弹体缓释排气通道形成条件研究

【化学工程与材料科学】

弹体缓释排气通道形成条件研究

陈红霞，蒋治海，陈科全，路中华

(中国工程物理研究院化工材料研究所， 四川 绵阳621900)

摘要：为设计可靠的弹体排气缓释装置，提高缓释装置排气通道形成能力，通过试验研究了聚乙烯PE、工程塑料PBT、尼龙PA-6和聚碳酸酯PC四种低熔点材料在温度、压力及温度压力耦合作用下的反应特性,并研究了材料厚度对排气通道形成的影响；研究结果表明材料的温度特性是影响排气通道形成的决定因素，材料厚度影响形成排气通道所需要的压力大小,但对形成的排气通道面积影响较小；聚乙烯材料在炸药反应温度下形成排气通道能力强，可作为排气缓释装置材料；研究结果可为弹体排气缓释装置的设计提供有效参考。

关键词：缓释结构；低熔点材料；排气通道；温压耦合作用

收稿日期：2015-03-17

作者简介：陈红霞(1987—)，女，助理研究员，主要从事弹药设计及弹药毁伤威力评估研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.09.036

中图分类号：TJ55；O64

文章编号：1006-0707(2015)09-0145-05

收稿日期：2015-02-17

基金项目：国家自然科学基金的资助(51179197)

本文引用格式：陈红霞，蒋治海，陈科全，等.弹体缓释排气通道形成条件研究[J].四川兵工学报，2015(9):145-148.

Citation format:CHEN Hong-xia, JIANG Zhi-hai, CHEN Ke-quan，et al.Research on Formation Condition of Venting Channel of Missile[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(9):145-148.

Research on Formation Condition of Venting Channel of Missile

CHEN Hong-xia, JIANG Zhi-hai, CHEN Ke-quan，LU Zhong-hua

(Institute of Chemical Materials, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Abstract:To design a reliable venting device of missile with good ability to format a vent channel, the response properties of 4 low melting materials (polyethylene, engineering plastic PBT, Nylon PA-6 and Polycarbonate) under temperature, pressure and pressure-temperature comprehensive function were studied through experiments. At the time, influence of thickness in the ability of vent formation was studied in details, too. The results show that temperature dependence of these materials has a maximum effect on the vent-formatting capacity. The thickness of venting device has significant effect on the pressure to obtain a vent, but it makes little impact to the area of vent channel. Polyethylene can be used in venting device for its great capacity to format a vent under the reaction temperature of explosive. These results can provide some reference for design of venting device of missile.

Key words: venting device; low melting material; venting channel; pressure-temperature comprehensive

function

武器弹药在制造、运输、贮存和使用过程中，可能由火烧或高温等外刺激导致其装药密闭空间内的温度和压力升高，从而使其装药产生从燃烧到爆燃再到爆轰的链式反应，影响武器弹药的安全性。而排气缓释装置可在此情况下形成排气通道，释放燃烧热与气体，减小内压，从而有效降低装药的反应等级。因此，有效、可靠的排气缓释装置对提高弹药安全具有重要意义。

美欧等国最早将排气缓释结构应用于战斗部的设计中[1-4]。美国空军和海军通过在战斗部端部增加排气孔的方式将BLU-110、BLU-111和BLU-117战斗部的反应等级降为爆燃或燃烧，而BLU-109和BLU-122硬目标侵彻战斗部在设计阶段即已检验了相应排气技术的有效性[5]。徐双培[6]和智小琦等[7]通过开孔的方式试验研究了弹药壳体密封状态对快速烤燃响应特性的影响，发现采用一定的泄漏方式可有效降低传爆药的烤燃响应剧烈程度。Madsen等[8]则采用缩比试验研究了B炸药、PAX-28、PBXN-109和PBXN-9四种炸药在不同排气孔面积下的烤燃特性，发现排气孔面积的大小对炸药反应的猛烈程度影响显著，只有当排气通道足够大时才能有效降低炸药的反应剧烈程度。排气通道通过低熔点材料在炸药燃烧时的高温及高压综合作用下融化破裂而形成，因此低熔点材料在温度及压力作用下破裂的特性是决定排气缓释装置形成排气通道能力的关键。目前，针对排气缓释装置低熔点材料的选取尚无相关文献可供参考。本文通过试验对几种常见低熔点材料开展研究，以获得其在温度、压力及温度压力复合作用下形成排气通道的规律。为弹体排气缓释装置设计中低熔点材料的选取提供参考。

1试验装置及方法

1.1试验装置

试验装置如图1所示。该装置主要由筒体、端盖、压盖、低熔点组件等组成，筒体内腔尺寸为Ф100 mm×100 mm，壁厚为10 mm，端盖厚度为15 mm。在端盖的凹槽结构中放入低熔点材料组件，上下添加耐温垫圈保证筒体的密封性，采用螺钉将压盖与端盖连接，排气通孔直径为8 mm。

1.压力表； 2.出口控制阀； 3,入口控制阀；

排气缓释结构对低熔点组件材料有较高的要求。一方面在贮存、运输、正常使用条件下具有足够的强度，不影响弹药的应用需求。另一方面，在炸药受到高温或火烧刺激条件下，在达到炸药最低燃点或爆炸点前必须失去大部分强度，形成排气通道，降低弹药的反应剧烈程度，提高安全性。现有研究表明，炸药烤燃条件下的反应温度约为130℃～230℃。通过文献和市场调研，低熔点材料初选了聚乙烯(PE)、工程塑料(PBT)、尼龙(PA-6)和聚碳酸酯(PC)四种，相关的物理力学参数如表1所示。

表1　几种低熔点材料的物理力学参数

1.2试验方法

采用电热鼓风干燥箱对低熔点组件进行加热，干燥箱型号为HZG225BK，通过XMT微电脑智能温度控制器进行温度调节和控制，温度波动度≤±1.0℃，温度均匀度≤±2.5%，最高使用温度小于300℃，具有超温短路保护功能，内腔工作尺寸为600 mm×500 mm×750 mm。温度作用试验时，将相同厚度的四种低熔点材料的片材同时置于电热鼓风干燥箱内，然后以约5℃的升温速率对组件进行加热，每达到一个目标温度时，保温30 min，并记录低熔点材料的状态。

压力作用试验布局如图2所示。试验通过往图1所示装置中通入高压气体以控制压力变化，气体的导入导出通过软铜管实现。在端盖的两个通孔中插入软铜管，通过焊接固定，一铜管的另一端与活套球阀焊接后与高压转接阀连接，另一铜管与数字气压表连接。高压气体通过转接阀导出，经过连接铜管后进入筒体内腔，对低熔点组件进行压力作用，通过数字压力表对筒内的压力进行读数。试验时通过转接阀逐渐增大气压，每隔1 MPa压力记录一次试件状态。

温度压力耦合作用试验布局如图3所示。试验过程中，首先将装有低熔点组件的试验装置放置在干燥箱内加热，显示温度到达设定值后保温半小时，使低熔点组件充分受热并达到设定温度；然后打开高压氮气罐开关，通过转接阀逐渐增大气压，并时刻观察压力表读数，获得不同温度下形成排气通道时的压力值。

图2　排气缓释结构压力作用试验布局

图3　温度压力耦合作用试验布局

2结果与讨论

2.1温度作用试验结果

图4为不同温度作用下4种材料的状态，将其结果列于表2，可以看出当温度低于100℃时，4种材料几乎都没有发生状态变化。聚乙烯组件在110℃开始慢慢变软，历经半软化后在140℃时完全软化，在200℃时处于瘫化状态；工程塑料在140℃采开始逐渐变软，到220℃基本软化；而尼龙和聚碳酸酯在220℃变化不明显，只是略微变软。

图4　4种材料不同温度下的物理状态

2.2压力作用试验结果

为研究仅在压力作用下缓释结构能否形成排气通道，采用图2的试验装置研究了常温下4种低熔点材料组件在0～8 MPa压力作用下的变形情况，试验中组件厚度均为1 mm。试验结果如表3所示，在0～8 MPa压力作用下，所有组件均没有出现破坏,聚乙烯PE出现可见的凸起变形。因此，对所选取的4种试验材料，在常温下均具有足够的强度，在低压下无法单靠压力作用形成排气通道，排气缓释通道的形成需要压力与温度的共同作用。

表2　4种材料的温度作用试验结果

表3　4种材料的压力作用试验结果

2.3温度压力耦合作用试验结果

由于炸药导热系数远低于壳体材料，导致炸药的表面温度低于炸药温度，因此，材料形成通道的温度应低于炸药反应温(130～230℃)才能有效降低炸药的反应等级。根据压力试验结果可知，排气缓释通道的形成需要压力与温度的共同作用，因此其材料应在130℃下有明显状态变化。根据温度试验结果，选择在130℃度温度下状态变化明显的聚乙烯材料，进行温度压力耦合作用试验。试验采用了2 mm和3 mm两种不同厚度的聚乙烯片材。

不同温度下低熔点组件聚乙烯的变形和成孔试验结果如表4所列,不同厚度的试件形成的通道情况如图5、图6所示。由表4试验结果可见,温度越高,形成的排气通道越大，组件能承受的压强也越小。当温度为140℃时，低熔点组件基本处于熔融状态，无法对筒体进行加压，熔化的部分组件从孔内吹出，此温度下形成了充分的排气通道。低熔点材料组件处于熔融态以前，随着组件厚度的增加，相同温度下使试件破裂而形成排气通道所需的压力也越大,但所形成的排气通道大小相近。而随着温度的升高,形成的排气通道由小裂缝到小孔,直至完全融化通道充分形成。因此，材料的温度特性是影响排气通道形成的决定因素，当排气缓释装置的材料在爆燃温度下无法充分熔化时，通过压力作用形成的排气通道面积较小,难以可靠的满足充分降低炸药烤燃反应的剧烈程度所需的排气通道大小的要求。

表4　不同厚度聚乙烯组件的温度压力耦合作用试验结果

图5　2 mm 聚乙烯组件在不同温度下的破坏情况

图6　3 mm聚乙烯组件在不同温度下的破坏情况

3结论

通过试验研究了不同厚度的、不同类型的低熔点材料分别在不同温度、压力及温度压力耦合作用下形成排气通道的规律特性，研究结果表明：在炸药反应温度范围内，聚乙烯材料状态变化明显，适合用于排气缓释装置的设计制造；在排气缓释装置未完全熔化时，随着温度升高，形成的排气通道面积逐渐增大，但靠压力与温度综合作用形成的排气通道面积总体较小，完全熔化时形成的排气通道面积较大；排气缓释装置所用材料的温度特性是影响排气通道形成的决定因素。

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[8]MadasenT,DeFisherS,BakerEL,etal.Explosiveventingtechnologyforcook-offresponsemitigation.TechnicalReportARMET-TR-10003,2010(7):28.

(责任编辑杨继森)