升温速率对引信烤燃响应特性的影响

针对弹药在制造、存储、运输及实战等环境中遭受意外热刺激的问题,对不同升温速率下引信烤燃的热响应规律进行了研究。以1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)装药引信为研究对象,建立了考虑引信各部件热膨胀作用的烤燃计算模型,采用ANSYS Workbench软件对0.5 K/min,1 K/min,2 K/min,3 K/min,4 K/min,5 K/min和6 K/min七种不同升温速率下引信烤燃的热传导和热膨胀过程进行热力耦合计算,得到了引信的点火位置、点火时间、点火温度、形变量以及等效应力。仿真计算结果表明:随着升温速率的增加,点火位置由传爆药柱中心向传爆药边缘位置移动,最终出现在导爆药柱中;点火时间缩短,而变形量先增大后减小;传爆序列的最大等效应力均位于传爆药柱中;升温速率对点火温度的影响较小。     

引信内部装药对烤燃试验响应的影响

针对引信内部装药对引信不敏感性影响不清晰的问题,通过有限元分析不同装药下引信在烤燃条件下的响应过程和规律。采用ABAQUS软件仿真,应用炸药多步热分解反应数学模型模拟炸药热分解过程,研究了快速烤燃与慢速烤燃两种情况下,装药中钝感剂的比例以及装药种类对引信不敏感性的影响。研究结果表明,钝感剂的比例从2.5%上升到15%,点火温度、壳体温度和点火时间的变化都在0.4%以内,几乎没有影响。当使用TATB作为传爆药时,相较于原引信的钝化黑索今,慢速烤燃试验条件下点火温度和壳体温度提升了80 K左右,点火时间延长了55.4%,快速烤燃试验条件下,点火温度和壳体温度提升了超过100 K,点火时间延长了50.3%,显著提高了引信的热安全性。同时当升温速率由3.3 K/h提升至0.05 K/s时,点火位置由导爆药处变为传爆药柱顶部。慢速烤燃和快速烤燃试验条件下,均无需考虑钝感剂/粘合剂的占比影响。换用更为钝感的炸药时,为了适应点火位置的变化,也可能要对引信结构进行改进。     

某引信及其等效构件的慢速烤燃研究

为研究引信传爆序列的烤燃特性,建立简化的等效模型,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,进行升温速率为3.3 ℃/h的烤燃试验。设计两种等效方案,对两种等效构件进行相同的烤燃试验。在试验基础上建立等效构件的烤燃模型,通过数值模拟研究了传爆序列的点火顺序。运用传热学理论分析点火机理,解释了传爆药先点火的原因。结果表明：外壁底部温度为177.1 ℃时发生点火;两种等效构件响应结果与全引信响应结果相同,均为爆燃反应,且破片状态基本一致,等效方案可行;点火点在传爆药中心,传爆药燃烧引起导爆药发生爆燃反应;当导爆药与传爆药为同一炸药时,引信烤燃过程中一般为传爆药先点火。     

引信慢速烤燃特性的等效试验方法

针对不敏感引信传爆序列热安全性设计的迫切需求,提出了引信慢速烤燃特性的等效试验方法。该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不同升温速率下,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。     

不同升温速率下炸药烤燃模拟计算分析

为了研究不同升温速率条件下炸药热反应规律,建立了炸药烤燃模型,利用计算流体力学软件,对固黑铝炸药(GHL)在不同升温速率下的烤燃过程进行了数值模拟计算.采用Arrhenius定律描述炸药自热反应,根据在1 K·min-1升温速率下固黑铝炸药烤燃实验测量的温度-时间曲线,确定了固黑铝炸药的活化能和指前因子分别为180.2 kJ·mol-1和2.1674 s-1; 分别对3.3 K·h-1,1 K·min-1,3 K·min-1和10 K·min-1四种不同升温速率下固黑铝炸药烤燃过程进行了数值模拟计算分析.结果表明,升温速率对炸药点火时间和点火位置有很大影响.升温速率增大,炸药点火时间缩短,点火位置从炸药内部移向炸药边缘.升温速率对炸药点火温度影响很小,但慢速烤燃下炸药点火时的环境温度比快速烤燃低.     

火灾条件下引信传爆序列的热响应数值计算

为研究火灾条件下引信传爆序列的热响应规律,基于引信装药结构,对聚奥-9C装药的引信进行合理简化并建立有限元模型。采用有限元分析软件Fluent,对引信传爆序列在炉火烧和池火烧试验的两种火灾条件下发生热爆炸的点火时间、点火温度以及点火位置进行计算,并分析热安全性。结果表明:两种火灾条件下引信传爆序列的点火时间接近,点火位置在传爆药柱的边角处;热点火起爆时,导爆药柱的温度未达到自反应放热温度,是由于传爆药柱边角发生热化学反应而引起引信爆炸;传爆药柱装药边角处是热点产生的危险区域,易发生热积累而导致爆炸,在储存与运输过程中需对引信进行隔热防护。     

不同升温速率对风帽温度分布的影响

针对弹药在制造、存贮、运输及实战环境中可能会遭受意外热刺激的问题,对不同升温速率烤燃环境下风帽结构的传热规律进行研究。建立了引信风帽的烤燃模型,根据烤燃试验对不敏感弹药的升温速率要求,选取3.3K/h,0.02K/s,0.05K/s,1K/s,1.5K/s等5种不同升温速率,对引信风帽的烤燃过程进行数值分析。利用数值仿真软件Fluent对引信风帽结构的传热过程进行数值模拟,从而获得了引信风帽结构关键部位的温度分布情况。计算结果及分析表明,在烤燃过程中,火焰升温速率对风帽内部温度分布有很大的影响,随着升温速率的增加,风帽内部温度分布的梯度变大,电子元器件发生失效的时间提前。     

基于熔解装置的引信内部排气路径

针对无线电引信内部没有泄压通道无法实现烤燃环境下传爆药反应产生气体向外排放的问题,提出了基于熔解装置的引信内部排气路径。该路径为:传爆管部件→隔爆部件→引信体→发火控制装置的支承筒→引信体→压螺,常规环境下断开,不影响引信正常工作;烤燃环境下打开,向外排放传爆药反应产成的气体,避免引信发生爆炸等剧烈反应。试验结果表明,该路径不影响引信的密封性,有效降低了引信快速烤燃时响应的剧烈程度,相对提高了引信慢速烤燃时的安全性,能够实现烤燃环境下传爆药反应产生气体的向外排放。     

慢速烤燃环境下引信热响应特性测试与仿真

为揭示不敏感弹药用引信在烤燃试验下的热响应特性,掌握其内部热传递途径及规律,提出烤燃环境下隔爆式引信热响应分析方法。针对引信在受热刺激下的钝感化要求,以典型舰载76 mm口径弹头无线电引信为例进行烤燃试验测试与热有限元仿真,开展升温速率为1.17 ℃/min、终极温度为270 ℃慢速烤燃环境下的引信热响应特性研究。结果表明：基于热阻抗等效原则的“模块替换法”,即以具有相近导热系数的热电偶测温系统替代电池组件,实现了增加嵌入式测温系统不会过多影响引信原有的热量传递通道;设计了可嵌入引信内部的慢速烤燃测温微系统及Teflon材质防热保护壳体,通过试验证实了测温微系统在慢速烤燃环境下具有可靠性高、可同步测试等优势;对比引信内部各组件的温度差异证实了烤燃刺激下引信的热传递途径为压螺-安全和解除保险机构-导爆药-传爆药,明确了增加压螺以及安全和解除保险机构的热阻抗可降低导爆药和传爆药的意外发火概率。     

星型装药固体火箭发动机烤燃特性

为研究星型装药的固体火箭发动机的热安全性问题,针对装填高氯酸铵/端羟基聚丁二烯（AP/HTPB）推进剂的火箭发动机开展烤燃数值研究。采用两步总包反应描述AP/HTPB的烤燃过程,建立三维烤燃模型对快速、中速和慢速加热速率下火箭发动机的烤燃行为进行数值预测。结果表明：升温速率对着火温度和着火延迟期有一定影响,对着火区域的中心位置、形状和大小有较大影响：在升温速率0.55~1.45 K/s快速烤燃工况下,着火位置紧邻推进剂右侧端面;在升温速率0.005~0.011 K/s中速烤燃工况下,着火区域均呈不连续点状圆环分布,着火点位于翼槽中线上;在升温速率2.4~3.3 K/h慢速烤燃工况下,着火点以翼槽中线呈对称两点分布;随着升温速率升高,着火位置向推进剂右侧端面移动;着火温度T_i与升温速率k呈二次函数关系,即T_i= 516.659 36- 1.267 8k+7.479 4k².     

装药密度对钝化黑索今慢速烤燃特性的影响

为了提高传爆药在武器弹药系统中的安全性,利用自行设计的慢速烤燃装置,测定了钝化黑索今在不同装药密度下的慢速烤燃特性.实验结果表明:在慢速升温条件下,烤燃温度由主体炸药RDX的分解温度决定,并随着装药密度的减小,空隙率的增大,传爆药发生反应的剧烈程度增加.在装药密度为最大理论密度的80%～90%之间时,80%的烤爆输出能量最大.因此提高装药密度有利于降低传爆药的热易损性能.     

DNAN炸药烤燃特征

熔铸炸药在烤燃过程中会发生炸药熔化,影响炸药热反应过程。本文采用烤燃弹法,对熔铸载体炸药2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)进行了烤燃实验,测量了炸药中心温度变化,分析了炸药熔化和反应情况。建立了熔铸炸药热反应计算模型。采用焓-孔隙率方法,计算分析了炸药熔化过程。考虑了炸药自热反应、热传导、熔化后的对流传热和空气的辐射传热。对炸药烤燃实验进行了数值模拟计算。通过与实验结果的比较,验证了计算的正确性。确定了DNAN炸药的活化能和指前因子分别为172 kJ·mol~(-1)和1.20×1011s~(-1)。计算分析了3.3 K·h~(-1)、0.3 K·min~(-1)、1.0 K·min~(-1)、3.0 K·min~(-1)、10 K·min~(-1)和60 K·min~(-1)六种不同加热速率下DNAN炸药的烤燃特征。在慢速烤燃下炸药完全熔化后才点火,而相对快速烤燃下炸药边缘点火,这时炸药内部还未完全熔化。得到了点火时刻的温度分布和液相分数分布。结果表明,在熔铸炸药烤燃中,加热速率对炸药点火前的状态影响很大,从而会影响炸药反应的激烈程度。     

炸药多点测温烤燃实验和数值模拟

为了研究炸药热反应规律,采用多点测温的烤燃实验装置,对PBXC10炸药进行了不同加热速率下的烤燃实验,测量了从炸药边沿到炸药中心不同位置的温度变化.建立了炸药烤燃实验计算模型,对炸药热反应过程进行了数值模拟计算.根据实验测量的炸药温度与时间曲线,标定了PBXC10炸药指前因子和活化能,分析了不同加热速率下炸药热反应特征...     

不同升温速率下模块装药慢速烤燃特性的数值模拟

为分析模块装药在外界热刺激下的热稳定性,开展了模块装药慢速烤燃特性的研究。建立模块装药慢速烤燃模型,在1.8 K/h、3.6 K/h和 7.2 K/h 3种升温速率下进行数值模拟计算。结果表明：在慢速烤燃条件下,升温速率较低（1.8 K/h、3.6 K/h）时,烤燃响应区域靠近中心传火管;升温速率较高（7.2 K/h）时,烤燃响应区域已不再靠近中心传火管的位置。由此可见,升温速率对模块装药着火时间和烤燃响应区域位置有较大的影响。随着升温速率的提高,着火时间变短,烤燃响应区域向单基药中心移动,烤燃响应区域由一个中心环形区域变成关于中心对称的两个环形区域,升温速率对烤燃响应区域的着火温度影响较小。     

模块装药快速烤燃特性的数值预测

为了研究模块装药的热安全性,基于可燃药盒材料和单基药的化学反应机理,建立了模块装药的二维非稳态烤燃模型。在外界升温速率为1～10 K·min~(-1)下,分析了模块装药的快速烤燃响应特性。结果表明,模块装药最初的着火位置均是在靠近可燃药盒内壁面左右两侧的单基药中,点火区为两个环形响应区。随着升温速率的提高,环形响应区将从单基药内向药盒内壁面方向移动,但外界升温速率的变化对模块装药点火位置的影响较小。在1,6,10 K·min~(-1)升温速率下,单基药发生烤燃响应的点火温度分别为458.2,453.9 K和455.7 K,与文献中实验所测得的点火温度(443～463 K)基本吻合。外界升温速率的变化对模块装药发生烤燃响应的点火温度影响较小,但随着升温速率的提高,模块装药发生烤燃响应的点火时间呈指数型衰减。     

铅、铜盐催化剂对DNTF炸药热分解及烤燃响应特性的影响

为提高3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)炸药热安全性,采用高压差示扫描量热仪(PDSC)、小型烤燃实验考察了水杨酸铅(PbSa)、水杨酸铜(CuSa)、2,4-二羟基苯甲酸铜(β-Cu)、邻苯二甲酸铜(Cu(PA)2)、氧化铜(CuO)等催化剂对DNTF烤燃响应特性以及1 MPa下热分解性能的影响。结果表明,CuSa、β-Cu、Cu(PA)2等有机铜盐催化剂可提高DNTF热分解速率,使其在1 MPa下分解峰温降低13.6℃以上,PbSa使DNTF分解峰温升高了3.1℃,同时二次分解剧烈程度更明显,CuO对DNTF热分解无影响;CuSa可使无约束条件的DNTF在1℃·min^-1下的烤燃响应温度由236.6℃降低为182.3℃,响应剧烈程度由爆炸改善为燃烧;少量CuSa可使强约束条件下的DNTF基混合炸药装药在1℃·min^-1下的烤燃响应温度降低2.4℃,响应剧烈程度由爆炸降低为燃烧,说明选择合适的有机铜盐催化剂可有效改善DNTF基炸药装药烤燃响应特性。