引信的隔热与缓释结构设计及验证

焦 敏,陈 翔,宋乙丹,刘 涛

(1.中国工程物理研究院 电子工程研究所, 四川 绵阳 621999;2.中国工程物理研究院 化工材料研究所, 四川 绵阳 621999)

0 引言

武器弹药的不敏感设计主要是针对弹药中含炸药的各部组件在经历高温、撞击等意外刺激时的设计改进。对弹药设计缓释结构、包覆隔热层是降低其反应剧烈程度的有效途径。Kelly[1]通过对侵彻战斗部头部设计多孔泄压的方式使得快速烤燃慢速烤燃试验反应等级降为燃烧;沈飞等[2]对公斤级装药的烤燃弹设计泄压通道实现了可靠泄压,避免装药反应的进一步增长;陈科全等[3]设计了一种弹体排气缓释结构可显著降低熔铸炸药火烧时反应等级同时延长慢烤反应时间;王洪波等[4]研究发现隔热弹衣可有效延迟装药点火反应时间,杨筱等[5]研究炸药隔热层存在临界厚度,且随升温速率的增大而减小。总的来说,我国对于弹药在泄压缓释及隔热包覆方面开展了相关研究,并取得一定的成果。而引信作为弹药系统中重要组成部分,引信的不敏感设计对提高弹药系统安全性有重要意义[6]。因引信处于弹体内部,所以相比于撞击环境,围绕高温环境条件下控制引信响应的剧烈程度是引信不敏感设计的重要内容之一,我国在引信传爆药烤燃试验中的热反应过程演变等方面开展了研究[7-9],但对降低引信反应剧烈程度方面的设计报道较少[10-11],所以研究引信热缓释设计来降低其反应剧烈程度对改善弹药整体安全性具有重要意义。

本研究以引信传爆药盒模拟件和引信简化模拟件为对象,获得能发挥有效缓释作用的泄压面积设计、隔热材料选型设计方法,通过快速烤燃、慢速烤燃试验验证了2种缓释设计的效果,以期为引信的不敏感设计提供一定的参考。

1 热缓释设计

1.1 结构构型设计

由于引信的热敏感部位主要集中在含火工品炸药的位置,即其传爆序列组件,因此,本研究中采用2种模拟件进行研究,一是将传爆序列组件简化为传爆药盒作为对象,通过设计传爆药盒的泄放面积大小来达到热缓释的效果;二是以引信简化模拟件为对象,通过对外表面涂覆不同厚度隔热材料来达到热缓释的效果。

传爆药盒材料为铝合金,壳体厚度为4 mm,内腔尺寸Φ20 mm×31 mm,炸药药柱采用以RDX为基的装药,其密度为1.65 g/cm3,主要组分为RDX、氟橡胶和石墨(质量分数为96.5%、3.0%、0.5%)。传爆药盒结构示意图如图1所示,分为3类:① 壳体不设计泄压孔,壳体与端盖的连接关系与全引信保持一致;② 壳体设计泄压孔,通过泄压孔面积的设计达到泄放目的,药柱与壳体间无装配胶;③ 壳体设计泄压孔满足泄放目的,药柱与壳体之间涂覆装配胶,验证装配胶对泄放的作用。

图1 传爆药盒示意图

引信简化模拟件,将电路组件部分采用等效件,传爆药盒壳体、引信壳体结构和材料及传爆药盒与壳体的连接关系与全引信保持一致,结构示意图如图2所示。

图2 引信简化模拟件示意图Fig.2 Schematic of simplified fuze

1.2 泄放面积设计

热环境下的能量泄放,就是解决在炸药燃烧时压力增长与释放之间平衡的问题。Kinney and Sewell[12]依据内弹道中含能材料燃烧的规律,得到压力增长率为

(1)

式中:R为普适气体常数,取8.314 J/(mol·K),V为体积(m3);TB为火焰温度(K);M为燃烧时气体产物分子的平均摩尔质量(kg/mol);ρ为炸药的密度(kg/m3);T0为点火时刻的炸药温度(K);α、A、B为炸药燃烧速率与温度之间的关系,通过试验测得。SB为燃烧面积(m2);P为绝对压强。

Graham等[13]得到的压力释放率公式

(2)

式中:AV为泄压面积,CD为排气系数(0.6～1.0),当泄压孔为圆形时,取0.82;a*为气体通过气孔的速度。

为使传爆药稳定燃烧而不发生爆轰反应,气体的压力释放率大于等于传爆药燃烧的气体压力增长率。所以,

(3)

才能达到释放压力的作用。

所以,这里根据胡荣祖等[14]得到RDX(C3H6N6O6)密度1 660 kg/m3,气体产物平均摩尔质量为27.2 g/mol。Sinditskii等[15]的试验得到RDX相关的燃烧速率与温度之间的关系,得到α为10-8m/(s·K),A为34.089,B为0.028 53 K-1。根据Graham等[13]研究成果,这里气体通过气孔的速度为735 m/s。试验测试得到点火温度为463 K,由此计算出传爆药盒泄压孔的孔径大于等于1.1 mm,取整后取最小孔径为2 mm。

1.3 隔热材料选型设计

在高温高热环境下,隔热材料的选择不仅考虑隔热效果,还要考虑材料的防火性能[16]。这里选择以防火阻燃树脂复合改性阻燃树脂材料为基础,调节阻燃剂、成炭剂、隔热填料、发泡剂以及助剂和溶剂的比例。通过对2、4 mm厚度隔热防护涂层的样品(见图3)进行加热测试。测试在500、600、800、1 000 ℃加热时涂层样品背面温度情况,发现阻燃隔热性能与涂层厚度成正相关,如图4所示。而测试后的样品如图5(a)和图5(b)所示,发现涂层表面均有部分裂纹,这种裂纹的存在一方面大大降低了涂层本身的阻燃隔热效果,另一方面,高温火焰可通过裂纹对涂层内部材料进行烧蚀,这也加速了涂层的失效速度。在测试过程中,样品表面均出现了碳层,碳层的存在将大大提高了涂层的热辐射性能,同时对涂层的阻燃隔热性能也有了一定程度提升。因此,将采用引信模拟件进行2、4 mm隔热防火涂层材料的涂覆。

图3 涂层样品

图5 不同温度测试后样品状态

2 两种热缓释设计的试验验证

2.1 泄压孔设计的慢烤试验结果及分析

将传爆药盒试验件放置在见证钢盒内,慢烤箱在产品表面布置温度传感器、箱内正中放置一个温度传感器作为主控温度传感器,如图6所示。

图6 慢烤试验状态

以5 ℃/min的升温速率将箱内温度升至120 ℃,在120 ℃下试验件达到热平衡,然后以1 ℃/h升温速率升高试验箱内温度,直至升温至345 ℃或发生反应为止,试验全过程实时监测和记录温度数据。为验证泄压孔的泄放作用、装配胶的影响,依据2.2节分析,共设计4种状态的试验产品,包括无泄压孔设计和无灌封胶状态、单个泄压孔设计和无灌封胶状态、单个泄压孔设计和含灌封胶状态以及双泄压孔设计和无灌封胶状态,如表1所示。

表1 泄压孔设计状态

试验中发现,无泄压孔设计的试验件发生反应时发出巨大声响,在高温作用下,炸药在有限密闭空间内快速分解产生大量气体,使得慢烤箱被炸毁,见证钢盒整体严重变形,钢盒底部与顶部被冲出明显圆形凹坑,如图7(a)所示;而设计泄压孔的试验件,试验后查看部分装药从孔内喷出到慢烤箱体上,炸药在快速分解的同时,通过泄压孔迅速释放大量气体,使得反应明显比无泄压孔时更弱,见证钢盒仅有微小变形,如图7(b)所示。

图7 有无泄压孔试验件在慢烤试验后见证钢盒变形情况

而对于不同泄压面积的2个试验件,双孔比单孔的反应明显减弱。单孔反应后试验件破裂多块破片,如图8(a)所示;而双孔反应后试验件外壳完整保留,反应过程中,观察到炸药相继从2个孔中喷出装药,喷射到慢烤箱内,炸药喷出位置有明显烧蚀痕迹,说明泄压孔释放掉部分气体压力,炸药仅发生了燃烧,如图8(b)所示。

图8 不同数量泄压孔设计的试验件在慢烤试验后的碎片回收情况

对于装药是否包覆装配胶,从试验结果看,如图8(a)和图9所示,包覆装配胶的泄压孔设计,在反应时比无包覆装配胶的反应更加剧烈,回收的壳体碎片更多更小。分析原因可能是因为包覆胶对装药的包裹使得装药喷出受阻,从一定程度上加强了装药的密封性,致使气体在有限空间内急剧膨胀。

图9 含灌封胶设计的试验件在慢烤试验后试验件回收情况

2.2 隔热设计的快烤试验结果及分析

将如图10所示的引信模拟件放置于航空煤油油池上方进行火烧,为确保模拟件处于火焰高温区,将模拟件放置在距离油面30 cm上方左右,通过点燃煤油对模拟件进行加热,保证火焰温度达到550 ℃到发生反应时间内的平均温度应不低于800 ℃。

图10 模拟件示意图

依据2.3节的分析,对引信模拟件进行2、4 mm厚度的隔热层涂覆,如图11所示。分别对无隔热层、2 mm隔热层、4 mm隔热层进行快烤试验,试验过程中图像如图12所示。记录3种模拟件试验,听到爆响声的时间分别为93、442、567 s,如表2所示。隔热层能够显著降低模拟件的升温速率,大幅延长引信模拟件的反应开始时间。但从反应时刻火焰和爆响声剧烈程度,以及如图13所示的模拟件反应残骸可以判断,3种模拟件反应剧烈程度相当。所以,隔热层的涂覆能明显延缓引信反应时间,并不能减弱引信反应等级。

表2 不同隔热层厚度引信的反应时间

图11 引信涂覆模拟件

图12 烤燃过程视频截图

图13 模拟件残骸

3 结论

针对以某RDX基炸药压装装药的传爆药盒、引信模拟件进行热缓释设计,通过对泄压面积进行调整、涂覆隔热材料等方法,探索引信在快速烤燃、慢速烤燃环境下的反应情况,并对其热缓释效果进行了验证。得到如下结论:

1) 泄压孔的设计能显著减弱传爆药盒的反应等级,且泄压面积的增大加强了热缓释效果。

2) 对于含泄压孔设计的传爆药盒装药包覆装配胶后,一定程度上提升了装药的密封性,使得包覆后反应比无包覆的反应更加剧烈,但该反应程度与泄压面积和包覆层对装药密封性的提升程度的匹配性均有较大关系,还需进一步研究。

3) 涂覆隔热层材料的引信模拟件可以明显延缓引信反应时间,但对反应剧烈程度的影响微弱。根据工程应用空间的有限性,建议采用2 mm涂覆厚度进行设计。