引信慢速烤燃特性的等效试验方法

翟 蓉，施坤林，邹金龙，牛兰杰，王 炅

(1.机电动态控制重点实验室，陕西 西安 710065；2.南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)

0 引言

不敏感弹药(isensitive munition，IM)是指具有对加热、冲击、爆轰等外界刺激不敏感或在这种外界刺激下不会引起强烈反应的弹药。它能在不降低弹药使用性能和作战效率前提下降低意外刺激(烤爆、殉爆和撞击)导致灾难性反应的可能性，本质上也是对弹药的安全性发展要求。2011年，美国完成了MIL-STD-2105D《非核弹药危险评估试验规范》[1]等相关标准的修订，详细规定了不敏感弹药必须经过快速烤燃、慢速烤燃、弹丸撞击、殉爆等多项试验。引信作为弹药安全与起爆控制核心，其不敏感特性正成为国内外研究热点。引信烤燃特性是指引信在受到外部热刺激时所表现出来的反应剧烈程度，主要是由传爆序列装药受热发生反应导致。烤燃试验是不敏感弹药引信测试评估标准中的重要试验之一，根据升温速率的高低可分为慢速烤燃试验和快速烤燃试验。慢速烤燃试验主要是用来模拟邻近弹药库/仓库或车辆等起火时弹药经受的慢速增温环境。根据美国MIL-STD-2105D《非核弹药危险评估试验规范》中的要求，目前慢速烤燃试验都采用3.3 ℃/h的升温速率。

国内外对于炸药火工品不敏感特性开展了大量研究，国外Erneux等人进行了推进剂的烤燃试验，试验中测量了推进剂发生爆炸的热响应时间和温度。Scholtes和Van der Meef等人对TNT炸药进行了慢速烤燃试验，得到的温度-时间曲线表明TNT溶化对炸药内部温度变化有显著影响[2-4]。国内王沛[5]等人对固黑铝炸药在不同升温速率下的烤燃过程进行了数值模拟研究，得到了不同升温速率对固黑铝炸药烤燃特性的影响。王洪伟[6]等人研究了升温速率对烤燃弹热起爆临界温度的影响。王晓峰[7]研究了慢速烤燃试验情况下不同传爆药配方的反应温度和反应类型。智小琦[8]等人利用设计的烤燃系统对传爆药的烤燃特性开展了炸药装药密度对慢速烤燃响应特性的影响研究。然而上述工作仅仅是对炸药的烤燃特性开展研究，很少考虑在引信约束条件下对传爆序列的不敏感特性研究，特别是未考虑升温速率对引信烤燃特性的影响，因此上述研究成果不能作为不敏感引信传爆序列设计、考核的参考。针对不敏感弹药引信传爆序列热安全性设计的迫切需求，本文提出了引信慢速烤燃特性的等效试验方法。

1 引信慢速烤燃特性

1.1 引信热起爆机理

在加热条件下，引信传爆序列装药热分解所产生的热量不能及时释放到周围环境，而是储存于炸药反应区内部并出现热积累，使炸药自身的温度和环境压力升高，加快炸药的热分解反应，这种持续相互作用的促进和循环最终导致炸药发生爆炸甚至爆轰等剧烈反应。

目前被普遍接受的非均质炸药爆轰的响应机制为二阶段理论[9]，即热点火阶段和由热点引起的化学反应转变为爆轰阶段的理论。在压药过程中，炸药内部微粒间的空穴或气孔的产生必须要有另外的附加能量，这些能量储存在空穴或气孔的表面，称为表面能。当引信经历烤燃环境时，传爆序列装药经受壳体传热、辐射传热的共同作用后发生热分解反应，使空穴或气孔被破坏，释放表面能，加热空穴或气体周围的介质，使温度升高，从而形成热点。同时，炸药中心分解得到的高温气体，穿透周围的区域，热点增大，燃烧区域急剧增加，燃烧速率呈指数级增长，进而导致爆轰。

1.2 引信慢速烤燃计算模型

为了研究引信在烤燃环境下的响应规律，对引信烤燃计算模型做以下假设：1) 假设引信壳体与传爆序列装药之间间隙极小可以忽略不计，传爆序列装药反应区域热传递仅由热传导引起；2) 烤燃过程中热点火端，反应物消耗极小可以忽略不计，引信体和装药的材料参数保持不变；3) 装药的自热反应和热传导遵循Frank-Kamenetskill模型方程[10]，见式(1)：

(1)

式(1)中，ρ为反应物的密度(kg/m3)，λ为导热系数(J·kg-1·K-1)，Q为反应物的反应热(J·kg-1)，A为指前因子(s-1)，E为活化能(J·mol-1)，R为普适气体常数(J·mol-1·K-1)，T为温度(K)，f(a)为反应机理函数。

2 引信慢速烤燃特性的等效试验方法

2.1 引信慢速烤燃特性仿真模型

为了研究升温速率对引信烤燃特性的影响，利用FLUENT仿真软件进行数值仿真计算。通过仿真计算可以获得不同升温速率下引信发生反应的时间，同时可以对引信传爆序列部分发生反应的位置、温度和时间有更加细致的认识。

首先对引信结构进行适当简化，仿真计算所用引信模型为典型中大口径榴弹引信(如图1所示)主要包括风帽、引信壳体、电子部件、电池、安保机构、导爆药、传爆药等。其中引信头部和中间部分为电子部件、电池等，不涉及安全性问题，可以等效以灌封材料填充进行替代，提高研究效率。

由于引信系统为轴对称结构，为减少计算量且方便显示其内部温度分布云图，建立1/4计算模型，并划分有限元网格(如图2所示)，包含引信壳体、保险机构、传爆序列装药(导爆药、传爆药)、传爆管壳、隔爆板等几部。引信中通过螺纹连接的零部件均简化为圆柱形引信壳体，保险机构用材质为45#钢的金属部件代替，模型中各微小空隙忽略不计。按照引信实际尺寸简化物理模型，从引信壳体外壁进行加热，监测引信中的电子部件、导爆药、传爆药等关键部位的温度变化。

图1 引信结构示意图Fig.1 Fuze structural diagram

图2 引信仿真模型Fig.2 Fuze’s simulation model

2.2 仿真模型的初始参数选取

2.2.1材料参数选取

在仿真过程中，设置壳体侧壁为加热边界，代替外部加热装置。加热速率和自热反应源以子函数的形式加载到程序中。导爆药、传爆药与壳体设为耦合的热传导界面，在耦合界面上的温度和热流连续。计算区域中的材料包括导爆药、传爆药、钢、铝、灌封材料和空气，相应材料参数见表1。通过编写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的形式导入FLUENT中，从而控制外壁的升温速率和装药的自热反应。

2.2.2升温速率选取

目前慢速烤燃试验都依据美国MIL-STD-2105D《非核弹药危险评估试验规范》中的要求，采用3.3 ℃/h的升温速率，但是3.3 ℃/h的升温速率从环境温度开始加热直至引信发生热反应为止耗时太长，研究效率太低。为了使引信的慢速烤燃特性试验耗时尽可能缩短，参考之前炸药火工品的慢速烤燃试验研究，暂时选取1 ℃/min，2 ℃/min作为升温速率进行仿真计算，并将仿真结果与升温速率为3.3 ℃/h时的烤燃特性进行对比。

表1 主要材料参数

2.3 仿真结果

2.3.13.3 ℃/h升温速率下的引信烤燃仿真结果

仿真过程中首先以较快的升温速率升温至120 ℃，然后以3.3 ℃/h的升温速率继续对引信模型进行加热直到引信发生反应。

仿真结果如图3和图4所示。通过图3、图4可以看出，烤燃过程中引信头部封帽内的温度总是低于引信外壁温度。隔爆板、保险机构区域的温度与外壁基本保持一致。传爆药首先发生点火反应，点火位置位于传爆药柱中心处，引信发生反应时的壳体温度为191.6 ℃，反应点火温度为228.3 ℃。

图3 升温速率3.3 ℃/h引信剖面的温度分布云图Fig.3 Cloud map of temperature distribution in Fuze profile at 3.3 ℃/h

图4 升温速率3.3 ℃/h引信壳体的温度-时间曲线Fig.4 The fuze shell’s temperature-time curve at 3.3 ℃/h

2.3.21 ℃/min和2 ℃/min升温速率下的引信烤燃仿真结果

仿真结果分别如图5—图8所示。通过图5—图8可以看出：1 ℃/min和2 ℃/min升温速率下均是传爆药首先发生点火反应，并且随着升温速率的增大，点火位置由传爆药柱的中心向边缘移动，引信发生反应的温度也随之升高，当升温速率为1 ℃/min时，引信发生反应时的壳体温度为195.7 ℃，反应点火温度为232.9 ℃；当升温速率为2 ℃/min时，引信发生反应时的壳体温度为204.8 ℃，反应点火温度为237.9 ℃。

图5 升温速率1 ℃/min引信剖面的温度分布云图Fig.5 Cloud map of temperature distribution in Fuze profile

图6 升温速率1 ℃/min引信壳体的温度-时间曲线Fig.6 The fuze shell’s temperature-time curve at different heating rate

图7 升温速率2 ℃/min引信剖面的温度分布云图Fig.7 Cloud map of temperature distribution in Fuze profile at 2 ℃/min

图8 升温速率2 ℃/min引信壳体的温度-时间曲线Fig.8 The fuze shell’s temperature-time curve at 2 ℃/min

通过上述不同升温速率下的反应结果对比可以看出：升温速率为1 ℃/min时引信发生反应时的点火温度和壳体温度与升温速率为3.3 ℃/h的相差分别为2.01%和2.13%；升温速率为2 ℃/min时的点火温度和壳体温度相差分别为4.20%和6.89%；升温速率为1 ℃/min时的仿真结果与3.3 ℃/h的更加接近。

3 引信慢速烤燃特性对比试验验证

3.1 试验方案

验证采用引信慢速烤燃试验的方法。烤燃试验系统主要由烤燃试验炉、温度控制仪、数据采集系统、热电偶等装置组成，如图9所示。烤燃试验炉具有良好的保温性能和抗爆性能；温度控制仪采用日本岛电温控仪，数据采集系统采用自行编制的测点温度与时间关系的采集软件，可适时观测到温度随时间的变化情况。热电偶测试温度值，选用K型热电偶，测量范围0～800 ℃；升温速率分别设置为 3.3 ℃/h，1 ℃/min和2 ℃/min，每种升温速率条件下的试验数量为三发。试验样机以仿真对象的典型中大口径榴弹引信为试验样机，如图10所示。导爆药和传爆药均采用JHX-1，JHX-1是国内新研制的不敏感炸药，主要成分是FOX-7炸药、RDX和粘结剂。试验结束后通过不同升温速率条件下的反应时壳体温度及反应程度判定选取最佳的等效试验方法。

图9 慢速烤燃试验系统Fig.9 Slow cook-off experimental system

图10 试验样机Fig.10 Experimental prototype

将试验样机悬挂在烤燃试验炉中，为了测得传爆序列发生反应时的引信壳体温度，分别在试验样机的底部即传爆管输出端和引信体侧面放置热电偶，如图11所示。由于目前本文所采用的试验方法无法测得装药内部的点火温度，所以结合引信体结构，在本文后续的试验部分描述中所提到的引信反应温度为反应时引信底部输出端的壳体温度。

图11 试验中热电偶放置位置Fig.11 Placement of the mocouole in experiment

试验从环境温度开始对引信进行加热，分别以3.3 ℃/h，1 ℃/min和2 ℃/min的升温速率加热引信试验样机直至传爆序列发生反应为止，记录反应时间及反应温度。反应的剧烈程度根据实验后收集到的试验样机破片和引信体的变形程度衡量。

3.2 试验结果

在不同升温速率下，均是传爆药部分发生反应，导爆药底部产生凹陷并未发生反应，三种升温速率下传爆药的反应温度在175.9～229.2 ℃之间。

其中升温速率为3.3 ℃/h时，有一发壳体无明显变形和裂纹，传爆管底部被剪切掉，形成一块较大的破片，传爆管内有黑色碳化的药渣残留，判断反应程度为燃烧，其余两发壳体发生塑性变形，传爆管底部被切掉，形成两块大破片，判断反应程度为爆燃。升温速率为1 ℃/min时，三发反应程度均为爆燃，壳体均塑性变形，传爆管侧壁产生裂纹，底部被切掉，形成了若干小破片。升温速率为2 ℃/min时，有一发引信反应后，壳体发生了塑性变形，传爆管侧壁有较大裂纹，底部飞出，形成若干小破片，判断反应程度处于爆燃和爆炸之间，其余两发反应为爆燃，试验结果如图12、图13所示。

图12 不同升温速率下引信试验样机的反应程度照片Fig.12 The results of fuze’s cook-off experiment at different heating rates

表2 不同升温速率烤燃试验结果

表2中试验结果表明：对于这种典型中大口径榴弹引信，采用JHX-1不敏感传爆序列装药慢速烤燃试验时，引信传爆序列的反应温度随着升温速率的增大而升高，反应程度随着升温速率的增大而加剧；升温速率为1 ℃/min时引信传爆序列的反应程度与升温速率为3.3 ℃/h的相差不大，升温速率为2 ℃/min时发生一发介于爆燃或爆炸，与升温速率为3.3 ℃/h的相差较大。

3.3 结果对比与分析

不同升温速率下的引信烤燃试验结果和仿真计算结果见表3。

表3 试验与仿真结果对比

从表3中可以看出，仿真所得反应时的壳体温度与试验测得的反应温度基本一致，反应温度随升温速率的增大而有所升高。仿真所得反应温度与试验值最大误差为8.2%，以此来验证本文所建仿真模型及计算方法的合理性和可行性。

从仿真结果中可以看出，当升温速率为3.3 ℃/h时，传爆序列发生反应的位置在传爆药柱的中心区域。升温速率为1 ℃/min和2 ℃/min时，传爆药柱上的温度分布情况比较相似。升温速率为1 ℃/min时引信传爆序列发生反应时的点火温度和壳体温度与升温速率为3.3 ℃/h时的仿真结果更加接近，误差不超过3%；从烤燃试验结果中可以看出，升温速率为1 ℃/min时引信传爆序列的反应程度与升温速率为3.3 ℃/h的相差不大，2 ℃/min时发生一发介于爆燃或爆炸，与升温速率为3.3 ℃/h的相差较大。

4 结论

本文提出了引信慢速烤燃特性的等效试验方法。通过建立导爆药、传爆药与壳体为耦合的热传导界面，且在耦合界面上温度和热流连续的引信慢速烤燃仿真模型，对不同升温速率条件与标准试验方法的慢速烤燃特性进行对比仿真，得到等效试验方法，缩短慢速烤燃试验的耗时，提高研究效率。仿真和试验结果表明，1 ℃/min和3.3 ℃/h升温速率下，引信反应程度基本相同，反应温度相差不超过3%，因此，可以采用1 ℃/min的升温速率代替3.3 ℃/h的升温速率进行等效试验，以缩短引信慢速烤燃特性试验的时间，提高研究效率。本文的研究成果可以为不敏感引信慢速烤燃特性研究及试验提供指导和参考。