不同升温速率下DNAN熔铸炸药烤燃尺寸效应研究*

赵 亮，智小琦，于永利，高 峰，曾 稼

(1 中北大学，太原 030051；2 吉林江机特种工业有限公司，吉林吉林 130021；3 内蒙古北方重工业集团有限公司，内蒙古包头 014033)

0 引言

烤燃实验是检验和评估弹药热易损性的重要方法[1]，对弹药的设计、制造、运输、储存及使用有重要指导意义。随着弹药的热安全性问题日益引起重视，DNAN(2，4-二硝基苯甲醚)作为一种新型钝感高能熔铸载体炸药受到国内外研究人员关注，并对此进行了大量的研究，得到了许多有价值的结论。如王红星[2]等研究了DNAN炸药热安全性，得出了DNAN 炸药的发火温度、爆发点及活化能等参数，研究表明作为熔铸载体，炸药热感度优于TNT。董海山[3]等人综述了DNAN炸药的合成现状、物理性能和以DNAN为基的熔铸炸药配方的研制及相关性能的研究进展。陈朗[4]等人研究了DNAN炸药在烤燃实验中的响应特性，建立了熔化和对流传热模型，得出了与固体炸药相比在传热和对流的作用下，熔铸炸药内部温度分布更加均匀，点火区域扩大，响应剧烈程度随之增加。马欣[5]等研究了DNAN和HMX熔铸混合炸药在烤燃实验下的响应特征，建立了混合炸药的数值模型，通过数值计算得出混合炸药响应主要是由HMX分解放热引起的；炸药在不同加热条件下的点火位置发生变化。

目前对DNAN炸药热安全性的研究主要以固定尺寸烤燃实验为主，而实际弹药中尺寸多变。因此，文中以3.3 ℃/h和1.0 ℃/min的升温速率对Φ19×38 mm和Φ19×76 mm不同尺寸的DANA基熔铸混合炸药进行烤燃实验，研究尺寸效应对熔铸混合炸药烤燃响应特性的影响，这对弹药的热安全性评估具有很重要的意义。

1 实验

1.1 烤燃装置及材料

实验采用自行设计的烤燃系统如图1所示，烤燃实验装置主要由计算机、MR13温控仪(测量精度为0.1 ℃)、烤燃炉和K型热电偶组成。其中由MR13温控仪、烤燃炉和K型热电偶三者组成温控反馈调节系统，对实验的升温速率进行控制调节。利用SFO计算机软件对烤燃实验过程中的温度进行实时采集。

1.2 实验方法

烤燃弹的装药尺寸分别为Φ19×38 mm和Φ19×76 mm，DNAN基熔铸混合炸药质量配方为：2，4-二硝基苯甲醚(DNAN)31.6%、黑索金41%、铝25%、添加剂2.4%，烤燃弹装药密度为1.80 g·cm-3，烤燃弹壳体壁厚为3 mm，顶盖厚度为1 mm，端盖和壳体用螺纹连接，并用硅脂密封，壳体材料均为45钢。图1为烤燃弹的实物图与示意图。

从30 ℃(303.15 K)开始升温，分别以3.3 ℃/h和1 ℃/min的升温速率对烤燃弹进行升温，直到试样发生响应。采用3支WRN-010K微型热电偶测量温度，其中第一支固定在烤燃弹弹体外壁(A测点)，第二支埋在药柱中心处(B测点)，第三支放在距药柱中心6 mm的同一平面处(C测点)。记录烤燃过程中3个监测点的温度-时间历程曲线，回收破片并通过壳体变形和破碎状况来衡量试样弹响应程度。每种状态至少做两发平行试验。

图1 烤燃弹

1.3 实验结果

实验结果如表1所示。从表1可以看出：在同一升温速率下，长径比较大的烤燃弹响应时药柱中心温度较低；在同一长径比下，升温速率较低的烤燃弹响应时药柱中心温度较低。这表明升温速率和装药尺寸是影响炸药慢烤响应温度的重要因素。

烤燃弹响应后破片状态如图2所示。由图2可见，在1.0 ℃/min升温速率下，两种装药尺寸的烤燃弹的弹体均未生明显变形，两端端盖均受剪切冲开，表明两种装药尺寸的烤燃弹只发生了燃烧反应；在3.3 ℃/h升温速率下，Φ19×36 mm的烤燃弹点火后，两端端盖受剪切炸开，壳体未发生明显变形，表明发生了燃烧反应，Φ19×76 mm的烤燃弹点火后壳体破碎，破片数量较多，表明发生了爆炸以上等级反应。因此可以推断在升温速率较慢环境中装药尺寸较大的试样容易发生更加剧烈的反应。以上表明，升温速率和装药尺寸是影响炸药烤燃响应剧烈程度重要因素。

表1 烤燃实验结果

图2 烤燃弹试验结果

为研究在不同升温速率下装药尺寸对响应时炸药中心测点温度的影响规律，特做仿真如下。

2 数值计算

2.1 模型建立

据烤燃试样的结构建立数学模型，首先做以下假设：1)炸药为均一固体，相变过程忽略微观不均匀性；2)整个烤燃过程壳体材料参数保持不变；3)炸药的自热反应遵循Arrhenius定律[6]。

取时间-温度曲线拐点处药柱中心温度为炸药的响应温度。烤燃过程中烤燃弹内部系统中质量、能量、动量连续方程可以用以下通用形式来表示[7]：

(1)

式中：φ为通用变量，包含质量、能量、动量等；Γ为广义扩散系数；S为炸药自热源项，遵循Arrhenius方程。

(2)

式中：Q为反应物反应热；Z为指前因子；E为反应物的活化能；ρ为反应物的密度；R为普适气体常数；f(a)为反应功能函数，所用计算模型为零级反应模型，所以f(a)=1。

采用FLUENT软件进行数值模拟计算，烤燃弹的计算模型如图3所示，烤燃弹壳体外壁设置为加热面，壳体和药柱间设置为耦合边界条件，烤燃弹1/2模型截面设置为对称边界条件。采用焓孔隙率方法处理炸药的相变过程[8]，通过液相分数来追踪相界面位置变化。用多孔介质模型来描述混合物。药柱的升温速率和自热源项用C语言编写成子程序通过用户自定义(UDF)接口加载到软件。升温速率设置为3.3 ℃/h 和1.0 ℃/min，对装药直径为19 mm、长径比分别为0.5、1、2、3、4、5、6不同装药尺寸的模型进行加热，直到炸药发生响应。

图3 烤燃弹试样网格模型

数值计算时的材料参数参照文献[5，9]，以实验所得监测点温度为依据，调整材料参数，直至实验结果与数值计算结果相吻合。调整后的材料物性参数如表2所示；DNAN炸药和RDX炸药反应动力学参数如表3所示。

表2 材料的物性参数

表3 DNAN炸药和RDX炸药化学反应动力参数

2.2 数值计算结果分析

2.2.1 仿真结果与实验结果对比分析

表4 不同装药尺寸烤燃数值计算结果和实验结果

计算和实验结果如表4所示，由表4可知，仿真计算结果与实验结果相对误差最大为1.57%，两者高度吻合，说明该模型和计算方法能够准确的描述DNAN熔铸混合炸药在加热过程中的热响应情况。

图4 为3.3 ℃/h和1.0 ℃/min 升温速率下烤燃弹点火时刻温度云图，从图4可知在两种升温速率下Φ19×38 mm和Φ19×76 mm烤燃弹的点火位置均在药柱中心，且在同一升温速率下点火区域与药柱尺寸呈相似几何分布。

图4 3.3 ℃/h和1.0 ℃/min 升温速率下烤燃弹点火时刻温度云图

2.2.2 不同装药尺寸烤燃仿真结果分析

不同装药尺寸烤燃弹计算结果如表5所列。两种升温速率下，长径比为0.5的烤燃弹响应时各监测点温度最高，长径比为6的烤燃弹响应时各监测点温度最低。即随长径比增大响应温度呈降低趋势。

图5、图6为在3.3 ℃/h和1.0 ℃/min 升温速率下响应温度和响应时间与装药尺寸的关系曲线，从图5、图6可以看出两种升温速率下当烤燃弹长径比为0.5～4时各监测点温度均随装药尺寸的增大呈指数减小，同时响应时间随装药尺寸增大也呈指数衰减；但当长径比继续增大时，响应温度趋于定值，响应时间也基本恒定。表明不同升温速率下烤燃弹的响应温度随长径比变化的趋势是一致的。但响应温度的绝对值与升温速率有很大关系，同一装药尺寸下，升温速率为3.3 ℃/h的响应温度均小于升温速率为1.0 ℃/min的响应温度。由此可以推断，在该条件下，较慢升温速率下的细长结构的烤燃弹更容易发生响应。

表5 不同装药尺寸烤燃数值计算结果

图5 响应温度装药尺寸的关系曲线

3 结论

1)限定条件下装药尺寸和升温速率均能对DNAN基熔铸混合炸药烤燃响应温度产生影响；装药尺寸越大，升温速率越慢，炸药的响应温度越高，反应程度越剧烈。

图6 响应时间与装药尺寸的关系曲线

2)不同升温速率下，DNAN熔铸混合炸药的响应温度随长径比变化规律相似，但响应温度的绝对值与升温速率有很大关系，同一装药尺寸下升温速率较慢的烤燃弹更加危险。