RDX炸药热烤(Cook-off)实验及数值模拟

对一种改性的RDX炸药进行了热烤实验。应用热传导理论对实验中炸药的热作用过程进行了分析,并通过软件PHOENICS3.3对RDX在热烤过程中的热响应情况进行了模拟。结果表明,在环境温度较低时,RDX受热发生分解,所放出的热量可以及时地散失到环境中,从而不发生爆炸。环境温度较高时,药柱的边沿受热形成局部高温,导致热点火,使药剂发生爆炸。

弹药的热烤(Cook-off)实验

热烤试验(Cook-off test)是评估武器弹药热安全性的一个重要的实验。本文介绍了Cook-off的定义和Cook-off实验的发展过程、实验方法,对国内外Cook-off实验研究现状和发展方向进行了分析和展望。。

泄压孔对聚能传爆管的影响

以炸药在点燃瞬间的压力均衡为前提条件,计算聚能传爆管点火后只产生燃烧反应的最小泄压孔面积,以此为基础,对含不同尺寸泄压结构的聚能传爆管在慢速烤燃和快速烤燃环境下的响应特性进行分析,在建立三维轴对称烤燃计算模型的基础上,采用Fluent对不同大小泄压孔的慢速烤燃响应特性进行数值模拟。为研究含泄压孔聚能传爆管对起爆威力性能的影响,对3种不同大小泄压孔的聚能传爆管进行了起爆实验。结果表明,该型聚能传爆管的泄压孔设计单孔直径7 mm为最优,研究结果对水雷不敏感引信的结构设计有一定的指导意义。

B/KNO_(3)点火药装药的烤燃特性研究

为研究B/KNO_(3)点火药的热安全性,建立多点测温烤燃实验装置,对不同升温速率、不同装药密度条件下的B/KNO_(3)点火药装药进行多点测温烤燃实验,以获得点火药装药发生点火的准确时间与烤燃过程中不同监测点的温度历程。建立B/KNO_(3)点火药装药烤燃实验的数值计算模型并进行了数值模拟,计算中考虑了点火药的自热分解反应与相变吸热。通过与实验结果的对比,标定B/KNO_(3)点火药装药的热物性参数和反应动力学参数。研究结果表明:B/KNO_(3)点火药的指前因子为7.763×10^(13)s^(-1),活化能为2.0787×10^(5)J/mol;在点火药装药的烤燃过程中,随着升温速率的减小,点火延期时间逐渐增加,点火区域逐渐向中心移动,点火环境温度逐渐降低;在装药密度变化不太大的情况下,点火药的点火特征差别不大。

TATB对熔铸炸药烤燃过程传热及响应特性的影响研究

为提高弹药安全性,研究TATB组分含量对熔铸炸药烤燃过程传热及响应特性的影响规律。采用3D-Fluent软件对熔铸炸药烤燃过程开展仿真计算,预测不同TATB含量熔铸炸药烤燃过程的响应时间及温度,结合烤燃试验验证仿真预测炸药反应的准确性。结果表明,烤燃过程中炸药内部梯度化温度及应特性与介质的传热系数密切相关。TATB含量的增大能够通过改变烤燃条件下的响应温度和时间来提高炸药的热安全性,且通过仿真计算方法预测炸药响应温度和时间可靠性较好。

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。

管道燃气快烤装置燃烧过程数值仿真及结构参数影响分析

快烤试验装置作为快烤试验的重要组成部分,其产生的火焰温度对试验结果有很大的影响;为设计管道燃气快烤装置,利用Fluent软件、采用SST k-ω湍流模型和非预混燃烧模型,开展管道燃气装置燃烧过程仿真和关键结构参数对火焰温度及其均匀性的影响规律研究;选择3个关键参数即管道间距h 1、火孔孔径Φ、火孔孔距h 2,设计了三因素三水平正交试验进行仿真;研究结果表明:在管道直径确定的条件下,管道间距是影响管道燃烧器火焰温度均匀性的最主要因素,其次是火孔间距,火孔孔径是影响火焰温度均匀性的最次要因素;管道燃烧器上方不同高度处火焰温度均匀性对应的最佳结构参数并不相同。

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。

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。

初始自由空腔体积对PBX-3炸药慢烤反应烈度的影响

为了认识初始自由空腔对约束奥克托今(HMX)基PBX-3炸药慢烤反应烈度的影响,以圣地亚热点火(SITI)实验装置为参考,设计了初始自由空腔体积率分别为1.0%和7.4%的弱约束慢烤实验装置。在相同的温升速率下开展了约束HMX基PBX-3炸药慢烤实验,通过小尺寸K型热电偶测量炸药中心平面不同位置以及壳体表面的温度变化历程,采用耐高温光子多普勒测速探头测量炸药热爆炸后壳体的运动速度,并在慢烤箱中回收实验装置残骸。结果表明:在相同的壳体约束强度和加温条件下,2种不同初始自由空腔体积率的约束PBX-3炸药均在中心区域首先发生点火反应;初始自由空腔体积率为1.0%时,热爆炸时刻壳体表面的温度更高,炸药整体温度更高,炸药点火反应后壳体加速更快、速度更高,实验装置残骸碎片更小,反应烈度更高。分析认为:初始自由空腔体积率为1.0%时,热爆炸前炸药受到的应力更大,炸药损伤更严重;炸药中心点火反应后,更大的热应力使得炸药点火反应产生的气体在中心聚集形成更高的压力,炸药燃烧速率更大,燃烧产生的高温气体更容易进入微裂纹,形成更强的对流燃烧,导致压力增长速率更快,炸药反应更剧烈。

爆炸箔起爆器热烤试验与数值模拟研究

采用试验和数值模拟相结合的方法,开展了爆炸箔起爆器(ExplodingFoilInitiator,EFI)在慢烤、快烤条件下的热安全性研究。设计并组建了一种适用于EFI等小型火工品的烤燃装置,开展了EFI烤燃试验;同时,利用ANSYS/FLUENT对EFI烤燃响应状况进行了数值仿真计算。试验结果显示:EFI在10K/h慢烤条件下响应时间约为25.8 h,响应温度约为555K;在快烤条件下响应时间约为135min,响应温度约为565K。在两种条件下EFI响应等级均为爆燃。将数值模拟结果与烤燃试验结果进行对比分析,数值模拟与试验响应时间相差小于10%,响应温度相差小于2%。研究表明本文设计组建的烤燃装置适用于EFI的烤燃试验,数值模拟模型较为准确。

RDX基PBX炸药烤燃试验与数值计算

对RDX基PBX炸药进行了烤燃试验,建立了炸药烤燃计算模型,其中加入了Frank-Kamenetskii、Sestak-Berggreen和McGuire-Tarver反应模型,采用流体力学计算软件Fluent进行了数值模拟。试验结果表明,PBX炸药在1 K/min升温速率下发生剧烈反应的时间为176.0 min,此时试样中心温度为185.2℃,壳体表面温度为194.8℃;Sestak-Berggreen反应模型计算结果为:剧烈反应的时间为176.5 min,中心温度为187.2℃,壳体表面温度为194.9℃,验证了计算模型和相关参数的正确性。分别计算了10 K/min1、K/min、3.3 K/h升温速率下PBX炸药相变和温度的变化情况,结果表明,升温速率对炸药的相变、点火时间、温度分布和点火位置都有影响。

DNAN炸药的烤燃实验

采用自行设计的一种烤燃实验装置,对一种新型熔铸载体炸药2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)的热安全性进行了实验研究,得到其自发火温度、热爆炸延滞期和热爆炸临界温度,并与传统熔铸载体炸药TNT进行了对比。实验结果表明,DNAN的自发火温度为346.7℃、5 s爆发点为374.1℃、活化能为48.37 kJ.mol-1。DNAN在220℃的环境温度下,放置48 h没有发生反应;230℃时,药剂发生不完全燃烧;当温度达到240℃以上时DNAN发生热分解反应;理论计算DNAN在通常的熔铸温度(100℃)下的热爆炸延滞期,表明了在该温度下熔铸是安全的。

一种弹体排气缓释结构设计方法与试验研究

弹体排气缓释结构是提升武器弹药热安全性的重要方法之一。文中基于弹体内炸药分解、燃烧引起的压强增长率与排气孔压强释放率之间的平衡关系,设计了一种弹体排气缓释结构,并利用自行设计的烤燃试验装置,以熔铸炸药RHT-1为研究对象,试验研究了慢速烤燃和火烧条件下排气缓释结构的作用效果。结果表明,排气缓释结构显著的降低了熔铸炸药火烧时的反应等级,同时延长了其慢速烤燃时的反应时间,相对地提高了熔铸炸药慢速烤燃时的安全性。研究结果可为弹药的装药设计提供参考。

GHL01炸药烤燃实验的尺寸效应与数值计算

在不同升温速率下,对不同尺寸的GHL01炸药装药进行了烤燃实验,建立了烤燃实验的计算模型。分析了装药尺寸对炸药烤燃临界环境温度和响应程度的影响,根据实验结果标定了反应模型的动力学参数。结果表明,GHL01炸药的烤燃实验存在一个临界升温速率,当升温速率大于临界升温速率时,随着装药直径的增加,炸药发生点火的临界环境温度增大,当升温速率小于临界升温速率时,随着装药直径的增加,临界环境温度先减小后增大,存在极小值（即最小临界环境温度）,且随着升温速率的减小,最小临界环境温度降低。GHL01炸药的临界升温速率为0.2～0.4K/min。按照GHL01炸药点火的原因不同,提出了以临界升温速率作为慢速烤燃和快速烤燃的分界点。

不同约束条件下钝化RDX的烤燃响应特性

以2℃/min的升温速率对带壳的钝化RDX炸药进行慢烤试验,研究了不同约束条件下钝化RDX的烤燃响应特性。结果表明,材料相同时,随着厚度的增加炸药耐烤燃时间随之增长,但反应的剧烈程度逐渐减弱;厚度相同时,耐烤燃特性随材料物理性能的不同发生变化。根据材料力学理论和传热学理论,对所产生的现象进行了分析。结果表明,材料相同时,增加壳体的厚度,可以提高钝化RDX的热安定性;材料不同时,采用热导性低的材料可以提高炸药的热安定性。

不同升温速率下复合药柱烤燃实验与数值模拟研究

为了研究不同升温速率下复合炸药JO-9159/JB-9014烤燃实验的热反应规律,建立了复合炸药的烤燃模型,利用有限元程序LS-DYNA3D对不同结构的复合药柱在烤燃过程中的热响应情况进行了数值模拟,并利用实验进行了验证,结果显示模拟结果可信。利用已建立的模型对5K/h、3K/min和10K/min等3种不同升温速率下复合药柱烤燃过程进行了数值模拟,结果表明:升温速率和装药结构的不同对复合药柱的点火时间和位置有较大影响,随着升温速率的增大,点火时间变短,点火位置由药柱的中心处逐渐移至药柱的两端边缘,升温速率较小时,复合药柱的热安定性取决于内部高能炸药的特性,升温速率较大时,复合药柱的热安定性与单一钝感药柱性能近似。因此,只有在较大的升温速率下,钝感炸药内部嵌入高能炸药才能既提高整体药柱的威力,又保证其具有较好的热安定性。

基于ABAQUS的PBX炸药烤燃试验数值计算

建立了炸药烤燃过程的三维计算模型,采用Frank-Kamenetskii模型描述炸药自热反应的放热过程,编写了ABAQUS有限元软件的用户子程序HETVAL,模拟计算了不同升温速率、装药尺寸和壳体厚度等条件下PBX炸药的烤燃过程,分析了点火位置的分布规律。计算结果表明,随升温速率的增加和装药长径比的减小,点火位置从PBX炸药内部移向边缘;随着升温速率的增加,炸药的点火时间显著缩短;装药尺寸和壳体厚度对PBX炸药点火时间和点火温度的影响较小。

浇注PBX的低易损性能研究

通过快速烤燃、枪击感度、冲击波感度等试验 ,研究了浇注PBX的低易损性能 ,并将浇注PBX的作功能力和爆炸威力与TNT基混合炸药进行了对比 ,结果表明 ,浇注PBX的低易损性能和作功能力以及爆炸威力都显著优先于TNT基混合炸药。

钝感起爆药BNCP的热安全性

采用DSC和TG试验研究了BNCP的热性能,并与常规起爆药Pb(N3)2和CP进行了对比。设计了一种热烤实验装置,对BNCP的耐热性进行了实验研究。结果表明,BNCP的热分解温度低于Pb(N3)2和CP,但其表观活化能大于Pb(N3)2和CP。BNCP在240℃以下的环境温度中的分解量较小,有较好的热安全性。在环境温度低于90℃的条件下,可以长期放置。当环境温度接近药剂的热分解温度266℃时,药剂被烤爆,烤爆温度为248～260℃。