高能燃烧剂销毁金属壳体装药的安全压力计算.pdf

ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００１-８３５２. ２０１８. ０１. ００３ 高能燃烧剂销毁金属壳体装药的安全压力计算 ❋ 王 浩 方 向 郭 涛 丁 文 宋佳星 中国人民解放军陆军工程大学野战工程学院 江苏南京，２１０００7 [摘 要] 为防止采用高能燃烧剂销毁带金属壳体的装药时发生燃烧转爆轰的现象，分析了装药燃烧转爆轰的机 理，研究了装药燃烧时的壳体内部的压力变化情况，结合气体动力学压力关系式，推导了稳定燃烧时的压力计算表 达式；以某型防坦克地雷为研究对象，计算了燃烧时的平衡压力，并结合试验分析了开孔直径与压力的变化关系。 结果表明燃烧产物质量生成速率曲线与产物排出速率曲线存在交点时，装药能够维持稳定燃烧，否则极易发生燃 烧转爆轰现象。 [关键词] 高能燃烧剂；稳定压力；燃烧转爆轰 [分类号] ＴＪ４５ ＋９ Ｓａｆｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ ｗｉｔｈ Ｍｅｔａｌ Ｓｈｅｌｌ Ｄｅｓｔｒｏｙｅｄ ｂｙ Ｈｉｇｈ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ＷＡＮＧ Ｈａｏ， ＦＡＮＧ Ｘｉａｎｇ， ＧＵＯ Ｔａｏ， ＤＩＮＧ Ｗｅｎ， ＳＯＮＧ Ｊｉａｘｉｎｇ Ｆｉｅｌｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ ，Ａｒｍｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ＰＬＡ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｎａｎｊｉｎｇ， ２１０００7 [ＡＢＳＴＲＡＣＴ] Ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｔｈｅ ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ ｏｆ ｄｅｆｌａｇｒａｔｉｏｎ ｔｏ ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｗｈｅｎ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ ｗｉｔｈ ｍｅｔａｌ ｓｈｅｌｌ ｗｅｒｅ ｄｅｓｔｒｏｙｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ， ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｄｅｆｌａｇｒａｔｉｏｎ ｔｏ ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｗａｓ ａｎａ- ｌｙｚｅｄ， ａｎｄ ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｅｌｌ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ ｗｅｒｅ ｂｕｒｎｉｎｇ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ. Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｌａ- ｔｉｏｎ ｗａｓ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｔｏ ｄｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｓｔａｂｌｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ. Ｏｎｅ ｋｉｎｄ ｏｆ ａｎｔｉ-ｔａｎｋ ｍｉｎｅｓ ｗａｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｓｕｂｊｅｃｔ ｏｆ ｒｅｓｅａｒｃｈ， ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｕｒｉｎｇ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ. Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ａｐｅｒｔｕｒｅ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ ｃｏｕｌｄ ｃｏｍｂｕｓｔ ｓｔｅａｄｙ ｗｈｅｎ ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｃｕｒｖｅ ａｎｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｒａｔｅ ｃｕｒｖｅ ｅｘｉｓｔｓ. Ｏｔｈｅｒｗｉｓｅ， ｉｔ ｉｓ ｐｒｏｎｅ ｔｏ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ｔｈｅ ｐｈｅ- ｎｏｍｅｎｏｎ ｏｆ ｄｅｆｌａｇｒａｔｉｏｎ ｔｏ ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ. [ＫＥＹＷＯＲＤＳ] ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ； ｓｔｅａｄｙ ｐｒｅｓｓｕｒｅ； ｄｅｆｌａｇｒａｔｉｏｎ ｔｏ ｄｅｔｏｎａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ 引言 燃烧销毁法是销毁废旧弹药的一种常用方法。 除了中小型口径枪弹外，普通的燃烧销毁法并不适 用于其他大多数带有金属壳体的弹药，而采用高能 燃烧剂则更加适用。 该方法由高能燃烧剂产生的极 高热量在短时间内熔穿弹药金属壳体，进而使内部 装填的炸药燃烧殆尽，达到销毁的目的。 炸药的安全燃烧是采用高能燃烧法销毁废旧弹 药的一项基本要求。 如果炸药在燃烧销毁的过程中 发生爆炸，则会产生各种爆破危害效应，不能满足燃 烧销毁的安全需求。 因此，很有必要对弹药壳体穿 孔后内部装药的安全燃烧条件进行研究。 根据燃烧转爆轰的发生原理[１]，燃烧转爆轰必 须在爆轰发生之前形成冲击波，这种冲击波是爆轰 形成的直接原因。 转变过程可以区分为 ３ 个阶段 １在燃烧波阵面后压力急剧增大，压力加速上 升产生压缩波，它穿过燃烧波阵面进入未燃烧的炸 药中； ２压缩波在火焰阵面前头的未燃烧炸药中汇 合，形成冲击波； ３冲击波诱发爆轰反应[２]。 当凝聚炸药燃烧加速进行时，凝聚相表面气化 的速度不断增加，由于气体产物的加速生成，前面的 气体产物还未来得及扩散，而后面的气体产物就已 第 ４7 卷 第 １ 期 爆 破 器 材 Ｖｏｌ. ４7 Ｎｏ. １ ２０１８ 年 ２ 月 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｆｅｂ. ２０１８ ❋ 收稿日期２０１7-０５-１５ 作者简介王浩１９９４ － ，男，硕士研究生，主要从事兵器科学与技术研究工作。 Ｅ-ｍａｉｌ7１４８４３１５7＠ ｑｑ. ｃｏｍ 压缩过来，这样就在前面的气体产物中形成压缩波。 随着燃烧不断加速进行，气体产物中的这些压缩波 逐渐叠加形成冲击波，当冲击波达到一定强度时，就 导致炸药由燃烧转为爆轰[３-５]。 Ｌｅｕｒｅｔ 等[６]研究了不同约束条件下压装炸药燃 烧转爆轰试验，表明在强约束下才有可能发生燃烧 转爆轰；陈朗等[7]根据高密度炸药状态，建立了炸 药燃烧转爆轰模型，利用数值模拟进行计算，结果显 示，炸药的反应程度和燃烧转爆轰趋势随着约束强 度的增加而增加。 因此，对于在密闭金属空间中的 主装药，采用高能燃烧剂销毁时必须对其内部压力 进行有效控制，确保炸药的安全燃烧，防止发生燃烧 转爆轰现象，而降低外界约束是控制内部压力的最 有效方法。 实际销毁作业中，通常采用高能燃烧剂燃烧才 能在废旧弹药金属壳体上迅速开孔来控制内部压 力。 易建坤等[８-１０]系统地研究了铁铝高能燃烧剂在 薄壁弹药销毁方面的配方与应用。 当弹药金属壳体 上被熔出一定面积的孔洞，就可使内部装药燃烧产 生的大量气体产物排出，避免由壳体内气体的过度 积聚导致压力急剧上升，从而防止内部装药发生燃 烧转爆轰。 本文中，笔者从理论上研究了弹药装药在开孔 的金属壳体中燃烧时压力的变化情况，推导了装药 能够稳定燃烧时壳体内部的压力计算公式，并以某 型防坦克地雷为例，计算了壳体内部燃烧的稳定压 力，再通过对稳定压力公式的分析和讨论，绘制了质 量生成速率与质量排出速率曲线，进而研究了高能 燃烧开孔尺寸与壳体内部稳定压力的关系，为高能 燃烧销毁技术中有效控制装药在金属壳体中燃烧时 的压力提供了理论依据，并通过试验进行验证。 在 实际销毁作业中，也为高能燃烧法销毁器[１１-１２]设置 方法以及高能燃烧剂的最小使用量提供了一定的理 论参考。 １ 炸药燃烧压力的推导 １. １ 基本假设 根据试验记录，使用高能燃烧剂销毁某型防坦 克地雷时，稳定燃烧阶段的时间较长。 通常，一颗地 雷的平均燃烧时间不少于１０ ｍｉｎ，为了便于计算，先 假定稳定燃烧过程所有介质的状态保持稳定，内部 压力和燃速也保持稳定。 此外，还必须有以下基本 假设 １燃烧产物为完全气体，满足完全气体的状态 方程； ２主装药的燃烧服从燃烧定律[１３]； ３壳体内部的燃烧产物均匀分布且状态处处 相同。 １. ２ 理论推导 当炸药燃烧稳定时，壳体内燃烧反应生成气体 的速率应当等于燃烧产物排出的速率。 根据该质量 守恒条件，可以得到 ｄｍｒ ｄｔ ＝ ｍｂ－ ｍｔ。１ 式中ｍｂ＝ ρＡｂ-ｒ；ｍｒ＝ -ρＶ；ρ、-ρ 分别表示炸药密度和 燃烧产物平均密度；Ａｂ表示炸药燃烧面积；ｍｒ、ｍｂ、 ｍｔ分别表示壳体内燃烧产物质量、生成质量和排出 质量；Ｖ 表示燃烧产物占有体积。 对式１微分后可以得到 ｄｍｒ ｄｔ ＝ -ρ ｄＶ ｄｔ ＋ Ｖ ｄ-ρ ｄｔ。 ２ 说明壳体内燃烧产物的质量变化由两部分组 成，其中，-ρｄＶ/ ｄｔ 表示单位时间内填充由于装药燃 烧而增加的容积所需的燃烧产物质量；Ｖｄ-ρ/ ｄｔ 表示 单位时间内改变燃气密度所需的燃气质量。 结合完 全气体状态方程，可以综合得到 -ρ ｄＶ ｄｔ ＋ Ｖ ｄ-ρ ｄｔ ＝ ｍｂ－ ｍｔ＝ ρＡｂ-ｒ － ｍｔ⇔ -ρＡｂ-ｒ ＋ Ｖ ＲＴ ｄ-ｐ ｄｔ ＝ ρＡｂ-ｒ － ｍｔ⇔ Ｖ ＲＴ ｄ-ｐ ｄｔ ＝ Ａｂ-ｒρ － -ρ － ｍｔ。３ 式中Ｔ 为燃烧产物的温度；-ｐ 为壳体内的压力。 由于炸药的燃烧符合指数燃速定律，并且在实 际的燃烧过程中，燃烧产物的密度远小于装药密度， -ρ ０ 时，压力将随时间而上升；当 ｄ-ｐ/ ｄｔ ０ 时，压力将随 时间而下降；当 ｄ-ｐ/ ｄｔ ＝０ 时，压力将处于稳定状态。 等式右边是产物质量的生成速率与排出速率之差， 其中，前半部分 Ａｂρａ ＋ ｂ-ｐｎ表示产物质量的生成 速率，后半部分 -ｐ ＲＴ Ａ ２ｃ ｋ －１[１ － ｐ０ -ｐ ｋ －１ ２ｋ] ｐ０ ｐ １ ｋ表示 产物质量的排出速率。 令 ｙ０＝ -ｐ ＲＴ Ａ ２ｃ ｋ －１[１ － ｐ０ -ｐ ｋ －１ ２ｋ] ｐ０ ｐ １ ｋ － Ａｂρ ａ ＋ ｂ-ｐｎ，ｙ１＝ Ａｂρａ ＋ ｂ-ｐｎ，ｙ２＝ -ｐ ＲＴ Ａ ２ｃ ｋ －１ [１ － ｐ０ -ｐ ｋ －１ ２ｋ] ｐ０ ｐ １ ｋ，利用表 １ 的数值，作出 ｙ０、ｙ１、ｙ２ 关 于 -ｐ 的曲线，得到质量生成速率与质量排出速率曲 线，如图 １ 所示。 根据图 １ 中的曲线，可以分析出壳体内压力的 变化过程。 曲线 ｙ１表示燃烧产物质量生成的速率， 是一条直线，取决于炸药的自身特性。 曲线 ｙ２表示 燃烧产物质量排出速率，是一条上凸的曲线，燃烧产 物排出的速率受燃烧产物的成分、温度、外界气压和 ８１ 爆 破 器 材 第 ４7 卷第 １ 期 图 １ 质量生成速率与质量排出速率曲线 Ｆｉｇ. １ Ｍａｓｓ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ａｎｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｒａｔｅ ｃｕｒｖｅｓ 开孔面积的影响。 曲线 ｙ０表示产物生成速率与产 物排出速率之差，曲线与横坐标轴的交点 ｍ、ｎ 即为 平衡压力，与曲线 ｙ１、ｙ２的交点 Ｍ、Ｎ 相对应。 在燃 烧初始状态，处于曲线 ＡＭ 段和 ＣＭ 段时，燃烧产物 的质量生成的速率高于产物排出的速率，燃烧产物 在壳体内堆积，压力逐渐上升。 随着压力的增长，燃 烧产物质量的生成速率速度小于排出速率，当达到 Ｍ 点时，燃烧产物质量的生成速率和排出速率相 等，处于平衡状态，壳体内的压力降稳定于 Ｍ 点处 的压力。 当燃烧的初始状态处于曲线的 ＭＮ 段时， 燃烧产物质量的生成速率小于排出的速率，壳体内 燃烧产物的质量将会下降，壳体内的压力也随之下 降，当压力降到 Ｎ 点时，燃烧产物质量生成速率又 和排出速率相同，压力稳定在 Ｎ 点处。 当燃烧状态 处于 ＮＢ 段和 ＮＤ 段时，燃烧产物质量的生成速率大 于排出速率，并且燃烧产物质量生成速率随压力的 增长速度也大于排出产物速率随压力的增长速度， 随着压力的增大，两者之间差距越来越大，壳体内压 力不断上升。 当壳体内压力达到一定值时，装药发 生燃烧转爆轰现象。 因此，Ｍ 点处的压力是一个稳定的压力，当炸 药燃烧状态处于 Ｍ 点附近时，会自动调整到 Ｍ 点处 的状态。 而 Ｎ 点是一个临界值，当壳体内压力小于 Ｎ 点处压力，会逐渐稳定到 Ｍ 点的状态，但如果大 于 Ｎ 点处的压力，壳体内的压力会逐渐增加，极易 发生爆轰现象。 曲线 ｙ２的位置和形状受多种因素影响，其中外 界约束为主要影响因素。 改变开孔的面积，曲线 ｙ１ 和 ｙ２的相交情况就会发生改变，如图 ２ 所示。 开孔直径下降时，Ｍ 点位置上移，Ｎ 点位置下 移。 当开孔的直径降低为 ３. ８８ ｃｍ 时，两点重合到 一起，即曲线 ｙ１、ｙ２只有一个交点，此时两曲线相 切；当开孔直径降低为 ３. ５０ ｃｍ 时，曲线 ｙ１、ｙ２没有 交点，也就是说燃烧产物生成的速率始终大于产物 排出的速率，壳体内的压力始终处于上升状态，这种 ａＤ ＝４. ００ ｃｍｂＤ ＝３. ９０ ｃｍ ｃＤ ＝３. ８８ ｃｍｄＤ ＝３. ５０ ｃｍ 图 ２ 不同孔径下质量生成速率与排出速率曲线 Ｆｉｇ. ２ Ｍａｓｓ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ａｎｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｒａｔｅ ｃｕｒｖｅｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｐｅｒｔｕｒｅｓ ９１２０１８ 年 ２ 月 高能燃烧剂销毁金属壳体装药的安全压力计算 王 浩，等 情况下极易发生燃烧转爆轰的现象。 ４ 试验 ４. １ 模拟地雷试验 普通防坦克地雷的主装药为 ＴＮＴ 或梯黑混合 熔铸炸药，药量 ５ ｋｇ 左右。 直接用实际地雷试验， 成本较高、风险大，因此设计了与地雷主装药一致的 模拟地雷进行试验，验证高能燃烧剂在融穿地雷壳 体之后能否可靠点燃主装药，主装药能否在密闭的 容器中安全燃烧。 模拟地雷的外壳由钢制成，材料的机械性能与 普通地雷外壳的性能相同。 与高能燃烧剂作用的一 面为厚度 ２ ｍｍ 的钢板，其他地方的厚度均远远大 于 ２ ｍｍ，钢板与下面壳体使用螺栓连接，使用耐高 温胶密封。 模拟地雷的内部密封有一个 ２００ ｇ 的 ＴＮＴ 药块，与一般地雷的主装药成分相同。 使用铁铝高能燃烧剂对模拟地雷进行销毁试 验，模拟地雷埋置于土中，高能燃烧剂放置于模拟地 雷上方，由于 １００ ｇ 铁铝高能燃烧剂对钢板的穿孔 能力不能达到炸药安全燃烧的条件，因此将高能燃 烧剂质量调整为 ２００ ｇ。 使用电点火方式进行点火。 高温熔渣融化了金属外壳后，点燃了模拟地雷的内 部主装药。 主装药安全稳定燃烧未转爆轰，从孔 洞处喷出火焰并冒出浓烟，剩余壳体保存完好。 整 个燃烧过程持续约 ２８ ｓ。 试验后测量孔径约为 ３. ９ ｃｍ。 见图 ３。 ４. ２ 金属外壳地雷销毁试验 销毁金属外壳地雷使用单个铁铝高能燃烧剂装 药，药量为 ２００ ｇ。 使用的地雷为某型铁壳防坦克地 雷，外壳为 ２ ｍｍ 厚的铁皮，药量约为 ５ ｋｇ。 整个销 毁试验的现象使用摄像机录制。 试验使用电点火方 式点燃高能燃烧剂，点火位置距离地雷约 ５００ ｍ。 从远程监控摄像头所拍摄到的地雷销毁燃烧视 频中截图见图 ４观察到，试验中装药燃烧的过程 基本一致，高能燃烧剂顺利点火，１０ ｓ 内在地雷壳体 上形成孔洞，试验后测量孔径约为 ４ ｃｍ。 高温熔渣 点燃了地雷的内部主装药，主装药安全燃烧，并从孔 洞处喷出火焰，冒出浓烟，剩余地雷壳体保存完好。 主装药燃烧约 ６６０ ｓ，燃烧过程中，由于壳体内部压 力大，火焰呈喷射状从壳体的穿孔中喷出。 ５ 结论 根据气体动力学及相关燃烧的理论[１５]，从理论 上推导了装药在壳体内燃烧时压力计算表达式，再 由试验进行了验证。 通过对平衡压力的求解以及对 稳定压力公式的分析，并结合试验具体情况，可以得 出结论 要使装药在壳体内稳定燃烧，其内部压力必须 处于一个稳定的状态。 反应到试验中，即排出气体 速率必须大于生成气体速率才可以保证不会发生燃 图 ３ 高能燃烧剂销毁模拟地雷 Ｆｉｇ. ３ Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｍｉｎｅ ｄｅｓｔｒｏｙｅｄ ｂｙ ｔｅｒｍｉｔｅ 图 ４ 高能燃烧剂销毁金属地雷 Ｆｉｇ. ４ Ｍｅｔａｌ ｍｉｎｅ ｄｅｓｔｒｏｙｅｄ ｂｙ ｔｅｒｍｉｔｅ ０２ 爆 破 器 材 第 ４7 卷第 １ 期 烧转爆轰。 所以，对于一种特定的装药结构，存在一个使炸 药安全燃烧的最小开孔面积。 当 ｙ１、ｙ２两曲线相切 时即对应最小开孔面积。 由于炸药本身装药结构和 装填不均匀性等原因，燃烧时可能存在一定程度的 压力波动。 因此，为确保装药能够安全燃烧，开孔的 面积应该略大于最小开孔面积，在条件允许的情况 下，应尽可能大一些。 即曲线 ｙ１、ｙ２应当有交点，而 只有当开孔面积必须大于某个值时，才能保证曲线 ｙ１、ｙ２有交点存在。 若开孔面积小于最小开孔面积， 内部压力则无法达到稳定，会不断升高，最终极易形 成冲击波，从而导致燃烧转爆轰现象的发生。 燃烧稳定时壳体内的压力理论计算公式不仅适 用于某型防坦克地雷燃烧销毁时内部压力的计算， 也适用于多种不同装药类型和装药结构的弹药计 算。 使用时，只需根据具体的弹药装药参数计算表 １ 中的参数即可，适用范围广，在理论指导和销毁实 践上具有重要意义。 参 考 文 献 [１] 张超， 马亮， 赵凤起， 等. 含能材料燃烧转爆轰研究 进展[Ｊ]. 含能材料，２０１５，２３１０１０２８-１０３６. 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