仓储某型云爆弹失效分析与实验研究

阮孟宁，张　力，陈永康，刘海涛

(军械工程学院　a.学员二旅；b.弹药工程系；c.军械技术研究所，石家庄　050003)



仓储某型云爆弹失效分析与实验研究

阮孟宁a，张力b，陈永康b，刘海涛c

(军械工程学院a.学员二旅；b.弹药工程系；c.军械技术研究所，石家庄050003)

摘要：云爆弹是新一代轻型系列武器中的面毁伤武器，采用失效树分析方法，确定了仓储某型云爆弹的失效模式，研究了主要失效因素，并通过试验验证了硝酸异丙酯对推进剂的安定性能和燃烧性能以及对电火工品的影响。发现硝酸异丙酯渗漏后会降低推进剂的储存安定性，影响推进剂的燃烧规律并会溶解溶胀电火工品，导致其失封。

关键词:云爆弹；失效分析；失效树分析；硝酸异丙酯

云爆弹[1]作为一种面毁伤武器，爆炸时形成的气溶胶云雾可打击地面、海面以及地下工事军事目标，具有威力大、精度好、体积小、质量轻、机动灵活、受地形限制小等特点。

某型云爆弹是新一代轻型系列武器，可用于地面和半地下野战工事、观察所和普通建筑；杀伤工事和构筑物内的有生力量；也可摧毁油库、弹药库、营房、各种车辆、指挥所、炮兵阵地、通讯枢纽等目标。

云爆弹由云爆火箭弹和后筒(也称发射后筒)组成，后筒与发射装置的前筒对接构成火箭发射筒。后筒由筒体、导电带、板形插座等组成，与云爆火箭弹固定连接后构成云爆弹。

云爆火箭弹由战斗部、引信和火箭部组成。战斗部主要由风帽、前装药、云爆装药弹体组成。云爆装药弹体中的主装药为云爆剂，也称燃料空气炸药(fuel-air explosive，FAE)。某型云爆弹所用云爆剂为常用液体云爆剂，即硝酸异丙酯和镁粉。火箭部由装药燃烧室、点火具和稳定装置构成。火箭药采用某型高能高燃速的推进剂。

火箭弹碰击目标后，引信作用，引爆起爆装药，在起爆装药抛洒点燃云爆剂的同时，起爆前装药，在前后装药的复合作用下，形成超压杀伤能力并具有攻坚功能。

某型云爆弹在军中发挥着重要作用，因此很有必要对其进行失效分析，确定影响因素。

弹药的失效机理较复杂，特种工艺及关键工序较多，产生的影响因素也很多，但其主要的失效模式比较明确[2]。因此本文采用失效树分析(failure tree analysis,FTA)方法[3-4]对仓储某型云爆弹的安全性、储存性、可靠性和配套性进行分析。

1失效分析

1.1确定仓储失效模式

通过对某型云爆弹的功能、结构特点以及作用原理的分析，确定其仓储失效模式如图1所示。

图1　某型云爆弹的失效模式

1.2建立失效树

以储存失效、300 m立靶密集度不合格为例。各失效树如图2、图3所示。

图2　储存失效的失效树

图3　300 m立靶密集度不合格的失效树

其中由于云爆剂中硝酸异丙酯所固有的特性以及加工工艺所限，在贮存过程中硝酸异丙酯会不可避免地渗漏到弹药内部和周围环境中。硝酸异丙酯具有易挥发、易燃、易爆、溶解性强等特点，是一种强氧化剂和强溶剂，会对云爆弹推进剂的安定性能以及燃烧性能造成危害[5-6]，直接影响弹药的安全贮存和可靠使用。

硝酸异丙酯等组分渗漏，也会影响火工品和橡胶密封件等部件的性能。对火工品的危害主要体现在对密封漆的溶解方面，可能会造成火工品性能参数改变，最终影响弹药的性能。对橡胶密封件的危害主要体现在由于硝酸异丙酯具有很强的渗透性和溶解性，可能会溶解或溶胀弹药中的橡胶件，造成危害。

2试验部分

为确定硝酸异丙酯渗漏对某型云爆弹的失效影响，本文通过试验来进行验证。

2.1硝酸异丙酯对电火工品的影响试验

2.1.1样品准备

分别取电点火头和电雷管试件置于配制好的不同浓度的硝酸异丙酯气体中，每隔24 h观察试件的变化，做好记录。

2.1.2试验结果

试验发现，经过一段时间的反应，试件外观发生明显变化：电点火头点火药表面鲜红的颜色逐渐退至粉红，最后变为白色；引线胶皮表面被溶解，电点火头点火药表面出现明显的裂缝；电雷管用密封胶逐渐溶胀直至溶融，最后完全被溶解，呈液态流出。试验现象如图4和图5。

结果表明，硝酸异丙酯对电点火头密封漆和电雷管的密封胶腐蚀作用明显，且随着浓度增大，腐蚀作用明显增强，腐蚀速度明显加快。试验发现，硝酸异丙酯气体对电雷管密封胶的溶解过程是可逆的，也就是说，将已溶解的密封胶从硝酸异丙酯气体环境移至空气环境中，密封胶会逐渐硬化恢复至原状，但其密封性能不再符合元件使用要求。

由于硝酸异丙酯对电火工品的影响，可能会导致云爆弹的储存失效。

图4　电点火头试验现象

图5　电雷管试验现象

2.2硝酸异丙酯对推进剂安定性能的影响试验

云爆剂中的硝酸异丙酯进入到推进剂内部后，会影响其分解，对贮存安全造成危害。为了研究硝酸异丙酯对推进剂安定性能的危害，本文利用热分析实验[7-11]对推进剂在不同条件下的升温分解过程进行了测试。

2.2.1试验条件

实验采用加速量热仪(ARC)研究发射药的热分解过程，共准备6份推进剂样品，1#为原样，2#至6#样品小球中注入不同量的硝酸异丙酯液体。详细的样品量与测试条件如表1所示。

表1　样品量及测试条件

注：M为推进剂样品质量；V为混合的硝酸异丙酯体积；Tstart为起始温度；Tstep为升温步阶；Twait为等待时间；S为温升速率检测灵敏度。

2.2.2试验结果

6组样品的绝热分解曲线如图6。利用速率常数法求得的各样品的动力学参数如表2所示。

从图6和表2可以发现，混合硝酸异丙酯后，推进剂的热分解发生了明显变化。样品的起始热分解温度大大降低。起始分解温度由原样的130℃降低至100℃左右。利用速率常数法计算得到的动力学参数，发现混合硝酸异丙酯后的样品表观活化能降低，其中2#、3#和6#样品的表观活化能减少了20 kJ·mol-1左右，与1#原样相比变化明显。

由于硝酸异丙酯对推进剂安定性能的影响，可能会导致云爆弹的储存失效。

图6　样品的温度-时间曲线

动力学参数1#2#3#4#5#6#E/(kJ·mol-1)145.6128.3127.7138.0138.7120.4A/s-1×10138.63.44.28.19.62.3

2.3硝酸异丙酯对推进剂燃烧性能的影响试验

云爆剂中的硝酸异丙酯渗漏到推进剂内部后，会影响到推进剂的燃烧规律，采用密闭爆发器实验确定硝酸异丙酯对推进剂燃烧性能的影响情况。

2.3.1试验条件

试验准备6组样品，其中高密度和低密度装药各3发，分别用0.2～0.8 mL的硝酸异丙酯依次与2#至5#样品混合。

2.3.2试验结果

试验测得推进剂的压力-时间曲线及其微分曲线如图7、图8。

图7　P-T曲线

根据试验的曲线，分析得到混合硝酸异丙酯后，推进剂的最大压力上升，燃烧时间缩短；样品的余容不断减小，火药力不断增大。这是由于硝酸异丙酯分解参加燃烧，产生一定量气体导致样品的余容减小，同时产生一定的能量导致样品的火药力变大，导致压力变大，推进剂的燃速系数增大，压力指数减少。

由于硝酸异丙酯对推进剂燃烧性能的影响，有可能会导致云爆弹动不平衡超差、300 m立靶密集度不合格等问题。

图8　dP/dT-T曲线

3结论

本文采用失效树分析方法，确定了某型云爆弹的失效模式，研究了主要失效因素。在今后的工作中，可以根据本文研究的失效因素提出相应的控制措施，提高产品品质。

通过试验验证了硝酸异丙酯对推进剂的安定性能和燃烧性能以及对电火工品的影响。针对这一问题，一是改进工艺，防止或减少硝酸异丙酯的渗漏；二是选配推进剂、电火工品时，防止其与硝酸异丙酯接触发生作用。

参考文献：

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[11]王韶旭,赵哲,谭志诚,等.丙硫异烟胺的热稳定性及其热分解动力学[J].物理化学学报,2007,23(9):1459-1462.

(责任编辑唐定国)

本文引用格式：阮孟宁，张力，陈永康，等.仓储某型云爆弹失效分析与实验研究[J].兵器装备工程学报，2016(5):85-88.

Citation format:RUAN Meng-ning,ZHANG Li,CHEN Yong-kang,et al.[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(5):85-88.

Storage Failure Analysis and Experimental Study on a Fuel Air Explosive

RUAN Meng-ninga,ZHANG Lib,CHEN Yong-kangb,LIU Hai-taoc

(a.The 2ndBrigade; b.Ammunition Egineering; c.Ordnance Technology Research Institute, Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003,China)

Abstract:Fuel air explosive is one of surface damage weapons in light weapon serie of a new generation.This paper used failure tree analysis method to determine the failure mode and studied the main failure factors.The influence of isopropyl nitrate on the stability and combustion performance of propellant,and the performance of electro-explosive device were studied with experiments.It is found that the leakage of isopropyl nitrate can cause the damage to the storage performance and affect the combustion rules of propellant.Meanwhile isopropyl nitrate can dissolve the rubber parts of electro-explosive devices which can lead to the loss of seal of electro-explosive devices.

Key words:fuel air explosive; failure analysis; failure tree analysis; isopropyl nitrate

doi:【后勤保障与装备管理】10.11809/scbgxb2016.05.021

收稿日期：2015-12-15；修回日期：2016-01-20

作者简介：阮孟宁(1994—)，男，主要从事弹药储供保障研究。

中图分类号：TJ55

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)05-0085-04