劉子德，智小琦

(中北大學(xué) 地下目標(biāo)毀傷技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 太原 030051)

隨著武器彈藥的要求越來(lái)越嚴(yán)格，傳統(tǒng)的TNT為熔鑄介質(zhì)的炸藥不能滿(mǎn)足鈍感彈藥的要求。2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)作為一種新型鈍感炸藥受到國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛重視并對(duì)其進(jìn)行了大量的研究[1]。如，邢曉玲等[2]采用差示掃描量熱法測(cè)定了DNAN炸藥的熱容、熔化熱、初始熱分解溫度以及熱爆炸臨界溫度。王紅星[3]對(duì)DNAN在不同環(huán)境溫度下的熱爆炸延滯期進(jìn)行烤燃試驗(yàn)研究，得到其爆發(fā)點(diǎn)、活化能等信息，研究表明作為熔鑄載體，炸藥熱感度優(yōu)于TNT。陳朗等[4]研究了DNAN炸藥在烤燃試驗(yàn)中的響應(yīng)特性，建立了熔化和對(duì)流傳熱模型，得出了與固體炸藥相比在傳熱和對(duì)流的作用下，熔鑄炸藥內(nèi)溫度分布更加均勻，點(diǎn)火區(qū)域擴(kuò)大，響應(yīng)劇烈程度隨之增加。此外，還有關(guān)于升溫速率、尺寸效應(yīng)等對(duì)DNAN熔鑄炸藥的烤燃特性研究[5,6]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)熔鑄混合炸藥的熱反應(yīng)特征研究較少，因此對(duì)DNAN基RDX熔鑄混合炸藥進(jìn)行慢烤試驗(yàn)對(duì)彈藥的熱安全性研究具有很重要的意義。

1 試驗(yàn)

1.1 烤燃試樣和試驗(yàn)方法

DNAN基RDX熔鑄混合炸藥，配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：41%RDX、31.6%DNAN、25%AL、2.4%添加劑?？救紡椦b藥尺寸為Φ30 mm×60 mm，裝藥密度1.8 g/cm3?？救紡棜んw與上下端蓋之間采用螺紋連接方式，材料均選用45#鋼，厚度均為3 mm。

慢烤試驗(yàn)中烤燃彈水平橫放，并用三支K裝微型熱電偶測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化，其中第一支固定在烤燃彈彈體外壁(T1)，第二支埋在藥柱中心(T2)，第三支埋在徑向距離藥柱中心6 mm處(T3)，試驗(yàn)中第三支熱電偶位于第二支熱電偶豎直方向的下方。

慢烤試驗(yàn)裝置由計(jì)算機(jī)、FLUKE溫控儀、烤燃爐組成，三者組成溫度反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對(duì)試驗(yàn)的升溫速率進(jìn)行控制調(diào)節(jié)?？救紡椛郎剡^(guò)程分為兩個(gè)階段，第一階段以0.2 ℃/min升溫速率將烤燃彈加熱至120 ℃，第二階段從120 ℃開(kāi)始以0.055 ℃/min(3.3 ℃/h)升溫速率對(duì)烤燃彈進(jìn)行加熱，直到試樣發(fā)生響應(yīng)。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程分析與結(jié)果

Φ30 mm×60 mm烤燃彈慢烤試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)升溫曲線如圖1所示。

由圖1可見(jiàn)，Φ30 mm×60 mm烤燃彈在第一階段升溫過(guò)程中，烤燃彈外壁監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度T1高于藥柱內(nèi)部?jī)蓚€(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度，且藥柱幾何中心測(cè)點(diǎn)溫度T2溫度最低。這是由于熱量由外向內(nèi)傳遞，炸藥的導(dǎo)熱系數(shù)較低，故監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間存在一定的溫度梯度。隨著溫度的升高，監(jiān)測(cè)點(diǎn)T2和T3出現(xiàn)升溫速率變緩慢的現(xiàn)象。這是因?yàn)榛旌险ㄋ幹械娜坭T載體DNAN達(dá)到一定溫度時(shí)會(huì)出現(xiàn)相變，相變過(guò)程中吸收熱量，靠近殼體的炸藥相較于藥柱中心溫度較高，故最先達(dá)到相變溫度開(kāi)始熔化，熔化過(guò)程中吸收熱量會(huì)造成內(nèi)部未熔化的炸藥升溫速率變緩的現(xiàn)象。

T2處熱電偶是放置在幾何中心處，未熔化的固態(tài)炸藥密度高于熔融態(tài)炸藥密度，故熔化過(guò)程中未熔化的固態(tài)炸藥會(huì)在自身重力與液相炸藥浮升力雙重作用下出現(xiàn)一定的下沉現(xiàn)象，測(cè)點(diǎn)T2所測(cè)位置處的炸藥最后熔化，故升溫曲線中點(diǎn)A處溫度為相變完成時(shí)的溫度，Φ30 mm×60 mm烤燃彈相變完成時(shí)溫度為87 ℃?；旌险ㄋ幹械腄NAN剛?cè)刍院?，與周?chē)呀?jīng)熔化的炸藥之間存在較大的溫度差，會(huì)產(chǎn)生短暫的強(qiáng)制對(duì)流換熱，所以炸藥內(nèi)部測(cè)點(diǎn)所測(cè)溫度產(chǎn)生不同程度快速升溫的現(xiàn)象，即A點(diǎn)出現(xiàn)快速升溫的現(xiàn)象。

第一階段升溫過(guò)程中，在炸藥熔化完成之后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)T2溫度最低，且與T3之間的溫度差值逐漸減小。但在第二階段升溫過(guò)程中，炸藥中心測(cè)點(diǎn)溫度T2逐漸超過(guò)T3溫度，并且差值逐漸增大。這是混合炸藥中液相對(duì)流作用的結(jié)果。

T3溫度曲線上B點(diǎn)溫度為160 ℃，升溫速率出現(xiàn)明顯加快，這與RDX分解放熱有關(guān)，隨著溫度的升高，T2溫度曲線也出現(xiàn)升溫速率明顯加快的現(xiàn)象，并且升溫速率高于T3，這是炸藥內(nèi)部分解放熱產(chǎn)生的熱量累積引起的。當(dāng)外壁溫度T1為186.3 ℃時(shí)，T2、T3溫度分別為196.3 ℃、184.8 ℃，烤燃彈產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)點(diǎn)火反應(yīng)。烤燃彈響應(yīng)結(jié)果見(jiàn)圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，Φ30 mm×60 mm烤燃彈殼體破碎為兩個(gè)大破片，并嚴(yán)重變形，兩端蓋均被剪切，殼體與端蓋之間的螺栓全部碎裂。根據(jù)美軍標(biāo)2005-B響應(yīng)等級(jí)判定為爆炸反應(yīng)。

2 炸藥烤燃數(shù)值模擬計(jì)算

烤燃試驗(yàn)只能獲得少數(shù)炸藥內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度變化和點(diǎn)火時(shí)間等有限的數(shù)據(jù)，不能獲得炸藥的點(diǎn)火位置及溫度分布等信息。因此，需要通過(guò)炸藥烤燃數(shù)值模擬計(jì)算，來(lái)有效模擬熔鑄混合炸藥的熱反應(yīng)特征。

2.1 模型的建立

根據(jù)慢烤試驗(yàn)，建立炸藥慢速烤燃三維數(shù)值模擬計(jì)算模型。模型中主要考慮炸藥與殼體兩部分。為了減小計(jì)算量，建立二分之一計(jì)算模型。圖3給出了Φ30 mm×60 mm烤燃彈的計(jì)算模型網(wǎng)格圖。網(wǎng)格類(lèi)型為六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.5 mm。

為了更方便地研究熔鑄混合炸藥的烤燃熱反應(yīng)特征，對(duì)烤燃過(guò)程做如下假設(shè)：① 烤燃過(guò)程中殼體材料參數(shù)保持不變，即不考慮殼體在升溫過(guò)程中產(chǎn)生的熱膨脹，并且殼體與藥柱之間無(wú)間隙；② 炸藥相變過(guò)程忽略體積變化；③ 炸藥化學(xué)反應(yīng)是零級(jí)放熱反應(yīng)，自熱反應(yīng)遵循Arrhenius定律[7]；④ 忽略溫度升高引起熔鑄混合炸藥的黏度變化；⑤ 忽略炸藥自熱反應(yīng)氣體對(duì)烤燃過(guò)程的影響。

烤燃過(guò)程中烤燃彈內(nèi)部系統(tǒng)中質(zhì)量、動(dòng)量、能量連續(xù)方程可以用以下通用形式來(lái)表示[8]：

式中：φ為通用變量，包含質(zhì)量、動(dòng)量、能量等；Γ是通用的擴(kuò)散系數(shù)；μ為黏度(kg·m-1);S代表炸藥自熱反應(yīng)源項(xiàng)(J)?；瘜W(xué)反應(yīng)放熱源項(xiàng)采用以下方程表示：

S=ρQZexp(-E/RT)

式中：ρ為炸藥密度(g/cm-3)；Q為炸藥的反應(yīng)熱(J/g)；Z為指前因子(s-1)；E為活化能(J/mol);R=8.314 J/(mol·K)，為普適氣體常數(shù)。

在烤燃彈殼體外壁施加溫度邊界條件，藥柱外表面和殼體的內(nèi)壁設(shè)置為耦合邊界條件。采用焓孔隙率的方法處理炸藥的相變過(guò)程[9]?？救紡椀纳郎厮俾屎退幹淖詿岱磻?yīng)源項(xiàng)用C語(yǔ)言編寫(xiě)成子程序通過(guò)UDF功能加載到FLUENT軟件中。

基于文獻(xiàn)[10-12]中DNAN和RDX的物性參數(shù)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù),根據(jù)炸藥烤燃實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)大量計(jì)算，反復(fù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行了修正，修正后的參數(shù)如表1、表2所示。

表1 材料的物性參數(shù)

表2 材料化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果

圖4為Φ30 mm×60 mm烤燃彈二分之一計(jì)算模型點(diǎn)火時(shí)刻溫度云圖。由圖4可見(jiàn)，烤燃彈水平橫放時(shí)，點(diǎn)火位置位于烤燃彈上方。這是由于熔鑄混合炸藥熔化以后，導(dǎo)熱方式增加了對(duì)流傳熱方式，且液態(tài)項(xiàng)中對(duì)流傳熱占主導(dǎo)，熱對(duì)流作用會(huì)使炸藥中熱量向上傳遞，同時(shí)烤燃彈殼體向炸藥內(nèi)部傳遞熱量，熱量在烤燃彈上方累積，所以點(diǎn)火位置位于烤燃彈靠近上端殼體的藥柱附近。

2.3 相變分析及影響

Φ30 mm×60 mm烤燃彈熔化過(guò)程中某時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的溫度云圖及對(duì)應(yīng)的液相分?jǐn)?shù)云圖如圖5所示。

由圖5可知，15 900 s時(shí)，靠近端蓋與殼體的部分最先開(kāi)始熔化。隨著外壁溫度的升高，16 500 s時(shí)，烤燃彈內(nèi)部熔化區(qū)域逐漸擴(kuò)大，液相分?jǐn)?shù)逐漸增加。17 100 s時(shí)，烤燃彈內(nèi)部中心的低溫區(qū)域開(kāi)始向下移動(dòng)，液相分?jǐn)?shù)云圖中未熔化的區(qū)域也出現(xiàn)向下偏移的趨勢(shì)。17 100 s時(shí)，溫度云圖中的低溫區(qū)域出現(xiàn)在靠近殼體的下方，對(duì)應(yīng)的液相分?jǐn)?shù)云圖中未熔化區(qū)域也出現(xiàn)在下方。直至隨著溫度的升高，熔鑄炸藥完全熔化。

3 結(jié)論

1) 研究了DNAN基RDX熔鑄混合炸藥在0.055 ℃/min升溫速率下水平橫放時(shí)的熱反應(yīng)特征，采用多點(diǎn)測(cè)溫的試驗(yàn)方法記錄了監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度變化情況，分析表明，熔鑄炸藥點(diǎn)火反應(yīng)主要是由RDX分解放熱反應(yīng)引起的；混合炸藥熔化以后，固相組分分布不均勻，固相顆粒存在一定程度的下沉現(xiàn)象。

2) Φ30 mm×60 mm烤燃彈在0.055 ℃/min升溫速率下發(fā)生爆炸反應(yīng)。

3) 在考慮傳導(dǎo)和對(duì)流的情況下建立了三維慢烤計(jì)算模型。仿真結(jié)果表明，烤燃彈水平橫放時(shí)，炸藥點(diǎn)火區(qū)域位于烤燃彈上方，相變過(guò)程中低溫區(qū)域位于烤燃彈的下方。