烤燃条件下JEO聚能装药战斗部泄压结构研究

为提高JEO聚能装药战斗部的热安全性,对烤燃条件下JEO聚能装药战斗部的泄压结构进行研究。建立考虑热分解压力对烤燃过程影响的炸药烤燃多相流组分输送模型。设计多点测温-测压实验,对JEO炸药烤燃过程中的温度-压力变化特性进行研究并对模型相关参数进行校核,对聚能装药结构下JEO炸药的热分解过程进行数值模拟,获得不同升温速率下炸药温度、固相体积分数的变化规律,并确定了该结构下炸药的点火位置、点火压力。针对JEO炸药点火后的燃烧过程,引入泄压延迟时间,建立考虑泄压结构的炸药压力增长模型,确定该结构下JEO炸药的临界泄压面积,以热分解数值模拟中获得的点火位置和点火压力为初始条件,计算获得不同装药点火位置对炸药内部压力变化的影响规律。根据临界泄压面积、点火位置、炸药中的压力增长规律,确定侧壁泄压孔面积大小和端面药型罩压螺尺寸,设计适合该结构下JEO炸药的泄压孔-药型罩推出组合泄压结构。针对采用该泄压结构的JEO聚能装药战斗部进行快速烤燃和慢速烤燃实验,验证泄压结构的有效性。研究结果表明:随着升温速率的降低,JEO装药聚能战斗部的点火时间随之延长,点火位置由装药表面移动至装药中心;随着点火位置和泄压结构之间距离的增加,点火延迟时间增大,聚能装药战斗部内部压力峰值随之增加,战斗部的反应烈度随之增加。

内/外隔热复合结构炸药装药快速烤燃热防护效应

为了研究快速烤燃(火烧)条件下炸药装药内/外隔热复合结构(内隔热材料/外阻燃材料)的热防护效应,对多种内/外隔热复合结构的炸药装药进行多点测温快速烤燃试验,得到火焰场和炸药装药各测点的温度-时间曲线及装药点火响应时间。开展内/外隔热复合结构炸药装药快速烤燃数值模拟,获得内/外隔热复合结构对装药快速烤燃点火响应时间的影响规律。研究结果表明:在快速烤燃过程中,外阻燃材料由于火烧变性存在导热增强及隔热减弱效应,在数值模拟中需考虑该效应;无论使用单独的隔热/阻燃材料还是使用内/外隔热复合结构,炸药装药的点火响应时间均随着材料涂覆厚度增加而延后,其中内/外隔热复合结构具有更好的热防护能力;点火位置均发生在装药端面棱角处,装药点火后反应烈度不受内/外隔热复合结构影响,反应等级均为爆燃;对于一定热防护性能范围内的隔热阻燃材料,壳体外表面涂层材料是耐高温纳米隔热材料、壳体内表面涂层材料是高效隔热防护材料时复合结构的隔热效果最好,并且当需求的隔热效果给定时,可考虑优先增加壳体外表面涂层的涂覆厚度,实现以最小涂覆厚度的内/外隔热复合结构满足所需的隔热效果。研究成果可为提升弹药热安全性设计提供参考。

不同尺寸HMX基压装装药的烤燃特性

为了研究装药尺寸对压装装药烤燃特性的影响,针对HMX基压装装药,建立了压装装药烤燃过程的计算模型,利用Fluent软件对不同装药尺寸的烤燃样弹进行了数值模拟,计算了不同升温速率下装药尺寸对压装装药点火位置、响应温度和响应时间的影响规律。结果表明:在同一升温速率下,HMX基压装炸药装药长径比为1.0时,装药中心响应温度均为最高;装药长径比大于1.0时,装药中心点火温度均随长径比的增加而降低;当长径比增大到一定程度时,装药中心的响应温度趋于恒值。装药的点火位置由升温速率和装药尺寸共同决定,且装药端面与曲面的传热量之比与长径比的平方成反比。当升温缓慢或长径比较小时,装药的点火位置位于装药中心;当升温速率较高且长径比较大时,装药的点火位置逐渐远离装药中心。

带壳JH-14C传爆药烤燃实验及响应特性数值模拟

为了探究受外部不同温度影响下带壳JH-14C传爆药的响应特性,设计了一套慢速烤燃下可测量JH-14C传爆药温度变化和壳体应变的实验装置,获取了不同升温速率下弹体内部温度随时间变化曲线、慢烤响应过程中装药壳体径向应变历程曲线,揭示了带壳JH-14C传爆药的慢速烤燃响应特性,将烤燃实验中弹体径向应变测试结果和炸药反应烈度相关联,提出了一种弹药烤燃实验反应等级的判定方法;基于热力学和装药化学反应,建立了带壳装药烤燃热传导模型和Arrhenius模型,采用BP神经网络反演了JH-14C传爆药热的热反应参数,对不同升温速率下弹体内部的温度场进行了研究。结果表明:升温速率越低,装药的响应温度越高,响应越剧烈;随着升温速率的降低,炸药的点火区域从炸药两端外缘逐渐向炸药内部转移。

壳体缓释技术对带壳装药慢速烤燃反应烈度的缓解作用研究

为了研究2种典型壳体缓释技术对弹药慢速烤燃响应烈度的缓解作用,基于试验条件分别建立无缓释设计、侧壁加工应力槽和端盖加工泄压孔的带壳PBX装药慢速烤燃仿真模型,提出使用热分解反应动力学模型和燃烧反应模型模拟计算不同约束条件下带壳PBX装药从开始加热发生热分解反应到点火燃烧以及炸药与壳体耦合作用的烤燃过程的计算方法。研究结果表明:通过侧壁加工应力槽以及端盖加工泄压孔的缓释结构设计,可以有效地降低壳体破裂时炸药内部的压力及反应度,以达到缓解反应烈度的目的。

升温速率对HMX基大长径比压装装药烤燃特性的影响研究

为了研究升温速率对大长径比压装装药烤燃响应特性的影响,针对长径比为5∶1的HMX基压装炸药装药开展了不同升温速率(0.055~5.000℃·min^(-1))的烤燃试验,获取了炸药装药点火时间、点火时刻不同位置的温度。建立了炸药烤燃过程的计算模型,计算了不同升温速率下炸药装药的点火位置、温度分布和点火时间。结果表明:随着升温速率的增加,点火时刻装药中心区域温度逐渐降低,边缘区域温度逐渐上升;点火区域由位于装药中心的椭圆形逐渐变为哑铃形,最后成环状分布于装药边缘区域;点火位置和装药内部温度分布是影响装药反应烈度的重要因素。

装药尺寸及结构对HTPE推进剂烤燃特性的影响

利用自行设计的烤燃实验装置,对HTPE推进剂小尺寸烤燃试样分别进行了升温速率为1、2℃/min的烤燃实验,以此为基础,建立了小尺寸烤燃试样和固体火箭发动机的三维计算模型,利用Fluent软件分别对两者不同升温速率下的烤燃行为进行了数值模拟计算,研究了小尺寸烤燃试样与固体火箭发动机的装药尺寸及结构差异对HTPE推进剂烤燃响应特性的影响。结果表明,HTPE推进剂的烤燃响应时间、响应温度随升温速率的变化趋势与装药尺寸及结构无关,但响应时间和响应温度的绝对值与装药尺寸及结构均有很大关系,升温速率为3.3℃/h(0.055℃/min)时,小尺寸烤燃试样的响应时间为40.3h,响应温度为158℃,而固体火箭发动机响应时间为28.83h,响应温度为120.13℃。推进剂装药尺寸及结构对烤燃点火位置有明显影响,进而影响到烤燃速度范畴的区分,小尺寸烤燃试样慢烤升温速率不大于2℃/min,而固体火箭发动机慢烤升温速率为小于0.5℃/min。因此,对快速、慢速烤燃的严格划分,必须结合装药尺寸、装药结构及推进剂种类等因素进行。升温速率对固体火箭发动机存在热积累临界位置效应,本研究条件下影响热积累临界位置的升温速率为0.5℃/min。

基于烤燃实验和数值模拟的战斗部装药热安全性

为了研究炸药战斗部装药的热安全性,提出基于烤燃炸药温度、驱动活塞运动速度和反应压力确定反应模型参数并计算分析战斗部装药热安全性的方法。以RDX/Al/Binder炸药为例,采用设计的多点测温和驱动活塞运动速度及燃烧压力测量烤燃实验,分别对装药点火前的热反应温度和点火后的活塞运动速度及反应压力进行测量。通过数值模拟计算,标定炸药热分解反应动力学和燃烧反应模型参数,实现反应剧烈程度的定量描述,采用网格节点分离计算方法计算战斗部壳体的破裂,实现战斗部装药烤燃全过程的数值模拟。研究结果表明,对于战斗部RDX/Al/Binder炸药装药,加热速率越慢,装药点火时间越延迟,其点火区域越接近装药中心区域,壳体破裂越严重,壳体动能越大,装药反应越剧烈。

快速烤燃条件下B炸药战斗部的临界泄压面积

为了确定战斗部装药在快速烤燃条件下能稳定燃烧的临界泄压面积,基于质量守恒定律和气体状态方程,建立了战斗部壳体内考虑炸药初始温度和排气孔排气的气体压力增长模型。以B炸药圆柱战斗部为研究对象,研究了炸药意外点火后能稳定燃烧的A_(V0)/S_(B)(临界泄压面积/炸药外表面积)确定方法,并与实验值进行了比较。结果表明,本文建立的模型能够很好地预测B炸药战斗部的临界泄压面积。研究了战斗部炸药装药表面积、炸药初始温度、空气体积占比和炸药燃速对A_(V0)/S_(B)的影响,并将不同温度的模型预测值与实验值进行了比较。结果表明:炸药装药表面积对A_(V0)/S_(B)基本没有影响;A_(V0)/S_(B)与温度和炸药燃速成正相关,与空气体积占比成负相关;不同温度的模型预测值A_(V0)/S_(B)与实验值吻合较好。

炸药装药烤燃特性的尺寸及约束效应研究进展

烤燃试验是评价炸药装药安全性的重要考核项目,研究炸药装药烤燃过程的响应特性,进而指导工程设计是目前研究的热点。从炸药装药尺寸、长径比、壳体材料/厚度、泄压结构、物理界面及自由空间等方面,对国内外相关研究进行了综述和分析。分析结果表明,缩比弹结构与实弹结构差异大、试验过程实测参量少、小尺寸试验结果难以预估全尺寸实弹的问题是未来需要重点解决的问题。

一维慢速烤燃模型点火点位置及其温度的理论计算

为理论分析凝聚炸药慢速烤燃过程,及为烤燃研究奠定理论基础,根据炸药的热传导理论方程,利用叠加原理和分离变量法,将炸药非反应性热传导项与自热反应热传导项拆分,推导得到凝聚炸药一维慢速烤燃模型的温度分布解析解。计算并分析自热反应温度最高值所在位置随加热时间的变化规律以及自热反应温度最高值及温度梯度随厚度的变化规律。根据慢烤试验结果,对温度沿轴向的分布情况进行验证;利用数值计算方法对药柱烤燃的点火点位置、点火温度及时间进行验证。研究结果表明:理论确定的点火点位置与试验测量的点火点位置相符,理论确定的计算结果与数值计算结果吻合;对于一维RDX炸药,自热反应最高温度所在位置的变化从始至点火不足2%,即炸药自热反应的最高温度所在位置在烤燃过程中几乎不变;且当炸药厚度达到0.3 m后,随着炸药厚度的增加,点火点位置至边界的距离趋于恒定值0.015 m,炸药内部温度梯度相似。

AP/HTPE星形装药固体火箭发动机三维烤燃特性研究

为了有效提高火箭、导弹武器在高温环境下的热安全性,增强其战场生存能力,基于AP基推进剂的烤燃反应机理,建立了装填星形孔高氯酸铵/端羟基聚醚(AP/HTPE)复合固体推进剂的三维非稳态固体火箭发动机烤燃模型。针对慢速和快速两种不同的热载荷条件,分别采用3.6~10.8K/h的慢烤升温速率和1.45~1.95K/s的快速烤燃升温速率对固体火箭发动机进行多工况的烤燃数值模拟。结果表明:发动机着火延迟时间和升温速率呈负相关趋势。升温速率的变化对发动机着火温度无显著影响。在快速烤燃条件下,升温速率的不同使得发动机着火位置出现跳跃性变化。

炸药装药尺寸对慢速烤燃响应的研究

利用自行研制的烤燃实验装置,选用JB-B、TNT、R852三种炸药,研究探讨了炸药装药尺寸对慢速烤燃响应特性的影响,得出了随着炸药装药尺寸的增大炸药慢速烤燃反应的环境温度和发生反应的剧烈程度都会增大的规律,并对结果进行了分析和讨论。

外部涂层及包覆层对HAE装药快速烤燃实验的影响

为评估HAE(HMX基含铝炸药)装药的易损性,设计了不同外壳涂层及包覆层导热系数的烤燃弹结构,研究了炸药装药在快速烤燃条件下的响应特性,分析了不同外壳涂层材料(有机隔热层和高分子复合涂层)与不同导热系数的包覆层材料对HAE炸药装药快速烤燃时间及响应结果的影响。结果表明,外壳涂层及包覆层导热系数基本没有改变炸药装药的响应等级(均为燃烧或药柱喷出),主要影响破膜的时间及耐烤燃时间,使其较对比配方(外壳无涂层,包覆层为硅橡胶)有不同程度的延迟;有机涂层对炸药装药烤燃响应参数的影响不明显,烤燃弹的破膜时间和耐烤燃时间分别较对比配方延迟0.06min和0.12min,高分子复合涂层单独使用时可有效延长炸药装药的响应参数,烤燃弹的破膜时间和耐烤燃时间分别较对比配方延迟1.17min和2.81min;同时采用有机涂层和空心玻璃微球(HGMs)取代硅橡胶的包覆层后,炸药装药在压力膜破碎的同时被喷出,而采用高分子复合涂层/HGMs取代硅橡胶的包覆层后,炸药装药稳定燃烧。

装药孔隙率对炸药烤燃响应的影响

为了探讨炸药装药的孔隙率对其烤燃响应特性的影响,利用自行研制的炸药烤燃试验系统,选用TNT和JB-B两种炸药进行试验。得出结论:随着装药孔隙率的增大,炸药从开始发生自加速分解反应到发生烤燃反应的延滞时间会增长,相应的烤燃反应温度也会提高;同时孔隙率的增大也会导致炸药发生烤燃反应剧烈性的增大。

DNAN基熔铸混合炸药慢烤燃的尺寸效应

利用自行设计的烤燃试验装置,采用多点测温方式,以1.0℃/min的升温速率对3种不同装药尺寸的DANA基熔铸混合炸药进行慢烤,测量烤燃弹的温度变化,以此为基础,建立烤燃弹的计算模型,利用FLIENT软件对不同装药尺寸的烤燃弹进行了数值模拟,研究装药尺寸对DNAN熔铸混合炸药烤燃响应特性的影响。结果表明,约束条件和升温速率不变时,装药尺寸对DNAN基熔铸混合炸药的响应温度有明显影响,装药直径为19mm的烤燃弹在升温速率1.0℃/min下,当长径比小于4时,炸药的响应温度随长径比增大呈指数降低趋势,同时响应时间随装药尺寸增大也呈指数衰减;当长径比大于4时,炸药的响应温度趋于恒定,响应时间也基本不变。在升温速率不变时,DNAN熔铸炸药的相变温度与尺寸无关,在1.0℃/min升温速率下的炸药点火位置均在药柱中心,点火区域与装药尺寸呈几何相似。

强约束下典型熔铸和浇注炸药的烤燃特性对比

利用自行设计的烤燃试验装置,以熔铸RHT-1和浇注GHL-1 2种典型炸药为研究对象,试验研究了厚壳体强约束下2种炸药慢速烤燃和火烧时的反应特性,并将试验结果与薄壳体和相关战斗部的烤燃结果进行了对比。研究表明:在所研究的厚壳体强约束情况下,浇注炸药火烧时的安全性显著优于熔铸炸药,而其慢速烤燃时的安全性略高于熔铸炸药;熔铸装药战斗部可以通过换装浇注炸药提高其安全性。

热刺激强度对DNAN基熔铸炸药烤燃响应特性的影响

为研究热刺激强度对DNAN基熔铸炸药烤燃试验的热反应规律,利用自行设计的烤燃试验装置,采用多点测温烤燃试验,在升温速率0.055、1.0、2.0K/min下对该炸药进行了烤燃试验。建立了炸药烤燃计算模型,分别模拟计算了升温速率0.055、0.5、1.0、2.0、3.0、5.0K/min下的烤燃响应情况。结果表明,升温速率对DNAN基熔铸炸药的相变温度、响应温度、点火位置都有较大影响;升温速率为0.055K/min时,炸药发生相变和响应时的温度较低,点火区域位于药柱中心;升温速率为5.0K/min时,炸药发生相变和响应时的温度较高,而点火区域位于药柱上、下两端环状区域;随着升温速率的增大,炸药的响应温度不断升高,相变时的温度呈对数增加。

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80K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100K,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3.3K/h提升至0.05K/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。

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。提出了按照炸药内部热量传递方向,把炸药烤燃分为慢速,中速和快速烤燃3种形式,给出了区分3种烤燃形式的判断方法。分别计算了PBXC10,JB9014和JOB9003 3种炸药在不同温度下的热爆炸过程。结果表明:PBXC10炸药热感度在JB9014和JOB9003炸药之间。