趙生偉， 丁洋， 王長(zhǎng)利， 吳玉蛟

(西北核技術(shù)研究所， 陜西 西安 710024)

快熱作用下帶殼梯黑鋁炸藥快速燃燒實(shí)驗(yàn)研究

趙生偉， 丁洋， 王長(zhǎng)利， 吳玉蛟

(西北核技術(shù)研究所， 陜西 西安 710024)

為了獲得快速熱作用下鑄裝梯黑鋁炸藥熱響應(yīng)特性，并確定光纖探針用于測(cè)定熔鑄型炸藥快速燃燒過(guò)程化學(xué)反應(yīng)陣面?zhèn)鞑ニ俣鹊目尚行?。采用快速加熱裝置加熱鋼制圓管，作用于內(nèi)部梯黑鋁炸藥，以光纖探針測(cè)定炸藥化學(xué)反應(yīng)陣面?zhèn)鞑ニ俣群蛙壽E。結(jié)果表明：在230 MPa的管體約束強(qiáng)度、開(kāi)口端加裝端蓋情況下，裝填長(zhǎng)度為400 mm的梯黑鋁炸藥化學(xué)反應(yīng)陣面最大傳播速度約為1 000 m/s；開(kāi)口端未加裝端蓋時(shí)，最高傳播速度約為500 m/s；兩種情況中炸藥都沒(méi)有發(fā)生完全爆轟。因此，快速熱作用下帶殼鑄裝梯黑鋁炸藥熱響應(yīng)狀態(tài)為快速燃燒，光纖探針能夠準(zhǔn)確測(cè)定小于1 000 m/s的熔鑄型炸藥化學(xué)反應(yīng)陣面?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

兵器科學(xué)與技術(shù)； 梯黑鋁炸藥; 快速熱作用; 快速燃燒; 光纖探針

0 引言

鑄裝梯黑鋁(THL)炸藥是一種含鋁混合炸藥，廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)斗部裝藥[1-3]。在國(guó)防武器裝備發(fā)展中，含鋁混合炸藥廣泛用作各類(lèi)戰(zhàn)斗部裝藥，由此形成金屬殼體加上含鋁混合炸藥的帶殼炸藥組合體。在彈藥的貯存、運(yùn)輸、試驗(yàn)過(guò)程中，由于火災(zāi)事故等原因，金屬殼體可能受到火烤的快速熱作用。

針對(duì)快速熱作用下含鋁混合炸藥熱響應(yīng)過(guò)程的研究，未見(jiàn)相關(guān)公開(kāi)文獻(xiàn)報(bào)道[1-20]。因此，以熔鑄型THL炸藥為研究對(duì)象，開(kāi)展快速熱作用下帶殼鑄裝THL炸藥快速燃燒過(guò)程的研究，在學(xué)術(shù)上和實(shí)際應(yīng)用上都有重要的意義。傳統(tǒng)電離探針用于低速燃燒速度測(cè)量時(shí)，由于燃燒陣面離子產(chǎn)物較少，會(huì)產(chǎn)生信號(hào)時(shí)序混亂的現(xiàn)象；光纖探針記錄波陣面的光信號(hào)，避免了電離產(chǎn)物的影響[4-7]。段寶福采用光纖探針測(cè)定了乳化炸藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)陣面?zhèn)鞑ニ俣萚4]；Asay 等采用光纖探針?lè)治隽肆願(yuàn)W克托今炸藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)劇烈程度[8-9]。

本文開(kāi)展了快速熱作用下鑄裝THL炸藥快速燃燒實(shí)驗(yàn)。采用自研制快速加熱裝置產(chǎn)生快速熱輸入條件，以光纖探針測(cè)定炸藥化學(xué)反應(yīng)陣面?zhèn)鞑ニ俣群蛡鞑ボ壽E，從而確定在快速熱作用下鋼管約束鑄裝炸藥的熱響應(yīng)狀態(tài)，分析其熱響應(yīng)特性。同時(shí)確認(rèn)光纖探針用于炸藥快速燃燒過(guò)程化學(xué)反應(yīng)陣面?zhèn)鞑ニ俣葴y(cè)試的可行性，對(duì)采用光纖探針深入研究炸藥劇烈化學(xué)反應(yīng)過(guò)程具有重要的參考作用。

1 快速加熱帶殼炸藥實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)

快速加熱帶殼炸藥實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)試系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1. 實(shí)驗(yàn)裝置包括：快速加熱裝置、約束鋼管、炸藥。快速加熱裝置提供快速熱輸入條件，約束鋼管提供強(qiáng)約束條件。約束鋼管加熱端為盲孔，另一端為開(kāi)口，開(kāi)口端分為加裝端蓋和直接開(kāi)口兩種情況，加裝端蓋時(shí)端蓋與管體以螺紋聯(lián)接，實(shí)驗(yàn)裝置布設(shè)示意圖及實(shí)物圖見(jiàn)圖2. 測(cè)試系統(tǒng)為光纖測(cè)速系統(tǒng)，包括光纖探針、光電轉(zhuǎn)換裝置、記錄設(shè)備。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

圖2 實(shí)驗(yàn)布設(shè)結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物圖Fig.2 Experimental setup

1.2 快速加熱裝置

圖3 加熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of heating unit

快速加熱裝置采用高能固態(tài)燃料噴射加熱原理，利用高能固體燃料產(chǎn)生的高溫氣體加熱，作用范圍為φ60 mm，加熱時(shí)長(zhǎng)10 s，加熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3. 采用快速加熱裝置加熱效應(yīng)鋼板，標(biāo)定其加熱效果。效應(yīng)板為邊長(zhǎng)300 mm×300 mm的45號(hào)鋼板，板厚分別為13 mm. 采用鎳鉻鎳硅熱電偶溫度傳感器測(cè)定鋼板背面溫度歷程，效應(yīng)板背表面典型溫度歷程曲線見(jiàn)圖4，圖4中曲線標(biāo)注距離為測(cè)點(diǎn)至中心點(diǎn)位置，溫度歷程峰值溫度及對(duì)應(yīng)時(shí)間見(jiàn)表1.

圖4 典型溫度歷程曲線Fig.4 Typical temperature history

表1 溫度歷程峰值溫度

從表1可以看出：加熱時(shí)長(zhǎng)為10 s時(shí)，中心點(diǎn)最高溫度為1 011 ℃，達(dá)到最高溫度的時(shí)間為16.0 s，平均溫升速率為63 ℃/s；加熱時(shí)長(zhǎng)為14 s時(shí)，中心點(diǎn)最高溫度為1 290 ℃，達(dá)到最高溫度的時(shí)間為15.8 s，平均溫升速率為82 ℃/s；從最高溫度和溫升速率看，加熱設(shè)備能夠達(dá)到快速加熱鋼板的效果。

1.3 約束鋼管及炸藥

約束鋼管采用45號(hào)鋼棒料切削加工而成，內(nèi)徑40 mm、外徑70 mm，管體長(zhǎng)度為400 mm，裝藥長(zhǎng)度385 mm，裝藥質(zhì)量為850 g. 加熱盲孔端厚度為13 mm.

炸藥為熔鑄型含鋁混合炸藥THL，成分為梯恩梯(TNT)、黑索今(RDX)和鋁粉(AL)，三者比例分別為60%、24%、16%.

1.4 光纖測(cè)試系統(tǒng)

光纖測(cè)試系統(tǒng)由石英光纖探針、光電二極管、放大器和記錄系統(tǒng)組成。其工作原理為：光纖探針采集反應(yīng)陣面上的光信號(hào)，通過(guò)光電二極管將光電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由記錄系統(tǒng)將這些有時(shí)序的脈沖信號(hào)記錄下來(lái)。系統(tǒng)原理示意圖及實(shí)物見(jiàn)圖5.

圖5 光纖測(cè)速系統(tǒng)示意圖及實(shí)物圖Fig.5 Fiber-optic probe system for velocity measurement

光纖探針沿約束鋼管壁小孔徑向埋設(shè)于炸藥內(nèi)，間距固定，沿管體軸向方向共布設(shè)10個(gè)光纖探針，從起始位置探針編號(hào)依次為F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10，相鄰兩探針間距35 mm，光纖為直徑1 mm的塑料光纖。根據(jù)炸藥爆轟后測(cè)定的光信號(hào)，確定光信號(hào)間的時(shí)間差，從而計(jì)算化學(xué)反應(yīng)陣面?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

共實(shí)施快速熱作用下熔鑄型THL炸藥快速燃燒實(shí)驗(yàn)3次。其中實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2加裝端蓋，即軸向采用強(qiáng)約束，實(shí)驗(yàn)3沒(méi)有軸向端蓋。實(shí)驗(yàn)設(shè)置參數(shù)見(jiàn)表2.

2.1 開(kāi)口端加端蓋

實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2實(shí)測(cè)光纖平均波速見(jiàn)表3、表4，典型實(shí)測(cè)光纖歷程曲線見(jiàn)圖6，實(shí)測(cè)化學(xué)反應(yīng)陣面?zhèn)鞑ボ壽E見(jiàn)圖7，實(shí)驗(yàn)后管體破片實(shí)物圖見(jiàn)圖8.

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置參數(shù)

表3 實(shí)驗(yàn)1實(shí)測(cè)光纖平均波速

表4 實(shí)驗(yàn)2實(shí)測(cè)光纖平均波速

圖7 實(shí)測(cè)化學(xué)反應(yīng)陣面?zhèn)鞑ボ壽EFig.7 Measured propagation path of chemical reaction front

圖8 管體破片實(shí)物圖Fig.8 Photogragh of fragments

實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2中管體都發(fā)生碎裂，但碎裂程度不高，破片質(zhì)量范圍分別為35～2 981 g和46～5 946 g；從破碎宏觀現(xiàn)象判斷，管體內(nèi)炸藥沒(méi)有發(fā)生完全爆轟。

從圖7的數(shù)據(jù)可以看出：1)實(shí)驗(yàn)1，在0～280 mm距離內(nèi)，化學(xué)反應(yīng)陣面?zhèn)鞑ニ俣戎鸩皆龃?，傳播速度?35 m/s增大到1 030 m/s；在280～315 mm距離內(nèi)，傳播速度又降低到921 m/s；2) 實(shí)驗(yàn)2，在0～280 mm距離內(nèi)，化學(xué)反應(yīng)陣面?zhèn)鞑ニ俣葟?83 m/s逐步增大到1 015 m/s；在280～315 mm距離內(nèi)，降低至875 m/s. 從兩次實(shí)驗(yàn)的溫度上升速率、化學(xué)反應(yīng)最高溫度等數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)有很好的重復(fù)性。從管體破碎情況和實(shí)測(cè)化學(xué)反應(yīng)陣面?zhèn)鞑ニ俣确治?，管體內(nèi)THL炸藥在快速熱作用下發(fā)生熱點(diǎn)火并逐漸發(fā)展為快速燃燒。

2.2 開(kāi)口端無(wú)端蓋

實(shí)驗(yàn)3實(shí)測(cè)光纖平均波速見(jiàn)表5，實(shí)測(cè)光纖歷程曲線見(jiàn)圖9，實(shí)測(cè)化學(xué)反應(yīng)陣面?zhèn)鞑ボ壽E見(jiàn)圖10，管體破片實(shí)物圖見(jiàn)圖11.

實(shí)驗(yàn)3中管體結(jié)構(gòu)完整，沒(méi)有發(fā)生碎裂，管體內(nèi)炸藥沒(méi)有發(fā)生完全爆轟。在0～280 mm距離內(nèi)，化學(xué)反應(yīng)陣面?zhèn)鞑ニ俣葟?69.0 m/s增大到507.0 m/s；在280～315 mm距離內(nèi)，降低至463.5 m/s.

表5 實(shí)驗(yàn)3實(shí)測(cè)光纖平均波速

圖9 實(shí)測(cè)光纖歷程曲線Fig.9 Measured history curve of fiber-optic probe

圖10 實(shí)測(cè)化學(xué)反應(yīng)陣面?zhèn)鞑ボ壽E Fig.10 Measured proparation path of chemical reaction front

圖11 實(shí)驗(yàn)后管體實(shí)物圖Fig.11 Photogragh of tube after experiment

參考美軍《非核彈藥的危險(xiǎn)性評(píng)估試驗(yàn)》(MIL-STD-2015C)中關(guān)于彈藥反應(yīng)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)：類(lèi)型Ⅰ：爆轟反應(yīng)，類(lèi)型Ⅱ：部分爆轟反應(yīng)，類(lèi)型Ⅲ：爆炸反應(yīng)，類(lèi)型Ⅳ：爆燃反應(yīng)，類(lèi)型Ⅴ：燃燒反應(yīng)。分析對(duì)比3次實(shí)驗(yàn)，可得：1) 在快速熱作用下THL炸藥熱點(diǎn)火，帶殼炸藥發(fā)生類(lèi)型Ⅲ爆炸反應(yīng)，即被限制的含能物質(zhì)點(diǎn)火并快速燃燒產(chǎn)生局部高壓，導(dǎo)致外殼結(jié)構(gòu)過(guò)壓破裂，金屬殼體破碎為大塊破片(脆性破裂)。2) 管體加裝端蓋時(shí)，化學(xué)反應(yīng)陣面?zhèn)鞑ニ俣茸畲蠹s為1 000 m/s；無(wú)端蓋時(shí)，化學(xué)反應(yīng)陣面?zhèn)鞑ニ俣茸畲蠹s為500 m/s. 從化學(xué)反應(yīng)陣面?zhèn)鞑ニ俣瓤矗S時(shí)間化學(xué)反應(yīng)劇烈程度逐漸增強(qiáng)。3) 管體是否加裝軸向端蓋，即炸藥是否受到軸向約束，炸藥都會(huì)發(fā)生熱點(diǎn)火，熱點(diǎn)火后的劇烈化學(xué)反應(yīng)程度不同。4) 由于炸藥裝填的不均勻性、探針安裝位置及測(cè)量誤差的影響，化學(xué)反應(yīng)陣面?zhèn)鞑ニ俣炔皇欠€(wěn)定增大，但趨勢(shì)逐漸增大，能夠反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)陣面?zhèn)鞑ボ壽E。5) 光纖探針用于確定炸藥快速燃燒測(cè)試，在小于1 000 m/s范圍內(nèi)，能夠準(zhǔn)確測(cè)定化學(xué)反應(yīng)陣面?zhèn)鞑ニ俣龋瑥亩_定炸藥的化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)。

3 結(jié)論

塑料光纖探針應(yīng)用于炸藥快速燃燒過(guò)程測(cè)試，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，能夠確定炸藥化學(xué)反應(yīng)陣面?zhèn)鞑ニ俣群蛡鞑ボ壽E，反映炸藥化學(xué)反應(yīng)劇烈程度。另外，在230 MPa的管體約束強(qiáng)度、開(kāi)口端加裝端蓋情況下，裝填長(zhǎng)度約為400 mm的THL炸藥化學(xué)反應(yīng)陣面?zhèn)鞑プ畲笏俣燃s為1 000 m/s；開(kāi)口端未加裝端蓋時(shí)，傳播最大速度約為500 m/s. 兩種情況中炸藥都沒(méi)有發(fā)生爆轟，化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)應(yīng)該為快速燃燒，帶殼炸藥發(fā)生類(lèi)型Ⅲ爆炸反應(yīng)。因此：1) 在本文實(shí)驗(yàn)條件下，熔鑄型THL炸藥先發(fā)生熱點(diǎn)火，隨后發(fā)展為快速燃燒；2) 管體開(kāi)口端是否加裝端蓋，即炸藥是否受到軸向約束，炸藥都發(fā)生熱點(diǎn)火，但熱點(diǎn)火后的化學(xué)反應(yīng)劇烈程度會(huì)受軸向約束的影響。

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ExperimentalInvestigationaboutFastBurningofTNT-RDX-AlExplosivewithShellatFastHeatingRate

ZHAO Sheng-wei, DING Yang, WANG Chang-li, WU Yu-jiao

(Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an 710024, Shaanxi, China)

The fast burning of cast-loaded TNT/RDX/Al explosive with metal shell at fast thermal effect was experimented to obtain its thermal response characteristics and ascertain the feasibility of fiber-optic probe to measure the propagation velocity of chemical reaction front. A fast heating equipment is used to fast heat a steel tube, which is 400 mm in length, filled with cast-loaded TNT/RDX/Al explosve, and the propagation velocity and path of chemical reaction front are measured by using the fiber-optic probe. The result shows that the propagation velocity of chemical reaction front is 200～1 000 m/s when the open end of steel tube is covered with an end cap. Its propagation velocity is 200～500 m/s when the open end is not covered with the end cap. The detonation dosen’t happen and the state of chemical reaction is fast burning. So the thermal response state of cast-loaded TNT/RDX/Al explosives at fast heating rate is rapid burning. The fiber-optic probe can be used to obtain the propagation velocity of chemical reaction front at less than 1 000 m/s.

ordnance science and technology; cast-loaded TNT/RDX/Al explosive; fast thermal effect; fast burning; fiber-optic probe

TQ564.4+2

A

1000-1093(2017)11-2105-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.11.004

2017-01-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11302180)

趙生偉(1978—)， 男， 副研究員。 E-mail： zhaoshengwei@nint.ac.cn