赵生伟， 丁洋， 王长利， 吴玉蛟

(西北核技术研究所， 陕西 西安 710024)

快热作用下带壳梯黑铝炸药快速燃烧实验研究

赵生伟， 丁洋， 王长利， 吴玉蛟

(西北核技术研究所， 陕西 西安 710024)

为了获得快速热作用下铸装梯黑铝炸药热响应特性，并确定光纤探针用于测定熔铸型炸药快速燃烧过程化学反应阵面传播速度的可行性。采用快速加热装置加热钢制圆管，作用于内部梯黑铝炸药，以光纤探针测定炸药化学反应阵面传播速度和轨迹。结果表明：在230 MPa的管体约束强度、开口端加装端盖情况下，装填长度为400 mm的梯黑铝炸药化学反应阵面最大传播速度约为1 000 m/s；开口端未加装端盖时，最高传播速度约为500 m/s；两种情况中炸药都没有发生完全爆轰。因此，快速热作用下带壳铸装梯黑铝炸药热响应状态为快速燃烧，光纤探针能够准确测定小于1 000 m/s的熔铸型炸药化学反应阵面传播速度。

兵器科学与技术； 梯黑铝炸药; 快速热作用; 快速燃烧; 光纤探针

0 引言

铸装梯黑铝(THL)炸药是一种含铝混合炸药，广泛应用于战斗部装药[1-3]。在国防武器装备发展中，含铝混合炸药广泛用作各类战斗部装药，由此形成金属壳体加上含铝混合炸药的带壳炸药组合体。在弹药的贮存、运输、试验过程中，由于火灾事故等原因，金属壳体可能受到火烤的快速热作用。

针对快速热作用下含铝混合炸药热响应过程的研究，未见相关公开文献报道[1-20]。因此，以熔铸型THL炸药为研究对象，开展快速热作用下带壳铸装THL炸药快速燃烧过程的研究，在学术上和实际应用上都有重要的意义。传统电离探针用于低速燃烧速度测量时，由于燃烧阵面离子产物较少，会产生信号时序混乱的现象；光纤探针记录波阵面的光信号，避免了电离产物的影响[4-7]。段宝福采用光纤探针测定了乳化炸药燃烧转爆轰过程中化学反应阵面传播速度[4]；Asay 等采用光纤探针分析了粒状奥克托今炸药燃烧转爆轰过程中的化学反应剧烈程度[8-9]。

本文开展了快速热作用下铸装THL炸药快速燃烧实验。采用自研制快速加热装置产生快速热输入条件，以光纤探针测定炸药化学反应阵面传播速度和传播轨迹，从而确定在快速热作用下钢管约束铸装炸药的热响应状态，分析其热响应特性。同时确认光纤探针用于炸药快速燃烧过程化学反应阵面传播速度测试的可行性，对采用光纤探针深入研究炸药剧烈化学反应过程具有重要的参考作用。

1 快速加热带壳炸药实验系统

1.1 平台结构

快速加热带壳炸药实验系统由实验装置和测试系统组成，结构示意图见图1. 实验装置包括：快速加热装置、约束钢管、炸药。快速加热装置提供快速热输入条件，约束钢管提供强约束条件。约束钢管加热端为盲孔，另一端为开口，开口端分为加装端盖和直接开口两种情况，加装端盖时端盖与管体以螺纹联接，实验装置布设示意图及实物图见图2. 测试系统为光纤测速系统，包括光纤探针、光电转换装置、记录设备。

图1 实验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

图2 实验布设结构示意图及实物图Fig.2 Experimental setup

1.2 快速加热装置

图3 加热装置结构示意图Fig.3 Schematic diagram of heating unit

快速加热装置采用高能固态燃料喷射加热原理，利用高能固体燃料产生的高温气体加热，作用范围为φ60 mm，加热时长10 s，加热装置结构示意图见图3. 采用快速加热装置加热效应钢板，标定其加热效果。效应板为边长300 mm×300 mm的45号钢板，板厚分别为13 mm. 采用镍铬镍硅热电偶温度传感器测定钢板背面温度历程，效应板背表面典型温度历程曲线见图4，图4中曲线标注距离为测点至中心点位置，温度历程峰值温度及对应时间见表1.

图4 典型温度历程曲线Fig.4 Typical temperature history

表1 温度历程峰值温度

从表1可以看出：加热时长为10 s时，中心点最高温度为1 011 ℃，达到最高温度的时间为16.0 s，平均温升速率为63 ℃/s；加热时长为14 s时，中心点最高温度为1 290 ℃，达到最高温度的时间为15.8 s，平均温升速率为82 ℃/s；从最高温度和温升速率看，加热设备能够达到快速加热钢板的效果。

1.3 约束钢管及炸药

约束钢管采用45号钢棒料切削加工而成，内径40 mm、外径70 mm，管体长度为400 mm，装药长度385 mm，装药质量为850 g. 加热盲孔端厚度为13 mm.

炸药为熔铸型含铝混合炸药THL，成分为梯恩梯(TNT)、黑索今(RDX)和铝粉(AL)，三者比例分别为60%、24%、16%.

1.4 光纤测试系统

光纤测试系统由石英光纤探针、光电二极管、放大器和记录系统组成。其工作原理为：光纤探针采集反应阵面上的光信号，通过光电二极管将光电信号转换为电信号，由记录系统将这些有时序的脉冲信号记录下来。系统原理示意图及实物见图5.

图5 光纤测速系统示意图及实物图Fig.5 Fiber-optic probe system for velocity measurement

光纤探针沿约束钢管壁小孔径向埋设于炸药内，间距固定，沿管体轴向方向共布设10个光纤探针，从起始位置探针编号依次为F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10，相邻两探针间距35 mm，光纤为直径1 mm的塑料光纤。根据炸药爆轰后测定的光信号，确定光信号间的时间差，从而计算化学反应阵面传播速度。

2 实验结果与分析

共实施快速热作用下熔铸型THL炸药快速燃烧实验3次。其中实验1、实验2加装端盖，即轴向采用强约束，实验3没有轴向端盖。实验设置参数见表2.

2.1 开口端加端盖

实验1、实验2实测光纤平均波速见表3、表4，典型实测光纤历程曲线见图6，实测化学反应阵面传播轨迹见图7，实验后管体破片实物图见图8.

表2 实验设置参数

表3 实验1实测光纤平均波速

表4 实验2实测光纤平均波速

图7 实测化学反应阵面传播轨迹Fig.7 Measured propagation path of chemical reaction front

图8 管体破片实物图Fig.8 Photogragh of fragments

实验1、实验2中管体都发生碎裂，但碎裂程度不高，破片质量范围分别为35～2 981 g和46～5 946 g；从破碎宏观现象判断，管体内炸药没有发生完全爆轰。

从图7的数据可以看出：1)实验1，在0～280 mm距离内，化学反应阵面传播速度逐步增大，传播速度从235 m/s增大到1 030 m/s；在280～315 mm距离内，传播速度又降低到921 m/s；2) 实验2，在0～280 mm距离内，化学反应阵面传播速度从283 m/s逐步增大到1 015 m/s；在280～315 mm距离内，降低至875 m/s. 从两次实验的温度上升速率、化学反应最高温度等数据测试结果可以看出，实验有很好的重复性。从管体破碎情况和实测化学反应阵面传播速度分析，管体内THL炸药在快速热作用下发生热点火并逐渐发展为快速燃烧。

2.2 开口端无端盖

实验3实测光纤平均波速见表5，实测光纤历程曲线见图9，实测化学反应阵面传播轨迹见图10，管体破片实物图见图11.

实验3中管体结构完整，没有发生碎裂，管体内炸药没有发生完全爆轰。在0～280 mm距离内，化学反应阵面传播速度从269.0 m/s增大到507.0 m/s；在280～315 mm距离内，降低至463.5 m/s.

表5 实验3实测光纤平均波速

图9 实测光纤历程曲线Fig.9 Measured history curve of fiber-optic probe

图10 实测化学反应阵面传播轨迹 Fig.10 Measured proparation path of chemical reaction front

图11 实验后管体实物图Fig.11 Photogragh of tube after experiment

参考美军《非核弹药的危险性评估试验》(MIL-STD-2015C)中关于弹药反应等级划分标准：类型Ⅰ：爆轰反应，类型Ⅱ：部分爆轰反应，类型Ⅲ：爆炸反应，类型Ⅳ：爆燃反应，类型Ⅴ：燃烧反应。分析对比3次实验，可得：1) 在快速热作用下THL炸药热点火，带壳炸药发生类型Ⅲ爆炸反应，即被限制的含能物质点火并快速燃烧产生局部高压，导致外壳结构过压破裂，金属壳体破碎为大块破片(脆性破裂)。2) 管体加装端盖时，化学反应阵面传播速度最大约为1 000 m/s；无端盖时，化学反应阵面传播速度最大约为500 m/s. 从化学反应阵面传播速度看，随时间化学反应剧烈程度逐渐增强。3) 管体是否加装轴向端盖，即炸药是否受到轴向约束，炸药都会发生热点火，热点火后的剧烈化学反应程度不同。4) 由于炸药装填的不均匀性、探针安装位置及测量误差的影响，化学反应阵面传播速度不是稳定增大，但趋势逐渐增大，能够反应化学反应阵面传播轨迹。5) 光纤探针用于确定炸药快速燃烧测试，在小于1 000 m/s范围内，能够准确测定化学反应阵面传播速度，从而确定炸药的化学反应状态。

3 结论

塑料光纤探针应用于炸药快速燃烧过程测试，实验范围内，能够确定炸药化学反应阵面传播速度和传播轨迹，反映炸药化学反应剧烈程度。另外，在230 MPa的管体约束强度、开口端加装端盖情况下，装填长度约为400 mm的THL炸药化学反应阵面传播最大速度约为1 000 m/s；开口端未加装端盖时，传播最大速度约为500 m/s. 两种情况中炸药都没有发生爆轰，化学反应状态应该为快速燃烧，带壳炸药发生类型Ⅲ爆炸反应。因此：1) 在本文实验条件下，熔铸型THL炸药先发生热点火，随后发展为快速燃烧；2) 管体开口端是否加装端盖，即炸药是否受到轴向约束，炸药都发生热点火，但热点火后的化学反应剧烈程度会受轴向约束的影响。

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ExperimentalInvestigationaboutFastBurningofTNT-RDX-AlExplosivewithShellatFastHeatingRate

ZHAO Sheng-wei, DING Yang, WANG Chang-li, WU Yu-jiao

(Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an 710024, Shaanxi, China)

The fast burning of cast-loaded TNT/RDX/Al explosive with metal shell at fast thermal effect was experimented to obtain its thermal response characteristics and ascertain the feasibility of fiber-optic probe to measure the propagation velocity of chemical reaction front. A fast heating equipment is used to fast heat a steel tube, which is 400 mm in length, filled with cast-loaded TNT/RDX/Al explosve, and the propagation velocity and path of chemical reaction front are measured by using the fiber-optic probe. The result shows that the propagation velocity of chemical reaction front is 200～1 000 m/s when the open end of steel tube is covered with an end cap. Its propagation velocity is 200～500 m/s when the open end is not covered with the end cap. The detonation dosen’t happen and the state of chemical reaction is fast burning. So the thermal response state of cast-loaded TNT/RDX/Al explosives at fast heating rate is rapid burning. The fiber-optic probe can be used to obtain the propagation velocity of chemical reaction front at less than 1 000 m/s.

ordnance science and technology; cast-loaded TNT/RDX/Al explosive; fast thermal effect; fast burning; fiber-optic probe

TQ564.4+2

A

1000-1093(2017)11-2105-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.11.004

2017-01-10

国家自然科学基金项目(11302180)

赵生伟(1978—)， 男， 副研究员。 E-mail： zhaoshengwei@nint.ac.cn