某引信及其等效构件的慢速烤燃研究

薛超阳， 智小琦， 王帅， 周捷

(中北大学 地下目标毁伤技术国防重点实验室， 山西 太原 030051)

0 引言

引信是弹药系统中的重要组成部分，发展钝感引信技术对提高武器系统的安全性有重要意义[1]。在某些高价值武器的研制过程中已经出现钝感引信的试验要求，而国内对钝感引信的研究仍处于起步阶段，仅参照国外相关要求对钝感引信的基本原理进行了探索，对引信直列式装药的选用标准和评价指标、钝感引信结构材料选择、钝感引信试验评估体系等方面缺乏系统的研究[2-3]。传爆药在爆炸序列中起着至关重要的作用，其热安全性是保证引信系统安全的关键[4]。唐鑫等[5]对聚奥-9C装药引信传爆序列进行了快速烤燃试验，结果表明：引信传爆管点火时传爆药柱先发生热反应，引起导爆药柱发生爆燃。袁俊明等[6]进行了聚黑-14C的小尺寸传爆管慢速烤燃试验，并根据试验结果对4种不同升温速率下引信传爆管的烤燃过程进行了数值计算，结果表明：烤燃装置点火时传爆药柱先起爆，冲击波经管壳衰减后使导爆药柱发生爆炸。以上研究成果主要以传爆管为研究对象，侧重于升温速率对传爆管点火位置的影响，对传爆序列点火顺序的机理分析较少，没有对全引信的烤燃实验和数值模拟研究。

由于对全引信进行烤燃试验的成本较高，设计简单有效的等效构件对全引信的烤燃特性研究尤为重要。本文以装填1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)导爆药和传爆药的某引信为研究对象，进行全引信烤燃试验。设计两种等效构件，通过对比全引信与等效构件的烤燃试验结果，验证了等效方法的正确性。

1 全引信烤燃试验

1.1 试验装置

图1所示为自行设计的烤燃试验系统示意图。由图1可见，试验装置主要由计算机、日本岛电公司产MR13温控仪(调节精度为0.1 ℃)、导线、烤燃炉、稳固架和热电偶组成。其中，MR13温控仪、烤燃炉和热电偶组成温控反馈调节系统，控制引信外壁的升温速率。利用自行设计的烤燃温度- 时间采集(SFO)软件实时采集烤燃过程中的温度- 时间曲线。

1.2 试验方法

全引信壳体材料为45号钢，导爆药和传爆药为FOX-7，装药密度为1.600 g/cm3. 引信初始温度为(25±1)℃. 为节省试验时间，首先以0.2 ℃/min的升温速率对引信加热，当温度达到120 ℃后，以3.3 ℃/h的升温速率加热，直至发生响应。试验过程中实时采集引信底部中心(测点1)和侧壁距底部5 mm处(测点2)的温度- 时间曲线，记录响应温度、响应时间和响应剧烈程度。根据响应后的弹体状态评估响应等级。为保证试验数据可靠，做3发平行试验。图2所示为测点位置图。

1.3 试验结果及分析

引信烤燃试验结果如表1所示。由表1可知，3发平行试验响应温度较为集中，传爆管底壳的破碎程度基本一致，响应等级均为爆燃，无法根据弹体状态判断导爆药与传爆药的点火顺序。图3所示为全引信响应结果，图4所示为编号为A1的引信响应温度- 时间曲线。

表1 全引信烤燃试验结果

注：响应等级根据文献[7]的判定标准进行判定。

2 等效构件设计及试验

2.1 等效构件设计方案

1) 方案1。全引信头部锥体内电路对传爆序列的烤燃响应特性影响较小，雷管座和安全系统为金属件。因此，将引信头部锥体内的电路简化为等效件；将雷管座和安全系统简化为金属块，导爆药、隔爆板和传爆管均与全引信一致，引信壳体不变。

2) 方案2。在方案1的基础上，去掉引信头部锥体和雷管座部分，雷管座部分用钢上盖代替。图5所示为等效构件结构图。

2.2 等效构件烤燃试验

试验装置及试验方法与全引信相同。试验结果如表2所示。由表2可知，等效构件方案2没有引信头部锥体，强度降低，响应后上盖有轻度鼓包。两种等效构件与全引信响应时各测点温度和响应时间均相差较小，传爆管底壳的破碎程度与全引信相同，

注：响应等级根据文献[7]的判定标准进行判定。

响应等级均为爆燃。图6所示为等效构件响应后弹体状态。

由图6可见，响应温度的小范围波动在弹药实际烤燃情况下影响很小，而响应等级体现了传爆管烤燃响应的破坏力，直接作用于主装药。两等效构件与全引信响应等级相同，且传爆管底壳的破碎程度也基本相同，因此两种等效构件均可代替全引信做烤燃研究。

等效构件方案1较全引信改动较小，因此具有普适性。即将引信中的金属件简化为金属块，引信的烤燃响应特性不变。由等效构件方案2可知：如果引信中存在一部分非金属区域，且此区域与传爆序列中间有一定的金属区域，则去掉非金属部分可能不会影响传爆序列的烤燃响应特性；传爆序列上方金属块厚度与结构的小幅改动，不会影响传爆序列的烤燃响应特性。

3 等效构件1数值模拟

3.1 模型建立

为研究导爆药与传爆药的点火顺序，通过Fluent软件对等效构件方案1进行烤燃数值模拟[8]。对烤燃计算模型做以下假设：1)药柱反应区域热传递仅由热传导引起；2)烤燃过程中药柱的物理化学参数保持不变；3)药柱的自热反应遵循Arrhenius方程[9]。

计算模型遵循Frank-Kamenetskii方程[10]为

式中：ρ为反应物密度(kg/m3)；cv为比热容(J/(kg·K))；T为药柱温度(K)；t为反应时间；λ为药柱导热系数(J/(m·K·s))；r、φ、z为药柱内任一点的柱坐标；Q为反应物的反应热(J/kg)；A为指前因子(s-1)；E为活化能(J/mol)；R为普适气体常数(J/(mol·K))；f(a)为反应机理函数，所用计算模型为0级反应模型，因此f(a)=1.

由于等效构件为轴对称结构，建立1/4物理模型，采用六面体网格进行计算，网格尺寸为0.4 mm. 模型中不同材料间的接触面为耦合边界。通过C语言编写用户定义函数(UDF)子程序，将模型外壁温度边界条件和药柱自热源项以子函数形式导入Fluent软件中，从而控制外壁的升温速率和药柱的自热反应。

3.2 材料参数及计算结果

表3所示为修正后的FOX-7化学反应动力学参数。根据试验结果修正活化能，将差示扫描量热法(DSC)数据计算所得值249.89 kJ/mol[11]修正为275.97 kJ/mol. 表4所示为材料物性参数。其中FOX-7的比热容及反应动力学参数源于文献[12-13]。

表3 FOX-7化学反应动力学参数

表4 材料物性参数

根据修正后的参数进行数值模拟，计算结果与试验结果对比如表5所示。由表5可知，测点1和测点2的响应温度计算误差最大为1.04%，响应时间计算误差为2.23%，计算结果与试验结果吻合度高。因此，该参数可以用于FOX-7装药的引信烤燃数值模拟计算。

表5 数值模拟结果与试验结果对比

注：试验值取3发平行试验的平均值。

图7所示为等效构件方案1不同时刻的温度云图。由图7可知，烤燃过程中引信头部锥体内的温度始终低于外壁温度。由隔爆板、保险机构、雷管座构成的金属区域温度始终与外壁保持一致。即此金属区域对药柱的传热与外壁等效，再次证明了等效构件方案2的设计是合理的。由图7(d)可知，响应时传爆药先发生点火，点火点在传爆药中心。

在引信烤燃过程中，随着环境温度的升高，当药柱热分解产生热量的速度大于外部温度时，热量由药柱向外部传递。药柱的热分解发生在整个药柱内，而药柱的导热系数很小。由传热学可知，当药柱外壁温度相同时，药柱尺寸越大，其中心部分热分解产生的热量越难以及时传递到药柱以外，更容易产生热积累，进一步加速热分解，最终导致药柱发生点火。壳体的导热系数很高，其外壁温度和内壁温度基本相同，即导爆药和传爆药边界处温度相同，均等于壳体外壁的温度。而传爆药尺寸比导爆药大很多，因此传爆药先发生点火，进而引起导爆药发生爆燃反应。

炸药爆发点也受介质导热系数的影响[14]。介质导热系数高，则爆发点高。本文研究的引信中，传爆药介质的导热系数低于导爆药介质的导热系数，因此传爆药爆发点低于导爆药。一般引信中，传爆药与导爆药介质的导热系数不会相差很大，因此介质导热系数对药柱点火顺序的影响远小于药柱尺寸对点火顺序的影响。

4 结论

1) FOX-7装药的引信以3.3 ℃/h的升温速率烤燃，外壁底部温度为177.1 ℃时传爆药先发生点火，点火点在传爆药中心，响应等级为爆燃。

2) 将引信中的金属件简化为金属块，引信的烤燃响应特性不变。

3) 装药尺寸对传爆序列点火顺序有很重要的影响。对于同一种炸药，装药尺寸大的药柱在慢速烤燃过程中更早发生点火。引信的传爆药尺寸比导爆药尺寸大很多，当导爆药与传爆药为同一炸药时，引信慢速烤燃过程中一般为传爆药先点火。

4) 去除导爆药可以进一步简化等效方案，但进一步简化后的等效方案是否可行，仍有待研究。