慢速烤燃环境下引信热响应特性测试与仿真

韩炎晖， 娄文忠， 冯跃， 郑福泉

(北京理工大学 机电学院， 北京 100081)

0 引言

大型舰艇战斗群通常都装备多种弹药，舰载弹药容易在意外火灾或敌方打击毁伤造成的环境热交换过程中酿成自点火甚至爆轰等重大灾难，严重威胁着参战人员、武器装备的作战能力。舰载弹药在遭受意外热刺激下出现的一系列安全事故尤为惨痛，已引起各国高度重视。为了提高弹药安全性，以美国为代表的西方国家于20世纪70年代开始发展不敏感弹药(IM)技术研究，目的是在达到原弹药性能的同时，当遇到加热、撞击等剧烈外部刺激时，将弹药意外起爆概率和人员损伤降至最低[1]。美军已尝试在部分高价值武器设计与鉴定试验中，加入弹药及引信的不敏感设计和试验项目[2]。我国不敏感弹药技术起步较晚，但是对不敏感弹药研究的重视程度日渐增强。总之，我国既没有严格意义上的不敏感弹药，也没有建立统一的试验方法和评价体系，严重制约了我国不敏感弹药技术的发展[3]。因此，本文将聚焦舰载弹药引信受意外热环境刺激下的不敏感技术。

1 常规弹药引信减敏技术

1.1 引信减敏技术需求

提高弹药不敏感特性最直接有效的手段是降低战斗部装药的感度，但炸药感度降低的因素会引起战斗部威力下降。因此，提高弹药不敏感特性不能单纯依赖于炸药感度特性，应充分借鉴国外高度重视系统级安全性提升的发展思路：弹药安全要求属于系统性要求，贯穿弹药的全寿命周期，涵盖系统的各组成部分，通常涉及战斗部、引信、火箭发动机及其点火具，相关技术包括低易损性火炸药技术、安全点火与起爆控制技术、弹药安全缓解技术、弹药安全防护技术等[4]。

引信结构的减敏设计同样是保证弹药安全的核心，美国及北约国家极其重视引信减敏技术，如北大西洋公约组织成员国标准化协议STANAG 4187和STANAG 4439均对引信提出了不敏感设计要求[5]：不仅要确保勤务处理过程的高安全性，而且要有效降低弹药在外部刺激下的危险性。

1.2 隔爆式引信对热刺激减敏必要性

舰载弹药种类繁多，主要包括反舰导弹、防空导弹、反潜火箭弹、深水炸弹、鱼雷和各类型舰炮弹药等，对于航空母舰、登陆船坞等大型综合作战平台，还包括舰载机、坦克、装甲车等装备所配载的航空炸弹、空空导弹等武器弹药。机电式安全和解除保险机构在舰载弹药中占比高，部分高价值弹药采用电子式安全和解除保险机构。前者一般采用错位式爆炸序列，主要以机械隔爆方式实现引信的安全，通过传感器收集到的目标信号经过处理传给隔离机构来实施保险与解除保险动作，强调必须防止传爆管在引信解除保险之前意外发火[6]。后者以直列式爆炸序列为基础，采用钝感炸药作为首发爆炸元件装药，通过控制发火能量的供给来保证引信的安全，不需要机械隔离[7]。

分析国内外热刺激环境导致的意外点火事故，从侧面说明了弹药意外点火并不是弹药爆炸序列作用引起的，与隔爆机构是否解除保险状态无关，而是因为热刺激经引信结构体传递到隔板后的导爆药和传爆药外壳，热量过高引起药剂自身发生燃烧，从而引发隔板后的爆炸序列。

虽然直列式安全和解除保险机构采用全电子起爆系统可有效防止被不正确逻辑或有害电磁能量源引发意外起爆，在安全方面具有先天优势，但由于该机构空间尺寸大、成本高，无法推广到占比高的带有机电式安全和解除保险机构的常规舰载弹药引信，因此研究隔爆式引信安全和解除保险机构不敏感技术同样具有重要意义。同时，需要重点关注隔板后的爆炸序列，确保爆炸序列必须尽可能对热刺激不敏感，且在热刺激下引发弹药的响应不能超过燃烧[6]。

本文以某型舰载无线电引信为例，研究常规隔爆式引信在受慢速烤燃热刺激下的热响应特性和引信内部热传递规律；通过结合嵌入式多点测温技术和有限元热仿真技术，揭示并证实引信内部传递热量过高是引发隔板后爆炸序列的本质。本文中提出的嵌入式多点测温技术和采用的热仿真方法，可为引信热刺激减敏优化设计的验证研究提供测试和仿真手段。

2 引信慢速烤燃试验

2.1 引信烤燃试验特点

对于引信钝感化要求的内涵是依据弹药安全性评估体系制定的，目前世界上主要有3种评估体系[2]，如北约不敏感弹药评估和试验标准体系、美国MIL-STD-2105D非核弹药危险性评估试验标准体系[7]、法国DGS/IPE 211893弹药需求试验标准体系等。我国弹药安全性试验系统还不够成熟，尚未建立不敏感弹药试验和评估的标准体系，各研究团队之间的试验方法及其结果可比性不高。已开展的烤燃试验中绝大多数是针对含能药剂(小型烤燃试验)或整个战斗部(大型烤燃试验)，不包含引信。国内外已有的相关试验研究中，Pakulak[8]设计了小型烤燃弹试验，采用可控制加热速率的电加热带，对烤燃弹壳体加热并用热电偶测量药柱的表面温度；Jones等[9]对小型烤燃弹试验装置进行了改进，利用热电偶测量了炸药内部温度；冯长根等[10]利用热电偶进行了炸药多点测温烤燃试验，对炸药内部测量点进行了准确定位和测量；张晋元[11]针对壳体厚度对传爆药慢速烤燃的影响进行了研究，发现烤燃弹壳体厚度对慢速烤燃响应的剧烈性有很大影响，烤燃反应的剧烈程度随着壳体厚度的增大而减小[12]。上述含能药剂烤燃试验指明了热烤燃试验系统构架，包括温度环境实现与控制、热电偶测温，对开展引信烤燃试验具有宝贵的借鉴意义。

引信烤燃试验与含能药剂烤燃试验除了所需热环境空间不同之外，最大区别在于热传导介质及途径的复杂性，如图1所示。对于含能药剂烤燃试验(见图1(a))，热量通过均质弹药外壳沿径向传导至含能药剂。由于引信结构复杂，以典型舰载76 mm口径弹头无线电引信为例(见图1(b))，该引信主要由电子组件、安全和解除保险机构、导爆药以及传爆药组成，其下体与战斗部(蓝色剖面线)连接。受限于引信空间，目前制定的测温点数量为5个(见图1(b))。在引信壳体受热刺激后，到达导爆药和传爆药的热传导途径呈现混联现象，即热量可以从多组合部件、多方向传递。而最快传热路径取决于结构的材质和尺寸，等效于不同相邻组件的热阻抗数值。需要特别说明的是，引信结构件多为金属材料，在烤燃环境下导热快，热量瞬间即可传至传爆药，进而发生燃烧甚至爆轰。

引信烤燃试验的特殊性在于要通过剖析引信内部不同位置的温度点，得到热量在引信中的传播途径，发现引信中最薄弱的零部件(热阻最低，即热传导最快的零部件)，进而在引信钝感化设计中设法增加相关薄弱零部件的热阻能力。

关于慢速烤燃试验参数的确定，较多国内研究单位参考的是北大西洋公约组织标准AOP-39不敏感弹药评估和研发指南[13]中对烤燃试验相关要求规定执行的：标准试验程序是首先以5.0 ℃/h的升温速率将慢速烤燃试验箱加热至50 ℃，并维持8 h，然后以3.3 ℃/h的升温速率加热试样，直至弹药发生反应。需要特别说明的是，在已知某个适合慢速烤燃试验升温速率的情况下，可以采用裁剪试验程序，不需要预热过程，直接选用该升温速率[2]。因此，本文在已知受试引信中导爆药和传爆药5 s爆发点温度为259 ℃时发生燃烧的前提下，为缩短烤燃试验时间，考虑石英灯的加热能力，以确保试验过程中热量从引信外壳完全传递到药剂，选择升温速率70.2 ℃/h，从室温22 ℃开始加热、直到导爆药和传爆药达到259 ℃，作为慢速烤燃试验条件。

2.2 基于热电偶的嵌入式测温微系统

本文采用常规K型(镍铬- 镍硅)热电偶温度传感器，该传感器构造简单、准确度高、热惯性小、稳定性及复现性好、温度测量范围宽，可以在-200～1 600 ℃范围内连续测量。热电偶测温微系统主要由印制电路板制成，图2所示为5路K型热电偶测温微系统印制电路板，包括具有放大、滤波和数/模转换功能的数据处理模块和数据采集模块。

嵌入式测温微系统的设计关键是如何将测温微系统有效地嵌入引信，且不会过多地影响引信内部原有的热传递通道。考虑到引信自身的体积空间有限，因此采用模块替换法，其核心思想为用测温模块替代引信的某一模块，实现空间替代；遵守热阻抗等效原则，即测温模块与被替换模块具有相近级别的导热系数。

印制电路板材质的导热系数为0.2～0.8 W/(m·℃)，采用聚合物(导热系数为0.3～0.5 W/(m·℃))保护壳后导热系数也较低；考虑到空气介质的体积占比，等效的含保护壳测温微系统整体导热率在0.2～0.3 W/(m·℃)量级。对比表1中列举的引信重要组件和导热系数，由于电池组件导热系数为0.3 W/(m·℃)，与测温微系统等效导热系数的量级接近，且电池组件体积与测温微系统设计体积相当，故选择其作为被替换模块。

按照电池组件尺寸设计如下嵌入式测温微系统(见图3)框架：

1) 采用插针实现电路板的上下两层排列连接；

2) 上层为信号接收层，联接5路热电偶测温传感器线路，可伸入引信内部的不同位置点测温；

3) 下层为信号处理层，包括数据处理模块、电源模块和存储模块等，用于上层MAX6675数/模转换后的数据校正、读取或存储等。本文采用弹载存储测温数据回读模式设计。

表1 引信重要组件材质及其导热系数

此外，为防止测温微系统在慢速烤燃试验中受热损坏(印制电路板的玻璃态转变温度为170 ℃)，设计了基于Teflon材质(玻璃态转变温度为325 ℃)的防热保护壳体(见图4)。

2.3 基于石英灯加热平台的烤燃试验

采用石英灯加热平台作为烤燃试验外部热刺激源，其系统由石英灯阵(布置在箱体上方)、隔热外壳、功率控制器、三相变压开关以及数据采集器组成(见图5)。升温速率控制在60～120 ℃/min范围，以满足慢速烤燃试验要求。嵌入式测温微系统5路温度采集点分别固定在压螺内侧(测点1和测点5径向对称)、安全和解除保险机构(测点2)、导爆药(测点3)以及传爆药(测点4)，如图1(b)所示。

慢速烤燃试验的操作步骤为：

1) 设置测温微系统5 min延时，随即启动测试系统并将其安装于引信中；

2) 将引信置入石英灯烤箱中，打开石英灯平台功率控制器，设定为1.17 ℃/min升温速率并计时；

3) 试验结束，关闭电源，取出引信和测温微系统，读取数据。

该嵌入式测温微系统性能稳定，可以记录慢速烤燃试验过程5个测点的温度数据。在历经12 000 s后，引信外壳温度从室温22 ℃达到270 ℃，此时导爆药和传爆药温度达到259 ℃；在加热初期升温速率非常慢，之后整体保持相对稳定的升温速率，同时在加热温度升高至200 ℃后升温速率减缓，这与石英灯加热系统和烤箱绝热条件有关；最终，安全和解除保险机构(测点2)、导爆药(测点3)、传爆药(测点4)组件的温度接近热刺激温度，表明经引信的传热速率很快。

结合嵌入式测温微系统回读的5路温度数据(见图6)和监测点位置示意图(见图1(b))，对热源位置对引信传热速率及传热途径规律分析如下：

1) 热源相同距离处，导热系数越大的结构其传热速率越快。例如：压螺与战斗部外壳结构体距离石英灯热源较接近，但由于压螺是高强铝合金材质，导热系数是45号钢材质战斗部外壳的5倍，压螺升温速率最快且相同时间内达到的温度最高。

2) 相同导热系数的结构体，距离热源越近，热传递速率越快。例如：分析压螺测点1和测点5两个测点的受热情况，测点1由于最靠近石英灯热源一侧，显示了最快的传热速率；而与其径向对称的测点5由于最远离加热源，导致传热最慢；即便如此，二者温差最终也仅为9 ℃.

3)对于经多结构体热传递后的下级结构体，其热刺激特性取决于相邻上一级结构体的受热状态，一般而言，串联相邻的最高温度受热体对次级结构体的热影响最大。例如：分析安全和解除保险机构受热情况可知，其热刺激可来源于石英灯热源- 压螺或石英灯热源- 战斗部外壳等多条传热途径；根据之前的分析可知压螺比战斗部外壳体具有更快的传递速率和更高的受热温度，因此作为次级结构体的安全和解除保险机构受相邻压螺热源的影响更大，所构建的传热途径为石英灯热源- 压螺- 安全和解除保险机构。

综合上述分析可知，引信内部热传递途径确定为压螺- 安全和解除保险机构- 导爆药- 传爆药。此信息对于引信减敏设计能力的提升具有指导意义，表明通过防热涂层改进风帽、安全和解除保险机构的热阻抗等减敏措施，可以降低导爆药和传爆药温度，降低发生意外点火的概率。该结论也证明了隔爆式引信系统在受到强烈热刺激后，热量会经引信外壳传递到隔板后的导爆药和传爆药，引发隔板后的爆炸序列。

3 引信烤燃仿真

烤燃试验虽然是最直观且能够真实反映热在引信内部传递路径的方法，但放置的热电偶数量有限，也不能全面反映每个组件内部温度的变化情况。因此，需要配合有限元热仿真进行综合分析，全面掌握引信内部关键部件的温度变化规律，为引信钝感化设计提供充足的信息。

为了得到烤燃过程中不同时刻的温度分布云图，采用有限元仿真软件ANSYS进行瞬态热仿真，以热传导作为热传递途径。仿真时需要对烤燃试验做以下简化假设：

1) 引信各组件不发生宏观相对位移，引信内部结构无间隙接触；

2) 反应区内仅有热传导，热交换遵循牛顿冷却定律；

3) 各结构组件材料性质为各向同性，其物理化学参数均为常数，不随温度变化；

4) 忽略气体对传热的影响，引信上部空气腔内无对流。

结合慢速烤燃试验条件，对引信设置了1.17 ℃/min的慢速升温速率，有限元仿真边界条件设置如下：

1) 在热瞬态分析中，设置引信风帽和压螺外表面以及战斗部外表面的温度(T)为一条函数分布曲线：T=22+1.17t/60(t的单位为min)，即从室温开始加热，恒定升温速率为1.17 ℃/min.

2) 仿真软件默认温度为室温22 ℃，即在求解时间域开始时刻，除外表面之外结构的其他部分温度均为22 ℃.

3) 设置升温上限为260 ℃，瞬态求解总时长约为203.4 min. 通过前期仿真结果可知：热刺激每增加1 ℃，仅需1 min热量便能从引信壳体完全传到药剂，因此考虑到求解耗时和实际传热效率，求解步长设为30 s.

需要特别说明的是，在有限元仿真方法中，引信与外界空气无对流，因此仿真中设置升温上限为260 ℃能确保导爆药和传爆药的温度达到259 ℃；而对于烤燃试验，由于引信与外界空气对流的存在，石英灯需要加热到270 ℃左右才能保证药剂温度达到259 ℃.

由于引信可近似为轴对称图形，为减少计算量，也为方便地显示其内部温度分布云图，建立1/4模型求解。

经历12 205 s(203.4 min)升温后，热刺激温度达到260 ℃时引信组件的温度分布云图如图7所示。图7表明：由于升温速率较慢，热传导速率更快；除电池组件外，引信内部各组件的温度基本一致，与外部加载温度相差小于1 ℃. 相应地，各个组件温度数据如图8所示。由图8可见，传爆药和导爆药温度也会升至259 ℃，此时传爆药和导爆药将发生剧烈反应，危险甚大。通过比较安全和解除保险机构、导爆药和传爆药的慢速烤燃试验与仿真温度结果(见表2)可知，试验测试结果与仿真模拟结果差别不大，二者基本吻合；其中试验测试结果比仿真结果的数据偏高，原因是热电偶与引信刚性结构间的不良贴合造成了一定的接触热阻；此外，由于试验环境与外界存在不可避免的热交换，在传爆药温度相同的情况下，试验中的石英灯加热温度(270 ℃)要高于仿真中设置的温度(260 ℃)。

Tab.2 Comparison of slow cook-off test and simulated temperature datum ℃

在慢速烤燃仿真中，由于升温速率远小于传热速率，难以准确获取引信内部的传热途径，本文采用瞬态热仿真方法分析恒定热刺激为800 ℃下引信各组件的瞬态传热过程。图9所示为每60 s截取的温度分布云图。由图9可见，由于电池组件是非金属材质，传热速率慢，传递到安全和解除保险机构、导爆药和传爆药的热量主要来自压螺组件。以60 s间隔提取温度云图，可以明显发现引信内部传热途径为：压螺- 安全和解除保险机构- 导爆药- 传爆药。

需要特别说明的是，本文的研究对象是76 mm口径弹头无线电引信，得到的热传递途径和热响应规律可能会因引信类型不同(组件尺寸、材质)而有所差异。然而，即使研究对象变化，本文提出的嵌入式测温方法和热仿真方法对于开展引信热减敏研究仍然具有借鉴意义。

4 结论

本文针对某典型舰载76 mm口径弹头无线电引信，采用慢速烤燃测试与有限元热仿真技术相结合的方法，设计了嵌入式多路慢速烤燃测温微系统，建立了引信瞬态热仿真模型，结合试验测试和仿真模拟结果综合分析了外部热刺激下引信各组件的温度响应和热传递路径。得到主要结论如下：

1) 基于热阻抗等效原则的模块替换法，在不影响热传递途径的前提下，能够合理指导用于烤燃试验的热电偶测温微系统嵌入式设计，该方法可进一步推广到多类装备内部的嵌入式测温系统。

2) 基于热电偶的嵌入式测温微系统和低导热系数聚合物保护壳，实现了在石英灯烤燃平台的高可靠嵌入测试、多路同步测试功能，该测温微系统和烤燃平台可满足慢速烤燃试验要求。

3) 试验测试结果与仿真模拟结果基本吻合，升温速率为1.17 ℃/min烤燃条件下，导爆药和传爆药最终温度将升至5 s爆发点温度259 ℃，发生剧烈反应，危险甚大；引信热传递途径为：压螺- 安全和解除保险机构- 导爆药- 传爆药；该结论可为引信热刺激减敏技术研究提供机理参考。