壳体参数对炸药快速烤燃响应的影响

孙培培，南 海



壳体参数对炸药快速烤燃响应的影响

孙培培，南 海

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

对不同壳体直径与不同壳体约束的TNT与PBXN-109两种炸药进行了快速烤燃试验。试验结果显示：在固定壳体约束条件下，壳体直径对炸药烤燃响应无影响，炸药烤燃特性仅由炸药自身特性决定；不同壳体约束对炸药的烤燃响应有影响，随着壳体约束增强，炸药的快速烤燃等级增强；炸药的快速烤燃响应特性由炸药自身特性和壳体约束决定。

炸药；快速烤燃；壳体直径；壳体约束

自提出低易损弹药概念后，炸药的快速烤燃特性作为其中一项受到了高度重视[1-3]。快速烤燃试验是将壳装炸药直接放在燃料火焰（如汽油、煤油、木料等）或气体火焰（如丙烷）中进行烤燃，火焰平均温度高于800℃，反应时间为数分钟，试验以收集到的破片来评价其响应等级。

吕子剑等[4]以推进剂为燃料对JB-9014和JOB- 9003炸药件进行快烤试验，认为炸药中心温度很低；美国ArmyArmament研究中心的M Witherell等[5]对30mm口径的炮用燃烧弹进行了快速烤燃试验，并用有限差分法进行了模拟计算。关于壳体参数对炸药烤燃性能的影响，目前国内外研究较多的是壳体参数对炸药慢速烤燃的影响，如西安近代化学研究所的冯晓军、王晓峰[6]等进行了炸药装药尺寸对慢速烤燃响应的研究，得出了随着炸药装药尺寸的增大，炸药慢速烤燃反应的环境温度和发生反应的剧烈程度都会增大的规律；国防科技大学荆松吉[7]认为炸药尺寸对烤燃特性的影响主要为炸药尺寸对临界温度和点火时间的影响；英国的Octávia Frota and Alan Bailey[8]对不同尺度的小型烤燃试验装置进行了试验，发现随着尺寸的增大，反应剧烈程度增大。

为了了解壳体参数变化对炸药快速烤燃性能的影响，本文固定壳体长径比为4:1，通过改变壳体直径和壳体约束，研究壳体参数变化对炸药快速烤燃性能的影响。

1 试验部分

1.1 试验装置与仪器

图1为快速烤燃试验装置实物图，装置主要由燃料槽体、支架、试验样弹组成。采用航空煤油作为加热材料，温度传感器选用能耐1 200℃高温的镍铬－镍硅热电偶，数据采集仪器选用彩色无纸记录仪，能够每1s测量记录1次温度数据，试验测得的典型温度——时间曲线如图2所示。

图1 试验装置图

图2 典型温度——时间曲线图

1.2 试验方法

将试验样弹放入燃料槽体中心支架上，在测试样品的中心水平的前、后、左、右4个方向上距壳体约30mm分别布置1支温度传感器，温度传感器的布置图如图3所示。将温度传感器与数据采集仪连接并保证正常工作。为安全起见，采用远程点火方式点燃航空煤油。试验过程通过数据采集仪采集火焰温度信息，通过回收壳体碎片情况判定炸药的响应等级。

图3 传感器布置图

1.3 试验样品

本文选用TNT与PBXN-109炸药两种炸药进行快速烤燃试验， TNT炸药采用熔铸方式注入试验样弹中，PBXN-109采用浇注方式进行装填。试验固定长径比为4:1、壳体厚度为3mm时，直径分别为40mm、60mm、80mm、150mm；在直径为60mm时，壳体约束分别为2mm（端盖带排气孔）、2mm、4mm、6mm，所采用的样弹结构如图4所示。

图4 弹体结构

2 试验结果与讨论

2.1 试验结果

表1为不同尺度条件下两种炸药的响应结果，试验结果显示，TNT炸药直径在40mm到150mm之间变化，快速烤燃响应均为爆炸，PBXN-109炸药直径在40mm到150mm之间变化，快速烤燃响应均为燃烧，尽管两种炸药壳体直径发生了变化，炸药装药质量提高，但炸药装药对快速烤燃试验的整体响应没有发生改变。

表1 不同壳体直径条件下炸药快速烤燃响应结果

Tab.1 Fast cook-off results of explosives with different shell diameters

表2为不同壳体约束条件下两种炸药快速烤燃响应结果，试验结果显示，对于TNT炸药，当壳体厚度为2mm端盖带放气孔时，响应为燃烧，后面随着壳体厚度的增加，反应等级由爆炸增长到爆轰；而PBXN-109当壳体厚度在2mm至6mm之间变化时，快速烤燃响应均为燃烧。

表2 不同壳体约束条件下炸药快速烤燃响应结果

Tab.2 Fast cook-off results of explosives with different shell constraints

上述试验结果表明，在壳体厚度为3mm条件下，直径的变化对快速烤燃响应结果基本没有影响，响应结果由炸药自身特性决定，TNT对快速烤燃响应敏感，4种直径下均为爆炸，PBXN-109自身为低易损性炸药，4种直径下均为燃烧；而由TNT的试验结果可知，壳体约束对炸药的快速烤燃响应是有影响的，当约束弱时，响应相对降低，随着约束的增强，TNT的快速烤燃响应等级随之增加。

2.2 讨论

炸药的快速烤燃过程是炸药快速受热分解放出气体，烤燃弹内压力上升，发生响应的一个过程，发生响应的点位于烤燃火焰温度最高处，通常位于烤燃弹体的底部。

在固定壳体约束情况下，分解过程受炸药自身特点的控制，直径变化仅仅改变了炸药装药的质量，并没有提高炸药反应速率和能量释放，因此整体上直径的变化对炸药快速烤燃响应的影响不大，不同炸药分解温度和特性不同，响应结果就不同；而约束对炸药的分解过程是有影响的，当约束强时，烤燃弹内的压力迅速上升，压力的增加导致炸药的反应速率和能量释放速率加快，并最终导致炸药发生响应，当约束弱时，压力的增加可通过约束薄弱点进行释放，炸药响应等级减弱。

3 结论

炸药快速烤燃中弹体底表面先发生响应，进而引起整个炸药的响应；在固定壳体约束的条件下，壳体直径对炸药快速烤燃响应无影响，炸药烤燃响应仅由炸药的自身特性决定；壳体约束对炸药快速烤燃响应有影响，随着壳体约束的增强，炸药的快速烤燃响应等级增加；炸药的快速烤燃响应特性由炸药自身特性和壳体约束决定。

参考文献：

[1] Anderson C M and Pakulak J M. Cook-off studies one the general purpose cast explosives PBXC-116 and PBXC-117[R]. NWC TP 5629, AD-A026525, 1976.

[2] 张蕊,冯长根,陈朗.弹药的热烤(Cook-off)实验[J].火工品, 2002(4):37-39．

[3] 王晓峰,戴蓉兰,涂健.传爆药的烤燃实验[J].火工品,2001(2): 5-7.

[4] 吕子剑,申春迎,向永.以推进剂为燃料对炸药的快速烤燃试验[R].绵阳:中国工程物理研究院科技年报,2003．

[5] Witherell M，Pflegl G．Prediction of propellant and explosive cook-off for the 30 mm Hel-T and raufoss MPLD-T rounds chambered in a hot MK44 Barrel advanced amphibious assault vehicle-AAAV[R].ADA388280,2001．

[6] 冯晓军,王晓峰,韩助龙.炸药装药尺寸对慢速烤燃响应的研究[J].爆炸与冲击,2005,25(3):285-288．

[7] 荆松吉,张振宇.炸药圆柱体烤燃二维数值模拟[J].含能材料,2004(12):521-525.

[8] Octávia Frota1,Alan Bailey. Effect of scale on cook-off studies of explosives[C]//Proceedings of the 26th International Pyrotechnic Seminar,1999.

The Influence of Shell Parameters on Fast Cook-off Reaction of Explosives

SUN Pei-pei，NAN Hai

（Xi’an Modern Chemistry Research Institute，Xi’an，710065）

Fast cook-off test of TNT and PBXN-109 explosives with different shell diameters and different shell constraints were both carried out, the test results show that the shell diameters have no influence on fast cook-off reaction of explosive, fast cook-off reaction is only decided by the characterities of the explosives itself, but the shell constraints have some influences. The stronger the shell constraints ,the higher the explosives’fast cook-off reaction level. The study indicate that explosives’fast cook-off reaction is decided by the characterities of the explosives and the shell constraints.

Explosives；Fast cook-off；Shell diameters；Shell constrains

1003-1480（2016）04-0029-03

TQ564

A

2016-04-16

孙培培（1984 -），女，工程师，主要从事混合炸药配方与工艺研究。