兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (1): 1-14.doi: 10.12382/bgxb.2022.0435
收稿日期:
2022-05-24
上线日期:
2024-01-30
通讯作者:
WANG Xinyu, JIANG Chunlan, WANG Zaicheng*(), FANG Yuande
Received:
2022-05-24
Online:
2024-01-30
摘要:
为提高JEO聚能装药战斗部的热安全性,对烤燃条件下JEO聚能装药战斗部的泄压结构进行研究。建立考虑热分解压力对烤燃过程影响的炸药烤燃多相流组分输送模型。设计多点测温-测压实验,对JEO炸药烤燃过程中的温度-压力变化特性进行研究并对模型相关参数进行校核,对聚能装药结构下JEO炸药的热分解过程进行数值模拟,获得不同升温速率下炸药温度、固相体积分数的变化规律,并确定了该结构下炸药的点火位置、点火压力。针对JEO炸药点火后的燃烧过程,引入泄压延迟时间,建立考虑泄压结构的炸药压力增长模型,确定该结构下JEO炸药的临界泄压面积,以热分解数值模拟中获得的点火位置和点火压力为初始条件,计算获得不同装药点火位置对炸药内部压力变化的影响规律。根据临界泄压面积、点火位置、炸药中的压力增长规律,确定侧壁泄压孔面积大小和端面药型罩压螺尺寸,设计适合该结构下JEO炸药的泄压孔-药型罩推出组合泄压结构。针对采用该泄压结构的JEO聚能装药战斗部进行快速烤燃和慢速烤燃实验,验证泄压结构的有效性。研究结果表明:随着升温速率的降低,JEO装药聚能战斗部的点火时间随之延长,点火位置由装药表面移动至装药中心;随着点火位置和泄压结构之间距离的增加,点火延迟时间增大,聚能装药战斗部内部压力峰值随之增加,战斗部的反应烈度随之增加。
中图分类号:
王新宇, 姜春兰, 王在成, 方远德. 烤燃条件下JEO聚能装药战斗部泄压结构研究[J]. 兵工学报, 2024, 45(1): 1-14.
WANG Xinyu, JIANG Chunlan, WANG Zaicheng, FANG Yuande. Research on the Pressure Relief Structure of JEO Shaped Charge Warhead during Cook-off[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(1): 1-14.
参数 | 取值 |
---|---|
NTO/% | 45.5 |
HMX/% | 45.5 |
化学式 | C3.045H4.600N5.000O4.660 |
密度ρ/(g·cm-3) | 1.78 |
生成焓ΔH/(kJ·kg-1) | -259.81 |
爆速DC-J/(m·s-1) | 8262 |
爆压pC-J/(GPa) | 29.25 |
粘结剂/% | 8 |
钝感剂/% | 1 |
爆热QP/(kJ·kg-1) | 4739 |
冲击感度PI/% | 18 |
摩擦感度PF/%) | 15 |
比热容Cp/(Jg·℃-1) | 1.05 |
热导系数λ/(W·m-1·K-1) | 0.7562 |
表1 JEO炸药性能
Table 1 The properties of JEO explosives
参数 | 取值 |
---|---|
NTO/% | 45.5 |
HMX/% | 45.5 |
化学式 | C3.045H4.600N5.000O4.660 |
密度ρ/(g·cm-3) | 1.78 |
生成焓ΔH/(kJ·kg-1) | -259.81 |
爆速DC-J/(m·s-1) | 8262 |
爆压pC-J/(GPa) | 29.25 |
粘结剂/% | 8 |
钝感剂/% | 1 |
爆热QP/(kJ·kg-1) | 4739 |
冲击感度PI/% | 18 |
摩擦感度PF/%) | 15 |
比热容Cp/(Jg·℃-1) | 1.05 |
热导系数λ/(W·m-1·K-1) | 0.7562 |
参数 | 数值 |
---|---|
指前因子A/s-1 | 1.97×1014 |
活化能E/(J·mol-1) | 117360 |
摩尔质量MW/(g·mol-1) | 185.7 |
温度指数m | 0 |
压力指数δ | 0.7 |
参考温度T0/K | 262 |
参考压力p0/Pa | 101325 |
表2 化学反应动力学参数[22]
Table 2 Chemical reaction kinetic parameters[22]
参数 | 数值 |
---|---|
指前因子A/s-1 | 1.97×1014 |
活化能E/(J·mol-1) | 117360 |
摩尔质量MW/(g·mol-1) | 185.7 |
温度指数m | 0 |
压力指数δ | 0.7 |
参考温度T0/K | 262 |
参考压力p0/Pa | 101325 |
结构 | 密度/ (g·cm-3) | 热导率/ (W·m-1·K-1) | 比热容/ (J·kg-1·K-1) |
---|---|---|---|
壳体 | 2.72 | 202.4 | 871 |
装药 | 1.78 | 0.7562 | 1050 |
表3 热力学参数
Table 3 Thermodynamic parameters
结构 | 密度/ (g·cm-3) | 热导率/ (W·m-1·K-1) | 比热容/ (J·kg-1·K-1) |
---|---|---|---|
壳体 | 2.72 | 202.4 | 871 |
装药 | 1.78 | 0.7562 | 1050 |
参数 | 计算值 | 实验数据 | 误差/% |
---|---|---|---|
点火时间/s | 10690 | 10692 | 0.01 |
点火温度/K | 492 | 495 | 0.6 |
压力峰值/MPa | 1.67 | 1.59 | 5 |
表4 计算结果与实验结果对比(1K/min)
Table 4 Comparison of calculated and test results (1K/min)
参数 | 计算值 | 实验数据 | 误差/% |
---|---|---|---|
点火时间/s | 10690 | 10692 | 0.01 |
点火温度/K | 492 | 495 | 0.6 |
压力峰值/MPa | 1.67 | 1.59 | 5 |
网格尺寸/mm | 时间步长/s | 点火时间/s | 误差/% |
---|---|---|---|
1.0 | 10762 | 0.6 | |
1.0 | 0.5 | 10732 | 0.3 |
0.1 | 10732 | 0.3 | |
1.0 | 10742 | 0.40 | |
0.5 | 0.5 | 10690 | 0.01 |
0.1 | 10690 | 0.01 | |
1.0 | 10730 | 0.30 | |
0.1 | 0.5 | 10689 | 0.02 |
0.1 | 10689 | 0.02 |
表5 网格以及时间步长无关性验证
Table 5 Mesh and time step independence verification
网格尺寸/mm | 时间步长/s | 点火时间/s | 误差/% |
---|---|---|---|
1.0 | 10762 | 0.6 | |
1.0 | 0.5 | 10732 | 0.3 |
0.1 | 10732 | 0.3 | |
1.0 | 10742 | 0.40 | |
0.5 | 0.5 | 10690 | 0.01 |
0.1 | 10690 | 0.01 | |
1.0 | 10730 | 0.30 | |
0.1 | 0.5 | 10689 | 0.02 |
0.1 | 10689 | 0.02 |
结构 | 材料 | 密度/ (kg·m-3) | 热导率/ (W·m-1·K-1) | 比热容/ (J·kg-1·K-1) |
---|---|---|---|---|
药型罩 | Al/PTFE | 2420 | 0.49 | 436 |
下部壳体 | 45号钢 | 7850 | 49.8 | 502.48 |
上部壳体 | 铝 | 2719 | 202.4 | 871 |
引信 | 等效材料 | 7300 | 49.8 | 502.48 |
引信传爆药 | 惰性等效材料 | 1765 | 0.75 | 1050 |
压螺 | 45号钢 | 7850 | 49.8 | 502.48 |
表6 聚能装药战斗部各部分热力学参数
Table 6 Thermodynamic parameters of each part of shaped charge structure
结构 | 材料 | 密度/ (kg·m-3) | 热导率/ (W·m-1·K-1) | 比热容/ (J·kg-1·K-1) |
---|---|---|---|---|
药型罩 | Al/PTFE | 2420 | 0.49 | 436 |
下部壳体 | 45号钢 | 7850 | 49.8 | 502.48 |
上部壳体 | 铝 | 2719 | 202.4 | 871 |
引信 | 等效材料 | 7300 | 49.8 | 502.48 |
引信传爆药 | 惰性等效材料 | 1765 | 0.75 | 1050 |
压螺 | 45号钢 | 7850 | 49.8 | 502.48 |
图14 聚能装药战斗部裂纹扩展简化模型(左为简化前的战斗部,右为简化后的圆柱结构)
Fig.14 Simplified model of structure crack propagation(left: warhead, and right: simplified cylindrical structure)
参数 | 数值 |
---|---|
ρe0/(g·cm-3) | 1.78 |
Ve0/cm3 | 1561.3 |
α | 0.28 |
β | 0.924 |
pIG/MPa | 0.32(3K/s) |
2.9(3.3K/h) | |
Smax/(cm2·g-1) | 208.3 |
m | 1.43 |
CD | 0.78 |
a*/(m·s-1) | 725 |
G/MPa | 2570 |
ν | 0.3 |
M/MPa | 3375 |
表7 压力增长模型所用参数
Table 7 Parameters used in the pressure growth model
参数 | 数值 |
---|---|
ρe0/(g·cm-3) | 1.78 |
Ve0/cm3 | 1561.3 |
α | 0.28 |
β | 0.924 |
pIG/MPa | 0.32(3K/s) |
2.9(3.3K/h) | |
Smax/(cm2·g-1) | 208.3 |
m | 1.43 |
CD | 0.78 |
a*/(m·s-1) | 725 |
G/MPa | 2570 |
ν | 0.3 |
M/MPa | 3375 |
[1] |
doi: 10.1016/j.oceaneng.2018.04.022 URL |
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