不同约束条件下B炸药的慢烤响应特性

2018-11-12梁争峰

火炸药学报 2018年5期

邓海，沈飞，梁争峰，王辉

(西安近代化学研究所，陕西西安 710065)

引言

烤燃实验是为弹药在制造、贮存、运输及实战环境中可能遭受的意外热刺激而设计的工程热安全研究方法[1-2]，对炸药使用过程中热安全性的分析和评价具有重要意义。慢速烤燃是一种衡量炸药在持续升温刺激条件下所表现出来的反应剧烈程度的试验方法，在对火炸药危险性分级、工艺过程安全防范指导和不敏感弹药鉴定验收等方面具有不可或缺的作用[3]，加之目前对不敏感弹药需求的迫切性，因此对装药慢烤响应特性的研究有非常重要的现实意义。

目前，国内外主要从炸药的物理性质(如装药密度[4]、孔隙率[5])、约束条件(如壳体厚度[6]、密封条件[7])、升温条件(如升温速率[8]、不同热通量[9])等方面研究了其对炸药烤燃响应特性的影响。Lori等[10]对HTPB等3种水下炸药在全封闭条件和有排气孔工况下进行了慢烤实验研究，结果表明，对于同一种炸药，全封闭比带排气孔时响应剧烈；Nichols等[11]在已有的ALE3D方程中增加了用于描述炸药孔隙率的变量，添加了早期热分解产生气体的状态方程，模拟了热刺激下炸药的烤燃行为，研究了炸药的相变；王红星等[12]通过对DNAN的慢速烤燃实验研究得出了DNAN的自发火温度、热爆炸延滞期和热爆炸临界温度，并与TNT进行对比，得出了新型熔铸载体炸药DNAN的热感度优于TNT；陈科全等[13]设计了一种排气缓释结构，对熔铸装药RHT-1进行了慢速烤燃和快速烤燃试验，结果表明排气缓释结构显著降低了快速烤燃时的反应等级，延长了慢速烤燃的反应时间。

上述文献主要是通过模拟或实验结果对炸药的热安定性进行比较及评价，针对同一种熔铸装药的烤燃过程与响应特点系统研究鲜有报道。熔铸炸药是各国大型航弹、各种榴弹及部分导弹战斗部的主装药，应用非常广泛，并且当今战场环境日趋复杂，弹药面临更严峻的安全性考验，装药必须要满足不敏感性的要求，而B炸药作为一种典型的熔铸炸药，具有较强的代表性，因此本研究利用烤燃装置，对B炸药进行了无约束、带不同孔径排气孔及全密闭约束3种状态的慢速烤燃实验，对B炸药在不同约束条件下的慢烤安全性进行了研究，为不敏感战斗部的设计提供理论支持。

1 实验

1.1 样品及装置

实验样品为熔铸B炸药(TNT与RDX质量比为40∶60)，密度1.65g/cm3,无约束实验样品尺寸为Ф40mm×60mm，有约束实验样品尺寸为Ф25mm×50mm。

烤燃弹壳体厚度5mm，内腔尺寸为Ф25mm×50mm，材料为45#钢，端盖分别设计为无排气孔、Ф4mm排气孔及Ф8mm排气孔3种结构，其结构示意图如图1所示。

1.2 实验系统及原理

实验系统(见图2)包括加热烤箱、热电偶、控温仪器、视屏监控仪器和计算机，其中，加热烤箱具有良好的保温性，加热功约3000W，通过箱内电热丝加热，由控温仪控制烤箱内空气域的温度，控温范围0～300℃，烤箱的一侧用钢化玻璃作为挡板，在烤箱内试样安放架后侧斜45°布置两块反射镜，以便视屏监控装置能在慢烤过程中对试样进行全角度观察。

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

图2 慢烤装置示意图Fig.2 Schematic diagram of slow cook-off set-up

无约束炸药烤燃实验时，把试样放于透明玻璃容器内，固定在试样安放架上，在玻璃容器内布置测温热电偶，用于测量炸药相变前周围空气域的温度和相变后炸药的温度，另外在箱内布置控温热电偶，用于测量箱内温度，并反馈给控温系统，进行精准控温。用计算机数据采集系统对实验数据进行记录和处理。

带排气孔约束烤燃实验时，布置3只热电偶，控温热电偶安装在箱子内部，用于控温系统控制升温速率，一只测温热电偶从排气孔插入测量炸药的温度，并且在热电偶上端安装配重块，保证热电偶随炸药的熔化能不断下降，另一只安装在壳体表面，用于测量其温度随时间的变化情况。

无排气孔全密闭约束烤燃实验时，在壳体表面和箱内安装热电偶，测量剧烈反应时的温度。

实验时在钢化玻璃正对面安放视频监控装置，对慢烤的过程进行全程监控，采取1℃/min的升温速率进行加热，加热至试样发生剧烈反应为止。通过实验可以清楚观察到试样慢速升温的响应过程及现象，获得相应温度随时间的变化曲线。

2 结果与讨论

2.1 无约束时B炸药的慢烤响应

无约束条件下热电偶测得的温度随时间的变化曲线如图3所示。曲线1为箱内的温度随时间的升温曲线，曲线2为炸药熔化前玻璃容器内空气域的升温曲线，曲线3为炸药熔化至剧烈反应的温度随时间的变化曲线。

图3 无约束时B炸药慢烤的温度-时间曲线Fig.3 T—t curves measured by slow cook-off of composition B when unconstrained

从图3可以看出，无约束条件下B炸药的慢速烤燃过程可分为4个过程：固体升温、熔化/相变、液体升温、加速分解至点火。

熔铸炸药要求其载体熔点低、热稳定性好，B炸药以TNT为载体，有较好的热稳定性，在发生相变前几乎不会发生分解反应，因此固体升温阶段可忽略炸药的自热反应，只是炸药由表及里的热传导过程。

从图3可知，炸药升温到99℃时，曲线3开始出现温度平台，这时炸药开始熔化，熔化过程如图4所示，由于热量从炸药表面传入内部需要时间，炸药内部会存在一定的温度差，因此炸药的表层首先开始熔化，在重力作用下，流向杯底淹没了布置在杯底的温度传感器，此时所测得的温度由烧杯内空气域温度变为液态炸药的温度，由于熔化过程吸热，同时热量要向未熔化的炸药传热，导致温度上升缓慢，几乎处于平台上下波动；经过36min左右，炸药几乎全部熔化，此后由于增加了对流换热作用，使炸药内部热量交换速率加快，炸药内部温度趋于均匀，随着烤箱的升温，液态炸药整体以几乎相同的升温速率继续升温。

温度升至197℃时，炸药的升温速率明显加快，这时炸药发生了更加显著的自热分解反应，产生的热量不能及时扩散，使炸药内部温度迅速升高，进一步加剧炸药分解反应的剧烈程度。此时反应状态如图5所示，液态炸药内部明显有气泡产生，开始出现沸腾，炸药液面上不断有气泡冒出，伴随着气泡破裂气体逸出，部分热量被带走，炸药内部升温速率出现短暂降低，液面也变得稍微清澈。但随后炸药在自热反应的作用下，热量不断累积，温度又再次迅速升高，高温环境使得分解放热速率急剧加快，炸药内部重新产生更多气泡，液面剧烈沸腾，大量气体从杯口逸出，同时液面不断升高甚至喷溅溢出烧杯，最后发生点火燃烧。

图4 B炸药的相变过程图Fig.4 The phase change process of composition B

图5 加速反应的状态图Fig.5 The state diagrams of the accelerating reaction

实验后的残骸如图6所示，可以看出箱体连接处被撑开，箱体玻璃面无破损玻璃容器完好，说明熔铸B炸药在无约束条件下，分解产生的气体能顺利扩散，不能形成高压的环境，因此点火后反应烈度不会增长，炸药只发生燃烧反应。

图6 实验后残骸的图片Fig.6 The images of wrecks after the experiment

2.2 带排气孔约束条件下B炸药的响应特点

2.2.1 带Φ8mm排气孔约束B炸药慢烤响应

在带排气孔约束条件下，设置了两种开孔大小的工况。带Ф8mm排气孔实验时3个热电偶测得的温度随时间的变化曲线如图7所示。由图7炸药升温曲线可以看出，烤燃弹装药的慢烤升温过程和裸装炸药慢烤的升温过程有相同的特征，都存在明显的表征相变温度平台和加速自热分解反应过程。

图7 带Φ8mm排气孔B炸药慢烤温度-时间曲线Fig.7 T-t curves measured by slow cook-off of composition B with 8mm vent

由图7可以看出，炸药温度在91.7℃左右开始出现温度平台，炸药开始熔化。相对于裸药柱相变过程是一个温度平台，带壳装药呈现降低的趋势，这是由于熔化是一个吸热过程，此时壳体和炸药表层的温差较小，向炸药内传入热量的速率低于吸收和散失造成的热损失速率；对比裸装药在99℃出现温度平台，带壳装药为91.7℃，这是由于两次实验热电偶的布置位置不同，裸装炸药慢烤时，测的是炸药熔化后流到杯底后的温度，而本实验测的是炸药熔化界面处的温度，会比熔化一段时间后的炸药温度低。

温度平台约历经20min，炸药已熔化为液体，此后整体以一个更高的升温速率继续升温。在炸药温度升至132℃时，开始从排气孔里溢出液体炸药，并随温度的增加，溢出速率越来越快，到后期炸药温度升至163℃时，溢出的液态炸药有明显的气泡出现，实验现象如图8所示，烤箱底面溢出的炸药出现了白色泡沫，说明炸药的自热分解速率在不断加快，并伴有气体排出。实验后的残骸如图9所示，烤燃弹结构完好，在排气孔周围有大量炸药溢出后烧蚀的残渣，可判断发生了燃烧反应。

图8 炸药升温过程现象图Fig.8 Photos of explosive heating process

图9 带Ф8mm排气孔慢烤实验后残骸 Fig.9 Wreck after slow cook-off experiment with Φ8mm vent

从图7炸药升温曲线可知，当炸药温度升至197℃时升温速率迅速增大，说明温度的升高引起了系统热积累与热损失的严重失衡，热生成速率呈指数式升高，这时从排气孔处能明显观察到液态炸药不断沸腾，并伴随着气体持续从排气孔快速涌出，由于箱底温度较高、箱内氧气充足，落在箱底的炸药首先发生了点火，同时烤燃弹内的炸药自热反应速率不断加强，内部温度迅速升高到炸药的点火温度，紧接着排气孔处的炸药也发生了点火燃烧，点火过程如图10所示。

图10 实验弹点火过程图Fig.10 Photos of ignition process for testing bomb

2.2.2 带Φ4mm排气孔约束B炸药慢烤响应

从带Ф8mm排气孔烤燃弹的慢烤实验可得出排气孔能有效地泄压，抑制了壳体内压力快速增长。为研究排气孔的大小对慢烤响应特性的影响，进行了Ф4mm排气孔烤燃弹的慢烤实验，实验结果显示炸药温度在138℃时，从排气孔处有大量的气体排出，实验现象如图11所示，经过40s左右发生了剧烈反应，实验后收集的残骸如图12，壳体呈向外膨胀式破裂，端盖向外凸起，这是由于壳体内部压力过大，没能及时泄压，导致壳体被撑破为大块碎片，通过剧烈反应时的声响及烤燃弹残骸，可以判断排气孔为Ф4mm时，发生了爆燃反应。

图11 实验弹排气状态图Fig.11 The state photos of venting process

图12 带Ф4mm排气孔慢烤实验后残骸Fig.12 Wrecks after slow cook-off experiment with Φ4mm vent

2.3 全密闭约束条件下B炸药的慢烤响应

无排气孔时烤燃弹在壳体温度升到171℃发生了剧烈反应，试验后的残骸如图13所示，可以看出壳体被炸成了碎块，依据标准的NATO响应描述，可知发生了爆炸反应。对比带Ф4mm排气孔时发生爆燃反应，带Ф8mm排气孔时发生燃烧反应，这是由于熔铸炸药相变后,已经开始发生缓慢分解反应，不断有气体排出。当排气孔较大或无约束时，液态炸药伴随气体能及时向外扩散，保证了反应区内部压力不会持续升高，炸药进行稳定、缓慢的反应，最终仅发生了燃烧反应；当排气孔较小时，液态炸药和气体不能快速及时排出，壳体内部压力逐渐升高，导致炸药分解反应速率进一步加快，热积累逐渐增多，同时炸药接触到了氧气，在温度较低时就发生了较为剧烈的爆燃反应；而没有排气孔时，液态炸药和气体无法排出，壳体内的压力快速升高，导致炸药分解反应速率和热积累迅速加快，温度和压力不断升高，达到一定阈值后，发生了剧烈的爆炸反应。