TJ55；O64

文章编号：1006-0707(2015)01-0133-04

本文引用格式：陈科全，黄亨建,路中华，等.强约束下典型熔铸和浇注炸药的烤燃特性对比[J].四川兵工学报，2015(1):133-136.

Citation format:CHEN Ke-quan, HUANG Heng-jian, LU Zhong-hua, et al.Experimental Study on Cook-Off Test for Melt-Cast and Cast- Cured Explosive at Strong Constraint[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(1):133-136.

Experimental Study on Cook-Off Test for Melt-Cast and

Cast- Cured Explosive at Strong Constraint

CHEN Ke-quana,b, HUANG Heng-jiana,b, LU Zhong-huaa,b,

NIE Shao-yuna,b, JIANG Zhi-haia,b

(a.Institute of Chemical Materials; b.Robust Munitions Center,

China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Abstract:The slow cook-off and fast cook-off tests for melt-cast explosive RHT-1 and cast-cured explosive GHL-1 were carried out by using the thick shell and strong constraint apparatus designed by ourselves, and the test results were compared with those of thin shell and related warheads. In the case of the study, it shows that the reaction type of cast-cured explosive on the fast cook-off test is obviously lower than that of melt-cast explosive, and its safety under slow cook-off test is a little higher than that of melt-cast explosive. The security of warhead packing melt-cast explosive can be improved by being replaced with cast-cured explosive.

Key words: explosive; thick shell and strong constraint; slow cook-off; fast cook-off

现代战争的快速变化与发展，对于弹药的能量与安全性提出了越来越高的要求。低易损性钝感高能炸药的研制是当前的研究热点，而热刺激条件下炸药的易损性则是钝感高能炸药的重要研究内容之一。由于热作用下炸药的反应特性与其约束条件、分解动力学特性和热点增长特性等相关，机理研究十分复杂，目前国内外主要通过烤燃试验评价炸药的热易损性。

炸药烤燃试验包括慢速烤燃和快速烤燃2类条件。慢速烤燃试验评估的是弹药受到外部间接加热时的响应特性。1984年，Parker等[1]最早设计了小型烤燃弹试验(SCB)，被认为是炸药慢速烤燃试验的雏形。Scholtes等[2]改进了SCB试验系统，建立了含升温速率控制装置的TNO-PLM慢烤试验。Chidester等[3]利用类似TNO-PLM的慢烤试验装置，通过在不同位置布置测温热电偶的方式研究了炸药的点火位置等。国内，炸药的慢烤试验基本都建立在TNO-PLM模式之上。包括国标 GB/T14372—2005《危险货物运输爆炸品认可、分项试验方法和判据》[4]和国军标GJB772A—1997《炸药试验方法》[5]中均规定了类似 TNO-PLM的烤燃试验装置。近年来，张蕊[6]、智小琦[7]等学者也针对起爆药和传爆药等含能材料进行了慢速烤燃试验研究，得到了它们的耐热性和反应温度等。快速烤燃试验考核的是弹药直接受到大火烘烤时的响应特性，亦称为火烧试验。在快速烤燃方面，Witherell等[8]试验研究了30 mm燃烧弹快速烤燃时的反应特性，并与数值模拟结果进行了对比，结果吻合较好。吕子剑等[9]以推进剂为燃料对JB-9014和JOB-9003炸药进行了快速烤燃试验。杨丽侠等[10]则研究了发射药快速烤燃时的反应特性，获得了发射药易损性的响应特性和影响因素。代晓淦等[11]针对不同尺寸的PBX-2炸药进行了快速烤燃试验，得到装药尺寸与反应剧烈程度间的定性关系。

值得一提的是，虽然国内外对于炸药的烤燃特性已开展了较多的试验研究，但使用的试验弹壳体均较薄，无法模拟侵彻反舰类厚壳体强约束战斗部的烤燃反应特性。为此，本文利用自行设计的厚壳体强约束模拟试验弹，研究了熔铸RHT-1和浇铸GHL-1 2种典型炸药慢速烤燃和火烧时的反应特性，并与薄壳体和相关战斗部的试验结果进行了对比，获得了一些规律性的认识。研究结果可为侵彻反舰类战斗部的设计提供参考。

1试验装置及方法

1.1试验装置

调研表明，现有烤燃试验装置的壳体厚度多为2～4 mm[7,10-12]，不适于模拟侵彻反舰类战斗部的烤燃特性。为此，这里参照相关标准设计了图1所示的厚壳体强约束烤燃试验装置。试验系统包括试验弹、加热带、热电偶、压力传感器、控温测温系统和油池等。试验弹外筒与端盖之间通过细螺纹连接，并采用耐热密封圈保证装药内腔具有良好的密封性；端盖上设有热电偶插口，热电偶敏感部分置于炸药

1-下夹板；2-夹紧螺栓；3,11-烤燃弹体；4-电加热带；

中断面径向不同位置处，通过信号线与电脑专用系统记录壳体和炸药温度的变化过程。烤燃试验装置实物图如图2所示。

图2　烤燃试验装置

模拟试验弹壳体厚度为8 mm，材料为45#钢。装药尺寸为Ф50 mm×100 mm，装填熔铸RHT-1(TNT/RDX/其他)和浇注GHL-1(RDX/AL/其他)2种典型炸药。

1.2试验方法

慢速烤燃试验通过电加热带给模拟试验弹外壳加热，并用控温系统控制其升温速率。为减少试验成本，在不影响试验结果的情况下，首先从常温开始(以实测为准)以5℃/min的升温速率对模拟试验弹加热，当其壳体温度达到160℃左右时，再以1 ℃/min的恒定升温速率加热，直至发生爆响等反应为止。

火烧试验时，用铁丝将试验弹固定在油池中心上方40 cm 处，并用航空煤油对模拟试验弹进行加热。在离试验弹上下表面约50 mm处各安装一个热电偶，以测试弹体周围火焰温度的变化过程。

针对熔铸RHT-1和浇注GHL-1两种炸药，分别进行了慢速烤燃和火烧试验研究。试验过程中，实测炸药中心(R0)、半径(R1/2)和其表面(R1)温度随时间的变化曲线，并利用压电式压力传感器测得试验弹反应后的冲击波超压。此外，装药反应等级参照美军标MIL-STD-2105D确定[13]。

2结果与讨论

2.1慢速烤燃试验结果及分析

针对设计的厚壳体强约束模拟试验弹，分别以熔铸炸药RHT-1和浇注炸药GHL-1为研究对象，开展慢速烤燃试验。

试验测得炸药不同位置温度随时间的变化曲线如图3所示,主要结果如表1所示。可以发现， 熔铸炸药模拟试验弹发生爆响的时间小于浇注装药的情况，因此其爆响时加热带的温度也较小。同时， 熔铸炸药反应时的温度约为213.1℃，而浇注炸药的反应温度仅177.1℃，两者相差较大。究其原因是，2种炸药的组分完全不同，熔铸炸药RHT-1中的TNT在100℃以下就会熔融，因此其加热后期的温度分布较均匀，反之浇注炸药主要成分RDX的熔点约为205℃，其分解较难，导致加热过程中容易形成较多的局部热点，因此其反应时的温度较低。

图3　慢速烤燃过程中炸药不同位置温度测试结果

试验工况环境温度/℃爆响时间/min3m处超压/kPa反应等级爆响时温度/℃加热带炸药I-1(RHT-1)16.591.03—爆炸227.6213.1I-2(GHL-1)14.8103.6825.7爆炸246.2177.1

模拟试验弹慢速烤燃后的壳体残骸如图4所示。可见，在所研究的厚壳体强约束情况下，两发试验弹均发生爆炸，但形成的破片存在一定差异。其中，浇注装药试验弹壳体形成一个完整破片，而熔铸炸药形成了多个破片。结合2种炸药反应时间的差异，可见强约束条件下浇注炸药慢速烤燃时的安全性略高于熔铸炸药。

图4　熔铸和浇注两种炸药慢烤试验残骸

2.2快速烤燃试验结果及分析

仍以前述2种炸药为对象，研究厚壳体强约束下炸药快速烤燃时的反应特性。

快速烤燃时，熔铸装药试验弹上下表面火焰温度和炸药不同位置的温度变化过程如图5所示。可以发现，火焰温度基本维持在500～830℃之间，满足试验要求。从图5(b)可以看出，快烤过程中炸药的温度分布极不均匀，其外表面的温度上升较快，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[11,14]报道的结果一致。浇注炸药温度变化趋势与熔铸装药试验结果一致，这里不再赘述。

图5　熔铸装药试验弹快烤时火焰温度

图6所示为熔铸炸药RHT-1和浇注炸药GHL-1模拟试验弹火烧后的壳体残骸，主要试验结果如表2所示。可见，在所研究的厚壳体强约束情况下，虽然两发试验弹发生反应的时间差异较小，但熔铸装药试验弹形成的破片很小，仅回收到少量破片，反应等级为爆轰，反之浇注装药试验弹的端盖被冲开，壳体保持完整，炸药喷出后全部燃烧，其反应等级仅为燃烧，即强约束条件下浇注炸药火烧时的安全性显著优于熔铸炸药。

表2　熔铸RHT-1和浇注GHL-1炸药火烧试验结果

图6　熔铸和浇注2种炸药快烤试验残骸

2.3烤燃试验结果与相关战斗部反应特性对比

为分析不同约束情况下炸药烤燃反应等级之间的差异，以及它们与真实战斗部反应特性之间的联系，在此将厚壳体强约束模拟试验弹的结果与薄壳体试验结果和相关战斗部的反应特性进行了对比，如表3所列。其中，M933与M934战斗部主装药为B炸药，其组分与熔铸炸药RHT-1相近。可以发现，不同壳体厚度下，熔铸炸药慢速烤燃和火烧时的反应程度均较剧烈，而浇注炸药的热安全性相对较高，这进一步证实了浇注炸药烤燃安全性高于熔铸炸药的结论[15]。因此建议熔铸装药战斗部可以通过换装浇注炸药提高其安全性。模拟烤燃试验弹与真实战斗部烤燃结果的对比发现，两者的反应等级存在一定差异，而各种战斗部的壳体厚度和结构组成各不相同，相应的烤燃反应特性也不能一概而论，对真实战斗部的烤燃安全性尚需从反应机理方面进一步深入研究。

表3　不同约束下炸药烤燃结果与战斗部反应特性的对比

注：M933、M934装填炸药为B炸药

3结论

利用自行设计的烤燃试验装置，试验研究了熔铸RHT-1和浇注GHL-1两种典型炸药慢速烤燃和火烧时的反应特性，并与薄壳体和相关战斗部的烤燃结果进行了对比。获得结论如下：

1) 厚壳体强约束情况下，浇注炸药慢速烤燃条件下发生爆响的时间大于熔铸装药的情况，且其形成的破片也更少，浇注炸药慢速烤燃时的安全性略高于熔铸炸药；

2) 快速烤燃时，浇注炸药的安全性显著优于熔铸炸药，其中熔铸装药试验弹的反应等级为爆轰，而浇注装药仅发生燃烧反应；

3) 不同壳体厚度下，熔铸炸药慢速烤燃和火烧时的反应等级均较高，而浇注炸药的热安全性相对较好，建议熔铸装药战斗部可以通过换装浇注炸药提高其安全性。

参考文献：

[1]Parker R P.USA small-scale cook-off bomb (SCB) test[C]//Minutes of 21st Department of Defense Explosives Safety Board Explosives Safety Seminar.Houston,1984.

[2]Scholtes J H G,van der Meer B J.Investigation into the small-scale cook-off bomb (SCB)[R].TNO report,PML 1994-A44,1994.

[3]Chidester S K,Traver C M,Green L G,et al.On the violence of thermal explosion in solid explosives[R].USA:Lawrence Livermore National Laboratory,1997:264-280.

[4]GB/T 14372—2005,危险货物运输 爆炸品认可、分项试验方法和判据[S].

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[12]智小琦,胡双启.炸药装药密度对慢速烤燃响应特性的影响[J].爆炸与冲击,2013,33(2):221-224.

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(责任编辑蒲东)