炸药烤燃特性的隔热层效应探究范文

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摘要：

为研究炸药烤燃特性的隔热层效应，以钝化RDX炸药为对象，选用硅橡胶腻子GPS-2和耐烧蚀涂料T-09作为隔热材料，对不同厚度隔热层的烤燃试样进行了1℃/min的慢烤实验;并用Fluent软件对各升温速率下不同厚度的烤燃模型进行了数值模拟。结果表明，无隔热层时的炸药烤燃响应剧烈程度比有隔热层时强，而有隔热层时，随隔热层厚度的增加，响应剧烈程度会逐渐增强;且隔热层材料不同，也会使响应剧烈程度不同。隔热层对炸药烤燃响应时间和响应温度的影响存在临界厚度效应，即响应时间和响应温度随隔热层厚度的增加会出现先减小后增大现象;且与隔热层材料、炸药种类、装药尺寸直接相关。随升温速率的增大，临界厚度逐渐减小，临界厚度效应逐渐减弱，升温速率较大时，增大隔热层厚度能有效提高炸药耐热性。

关键词：

隔热层；烤燃；炸药；临界效应

烤燃实验是研究和评估弹药及含能材料在生产、使用、运输及贮存等环境下热安全性的一种常用方法［1］。近年，含能材料的热安全性问题引起了人们的高度重视，国内外研究人员进行了大量含能材料烤燃方面的研究。Garcia等［2］通过对HMX基的高能炸药LX-04在不同约束条件下烤燃试验的研究，得出了随着约束条件的减弱烤燃响应的剧烈程度也减弱的结论。Howard等［3］以LX-10炸药为研究对象，对烤燃过程中炸药与壳体间有空气层时进行了数值模拟研究，考虑了炸药热膨胀与空气层厚度变化等因素。王沛等［4］选用固黑铝炸药研究了升温速率对炸药烤燃响应特性的影响。结果表明，升温速率对炸药点火时间和点火位置有很大影响，而对炸药点火温度影响很小。向梅等［5］对不同升温速率下复合药柱的烤燃响应特性进行了研究。结果表明，升温速率较小时，复合药柱的热安定性取决于内部炸药的特性，升温速率较大时，复合药柱的热安定性与单一钝感药柱性能相近。陈朗等［6，7］以TNT和DNAN炸药为研究对象，研究了炸药相变的烤燃特性。结果表明，炸药相变对烤燃特性影响很大且与加热速率有关。此外，还有关于装药密度、装药尺寸、约束条件等因素对烤燃响应特性影响的报道［8—10］。隔热层对弹药的热安全性具有重要影响，但关于炸药烤燃特性隔热层效应的研究较少。本文以钝化RDX炸药为对象，选用硅橡胶腻子GPS-2和耐烧蚀涂料T-09作为隔热材料，对不同厚度隔热层的烤燃试样进行1℃/min的慢烤实验，并用Fluent软件对各升温速率下不同厚度的烤燃模型进行数值模拟，研究炸药烤燃特性的隔热层效应，以期为弹药的低易损设计和热安全性评估提供参考。

1实验

1.1实验装置

烤燃试验装置主要由计算机、温控仪(调节精度0.1℃)、烤燃炉及镍镉/镍硅热电偶(1级精度)组成。温控仪、烤燃炉和热电偶三者构成温控反馈调节系统，控制壳体外壁以一定的升温速率升温。利用自行设计的SFO计算机软件实时采集烤燃试验过程中温度-时间历程曲线。

1.2烤燃试样

烤燃试样由壳体、端盖、隔热层和药柱4部分组成，结构如图1所示。壳体、端盖材料均为45#钢，壳体内壁为Φ19mm×38mm，壁厚3mm，两端与端盖螺纹连接。隔热层材料分别为耐烧蚀热涂料T-09和GPS-2硅橡胶。钝化RDX炸药配方质量比为RDX/钝化剂=95/5，药柱尺寸分别为Φ19mm×38mm、Φ17mm×38mm、Φ16mm×38mm，平均装药密度为最大理论密度TMD的92%(1.640g/cm3)。烤燃试样初始温度为(25±1)℃，试样外壁以1℃/min的升温速率升温，加热至炸药发生响应。记录烤燃试样点火时刻的外壁温度(响应温度)和响应时间，回收破片并通过壳体变形及破碎程度来衡量响应剧烈程度。每种状态至少做两发平行试验。

1.3实验结果与讨论

表1为升温速率1℃/min时不同隔热层的慢烤实验结果。由表1可知，当烤燃试样无隔热层(δ=0)时，响应时间为183min，响应温度为208℃;当隔热层为GPS-2时，随隔热层厚度的增大，响应时间和响应温度均逐渐减小，而当隔热层为T-09时，随隔热层厚度的增大，响应时间和响应温度均逐渐增大。因此，隔热层对炸药的慢烤响应时间和响应温度有重要影响，且与隔热层的材料有很大关系。图2为慢烤试样的实验后状态。由图2可见，当烤燃试样无隔热层时，响应等级为爆轰;当隔热层为GPS-2时，δ=1mm时，响应等级为燃烧;而δ=1.5mm时，响应等级为爆燃;当隔热层为T-09时，δ=1mm时，响应等级为爆燃;而δ=1.5mm时，响应等级为爆炸。参考文献［11］可知，炸药的反应程度和燃烧转爆轰趋势随着约束强度的增加而增加。烤燃试样无隔热层时的壳体约束强度比有隔热层时强，因此，无隔热层时的响应剧烈程度比有隔热层时强。烤燃试样有隔热层时，随隔热层厚度的增加，约束强度也相对增加，则响应剧烈程度会逐渐增强。同时，隔热层材料差异也会导致约束强度不同，故隔热层为T-09时的响应剧烈程度强于GPS-2硅橡胶。

2数值模拟

为进一步研究隔热层厚度对炸药烤燃响应时间和响应温度的影响，采用FLUENT软件对各升温速率下不同厚度的烤燃模型进行数值模拟计算，其中升温速率为3.3℃/h～2℃/min。

2.1计算模型的建立

对烤燃计算模型做以下基本假定:①炸药不发生相变且化学反应为零级放热反应;②药柱与隔热层无间隙，反应区域热传递仅由导热引起;③烤燃全过程中烤燃弹各物理化学参数保持不变;④炸药的自热反应遵循Arrhenius方程。炸药烤燃过程计算模型遵循Frank-Kamenetskii方程［12］，柱坐标系下表达式为:ρcvTt=λ2Tr2+1rTr+1r22Tφ2+2Tz()2+S;S=QρAexp－E()RTf(a)。式中，ρ为反应物密度(kg/m3)，cv为比热容(J•kg－1•K－1)，λ为热导率(J•m－1•K－1•s－1)，S为自热源项，Q为反应物反应热(J/kg)，A为指前因子(s－1)，E为活化能(J/mol)，R为普适气体常数(J•mol－1•K－1)，f(a)为反应功能函数，所用计算模型为零级反应模型，故f(a)=1。烤燃试样为轴对称结构，为简化计算，建立1/4烤燃试样物理模型。炸药的自热反应源项，由C语言编写用户自定义(UDF)子程序，导入Fluent软件。试样外壁为温度边界条件，以一定的升温速率升温。计算过程所需的材料参数见表2和表3［13，14］，其中表2为钝化RDX化学反应动力学参数，表3为材料物性参数。

2.2升温速率1℃/min时不同厚度隔热层的烤燃数值模拟

表4为1℃/min升温速率下不同厚度隔热层的烤燃计算结果。对比表1可知，计算结果与实验结果吻合较好，因此，该材料参数可用于数值模拟。图3为烤燃响应温度与隔热层厚度的关系曲线。结合图表可知，当隔热层为GPS-2时，响应温度和响应时间随隔热层厚度的增加而先减小后增大，存在临界厚度效应且临界厚度为1.5mm;当隔热层为T-09时，响应温度和响应时间随升温速率的增大而增大，不存在临界效应。本研究所用烤燃模型壳体尺寸不变，药柱直径随隔热层厚度的增加而减小，即隔热层厚度与药柱直径的相对尺寸δ/d逐渐增大，则隔热层为GPS-2时响应温度和响应时间先减小后增大，隔热层为T-09时，响应温度和响应时间逐渐增大。因此，隔热层对炸药烤燃响应时间和响应温度的影响存在临界厚度效应，且与隔热层材料、炸药种类、装药尺寸直接相关。

2.3各升温速率下不同厚度隔热层的烤燃数值模拟

隔热层为GPS-2时各升温速率下的烤燃T-δ曲线见图4。由图可见，各升温速率下，隔热层为GPS-2时，响应温度都随隔热层厚度的增加而先减小后增大，即都存在临界厚度效应，且临界厚度均不同。隔热层为T-09时各升温速率下的烤燃T-δ曲线见图5。由图可见，不同升温速率下，隔热层为T-09时，响应温度都随隔热层厚度的增加而增大，即都不存在临界厚度效应。图6为GPS-2隔热层临界厚度与升温速率的关系曲线。由图6可见，随升温速率的增大，隔热层临界厚度逐渐减小。因此，增大升温速率会减弱隔热层的临界厚度效应，且升温速率较大时，增加隔热层厚度能有效的提高炸药热安全性。

3结论

(1)无隔热层时的炸药烤燃响应剧烈程度比有隔热层时强，而有隔热层时，随隔热层厚度的增加，响应剧烈程度会逐渐增强，且隔热层材料不同，响应剧烈程度也不同。

(2)隔热层对炸药烤燃响应时间和响应温度的影响存在临界厚度效应，且与隔热层材料、炸药种类、装药尺寸直接相关。

(3)随升温速率的增大，临界厚度逐渐减小，临界效应逐渐减弱，升温速率较大时，增大隔热层厚度能有效提高炸药耐热性，而升温速率较小时，增大隔热层厚度并不一定能提高炸药耐热性。

参考文献：

1冯长根，张蕊，都振华.热烤试验研究进展.科技导报，2012;(33):68—73

4王沛，陈朗，冯长根.不同升温速率下炸药烤燃模拟计算分析.含能材料，2009;17(1):46—54

5向梅，黄毅民，饶国宁，等.不同升温速率下复合药柱烤燃实验与数值模拟研究.爆炸与冲击，2013;33(4):394—400

6陈朗，王沛，冯长根.考虑相变的炸药烤燃数值模拟计算.含能材料，2009;17(5):568—573

7陈朗，李贝贝，马欣.DNAN炸药烤燃特征.含能材料，2016;24(1):27—32

8智小琦，胡双启.炸药装药密度对慢速烤燃响应特性的影响.爆炸与冲击，2013;33(2):221—224

9冯晓军，王晓峰，韩助龙.炸药装药尺寸对炸药烤燃响应的影响.爆炸与冲击，2005;25(3):285—288

10智小琦，胡双启，李娟娟.不同约束条件下钝化RDX的烤燃响应特性.火炸药学报，2009;32(3):22—24

11陈朗，王飞，伍俊英，等.高密度压装炸药燃烧转爆轰研究．含能材料，2011;19(6):697—704

12冯长根.热爆炸理论.北京:科学出版社，1988

13董海山，周芬芬.高能炸药及相关物性能.北京:科学出版社，1989

14董海山，胡荣祖，姚朴，等.含能材料热谱集.北京:国防工业出版社，2002

作者:杨筱 智小琦 单位:中北大学地下目标毁伤技术国防重点学科实验室