未爆弹弹丸装药稳定燃烧仿真研究

李政阳，安振涛，李金明，张启功



未爆弹弹丸装药稳定燃烧仿真研究

李政阳1，安振涛1，李金明1，张启功2

（1.军械工程学院弹药工程系，河北石家庄，050003；2.75170部队，广西桂林，541000）

针对金属熔流销毁未爆弹过程中未爆弹弹丸主装炸药易发生爆轰，对人员安全造成巨大威胁的问题，基于燃烧转爆轰的机理，提出作业中控制弹丸装药稳定燃烧的方法。构建计算模型，以某型迫击炮弹为例进行实例仿真计算，并分析生成曲线。结果表明熔孔直径越大，销毁未爆弹时发生爆轰的概率越小，该迫击炮弹最小熔孔直径为12.2mm。

未爆弹销毁；金属熔流；燃烧；爆轰；熔孔直径

未爆弹销毁是军事训练和军事行动不可缺少的保障性工作[1]。我军现行的销毁方法存在危险、繁琐、效率低下的问题，并且强度较大[2]，近年来国内研究出一种引燃非引爆的新型未爆弹销毁方法，即金属熔流销毁法[3]。该方法利用金属熔流的热熔效应和机械效应，熔穿未爆弹金属壳体，并引燃主装炸药（以下简称装药），达到销毁目的，然而该方法的隐患是金属熔流引燃装药后易发生爆轰，对人员和环境造成巨大威胁[4]。

本文结合炸药的燃烧过程，根据燃烧转爆轰的机理，在弹丸装药稳定燃烧阶段讨论压力作用对弹丸装药的影响，提出在销毁未爆弹作业中控制弹丸装药稳定燃烧的方法，从而减少销毁过程中对人员的威胁和对周围环境的影响。

1 理论分析

1.1 炸药燃烧转爆轰的条件

炸药燃烧转爆轰主要有两种机理：一种认为炸药被点燃后，产生压缩波，压缩波反作用加速炸药的燃烧，使压缩波不断加强，形成强冲击波，当冲击波到达临界强度时诱发爆轰。另一种认为炸药点燃后，压力随时间不断呈线性增加，在爆轰附近，能量突然释放，压力急剧上升，向前传播的压缩波不断累积导致爆轰[5-6]。这两个机理都说明，燃烧向爆轰转变时，都有一个压力积累的过程，多是由于气体的释放和产生失去了平衡导致的。因而可通过控制压力变化范围，使其在较安全区域变化，减弱从燃烧向爆轰转变的趋势，从而降低发生爆轰的可能。

1.2 影响稳定燃烧的主要因素

在金属熔流熔穿未爆弹金属壳体阶段，其内部装药处于密闭状态，当能量累积达到炸药活化能临界点时，内部装药被引燃。若未爆弹壳体还未被熔穿，则弹药内部压力将急剧上升，增大了向爆轰转变的概率。当金属熔流熔穿壳体时，形成了泄压孔，炸药气体生成产物在弹内压力的作用下，向外界释放，若弹内压力依旧持续升高，气体产物从熔孔喷出的速度也将提高，可使弹药内部压力保持相对稳定状态。

综上所述，在金属熔流销毁未爆弹作业中，压力是控制弹丸装药稳定燃烧的主要因素。

2 仿真计算

2.1 弹丸装药安全燃烧控制的理论计算

采用金属熔流销毁法时可以通过控制弹丸壳体的泄压孔的大小，使弹药内部压力保持相对稳定，从而减弱燃烧向爆轰转换的趋势。

弹丸装药被引燃后，假设内部装药状态处处相等，炸药燃烧服从燃烧定律，生成产物为气体，服从气体状态方程。当内部装药稳定燃烧时，内部装药燃烧生成产物质量等于从熔穿孔释放产物的质量和壳体内燃烧产物的质量，即：

式（1）中：A为装药燃烧面积；为装药密度；为燃烧速度；为燃烧产物的温度；为装药燃烧产物的平均密度；为单位时间内燃烧产物从熔孔排出的质量；为燃烧产物所占的体积；R为摩尔气体常数。

炸药燃烧符合指数燃速定律：

式（2）中：，为常数；为压力指数；为内部压强。

根据完全气体状态方程=R可得：

式（3）中：为熔孔的面积；0为从熔孔排出的燃烧产物的平均密度；为质点的平均速度；0为从熔孔排出的燃烧产物的压力；0为从熔孔排出的燃烧产物的温度。

装药在壳体内燃烧时，壳体内的压力处于动态平衡状态，并产生大量的热和气体产物，气体和温度的堆积使弹内压力增加，当大于外界大气压力时，燃烧生成产物从熔穿孔迅速向外排出，弹内压力随之下降，弹丸内部装药燃烧逐渐保持稳定，弹内压力回归稳定状态。熔孔排出炸药燃烧产物的过程可以看作等熵膨胀过程，在外界稀疏波作用下内部装药燃烧产物产生向外飞散的速度，当燃烧产物膨胀与外界保持等压，燃烧保持稳定。

由稀疏波前和波后的压力关系可得波后质点的飞散速度与弹丸壳体内压力的关系：

（4）

式（4）中：为绝热指数；为反应产物中的音速。

由于从熔孔排出炸药燃烧产物的质点飞散与外界向弹内稀疏波传播方向相反，质点速度为负数，所以将式（4）取绝对值代入式（3），可得：

将式（2）和式（4）代入式（1）得：

（6）

式（7）可用来表示弹体内部压力变化趋势，将式（7）进行分解，通过实例仿真计算气体产物的生成速率和熔孔气体释放速率之间的关系：

（8）

（9）

2.2 弹丸装药稳定燃烧计算实例

以某型未爆迫击炮弹为研究对象，弹丸装药为注装梯黑炸药，装药密度为1.58g/cm3，质量为889g，装药高度为12cm，直径为7.7cm，其遵循几何燃烧定律，逐层进行燃烧。梯黑炸药的威力和猛度均小于黑索今，为更好地研究弹丸装药燃烧变化趋势，做如下处理：简化迫击炮弹的内部装药为黑索今（RDX）；内部装药近似为直径8cm、高度12cm的圆柱体药柱。通过查取相关文献得到相关参数，如表1所示[7]。

表1 RDX燃烧主要特征参数

Tab.1 RDX combustion main characteristic parameters

利用已知参数，设定熔孔直径为13mm，采用MATLAB软件计算式（8）~（10），并生成0、1、2的曲线，如图1所示。

注：熔孔直径D为13mm

产物生成速率0由装药本身的燃烧特性决定，气体释放速率1由开孔面积、外界环境以及燃烧生成产物的性质决定。

图1中，曲线0为弹丸装药气体产物的生成速率，曲线1为熔孔气体释放速率，曲线2代表0和1的差，曲线2与横轴的交点e、f表示压力平衡位置，与曲线0和1的交点E、F对应。在弹丸装药被金属熔流点燃初期，曲线处于AE和BE段，气体产物生成速率大于熔孔气体释放速率，气体产物在弹内积累，弹内压力随之升高；随着压力的不断升高，熔孔气体释放速率不断增大，且增大速度大于气体产物生成速率的增长速度；当增大到E点时，气体产物生成速率与释放速率相等，到达平衡状态。且由于惯性的作用，气体释放速率会继续快速升高一段时间，即EF段。此阶段由于气体产物生成速率小于释放速率，弹丸壳体内部的压力不断下降，气体产物生成速率和释放速率下降，1回归到压力平衡点F，气体产物生成速率与释放速率达到动态平衡。

若弹丸装药持续与金属熔流接触，弹内反应生成速率突破F点，进入FC和FD段时，生成速率大于释放速率，弹内气体产物不断堆积，弹内压力不断升高，当达到一定值时，弹丸装药将会由燃烧转化为爆轰。因此，在弹药销毁过程中应尽量控制熔穿后熔流向弹丸内部传递的时间。同时提高熔穿金属壳体的速度，降低弹丸装药在密闭环境下的热化学反应时间，减少气体产物生成，降低弹内部压力。

改变熔孔直径为12mm、15mm，生成的0、1、2曲线如图2所示。

图2 不同熔孔直径条件下生成气体速率与释放速率的关系

对比图1，发现当熔穿孔直径减小时，EF不断减小，E点向上移动，燃烧压力波动范围小，易出现燃烧转爆轰现象的发生。未爆弹销毁作业时，应尽量增大熔孔面积，提高燃烧销毁的稳定性。当曲线0与1相切时，对应最小熔孔直径，当熔孔直径小于最小熔孔直径时，弹丸装药的气体生成速率大于产物释放速率，在这种情况下弹丸内部压力逐渐增加，炸药燃烧存在燃烧向爆轰转化的趋势。根据计算可得，本迫击炮弹的最小开孔直径约12.2mm。因此，通过控制熔孔直径可以控制燃烧压力变化，在燃烧过程中控制其燃烧压力就可以避免爆轰的发生。

3 结束语

通过研究，得出主要结论如下：

（1）熔流引燃未爆弹弹丸装药过程中，控制压力的增长是使炸药在稳定条件下燃烧直至消耗殆尽的关键。

（2）金属熔流销毁未爆弹过程中应尽量控制熔穿后熔流向弹丸内部传递的时间，同时提高熔穿金属壳体的速度，降低弹丸装药在密闭环境下的热化学反应时间，减少气体产物生成，降低弹内部压力，防止爆轰发生。

（3）未爆弹弹丸壳体熔孔越大，弹丸装药燃烧时壳体内部压力越小，作业过程中发生爆轰的概率越小。

（4）某型迫击炮弹金属熔流销毁作业时，最小开孔直径约为12.2mm。

[1] 李金明,雷彬,丁玉奎.通用弹药销毁处理技术[M].北京:国防工业出版社,2012.

[2] 谷智国,张怀智,杜润生,等.废旧弹药销毁方法探究[J].工程爆破,2012,18(1):97-99.

[3] 张启功.基于金属熔流的未爆弹销毁方法与实验研究[D].石家庄:军械工程学院,2015.

[4] 刘涛.高热剂应用于销毁废弃弹药的相关研究[D].南京:解放军理工大学,2013.

[5] 段宝福,宋锦泉,汪旭光.炸药燃烧转爆轰(DDT)研究现状[J].有色金属(矿山部分),2003,55(1):31-35.

[6] 刘鹏,张怀智,郭胜强,等.废炸药燃烧转爆轰的原因分析及对安全销毁炸药的启示[J].爆破器材,2009,38(1): 31-34.

[7] 吴成义,谢子章, 张丽英.粉末冶金不等高制品压制规律的探讨[J].北京科技大学学报,1981(1):148-154.

Simulation Calculation on the Stable Combustion Stage of Explosive Projectile Charge

LI Zheng-yang1，AN Zhen-tao1，LI Jin-ming1，ZHANG Qi-gong2

(1. Ammunition Engineering Department of Ordnance Engineering College，Shijiazhuang，050003；2. 75170 Unit，Guilin，54100）

In the process of the destruction of the metal melt, the main explosive charge of the projectile is easy to explode, which poses a great threat to the safety of personnel. To solve this problem, based on the mechanism of combustion to detonation, a method for controlling the stable combustion of the projectile charge in the destruction of non explosive projectile was proposed. A computing model was established, taking a certain type of mortar shell as an example, the simulation results were obtained. It is considered that the larger the hole diameter is, the lower the probability of detonation occurs during the destruction, and the minimum hole diameter of the mortar shell is 12.2mm.

Non explosive destruction；Metal melt flow；Combustion；Detonation；Hole diameter

1003-1480（2017）02-0053-04

TQ560.79

A

2016-12-29

李政阳（1995 -），男，在读硕士研究生，主要从事弹药储存、供应与销毁方面研究。