装药结构热安全性试验方法及其特点分析

张中礼，吴松，鲁亮，胡宇鹏

（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳 621900）

装药结构在意外火灾或敌方打击下易处于较为苛刻的热环境，即对装药结构形成热刺激环境。当炸药所在环境达到某一温度，将形成热点，导致炸药的热点火，甚至引发连锁爆炸后果，尤其大型舰艇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。因此，装药结构在热刺激下的热安全性试验（热烤）是弹药安全性研究的重要内容之一。根据其升温速率的不同，将含炸药结构的热烤试验分为快烤和慢烤试验[1]，慢烤试验的升温速率一般小于0.05 ℃/s，快烤试验的升温速率大于1 ℃/s。热烤试验装置、热烤试验方法及计算仿真方法研究是热烤试验研究的主要方向[2]，尤其是通过热烤环境下的温度、压力、壳体破裂运动等可视化/量化的状态反应参量测试诊断和仿真预测技术评估其反应等级更是当前的研究重点[3—6]。

国内针对装药结构热烤试验主要参照2003年形成的美军标MIL-STD-2105C《非核弹药危险性评估试验》及其2011年发布的MIL-STD-2105D。对于快烤试验，主要采用油池火烧方式[7]进行试验加载，其燃料主要有燃油、酒精、木材等，其对于装药结构所受火灾快烤环境具有较好的等效性，但存在燃烧时间控制具有一定难度，温度受环境风速和空气流动影响较大，且伴随着火烧过程产生气体及颗粒污染物排放的问题。对于慢烤试验，主要采用电加热丝（带）[8—9]、电加热炉（箱）[10—11]和石英灯阵辐射方式[12]。3种加热方式均能较好地实现慢烤温升控制，但不同热传递形式的温度可控性不同，适用于不同的温控目标。不同约束条件下装药快烤试验研究表明，装药最终响应的剧烈程度与其所受约束强度成正相关[13]，不同加热方式对装药反应约束强度的改变，可能导致不同的装药反应剧烈程度。

针对装药结构不同热加载方式的传热特性和不同产品的温控要求及反应情况，文中对开放空间油池火烧、可控喷射火烧、石英灯阵辐射3种快烤试验方法，电加热丝（带）、电加热炉和石英灯阵辐射3种慢烤试验方法，从不同加载方式的主要传热形式、温度可控性、污染物排放及加载方式对装药反应等级可能产生的影响进行分析讨论，分析了各加热方法的特点。

1 试验加载方法

1.1 开放油池火烧试验

作为最常用的快烤试验方法，开放油池火烧试验通过采用一定尺寸的油池（油盘），添加有机燃料作为加热材料，直接加热试样。油池火烧环境所提供的热流密度，至少相当于表面吸收系数为0.8的试件在周围空气静止的环境下，完全暴露在平均辐射系数不小于0.9、平均温度不小于800 ℃的烃类燃料/空气火焰中所受到的热流密度。火烧试验设施应使试件直接置于包覆厚度为1~3 m的火焰中，试件底部距离液面的安装高度在0.6~1 m。火焰辐射系数与火焰总衰减系数K、火焰场总压力P和火焰平均射线行程L有关。对于常规的煤油类火烧试验，火焰包覆厚度在1~3 m，能够使其平均辐射系数达到不小于0.9的要求，同时试验过程中产生的大量炭黑附着在试件表面，使得试件表面吸收系数满足不低于0.8的要求。对火焰场温度测试及数值模拟结果均表明，火焰场温度在高度方向上呈现如下规定分布：在0.6 m高度处，火焰平均温度可达到900 ℃以上，最高可达1000 ℃以上；在1.0 m高度处，火焰温度平均值可达800 ℃以上；在0.6~1.5 m的高度区间，随高度的升高，火焰场温度呈下降趋势[14]。

火焰场包覆和温度均易受试验时风速和风向的影响，有人通过数值模拟研究[15]分析了横向风对试件周围火焰热辐射通量分布产生的影响。验证了在风速为2 m/s时，试件周围的热辐射通量基本上仍呈现对称分布，低于2 m/s的风速不会对油池火烧试验产生较大影响，而当风速超过2 m/s后，火焰将无法包覆整个试件，会影响试验周围火焰厚度的一致性，下风向火焰的热辐射通量增大，试件附近的火焰热辐射通量降低。当火烧试验过程处于无风或微风状态时（如图1所示），煤油火焰将试件包覆良好，试件附近各方向的火焰温度基本保持在800 ℃以上。

1.2 可控喷射火烧试验

针对开放油池火烧试验加热速度、火焰温度、加热时间等控制困难以及污染排放的问题，2006年美国Atwood等[16]研究设计了可控火烧试验系统（见图2）。该系统更换燃料种类为丙烷，改变燃料供给方式为雾化喷射，通过控制燃料喷射速率和空气吹入速度，实现火烧温度和热流输出的稳定控制，同时解决了燃烧时间的控制问题，大幅降低了火烧试验的污染物排放[17]。

图1 油池火烧试验系统及其加载曲线Fig.1 The picture of fire test system and temperature graph of different directions: a) the fire test system; b) the temperature graph of different directions

图2 可控火烧试验系统和装置[1]Fig.2 Sketch and picture of temperature controlled fire system[1]: a) sketch of temperature controlled fire system; b) picture of temperature controlled fire system

1.3 红外辐射灯阵试验

石英灯辐射加热是航天飞行器结构热试验中使用最为广泛的启动热模拟方式，其加热热流场计算、平板及锥形等各类形状石英灯加热器设计及影响因素等均已有深入研究[18—19]。已有研究者采用石英灯阵辐射加热器开展了室温至800 ℃、50 ℃/s温升速率热边界模拟试验[20]，表明石英灯阵辐射加热方式具备模拟火烧试验环境800~1000 ℃的能力。文中研制的平板辐射加热系统采用红外辐射灯阵能够模拟火烧环境的热流和温度条件，灯阵辐射装置具备快速升温能力，能够使试件表面在1 min内由室温上升至满足火烧环境条件要求的温度。在温度保持阶段，辐射灯阵装置所得到的温度加载曲线波动较小，辐射灯阵快烤加载装置及其加载曲线如图3 a和图4 a所示。经校准表明，该装置可以实现最高温度为1200 ℃，最大偏差为40 ℃（3.3%），小于5%的预定目标，最大温升速率不小于200 ℃/s，最大温升速率误差为5.7%。

辐射灯阵加载系统同时具备较慢温升速率的烤燃试验加载能力。采用半圆形石英灯管组成石英灯阵，对圆柱或圆锥状试件进行可控温升的辐射热加载，使试件内部炸药达到热点火反应温度，发生烤燃反应，其升温速率从3.3 ℃/h~1 ℃/min可调节，加热温度不低于400 ℃。还可根据点火位置的需要，采用分区控温的方法，实现不低于4个温度的协调控制，控制不同区域的温升曲线如图3 b和图4 b所示，达到指定位置装药发生热点火的加载效果，控制炸药点火位置和不同区域的预热深度，使炸药在热点火前达到预期的温度分布，而非均匀加载可能导致的过试验条件加载。

1.4 电加热带和电加热炉

图3 石英灯阵快慢烤加载系统Fig.3 The picture of fire/slow test system by infrared radiation lamps array: a) the picture of fire test system; b) the picture of slow test system

图4 石英灯阵快慢烤试验加载曲线Fig.4 The temperature graphs of fire/slow test system by infrared radiation lamps array: a) fire test system; b) slow test system

图5 电加热带和高温烤箱慢烤试验系统Fig.5 The picture of slow cook-off test system by electric heating swathes and electric heating case: a) the picture of slow cook-off test system by electric heating swathes; b) the picture of slow cook-off test system by electric heating case

电加热带缠绕和电加热炉作为常规慢速烤燃加载方法（如图5所示），一般以装药结构表面或装药表面的测点作为温度控制点，可以按照指定的温升速率进行加热，直至炸药发生反应。试验研究发现，采用电加热带作为加载装置，装药结构反应时，薄弱泄压部位被加热带缠绕，可能使某些结构约束增强，导致发生更高等级的反应。例如在对某装药结构进行慢烤试验时，采用电加热炉慢烤试验装药的反应等级为燃烧反应，而在采用加热带缠绕的试验件发生了等级更高的爆炸反应，因此对于某些结构设计有薄弱环节的装药结构，采用加热带缠绕的加载方式可能使设计失效[21]。

对某周向带泄压孔的装药结构慢烤试验，采用相同的加载曲线，电加热箱和电加热带慢烤试验装药结构发生反应的时间均为280 min左右。电加热带试验装药发生反应时，瞬间发生剧烈爆炸，温度测试系统在快速上升时测试中断。电加热箱试验装药发生反应时，排气孔处喷出火焰，燃烧约1 min后，火焰熄灭，开始冒烟，浓烟充满整个试验箱内。直至装药反应结束，弹体结构保持完整，未发生移动，弹体表面各测点在反应前温度快速上升，最高温度分别达到549.5、448.9、383.6 ℃，反应等级为燃烧。试验加载温度如图6所示。

2 几种加热方式特点分析

2.1 快烤试验加载分析

3种快烤试验加载方式的对比见表1。采用开放油池火烧进行试验加载，主要通过火焰场辐射和对流换热的形式进行热交换。在试验开始后，温度不可控，易受自然环境风速、风向影响，使火焰偏离，导致试验件受热环境达不到相应标准规定的要求。同时油池火一般采用煤油作为燃料，火烧过程产生较严重的污染。采用丙烷作为燃料的可控喷射火烧试验技术作为温度可控，更为清洁的快烤试验方式，具有显著的优势，但对于装药结构可能发生爆炸以上的反应的情况，可控喷射火烧装置的管壁可能导致其反应等级上升。采用红外辐射灯阵加热技术，以辐射热流作为试验加载的热流输入，升温速率、温度曲线可控，温度均匀性好，不易受自然风速、风向的影响，试验加载直接导致的污染物排放几乎为零。红外辐射灯阵加热方法同时兼具开放油池火烧和可控喷射火烧试验方法的优点，不会因为加热方式对装药反应造成影响。

图6 电加热带和电加热箱慢烤试验各加载点温度变化曲线Fig.6 The temperature graphs of slow cook-off by (a) electric heating swathes and (b) electric heating case

表1 3种快烤试验加载方式对比Tab.1 Comparison of the three fast cook-off test methods

2.2 慢烤试验加载分析

3种慢烤试验加载方式的对比见表2。以电加热带或电加热片作为常规慢烤试验的加载方式，其温升速率可控性好，且根据不同的加热功率和控制算法配置，可以实现不同区域不同温升速率的分区控制加载，使得模拟导弹整体快慢烤情况下内部装药结构不同部位在不同升温速率下的慢速烤燃试验得以实现。在摸清装药结构热边界条件的情况下，采用装药结构部件替代导弹整体进行安全性烤燃试验成为可能。根据已进行的多发烤燃试验结果来看，在针对某些存在薄弱环节的装药结构加载时，电加热带可能使设计失效，从而导致装药反应等级提升。采用电加热箱进行慢烤试验，其温升速率可控性好，温度均匀性较好，但不能对试验件不同区域不同温升速率进行分区控制加载，只能进行均匀加载。由于试验件周围介质透明，可通过烤箱观察窗对试验件反应过程进行直观观察。采用石英灯阵辐射加载进行慢烤试验，其温升速率可控性好，温度均匀加载和不同温升速率分区控制加载均易于实现，且试验件周围介质透明，便于对试验件反应过程进行直观观察和记录。由于加载装置与试验件之间未发生接触，不存在装药结构约束增强或泄压通道堵塞等问题，不会导致装药结构反应等级提升。

表2 3种慢烤试验加载方式对比Tab.2 Comparison of the three slow cook-off test methods

3 结论

1）开放油池火烧作为常用快烤试验加载方式，其温度不可控，且存在较严重污染物排放的缺陷。可控喷射火烧采用更清洁的丙烷火烧作为替代，其温度可控性好，污染物排放较少，但火烧装置燃烧室的管壁可能导致装药反应等级上升。红外辐射加热兼具开放油池火烧和可控喷射火烧试验方法的优点，在降低污染和温度可控性方面具有明显的优势，同时不会因为试验装置给装药反应等级造成影响。

2）电加热带作为常用慢烤试验加载方式，能够实现均匀加载和分区加载不同的控制模式，但加热带缠绕可能导致装药结构薄弱环节或泄压通道失效，从而提升装药反应等级。电加热箱加载时，试验件与试验装置之间无接触，不会导致装药反应等级提升，但仅能实现均匀加载。石英灯红外辐射兼具电加热带和电加热箱加载方式的优点，具有良好的温度可控性，能够实现均匀加载和分区加载不同的控制模式，且不会因为试验装置给装药反应等级造成影响。