基于UCM模型的B炸药慢烤泄压结构的作用分析

为了探究热刺激作用下泄压结构对熔铸炸药点火时间及点火前内部物理场变化的影响,设计了有/无泄压结构烤燃弹的内部多点测温慢烤对比试验。基于炸药通用烤燃模型（universal cookoff model, UCM）,建立了炸药熔化后受浮升力驱动流动,反应速率随压力、反应进程等变化的B炸药烤燃计算模型,对有/无泄压结构烤燃弹的炸药在升温过程中的温度场及内部压力变化等情况进行了数值模拟,并与试验结果进行比较。结果表明:慢烤条件下,烤燃弹内部压力呈先缓后急上升趋势;有泄压结构烤燃弹在结构作用前的压力变化趋势与无泄压结构的一致,泄压结构的作用会使炸药自热反应速率骤然降低,炸药内部温度下降,自热反应速率降低和产物气泡驱动的对流共同导致了点火时间的延后;由于对流的作用,炸药点火点都在弹体顶部区域。     

高温下带金属壳PBX炸药低速撞击敏感性数值模拟

炸药撞击感度和热安全性是评价炸药安全性能的重要指标。为了对高温下炸药撞击敏感性变化规律进行可靠预测，本文中通过数值模拟，研究不同预加热温度下带壳PBX炸药装药在小弹丸低速撞击下的热力学响应，得到炸药点火前至点火阶段局部高温区的位置、形态、温度和应变随时间在炸药中分布的变化。结果显示，炸药发生点火的撞击阈值速度与烤燃温度的关系并非单一随温度升高而降低，而是在加热至348.15 K时达到最高；根据温度和应力应变云图分析可得，随着烤燃温度的提高，炸药强度下降，PBX炸药装药局部高温区快速升温的主导因素由局部剪切变为压缩。热软化对炸药的撞击敏感性起重要作用。     

不同升温速率下AP/HTPB底排装置慢速烤燃的数值模拟

为研究在不同升温速率下高氯酸铵(ammonium perchlorate, AP)/端羟基聚丁二烯(tydroxyl-terminated polybutadiene, HTPB)底排装置的慢速烤燃特性,建立AP/HTPB底排推进剂二维轴对称非稳态传热模型和两步化学动力学反应模型。在不同升温速率下,分析底排装置的慢速烤燃响应特性。计算结果表明:在慢速烤燃的条件下,烤燃响应点发生在底排药柱与空气腔的接触面左侧,升温速率对底排药柱的着火延迟时间和烤燃响应点位置有较大影响。随着升温速率的提高,着火延迟时间变短,烤燃响应点向中心侧移动。升温速率对烤燃响应点的着火温度影响较小。     

B炸药慢速烤燃过程的流变特性

为进一步探究熔铸炸药在烤燃过程中内部各物理场的变化情况，以B炸药为研究对象，完整地建立了基于Bingham流体模型的B炸药黏度计算模型并应用于慢速烤燃的数值模拟。通过数值模拟得到了B炸药在整个升温过程中上中下3个内部测点处的温度变化曲线并以烤燃试验加以验证，观察了弹体内部温度场与对流场的变化特点。结果表明:升温速率为1 ℃/min时，B炸药相变后逐渐开始流动，内部的温度场分布也随之改变，炸药出现自热反应与最终响应的区域都在弹体上部；升温速率为0.055 ℃/min时，炸药相变后内部很长时间内仍表现出类固相温度场的分布特点，当炸药出现自热反应后，才逐渐开始流动，温度场也逐渐转变为典型的液相温度场，炸药最终响应点在弹体上部，但最早出现自热反应的区域在弹体中心。     

药量和升温速率对DNAN基熔铸炸药烤燃特性的影响

为了研究不同药量和升温速率条件下DNAN基熔铸炸药的慢速烤燃特性，自行设计了烤燃实验装置，采用多点测温烤燃实验方法，分别在1和0.055℃/min两种升温速率下进行了不同状态装药量的烤燃实验，分析了熔铸混合炸药的热反应特征。结果表明，装药量和升温速率共同影响烤燃弹的响应特性。相同烤燃弹在0.055℃/min升温速率下比在1℃/min升温速率下加热响应会更剧烈；烤燃弹的放置姿态及端盖厚度会影响烤燃弹的响应剧烈程度。     

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。     

高能炸药摩擦感度的数值模拟

为了研究炸药摩擦安全性,利用熔化摩擦模型对几种高能炸药的摩擦感度进行了数值模拟,结果符合实验,并根据热分解反应速率分析了感度规律。由于炸药熔点一般低于点火温度,所以基于一个考虑熔化现象的炸药摩擦模型,在炸药感度实验条件下进行了一维数值模拟,给出了炸药熔化结果和摩擦点火的时间:4种摩擦感度较弱的炸药包括DATB、NQ、TATB和TNT的点火时间的顺序即感度顺序符合实验结果,说明摩擦点火模型适应性。进一步结合炸药热分解反应速率的大小顺序,数值模拟证明,在一定摩擦强度下,点火顺序会发生交换,说明摩擦感度实验不能完全说明炸药摩擦感度强弱顺序。     

考虑自然对流的某固体火箭发动机慢速烤燃特性数值分析

针对某高氯酸铵/端羟基聚丁二烯(AP/HTPB)推进剂固体火箭发动机，采用两步总包反应描述AP/HTPB的烤燃过程，建立了考虑发动机空腔自然对流的二维轴对称烤燃模型，对加热速率分别为3.6、7.2和10.8 K/h时火箭发动机的慢速烤燃行为进行了数值预测，研究了该火箭发动机的热安全性问题。结果表明，固体火箭发动机空腔内的自然对流对AP/HTPB推进剂的着火温度、着火延迟期和着火位置有一定影响，在热安全性精确分析中不可忽略。3种加热速率下，AP/HTPB推进剂的最初着火位置均出现在药柱肩部的环形区域内，3种加热速率对应的着火延迟期、着火温度及着火时壳体温度分别为30.71、20.06、18.68 h，526.52、528.10、530.64 K，和479.56、496.82、508.77 K。随着加热速率的增大，烤燃响应区域向推进剂与绝热层交界处移动，着火位置的二维截面由椭圆形变为半椭圆形。     

炸药装药密度对慢速烤燃响应特性的影响

为研究炸药装药密度对烤燃响应剧烈程度的影响,采用以RDX为主的高能炸药压制7种密度水 平的试样,采用长径比为1.26的烤燃弹,以(10.2)℃/min的升温速率作了慢速燃实验。实验结果表明, 当装药密度为理论最大密度的94%时出现压力胀裂,装药密度为理论最大密度的70%时产生爆燃,而在理论 最大密度的80%左右时出现燃烧转爆轰现象,响应最剧烈。     

烤燃条件下HMX/TATB基混合炸药多步热分解反应计算

采用多步热分解反应动力学模型,描述单质炸药热分解反应,提出了多组分网格单元计算方法,对以HMX/TATB为基的多元混合炸药在烤燃条件下的热反应过程进行了计算。通过炸药烤燃实验测量了炸药内部温度,获得了炸药点火时间,验证了计算的准确性。分析了混合炸药组成比例的变化对炸药热反应性能的影响。在HMX/TATB混合炸药热反应阶段,主要是HMX发生分解反应释放热量,TATB的反应量很少,随着混合炸药中TATB含量的增多,炸药的点火时间逐渐增长,点火温度逐渐增高,炸药热安全性增强。     

主控提前点火对复合推进剂慢速烤燃响应的影响

为研究主控点火对复合推进剂慢速烤燃响应特性的影响,设计并开展了典型复合推进剂装药慢速烤燃实验,结合数值计算和推进剂热分解失重及形貌演化过程,探讨了点火前推进剂内的温度分布情况及推进剂细观结构热损伤规律。研究发现:针对复合推进剂装药的慢速烤燃,在推进剂发生自热点火前温度较低时进行主控点火可以有效降低反应剧烈程度;随着加热温度的升高,推进剂中部分组分发生分解,导致推进剂内部温度高于壳体温度,同时推进剂中粘结剂及AP的分解会导致推进剂装药形成多孔状的结构,在点火后更易导致对流燃烧,加剧反应烈度;当壳体温度仅138 ℃时,推进剂温度最高点达到150 ℃,最高点首先出现在靠近喷管的尾部,考虑到粘结剂及AP部分分解导致的孔隙结构会加剧反应的响应烈度,主控点火温度应设定在138 ℃以下。     

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。     

基于Visco-SCRAM模型的侵彻装药点火研究

针对弹体侵彻过程中装药的安全性,基于黏弹性统计裂纹力学(visco-statistical crack mechanics, Visco-SCRAM)模型计算装药整体温升、装药裂纹摩擦生热以及弹体装药与壳体摩擦生热,考察这3种机制对装药温升的贡献以及侵彻装药的点火机制,得到了装药点火对应的弹体侵彻临界初始速度。结果表明:(1)装药与弹体内壁摩擦生热对装药温升有一定贡献,随着弹体初始撞击速度的提高,摩擦生热对温升的贡献逐渐增大;(2)黏性、损伤和绝热体积变化导致的装药整体温升对装药点火的作用有限; (3)裂纹摩擦形成热点是侵彻装药点火的物理机制;(4)采用Visco-SCRAM模型可预测低强度、长脉冲载荷作用下的装药点火响应。