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摘要：

為研究炸藥烤燃特性的隔熱層效應(yīng)，以鈍化RDX炸藥為對(duì)象，選用硅橡膠膩?zhàn)覩PS-2和耐燒蝕涂料T-09作為隔熱材料，對(duì)不同厚度隔熱層的烤燃試樣進(jìn)行了1℃/min的慢烤實(shí)驗(yàn);并用Fluent軟件對(duì)各升溫速率下不同厚度的烤燃模型進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，無隔熱層時(shí)的炸藥烤燃響應(yīng)劇烈程度比有隔熱層時(shí)強(qiáng)，而有隔熱層時(shí)，隨隔熱層厚度的增加，響應(yīng)劇烈程度會(huì)逐漸增強(qiáng);且隔熱層材料不同，也會(huì)使響應(yīng)劇烈程度不同。隔熱層對(duì)炸藥烤燃響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)溫度的影響存在臨界厚度效應(yīng)，即響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)溫度隨隔熱層厚度的增加會(huì)出現(xiàn)先減小后增大現(xiàn)象;且與隔熱層材料、炸藥種類、裝藥尺寸直接相關(guān)。隨升溫速率的增大，臨界厚度逐漸減小，臨界厚度效應(yīng)逐漸減弱，升溫速率較大時(shí)，增大隔熱層厚度能有效提高炸藥耐熱性。

關(guān)鍵詞：

隔熱層；烤燃；炸藥；臨界效應(yīng)

烤燃實(shí)驗(yàn)是研究和評(píng)估彈藥及含能材料在生產(chǎn)、使用、運(yùn)輸及貯存等環(huán)境下熱安全性的一種常用方法［1］。近年，含能材料的熱安全性問題引起了人們的高度重視，國(guó)內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量含能材料烤燃方面的研究。Garcia等［2］通過對(duì)HMX基的高能炸藥LX-04在不同約束條件下烤燃試驗(yàn)的研究，得出了隨著約束條件的減弱烤燃響應(yīng)的劇烈程度也減弱的結(jié)論。Howard等［3］以LX-10炸藥為研究對(duì)象，對(duì)烤燃過程中炸藥與殼體間有空氣層時(shí)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，考慮了炸藥熱膨脹與空氣層厚度變化等因素。王沛等［4］選用固黑鋁炸藥研究了升溫速率對(duì)炸藥烤燃響應(yīng)特性的影響。結(jié)果表明，升溫速率對(duì)炸藥點(diǎn)火時(shí)間和點(diǎn)火位置有很大影響，而對(duì)炸藥點(diǎn)火溫度影響很小。向梅等［5］對(duì)不同升溫速率下復(fù)合藥柱的烤燃響應(yīng)特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，升溫速率較小時(shí)，復(fù)合藥柱的熱安定性取決于內(nèi)部炸藥的特性，升溫速率較大時(shí)，復(fù)合藥柱的熱安定性與單一鈍感藥柱性能相近。陳朗等［6，7］以TNT和DNAN炸藥為研究對(duì)象，研究了炸藥相變的烤燃特性。結(jié)果表明，炸藥相變對(duì)烤燃特性影響很大且與加熱速率有關(guān)。此外，還有關(guān)于裝藥密度、裝藥尺寸、約束條件等因素對(duì)烤燃響應(yīng)特性影響的報(bào)道［8—10］。隔熱層對(duì)彈藥的熱安全性具有重要影響，但關(guān)于炸藥烤燃特性隔熱層效應(yīng)的研究較少。本文以鈍化RDX炸藥為對(duì)象，選用硅橡膠膩?zhàn)覩PS-2和耐燒蝕涂料T-09作為隔熱材料，對(duì)不同厚度隔熱層的烤燃試樣進(jìn)行1℃/min的慢烤實(shí)驗(yàn)，并用Fluent軟件對(duì)各升溫速率下不同厚度的烤燃模型進(jìn)行數(shù)值模擬，研究炸藥烤燃特性的隔熱層效應(yīng)，以期為彈藥的低易損設(shè)計(jì)和熱安全性評(píng)估提供參考。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

烤燃試驗(yàn)裝置主要由計(jì)算機(jī)、溫控儀(調(diào)節(jié)精度0.1℃)、烤燃爐及鎳鎘/鎳硅熱電偶(1級(jí)精度)組成。溫控儀、烤燃爐和熱電偶三者構(gòu)成溫控反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，控制殼體外壁以一定的升溫速率升溫。利用自行設(shè)計(jì)的SFO計(jì)算機(jī)軟件實(shí)時(shí)采集烤燃試驗(yàn)過程中溫度-時(shí)間歷程曲線。

1.2烤燃試樣

烤燃試樣由殼體、端蓋、隔熱層和藥柱4部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。殼體、端蓋材料均為45#鋼，殼體內(nèi)壁為Φ19mm×38mm，壁厚3mm，兩端與端蓋螺紋連接。隔熱層材料分別為耐燒蝕熱涂料T-09和GPS-2硅橡膠。鈍化RDX炸藥配方質(zhì)量比為RDX/鈍化劑=95/5，藥柱尺寸分別為Φ19mm×38mm、Φ17mm×38mm、Φ16mm×38mm，平均裝藥密度為最大理論密度TMD的92%(1.640g/cm3)。烤燃試樣初始溫度為(25±1)℃，試樣外壁以1℃/min的升溫速率升溫，加熱至炸藥發(fā)生響應(yīng)。記錄烤燃試樣點(diǎn)火時(shí)刻的外壁溫度(響應(yīng)溫度)和響應(yīng)時(shí)間，回收破片并通過殼體變形及破碎程度來衡量響應(yīng)劇烈程度。每種狀態(tài)至少做兩發(fā)平行試驗(yàn)。

1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

表1為升溫速率1℃/min時(shí)不同隔熱層的慢烤實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表1可知，當(dāng)烤燃試樣無隔熱層(δ=0)時(shí)，響應(yīng)時(shí)間為183min，響應(yīng)溫度為208℃;當(dāng)隔熱層為GPS-2時(shí)，隨隔熱層厚度的增大，響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)溫度均逐漸減小，而當(dāng)隔熱層為T-09時(shí)，隨隔熱層厚度的增大，響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)溫度均逐漸增大。因此，隔熱層對(duì)炸藥的慢烤響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)溫度有重要影響，且與隔熱層的材料有很大關(guān)系。圖2為慢烤試樣的實(shí)驗(yàn)后狀態(tài)。由圖2可見，當(dāng)烤燃試樣無隔熱層時(shí)，響應(yīng)等級(jí)為爆轟;當(dāng)隔熱層為GPS-2時(shí)，δ=1mm時(shí)，響應(yīng)等級(jí)為燃燒;而δ=1.5mm時(shí)，響應(yīng)等級(jí)為爆燃;當(dāng)隔熱層為T-09時(shí)，δ=1mm時(shí)，響應(yīng)等級(jí)為爆燃;而δ=1.5mm時(shí)，響應(yīng)等級(jí)為爆炸。參考文獻(xiàn)［11］可知，炸藥的反應(yīng)程度和燃燒轉(zhuǎn)爆轟趨勢(shì)隨著約束強(qiáng)度的增加而增加。烤燃試樣無隔熱層時(shí)的殼體約束強(qiáng)度比有隔熱層時(shí)強(qiáng)，因此，無隔熱層時(shí)的響應(yīng)劇烈程度比有隔熱層時(shí)強(qiáng)。烤燃試樣有隔熱層時(shí)，隨隔熱層厚度的增加，約束強(qiáng)度也相對(duì)增加，則響應(yīng)劇烈程度會(huì)逐漸增強(qiáng)。同時(shí)，隔熱層材料差異也會(huì)導(dǎo)致約束強(qiáng)度不同，故隔熱層為T-09時(shí)的響應(yīng)劇烈程度強(qiáng)于GPS-2硅橡膠。

2數(shù)值模擬

為進(jìn)一步研究隔熱層厚度對(duì)炸藥烤燃響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)溫度的影響，采用FLUENT軟件對(duì)各升溫速率下不同厚度的烤燃模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，其中升溫速率為3.3℃/h～2℃/min。

2.1計(jì)算模型的建立

對(duì)烤燃計(jì)算模型做以下基本假定:①炸藥不發(fā)生相變且化學(xué)反應(yīng)為零級(jí)放熱反應(yīng);②藥柱與隔熱層無間隙，反應(yīng)區(qū)域熱傳遞僅由導(dǎo)熱引起;③烤燃全過程中烤燃彈各物理化學(xué)參數(shù)保持不變;④炸藥的自熱反應(yīng)遵循Arrhenius方程。炸藥烤燃過程計(jì)算模型遵循Frank-Kamenetskii方程［12］，柱坐標(biāo)系下表達(dá)式為:ρcvTt=λ2Tr2+1rTr+1r22Tφ2+2Tz(mì)()2+S;S=QρAexp－E()RTf(a)。式中，ρ為反應(yīng)物密度(kg/m3)，cv為比熱容(J•kg－1•K－1)，λ為熱導(dǎo)率(J•m－1•K－1•s－1)，S為自熱源項(xiàng)，Q為反應(yīng)物反應(yīng)熱(J/kg)，A為指前因子(s－1)，E為活化能(J/mol)，R為普適氣體常數(shù)(J•mol－1•K－1)，f(a)為反應(yīng)功能函數(shù)，所用計(jì)算模型為零級(jí)反應(yīng)模型，故f(a)=1。烤燃試樣為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，建立1/4烤燃試樣物理模型。炸藥的自熱反應(yīng)源項(xiàng)，由C語言編寫用戶自定義(UDF)子程序，導(dǎo)入Fluent軟件。試樣外壁為溫度邊界條件，以一定的升溫速率升溫。計(jì)算過程所需的材料參數(shù)見表2和表3［13，14］，其中表2為鈍化RDX化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，表3為材料物性參數(shù)。

2.2升溫速率1℃/min時(shí)不同厚度隔熱層的烤燃數(shù)值模擬

表4為1℃/min升溫速率下不同厚度隔熱層的烤燃計(jì)算結(jié)果。對(duì)比表1可知，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，因此，該材料參數(shù)可用于數(shù)值模擬。圖3為烤燃響應(yīng)溫度與隔熱層厚度的關(guān)系曲線。結(jié)合圖表可知，當(dāng)隔熱層為GPS-2時(shí)，響應(yīng)溫度和響應(yīng)時(shí)間隨隔熱層厚度的增加而先減小后增大，存在臨界厚度效應(yīng)且臨界厚度為1.5mm;當(dāng)隔熱層為T-09時(shí)，響應(yīng)溫度和響應(yīng)時(shí)間隨升溫速率的增大而增大，不存在臨界效應(yīng)。本研究所用烤燃模型殼體尺寸不變，藥柱直徑隨隔熱層厚度的增加而減小，即隔熱層厚度與藥柱直徑的相對(duì)尺寸δ/d逐漸增大，則隔熱層為GPS-2時(shí)響應(yīng)溫度和響應(yīng)時(shí)間先減小后增大，隔熱層為T-09時(shí)，響應(yīng)溫度和響應(yīng)時(shí)間逐漸增大。因此，隔熱層對(duì)炸藥烤燃響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)溫度的影響存在臨界厚度效應(yīng)，且與隔熱層材料、炸藥種類、裝藥尺寸直接相關(guān)。

2.3各升溫速率下不同厚度隔熱層的烤燃數(shù)值模擬

隔熱層為GPS-2時(shí)各升溫速率下的烤燃T-δ曲線見圖4。由圖可見，各升溫速率下，隔熱層為GPS-2時(shí)，響應(yīng)溫度都隨隔熱層厚度的增加而先減小后增大，即都存在臨界厚度效應(yīng)，且臨界厚度均不同。隔熱層為T-09時(shí)各升溫速率下的烤燃T-δ曲線見圖5。由圖可見，不同升溫速率下，隔熱層為T-09時(shí)，響應(yīng)溫度都隨隔熱層厚度的增加而增大，即都不存在臨界厚度效應(yīng)。圖6為GPS-2隔熱層臨界厚度與升溫速率的關(guān)系曲線。由圖6可見，隨升溫速率的增大，隔熱層臨界厚度逐漸減小。因此，增大升溫速率會(huì)減弱隔熱層的臨界厚度效應(yīng)，且升溫速率較大時(shí)，增加隔熱層厚度能有效的提高炸藥熱安全性。

3結(jié)論

(1)無隔熱層時(shí)的炸藥烤燃響應(yīng)劇烈程度比有隔熱層時(shí)強(qiáng)，而有隔熱層時(shí)，隨隔熱層厚度的增加，響應(yīng)劇烈程度會(huì)逐漸增強(qiáng)，且隔熱層材料不同，響應(yīng)劇烈程度也不同。

(2)隔熱層對(duì)炸藥烤燃響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)溫度的影響存在臨界厚度效應(yīng)，且與隔熱層材料、炸藥種類、裝藥尺寸直接相關(guān)。

(3)隨升溫速率的增大，臨界厚度逐漸減小，臨界效應(yīng)逐漸減弱，升溫速率較大時(shí)，增大隔熱層厚度能有效提高炸藥耐熱性，而升溫速率較小時(shí)，增大隔熱層厚度并不一定能提高炸藥耐熱性。

參考文獻(xiàn)：

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5向梅，黃毅民，饒國(guó)寧，等.不同升溫速率下復(fù)合藥柱烤燃實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究.爆炸與沖擊，2013;33(4):394—400

6陳朗，王沛，馮長(zhǎng)根.考慮相變的炸藥烤燃數(shù)值模擬計(jì)算.含能材料，2009;17(5):568—573

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11陳朗，王飛，伍俊英，等.高密度壓裝炸藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟研究．含能材料，2011;19(6):697—704

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13董海山，周芬芬.高能炸藥及相關(guān)物性能.北京:科學(xué)出版社，1989

14董海山，胡榮祖，姚樸，等.含能材料熱譜集.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2002

作者:楊筱 智小琦 單位:中北大學(xué)地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室