低易损性PBX炸药烤燃试验方法研究

烤燃试验是评估和检验炸药易损性能的重要试验之一。通过分析炸药的安全可靠性及战场生存能力阐明了PBX炸药烤燃试验的意义和重要性,论述了PBX炸药烤燃试验国内外的发展现状,介绍了烤燃试验的方法,分析了影响烤燃试验结果的主要因素。     

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。     

高固含量HMX基浇注PBX的烤燃试验研究

参照美国MIL-STD-2015C非核弹药的危险性评估试验,研究了新研制的高固含量HMX基浇注PBX(PBX-9010)的热刺激响应特性,进行了升温速率为1、3、10和100℃/min的烤燃试验,用SEM、XPS和DSC-TG对烤燃试验前后的PBX-9010样品进行了表征。结果表明,PBX-9010炸药均发生了燃烧的低等级反应,是一种高安全性不敏感炸药。升温过程中PBX-9010炸药表面出现"脱粘"现象,烤燃分解反应是由HMX的热分解反应引起,HMX的晶型转变和黏结剂对烤燃试验结果均有重要影响。     

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。     

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。     

RDX基炸药热起爆临界温度的测试及数值计算

为了研究RDX基炸药在不同烤燃温度下的热分解规律,采用恒温控制技术,以1℃/min的升温速率对RDX基炸药进行了烤燃试验。利用FLUENT软件对不同温度下的热爆炸延滞期进行了数值模拟。结果表明,烤燃温度对RDX基炸药的热分解有重要影响,当恒定温度达到175℃时,RDX基炸药的分解速率发生明显变化。数值模拟结果表明,当以1℃/min的升温速率加热至178℃恒定660min时,RDX基炸药发生了自加热反应,最终导致点火。RDX基炸药发生自加热反应的临界温度为178℃。     

黏结剂对CL-20/FOX-7基PBX性能的影响

为了研究黏结剂对CL-20/FOX-7基PBX性能的影响,分别以Estane、EPDM、ACM、EVA为黏结剂,采用水悬浮法制备了含有不同黏结剂成分的CL-20/FOX-7基高聚物黏结炸药(PBX);采用场发射扫描电子显微镜(SEM)、激光粒度分析仪、X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)对样品结构、形貌和热分解特性进行了表征;使用撞击感度测试仪、摩擦感度测试仪和小型烤燃实验装置测试了不同样品的机械感度和烤燃特性。结果表明,以EVA为黏结剂制备的CL-20/FOX-7基PBX造型粉颗粒密实,表面光滑且没有脱粘外漏现象,包覆粘结效果最好;以EVA为黏结剂制备的PBX活化能较细化CL-20提高了87.75 kJ/mol,较FOX-7原料提高了42.52 kJ/mol,说明使用EVA的PBX热稳定性较原料有一定提升;同时该PBX样品特性落高(H 50)较细化CL-20提高25.6 cm,摩擦感度爆炸概率降低52%,较使用Estane、EPDM和ACM的PBX样品机械感度更低;使用EVA的PBX药柱在升温速率为6K/min的慢速烤燃条件下,烤燃反应等级为燃烧,说明该配方能够达到烤燃安全试验要求,安全性能较好。     

物理界面对炸药慢速烤燃特性的影响

利用自行设计的烤燃试验装置,在1℃/min的升温速率下对RDX基高能炸药进行了慢速烤燃试验。用FLUENT软件进行了模拟计算,研究了3种物理界面(空气、T-09耐烧蚀隔热涂料和GPS-2硅橡胶涂料)对炸药慢速烤燃特性的影响。结果表明,物理界面是影响炸药慢速烤燃响应特性的重要因素。相同条件下,物理界面为空气时,能增加烤燃弹的烤燃响应温度、响应时间以及烤燃响应的剧烈性;物理界面为惰性材料时,能增加烤燃弹的烤燃响应温度、响应时间,降低烤燃弹烤燃响应的剧烈性。数值计算结果表明,炸药慢速烤燃响应温度及烤燃时间受物理层厚度的影响,物理层厚度为0~5mm时,炸药烤燃响应温度、烤燃时间随着物理层厚度的增加而增大;物理层厚度为2.5mm时,炸药烤燃响应温度、烤燃时间达到最大值,之后随着物理层厚度的增加而减小。     

几何尺寸对DNAN基熔铸炸药慢烤响应特性的影响

为研究几何尺寸对DNAN基熔铸炸药热反应规律的影响,自行设计了慢烤试验装置,采用多点测温慢烤试验方法,分别在1°C/min和3.3°C/h两种升温速率下进行了4种尺寸(Φ19mm×19mm、Φ19mm×38mm、Φ19mm×76mm、Φ30mm×30mm)弹药的慢烤试验,建立了炸药慢烤试验计算模型,采用Fluent软件计算了升温速率3.3℃/h下一维、二维方式几何尺寸增加时烤燃弹的响应情况。结果表明,几何尺寸和升温速率共同影响烤燃弹的响应特性;对相同烤燃弹,在升温速率3.3℃/h下加热响应等级比升温速率1℃/min下的更剧烈;在升温速率3.3℃/h下,烤燃弹点火位置均位于几何中心,并且随着几何尺寸的增加,点火时刻烤燃弹的外壁温度逐渐降低,烤燃弹存在发生点火反应的最低环境温度为174.74℃,且当药柱长径比为4时,点火时刻外壁温度随着药柱直径的增加呈指数衰减趋势。     

缓慢热作用下PBX-9炸药的响应特性

为研究RDX基PBX-9炸药的热响应规律,分别采用1.5、3.0、4.5、8.0℃/min的升温速率对PBX-9炸药药柱进行了烤燃试验。用热电偶测试了药柱表面的温度变化,通过测量冲击波超压和收集试验弹残骸,分析了药柱的反应程度,获得了不同升温速率下的响应规律。结果表明,升温速率为1.5~8.0℃/min时,对PBX-9炸药的响应温度没有明显的影响,试验弹响应时药柱温度约为140~150℃,均为燃烧反应。烤燃过程中黏结剂的分解对PBX-9炸药响应特性影响较大,使其反应程度一致。采用FLUENT软件对该烤燃试验过程进行了数值模拟,得到PBX-9炸药反应的活化能和指前因子分别为184.2×103J/mol和7.24×1018s-1。     

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。     

限定条件下聚黑炸药烤燃试验及热起爆临界温度的数值计算

采用自行设计的烤燃试验装置,以1.0℃/min的升温速率并采用恒温控制技术对聚黑(JH)炸药进行了不同温度下的50min恒温烤燃试验;用FLUENT软件对不同升温速率和装药尺寸的聚黑炸药热起爆临界温度进行了数值计算。结果表明,炸药存在一个热起爆临界温度,炸药置于恒定高温环境中比慢速烤燃更危险,发生反应的环境温度更低,响应更剧烈。随着升温速率的增加,药柱的热起爆临界温度缓慢升高,当升温速率大于10.0℃/min时,热起爆临界温度均为197℃。药柱的长径比相同时,随着药柱尺寸的增加,聚黑炸药的热起爆临界温度逐渐降低,当药柱尺寸增加到一定值时,药柱尺寸对聚黑炸药热起爆临界温度的影响将减弱。     

超细HNS在非限制条件下的烤燃试验

为了获得六硝基芪的烤燃响应特性,对六硝基芪进行了非限制条件下的程序升温烤燃试验.结果表明,随着升温速率的增加,HNS的起始反应温度呈升高的趋势.3.3℃/h升温速率下3种尺寸的HNS药柱只发生热分解反应,且反应后发现大量黑色残留物.在5℃/min和10℃/min条件下药柱发生燃烧或不完全燃烧反应,均没有发生爆炸现象.几...     

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.     

一维热爆炸试验传热的数值模拟

针对加热过程所涉及的主要传热学问题,分别建立空气夹层复合传热模型和炸药受热分解放热数值模型;计算分析了473K下油浴和空气浴加热时系统辐射率、空气对流换热系数对RDX、HMX、TATB 3种炸药热点火延滞时间的影响。结果表明,473K油浴加热和空气浴加热时RDX分别在151.7s和3 372.6s时发生热点火,表明相同温度和炸药,油浴加热时热点火延滞时间远小于空气浴加热;空气浴加热时,同一种炸药在相同温度下,随系统辐射率的降低,热点火延滞时间增加;RDX、HMX和TATB炸药辐射率由0.9降至0.1时,热点火延滞时间分别增加了180.1%、168.9%和169.3%;相同温度、相同系统辐射率条件下,对流换热系数减小,热点火延滞时间增加。     

不同射击工况下膛内模块装药的热安全性预测

为研究火炮多发连续射击情况下模块装药滞留膛内的热安全性问题,建立了膛内模块装药二维非稳态烤燃模型,采用FLUENT软件对模块装药在膛内的烤燃过程进行了数值模拟,分析了3种射击工况下多发连续射击后继续装填模块装药留膛时的烤燃特性。结果表明,常温下不同射击工况对膛内模块装药的烤燃响应时间影响较大,对烤燃起始响应位置影响较小,对烤燃响应温度几乎无影响;采用5发/min射速射击32发后模块装药的烤燃响应时间为399.2s,采用1发/min射速射击43发和采用混合射速射击41发后模块装药的烤燃响应时间分别为176.4s和179.6s。3种射击工况下均是靠近模块盒右侧端面处的单基药最先着火,并形成环形烤燃响应区,单基药的烤燃响应温度分别为459.2、462.7和460.0K。     

PBX炸药细观结构冲击点火的二维数值模拟

为了研究冲击加载下非均质炸药的点火机理,对PBX炸药细观结构在冲击加载下的响应过程进行了二维数值模拟.首先对炸药颗粒的压制过程进行数值模拟,获得PBX炸药的细观结构模型.然后对炸药冲击点火进行数值模拟计算,考虑了热力耦合作用和炸药自热反应,分析了炸药颗粒尺寸、密度和黏结剂对炸药冲击点火的影响.结果表明,冲击作用下PBX...     

LLM-105基PBX炸药的热分解反应动力学

通过布氏压力计法获得了普通的和纳米化的LLM-105基PBX炸药在不同温度条件下热分解放气量随时间的变化曲线。基于Arrhenius公式计算了两种PBX炸药分解深度为0.1%时的表观活化能。采用TG-DSC研究了两种LLM-105基PBX炸药的非等温热分解反应动力学。结果表明,由Arrhenius公式得到的普通和纳米化的LLM-105基PBX炸药在分解深度为0.1%时的表观活化能分别为74.67和138.09kJ/mol。利用Kissinger法计算获得两种LLM-105基PBX炸药在最大分解速率(分解深度约50%)下的表观活化能分别为389.26和215.73kJ/mol,与Ozawa法计算结果相吻合。升温速率趋于零时的特征分解峰值温度分别为606.94和586.48K,热爆炸临界温度分别为615.0和600.4K。相对于普通LLM-105基PBX炸药,纳米化LLM-105基PBX炸药热分解具有更高的反应活性,热感度也有所提高。     

2,6-二氨基-3,5-二硝基吡啶-1-氧化物基PBX的热安全性研究

为了研究2,6-二氨基-3,5-二硝基吡啶-1-氧化物(ANPyO)基高聚物黏结炸药(PBX)的热安全性,分别以氟橡胶F2311和丁晴橡胶NBR-26为主体设计两种黏结剂体系,采用水悬浮-溶解-蒸馏法制备ANPyO基PBX炸药。利用扫描电子显微镜(SEM)、差示扫描量热法(DSC)和热重法(TG)表征不同黏结剂体系PBX的结构和性能,计算了两种黏结剂体系PBX的热分解动力学参数和热爆炸参数,并获得了被400K气氛环绕的半径为1m的球形、无限圆柱形或无限平板状PBX的热感度概率密度函数S(T)与温度T的关系曲线。结果表明,以丁晴橡胶NBR-26为黏结剂体系主体PBX的活化能E为173.19kJ/mol、指前因子ln(A/s-1)为28.58、自加速分解温度TSADT为550.01K、热点火温度Tbe为565.81K、热爆炸临界温度Tbp为625.06K;以氟橡胶F2311为黏结剂体系主体PBX的活化能E为143.78kJ/mol、指前因子ln(A/s-1)为22.89,自加速分解温度TSADT为539.99K,热点火温度Tbe为560.28K,热爆炸临界温度Tbp为615.55K;球形PBX的热安全性稍高于无限圆柱或平板状PBX,以丁晴橡胶NBR-26为黏结剂体系主体PBX的热安全性高于氟橡胶F2311为黏结剂体系主体PBX。