升温速率与流变特性对B炸药慢烤响应的影响

为探究慢速烤燃过程中不同升温速率下B炸药流变特性的尺寸效应对相变后内部温度场的分布特征与点火位置的影响,设计了$\varnothing $76 mm与$\varnothing $130 mm两种尺寸的烤燃弹。通过慢烤试验分别获得了1 ℃/min与3.3 ℃/h两种升温速率下,各烤燃弹内部监测点的温度变化曲线,结合数值模拟进一步分析了各工况下烤燃弹内部温度场的变化特点。研究结果表明：在升温速率为1 ℃/min时,两种尺寸的烤燃弹在炸药还未完全相变前就已发生响应,对流的存在导致炸药顶部的熔化速率明显高于底部,B炸药流变特性的尺寸效应不明显;当升温速率为3.3 ℃/h时,相变完成后,尺寸偏小的烤燃弹内部流场强度低,温度场变化十分缓慢,而尺寸偏大的烤燃弹内部流场强度较大,温度场很快体现出典型的液相温度场分布特征,B炸药的流变特性具有明显的尺寸效应;无论升温速率的快慢与尺寸的大小,炸药发生相变后温度最高点、自热反应区域与最终响应区域都出现在药柱顶部附近。

     

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。     

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。     

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。

     

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。

     

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5 K/h、3 K/min和10 K/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。     

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。

     

初始空腔体积率对约束HMX基PBX-3炸药慢烤相变的影响

为了认识慢烤过程中初始空腔体积率对HMX基PBX-3炸药热致相变以及点火响应特性的影响,设计了小尺寸强约束慢烤实验装置。在相同温升速率下,开展了空腔体积率分别为1.0%、4.2%和13.8%的约束PBX-3炸药慢烤实验,获得了炸药内部不同位置以及约束壳体表面的温度演变历程,对炸药中HMX相变过程、初始空腔体积率对HMX相变影响的机制、HMX相变进程对点火反应温度的影响进行了详细分析。结果表明：初始空腔体积率越小,HMX相变吸热表现出的温度平台持续时间越短,点火时刻约束壳体表面的温度越高。分析认为初始空腔体积率越小,慢烤加热至HMX相变温度时刻,PBX-3炸药受到的热应力越大,延缓了慢烤过程中β-HMX转化为δ-HMX的相变进程;由于δ-HMX的热感度更高,慢烤实验过程中HMX的相变进程越慢,δ-HMX放热分解反应引起的热量积累越慢,炸药点火反应时刻约束壳体的温度越高。

     

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。     

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。     

泄压空间内爆炸温度载荷的影响规律研究(一)——装药质量

基于自主开发的程序开展了泄压空间内炸药爆炸温度场数值计算,初步探讨了装药质量对泄压空间内爆炸温度载荷的影响规律。研究表明:①爆炸发生后,舱室内部气体被迅速加热升高到准静态温度峰值,且随着药量的增大,准静态温度直线上升速率增大;随着泄压口的持续泄压,舱室内部气体温度缓慢衰减到平稳值,且随着药量的增大,准静态温度直线衰减速率加快。②相较同初始条件密闭空间内爆炸,随着药量的增加,泄压对于温度载荷的降低效果更明显。本文的研究可为进一步探讨考虑后燃烧效应爆炸温度场数值计算及毁伤评估提供参考。     

受热炸药的冲击起爆特征

设计了炸药驱动飞片起爆受热炸药的实验装置,该装置既能够对实验炸药进行均匀地加热,又能够避免高温对加载炸药的影响。利用设计的实验装置对PBXC10炸药（HMX/TATB复合炸药）进行了14、100、140、160和180 ℃等5种不同加热温度下的冲击起爆实验,测量了该炸药内部压力的成长历程。采用点火增长反应速率方程对PBXC10炸药冲击起爆进行了数值模拟。根据实验结果,标定了不同温度下PBXC10炸药的点火增长模型参数,并给出了模型参数随温度变化的关系式,获得了不同温度下炸药的Pop关系。研究结果表明:PBXC10炸药的冲击波感度随温度的升高而升高,但与HMX炸药相比,其冲击波感度对温度的敏感性明显降低,这是因为PBXC10炸药中的TATB具有较好的降感作用。     

多元混合PBX炸药冲击起爆的多元Duan-Zhang-Kim反应速率模型研究

提出了多元混合PBX炸药孔隙塌缩热点模型新的处理方法,构建了新的细观反应速率模型,系列数值模拟结果与实验结果均一致,表明该细观反应速率模型可较好地描述和预测炸药组分配比及颗粒度对多元混合PBX炸药冲击起爆过程的影响。PBX炸药冲击起爆过程主要受热点点火过程和燃烧反应过程共同作用：HMX占主导成分的PBXC03炸药,起爆压力低,冲击起爆过程受热点点火影响较明显,热点点火后的燃烧反应速度较快,表现为加速反应特性;TATB占主导成分的钝感PBXC10炸药,起爆压力高,冲击起爆过程主要受点火后的燃烧反应过程控制,且点火后燃烧反应速度较慢,表现为稳定反应特性。

     

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。     

CL-20基混合炸药的冲击起爆特征

为了研究CL-20基混合炸药的冲击起爆特征,深入分析冲击波作用下CL-20基混合炸药的爆轰成长规律,采用炸药驱动飞片冲击起爆实验方法,对CL-20、CL-20/NTO和CL-20/FOX-7三种压装混合炸药进行了冲击起爆实验,通过嵌入在炸药内部不同位置处的锰铜压力传感器,获得了炸药内部压力的变化历程。依据实验结果标定了混合炸药的点火增长模型参数,其中,利用反应速率方程中的两个增长项,分别模拟CL-20/NTO和CL-20/FOX-7混合炸药中两种组分的反应增长过程,得到这两种混合炸药的反应速率方程参数。并通过数值模拟的方法得到了三种炸药的临界起爆阈值和POP关系。研究结果表明：三种CL-20基混合炸药中,CL-20/NTO混合炸药具有更高的临界起爆阈值,而CL-20/FOX-7混合炸药具有更长的爆轰成长距离;此外,利用此套拟合双组分混合炸药反应速率方程的方法,可以对新型配方炸药的冲击起爆过程进行预测性计算

     

长管强约束条件下压装PBX炸药点火实验研究

为探究压装炸药PBX-A在较强约束条件下、在药柱一端使用点火药引燃后能否发生燃烧转爆轰,在传统DDT管的基础上重新设计了特定位置约束增强的厚壁钢柱壳管实验装置,利用多路PDV诊断技术,配套高速摄影记录对点火药引燃炸药实验过程中的柱壳膨胀、断裂特性等实验现象进行了全过程连续监测。对比由爆轰驱动的相同装药条件下实验现象及对应过程物理状态的区别,发现：爆轰实验和点火实验 的总反应时间历程存在数量级的差别;柱壳上各个测点速度历程反映出装置内部炸药反应引起的压力增长历程特征,以及炸药反应的传播过程均存在明显差异。分析表明,在较强约束条件下,典型压装炸药PBX-A在一端使用点火药引燃后的反应行为实际是以高温、高压反应产物沿装药缝隙对流,炸药表面的层流燃烧及其伴随的结构响应行为为主要表现形态;从反应压力水平及其增长的时间历程来看,炸药基体中没有形成冲击波,因而无法实现从冲击到爆轰的转变。

     

基于微裂纹界面摩擦生热的点火模型

开展了基于微裂纹界面摩擦生热的细观点火模型研究,采用有限元方法对包含化学反应放热和摩擦生热的热传递方程进行了离散求解,计算模型中考虑了炸药颗粒熔化对升温过程的影响。着重分析了点火模型中主要参数(热点尺度、应变率和界面压力)对炸药点火的影响规律。数值研究表明,随着热点尺度的增大,热点的温度上升越快,越容易发生点火;应变率越大或者界面压力越高,热量积累越快,炸药越容易点火。

     

RDX基铝纤维炸药空中爆炸性能

将铝纤维炸药与传统铝粉炸药和RDX炸药进行空中爆炸实验并得到压力时程曲线,经过分析计算得到3种炸药的压力峰值、二次击波、正相持续时间以及冲量。结果表明:铝纤维炸药的压力峰值相对于RDX没有明显提高,但其压力时程曲线衰减速度慢于RDX的,使铝纤维炸药的正相持续时间大于RDX,铝纤维炸药的冲击波冲量相对于RDX的平均提高了18%,与铝粉炸药的相当。铝纤维炸药的二次击波超压幅值与到达时间与铝粉炸药的接近,而铝纤维炸药的二次击波到达时间早于RDX,说明二次击波的超压幅值与到达时间与炸药类型有关。