泄压孔堵螺材料对引信泄压效果的影响

徐 瑞,邹金龙,刘瑞峰,曲卓君,班绘丰

(1.西安机电信息技术研究所,陕西 西安 710065;2.机电动态控制重点实验室,陕西 西安 710065)

0 引言

自从不敏感弹药的概念被提出以来,如何提高弹药系统在意外刺激下的安全性始终是不敏感弹药研究的重点问题。经过多年的研究,不敏感含能材料和危害缓解结构逐渐成为降低弹药系统在意外刺激下响应等级的重要手段。在危害缓解结构中,缓释泄压结构是用于降低弹药在热刺激下的响应等级的一种常用结构。

本世纪初,国外就对缓释泄压结构的有效性开展了初步研究[1],证实了缓释泄压结构可以有效降低弹药在热刺激下响应的剧烈程度。随后,国外陆续开展了不同装药烤燃弹在缓释泄压结构作用下的响应特性研究[2-3],泄压孔尺寸、升温速率对弹药响应特性影响研究[4]以及泄压孔临界尺寸计算[5-6]等,对缓释泄压结构作用下弹药的响应特性有了较充分的研究。国内对于缓释泄压结构的研究起步较晚,在缓释泄压结构设计[7-8]及泄压孔尺寸设计[9]方向取得了一定成果,但对于缓释泄压结构的设计原理及方法依然缺乏深入的认识,尤其缺乏对引信泄压缓释结构设计原理的深入研究。由于引信传爆序列装药相比战斗部装药密度较低、更容易起爆,所以当弹药经历烤燃、破片撞击等极端环境时,即使战斗部采用了缓释泄压设计,如果引信传爆序列装药先于战斗部主装药发生爆炸、爆轰等剧烈反应的话,依然会引爆战斗部主装药,使得弹药系统无法满足不敏感弹药要求。为此,本文在对引信使用环境分析的基础上,研究不同低熔点材料作用下引信泄压孔堵螺的作用效果,以期为引信缓释泄压结构设计提供借鉴。

1 慢速烤燃引信响应特性研究

1.1 无泄压引信响应特性

为了研究引信在慢速烤燃条件下的响应特性,以典型中大口径榴弹引信为研究对象进行慢速烤燃试验,引信导爆药、传爆药均为FOX-7。采用烤燃试验炉对引信进行加热,引信样机在炉体内装配方式为吊装。以12 ℃/h快速升温至120 ℃,然后以3.3 ℃/h的升温速率逐渐加热直至反应结束。

无泄压引信响应情况见图1。编号1引信响应时刻外壁温度为189.1 ℃,编号2引信响应时刻外壁温度为186.8 ℃。引信响应后壳体完全破坏失效,引信体破碎成大量大小不一的破片,响应等级判断为爆轰。可以看出,无泄压孔时,引信在慢速烤燃条件下会发生剧烈的爆轰反应,引信输出能量很有可能直接引爆战斗部,造成严重后果。因此,引信需要进行缓释泄压设计,使得引信可以在烤燃环境下满足不敏感弹药的要求,降低其在意外刺激下响应的剧烈程度。

图1 无泄压引信响应情况

1.2 泄压结构作用原理

引信泄压结构的作用原理是:通过降低引信内部由于装药受热反应产生的气体压力,控制传爆序列反应速率,从而维持引信装药处于稳定燃烧状态,避免装药发生由燃烧向爆炸、爆轰的状态转化。由于装药受热反应过程是一个持续相互作用的促进和循环过程,故泄压技术的关键是如何保证气体的产生与释放的平衡,从而保证装药内部的压力稳定。泄压通道的气体释放效率会直接影响泄压效果,因此泄压孔堵螺应在合适的时机作用,保证引信内部压力能够及时释放。

2 引信泄压孔堵螺材料选用要求

引信在全寿命周期内可能遇到的环境包括勤务处理环境、发射环境、弹道环境和目标区终点环境等。为了满足引信在全寿命周期内的安全性要求,密封性要求泄压孔设计应保证其在常温环境下有较好的安定性,同时满足不同过载环境下的使用要求。

为了确保缓释泄压结构在烤燃环境下有效作用,在引信内部设计合理的泄压通道,确定泄压通道尺寸之后,选择合适的温度敏感材料作为泄压通道出口堵螺是关键。由于引信在其全寿命周期内会经历多种复杂环境,因此堵螺材料的选择需要确保密封性的同时,还应具有对温度或压力敏感的特性,可以在温度或压力升高的条件下达到释放引信体内部压力的作用。

常用泄压结构分为两类:1) 以高强度金属作为泄压孔堵螺材料,通过刻槽、降低厚度等方式设置薄弱环节,当弹体内部压力达到设计泄压阈值时,泄压孔堵螺破裂,形成泄压通道;2) 以低熔点材料作为泄压孔堵螺材料,当温度达到某个临界值时,低熔点材料熔化,形成泄压通道。

为了满足引信使用环境要求,缓释泄压结构应具有一定强度。采用刻槽、降低厚度等方式设置缓释泄压结构会降低引信在冲击、高过载等环境下的安全性。因此,选用低熔点材料作为引信用泄压孔堵螺材料。

为了更好地选择引信泄压孔堵螺材料,采用数值模拟对引信的响应特性进行研究。计算时,为方便求解,对引信烤燃数值模拟做如下假设:

1) 慢速烤燃过程中的传热方式仅考虑热传导;

2) 慢速烤燃过程中壳体材料参数保持不变,且壳体与药柱间无间隙;

3) 烤燃过程中炸药物理化学参数保持不变;

4) 炸药的自热反应遵循Arrhenius方程。

炸药的烤燃过程中在烤燃弹内部系统中的质量、动量、能量的连续方程可以用以下通用形式来表示:

(1)

式(1)中,φ为通用变量,包含质量、动量、能量等;ρ为流体密度;Γ为通用的扩散系数;μ为粘度(kg/m);S代表炸药自热反应源项(J)。

根据Arrhenius定律,FOX-7炸药的自热反应源项为

S=ρ·Q·Z·exp(-E/RT)·f(α),

(2)

式(2)中,ρ为炸药密度(kg/m3),Q为反应热(J/kg);Z为指前因子(s-1);E为活化能(J/mol);R为普适气体常数,R=8.314(J/(mol·K);T为温度(K);f(α)为反应机理函数,采用零级反应进行计算,因此f(α)=1。

FOX-7炸药的物性参数与化学反应动力学参数[10-11]如表1所示。

表1 FOX-7炸药物性参数与化学反应动力学参数

表2为仿真结果与试验结果对比。可以看出,仿真与试验误差均小于5%,参数取值可信。仿真结果可以较好地模拟真实试验的温度分布情况。

表2 仿真与试验结果

图2为引信不同时刻温度云图。响应时刻,引信点火位置位于传爆药中心。FOX-7炸药为压装炸药,装药点火后初始燃烧并非是规则的层流燃烧,而是与装药内部裂纹、孔隙相关的复杂对流燃烧,传爆药中心发生点火后,高温高压气体首先由中心产生,高温高压气体产生后会进一步加速传爆药燃烧反应,导致传爆药由燃烧反应转变为爆轰反应。可见,泄压孔堵螺需要在传爆药发生燃烧转爆轰反应之前有效作用,才可以降低引信响应的剧烈程度。

图2 引信不同时刻温度云图

图3为数值模拟得到的引信慢速烤燃温度曲线。3.3 ℃/h升温速率下,引信点火时刻外壁温度194.5 ℃,传爆药温度205.2 ℃。为了保证引信泄压孔堵螺有效作用,泄压孔堵螺材料的熔点应该低于引信点火时刻外壁温度194.5 ℃,并且要在引信响应温度或其以下时能够有效打开泄压通道,释放引信内部压力,才能达到降低引信响应剧烈程度的作用。同时,为了保证引信的使用性能,泄压孔堵螺材料应在引信高温贮存温度(71 ℃)以下保证足够的强度,并且理化性能不发生转变。

图3 引信慢速烤燃温度曲线

选用铅铋合金(lead bismuth eutectic,LBE)以及超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)为泄压孔堵螺材料,表3为选用材料的主要参数性能。

表3 低熔点材料参数性能[12-13]

对引信内部材料与低熔点材料共同进行升温试验,每20 ℃观测一次,观察不同温度下材料状态变化。不同温度下材料状态见图4,图中从左至右依次为引信风帽、聚砜、超高分子量聚乙烯、铅铋合金。初始状态下,引信各零部件材料与低熔点材料均为固态;120 ℃时,低熔点材料强度发生变化,形状无明显变化;140 ℃时,低熔点材料出现状态转变,铅铋合金完全熔化,熔化后具有流动性,高分子量聚乙烯外侧变透明,变透明部分软化变形;160 ℃时,高分子量聚乙烯完全透明变形,材料完全软化。可以看出,120 ℃时两种材料理化性能均未发生明显变化,能够满足引信高温贮存温度要求,铅铋合金在熔化后具有流动性,采用铅铋合金作为泄压孔堵螺材料其会在达到金属熔点后完全熔化流出,形成排气通道,提前释放引信体内部压力,保证引信泄压通道在内部压力升高前已完全打开。超高分子量聚乙烯材料达到熔点后发生变形、软化,但作为泄压孔堵螺材料时引信内部排气通道不会完全打开,需要有一定气体压力才可以冲开泄压孔,当排气通道打开较晚时,泄压孔无法有效降低引信响应剧烈程度。因此,需要进一步试验进行对比,验证超高分子量聚乙烯材料作为泄压孔堵螺的可行性。

图4 不同温度材料状态

3 试验验证

在引信体侧壁设置直径5 mm的泄压孔,如图5所示。泄压孔堵螺材料分别为超高分子量聚乙烯和铅铋合金,每种材料各进行三发平行试验,综合评价不同材料的泄压作用效果。

图5 引信体泄压孔

图6为超高分子量聚乙烯泄压孔堵螺响应情况。其中,编号3的样机传爆管与导爆管底部均被剪切破坏,引信体侧面有碰撞变形痕迹,初步判断为引信体响应后与炉体碰撞后产生变形。编号4的引信样机仅传爆管底部被剪切破坏,导爆管完好,引信体无明显变形;编号5的引信样机传爆管底部凸起,未被剪切破坏,仅头部风帽脱落。

图6 超高分子量聚乙烯泄压孔堵螺样机破坏情况

图7为铅铋合金泄压孔堵螺响应情况。三发铅铋合金泄压孔堵螺引信样机破坏模式均为传爆管底部被剪切破坏,传爆管底部被剪切后均形成完整圆形破片,编号6与7号样机引信体外壁均有明显碰撞变形,初步判断为引信响应后与炉体碰撞产生变形。

图7 铅铋合金泄压孔堵螺样机破坏情况

表4为不同引信样机响应温度及破坏情况。可以看出,无泄压孔时引信响应平均温度最低,铅铋合金泄压孔堵螺响应平均温度高于超高分子量聚乙烯泄压孔堵螺;两种泄压孔堵螺材料均可以有效降低引信响应剧烈程度,表明超高分子量聚乙烯材料在内部压力下顺利打开了泄压通道。但超高分子量聚乙烯泄压孔堵螺响应后壳体破坏情况具有一定的不确定性,三发分别呈现不同破坏状态,铅铋合金泄压孔堵螺响应情况具有较好的一致性,说明超高分子聚乙烯材料软化后强度不一致,泄压通道打开时间具有不确定性,导致三发引信壳体破坏程度不一致。

表4 不同引信样机响应温度及破坏情况

对于超高分子量聚乙烯泄压孔堵螺,其在软化变形后强度降低,部分传爆药气体通过泄压孔排出,导致引信内部热量部分散失,响应时刻平均温度升高,但超高分子量聚乙烯并未完全冲出,而是气体压力达到其失效阈值后被完全冲开。由于引信邻近响应时刻气体压力上升速率较快,同时超高分子量聚乙烯的变形程度及熔化后的强度缺乏一致性,使得点火时刻传爆管内部压力不一致,造成三发引信出现不同的破坏模式。

对于铅铋合金泄压孔堵螺,其在140 ℃前已完全熔化流出,泄压孔处于开放状态,传爆药内部热量与气体压力通过泄压孔排出。由于热量散失,传爆药自热反应时间延长,导致最终响应时刻温度较高。同时,铅铋合金泄压孔堵螺熔化后均流出到引信体外部,使得传爆管内部热分解产生的气体均有效排出,点火时刻传爆管内部压力有较好的一致性,三发引信的破坏模式也具有良好的一致性。

4 结论

本文通过对比不同泄压孔堵螺材料的性能,结合数值模拟对不同泄压孔堵螺材料的选用要求进行分析,通过慢速烤燃试验得出不同泄压孔堵螺材料作用下引信的响应特征,通过与无泄压引信响应特征进行对比,可以得出以下结论:

1) 不同泄压孔堵螺材料均可以有效降低引信响应剧烈程度。

2) 超高分子量聚乙烯作为泄压孔堵螺材料其在达到熔点后仅发生软化、变形,泄压通道并未完全打开,且其变形程度及软化后强度缺乏一致性,导致点火后引信内部压力不一致,引信也出现不同的破坏模式。

3) 易熔合金作为泄压孔堵螺材料其在达到熔点后完全熔化流出,泄压通道完全打开,引信响应时刻内部压力一致,使得引信响应剧烈程度具有较高的一致性,能够保证引信破坏程度的一致性。