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      水射流出口壓力對HTPB推進(jìn)劑沖擊安全性的影響

      2012-01-29 07:33:00蔣大勇王煊軍
      火炸藥學(xué)報 2012年4期
      關(guān)鍵詞:飛片水射流水錘

      蔣大勇,王煊軍

      (1.武警工程大學(xué)科研部,陜西 西安710086;2.第二炮兵工程大學(xué),陜西 西安710025)

      引 言

      在涉及到退役固體導(dǎo)彈武器的無害化處理時,其發(fā)動機(jī)裝藥的安全清除便成為一個不可避免的問題。高壓水射流由于具有“降感、降溫”等優(yōu)點,已成為目前最為理想的方式之一。在處理過程中高壓水與推進(jìn)劑仍屬于剛性接觸,在特定條件下有可能引起推進(jìn)劑的燃燒甚至爆炸,從而造成巨大損失[1]。雖然事故原因和點火起爆機(jī)理至今尚不明確,但有研究證明[2],在推進(jìn)劑的種類、配方以及外界因素確定的前提下,點火臨界條件主要與水射流的水力、射流參數(shù)有關(guān),特別是沖擊燃燒/爆炸的外因與射流的出口壓力密不可分。目前,國內(nèi)外有關(guān)安全出口壓力的相關(guān)資料較少,特定推進(jìn)劑對應(yīng)的水射流安全出口壓力的標(biāo)準(zhǔn)也尚未建立,因此開展該方面的研究十分必要。

      本實驗以HTPB推進(jìn)劑為研究對象,借助臨界起爆實驗與溫升實驗將出口壓力與沖擊安全性建立聯(lián)系,有針對性地對其進(jìn)行定量分析,為建立高壓水射流沖擊HTPB 推進(jìn)劑的安全性標(biāo)準(zhǔn)提供理論依據(jù)。

      1 理論計算

      1.1 出口壓力的選擇

      出口壓力是指水射流經(jīng)由噴嘴出來的最初壓力,其經(jīng)靶距過程中的壓力損耗達(dá)到界面時便成為滯止壓力Ps。在沖擊過程中是最終反映有效破壞的關(guān)鍵因素,而出口壓力P0是滯止壓力的衡量指標(biāo)。當(dāng)水射流的靶距一般處于起始段內(nèi),且噴嘴直徑不變的情況下,壓力損耗一般約為滯止壓力的49%。在工程實踐中,出口壓力與滯止壓力的經(jīng)驗公式為[3]:

      式中:Pz為損耗壓力,MPa。

      對于推進(jìn)劑而言,極限破壞點主要是依據(jù)其抗壓強度的大小而定。選擇20℃時HTPB 推進(jìn)劑的抗壓強度作為破壞依據(jù),見表1。使材料產(chǎn)生明顯破壞的壓力稱為門限壓力[4],而水射流以最低的比能工作時,所對應(yīng)的最小滯止壓力一般為門限壓力的3倍,故表達(dá)式為:

      式中:P′s為最小滯止壓力,MPa;Pm為門限壓力,MPa。

      經(jīng)計算可知,當(dāng)門限壓力大于11MPa時,射流可以對推進(jìn)劑實施有效的破壞,此時的最小滯止壓力為33MPa,由公式(1)和公式(2)可得,出口壓力不應(yīng)低于60MPa。

      表1 HTPB推進(jìn)劑的力學(xué)性能(20℃)Table 1 Mechanical properties of HTPB propellant(20℃)

      1.2 推進(jìn)劑對沖擊載荷的動態(tài)響應(yīng)

      高壓水射流作為推進(jìn)劑的沖擊源時,由于剛性特征明顯,屬于強沖擊載荷范圍[5],符合推進(jìn)劑對沖擊載荷的動態(tài)響應(yīng)理論。在確定最低出口壓力后,在該壓力作用下推進(jìn)劑的安全性必須進(jìn)行點火模式的研究。

      當(dāng)高速水射流的頭部剛剛接觸到推進(jìn)劑表面時,一旦射流速度達(dá)到某一臨界值,推進(jìn)劑的表面狀態(tài)參數(shù)會發(fā)生突變,并形成應(yīng)力波以加速物料破壞,即水錘壓力。水錘壓力作用于推進(jìn)劑表面的持續(xù)時間僅為微秒級,然后會迅速衰減并基本穩(wěn)定為滯止壓力,隨著沖擊作用的持續(xù),便形成了準(zhǔn)靜態(tài)加載過程。根據(jù)應(yīng)力波理論,在特定出口壓力下,高壓水射流產(chǎn)生的水錘壓力和滯止壓力一高一低,對沖擊載荷的動態(tài)響應(yīng)可分為沖擊轉(zhuǎn)爆轟(SDT)過程和長持續(xù)脈沖時間壓力起爆(LALDS)過程兩種情況。

      對于強沖擊載荷作用下,推進(jìn)劑在SDT 過程中發(fā)生爆轟的準(zhǔn)則為:

      式中:τ為沖擊向爆轟的轉(zhuǎn)換時間,s;Pt為推進(jìn)劑界面沖擊波壓力,MPa;K為實驗常數(shù)。

      由于強沖擊載荷作用下沖擊波轉(zhuǎn)換成爆轟波的時間非常短,以現(xiàn)階段的技術(shù)很難測量獲得。在這種情況下,沖擊波誘導(dǎo)爆轟的準(zhǔn)則可近似認(rèn)為水錘壓力Pt是否超過臨界起爆壓力Pc,即若:

      則推進(jìn)劑安全,否則會發(fā)生爆炸,甚至爆轟。

      由臨界起爆判據(jù)可知,沖擊安全性除與臨界壓力有關(guān)外,還與壓力脈沖持續(xù)時間τ直接相關(guān)。對于LALDS過程,當(dāng)推進(jìn)劑的界面壓力低于臨界起爆壓力時,起爆判據(jù)可表述為:

      從熱爆炸的判據(jù)來看,在滯止壓力階段Pnτ的概念蘊含著輸入單位體積推進(jìn)劑內(nèi)的能量達(dá)到某一臨界值才能發(fā)生爆炸,這種變化一般以推進(jìn)劑內(nèi)部溫度的升高為外在表現(xiàn)形式,其衡量標(biāo)準(zhǔn)為臨界溫度。根據(jù)布登“熱點”理論與耗散模量模型,只有在固體黏彈材料中形成熱點并持續(xù)一定時間(10-7s),達(dá)到一定尺寸(半徑10-3mm)和溫度(爆發(fā)點)時,外力對推進(jìn)劑所做的功才能與Pnτ建立聯(lián)系。從這個角度上說,臨界溫度是指推進(jìn)劑發(fā)生熱爆炸的溫度[6]。

      1.3 水錘壓力的計算

      水錘壓力是SDT 過程的主要危險因素,其作用時間很短,并主要取決于高壓水射流在推進(jìn)劑表面產(chǎn)生的液滴的大小及水射流的速度;在一維條件近似下,水錘壓力的大小可以由下式確定:

      式中:Pc為水錘壓力,MPa;ρ1為水射流的密度,g/cm3;c1為水射流的聲速,m/s;v為水射流的速度,m/s;P0為噴嘴的出口壓力,MPa。

      由于HTPB推進(jìn)劑屬于非均質(zhì)黏彈性物質(zhì),因此界面上的壓力峰值將小于計算結(jié)果[3]。如果實際參照內(nèi)部速度為D的沖擊波,在一維近似下,界面上的峰值壓力為:

      沖擊波速關(guān)系和侵徹速度公式為:

      式中:v1為水射流的相對速度,m/s;v2為推進(jìn)劑界面相對速度,m/s。

      在實際應(yīng)用中,水的密度ρ1=1.0g/cm3,水的聲速c1=1 500m/s;推進(jìn)劑的密度ρ2=1.8g/cm3,a=1 520m/s,b=2.53。當(dāng)出口壓力P0=60MPa時,此時的水射流速度v1=343.2m/s,根據(jù)式(6)~(8)來計算出此時的水錘壓力約為0.82GPa。如表2所示,隨著出口壓力的增加,水錘壓力增加,但其始終低于臨界起爆壓力。

      表2 不同出口壓力對應(yīng)的水力參數(shù)Table 2 Hydraulics corresponding to outlet pressure

      1.4 臨界溫度的測定

      通過實驗得到的臨界溫度,旨在控制高壓水射流作用下HTPB推進(jìn)劑內(nèi)部溫度變化的最高點,并以此制訂容許的最高極限工藝溫度。為明確臨界溫度的范圍,需要測定推進(jìn)劑受熱后的熱分解溫度和爆燃溫度,根據(jù)QJ1468-1988復(fù)合固體推進(jìn)劑初始熱分解溫度和爆燃溫度實驗方法,進(jìn)行DSC差熱分析測試。實驗條件在靜態(tài)氦氣氣氛中,以15℃/min的恒定加熱速率升溫,測量放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)數(shù)值的大小,結(jié)果見圖1。

      圖1顯示,HTPB推進(jìn)劑的吸熱峰和放熱峰分別出現(xiàn)在180℃和362℃,因此,可以斷定其臨界溫度在二者之間。如果去除安全系數(shù)40℃和傳感器誤差以后[7],HTPB推進(jìn)劑的工藝上限溫度在理論上不應(yīng)超過230℃。但在實際操作中,出于安全方面的考慮,一旦達(dá)到吸熱溫度就要引起操作人員的高度重視并采取相應(yīng)措施,因為推進(jìn)劑組分AP 此刻開始吸熱,并發(fā)生晶型變化,這是發(fā)生危險的先兆。

      圖1 HTPB推進(jìn)劑的DSC測試結(jié)果Fig.1 Test results of HTPB propellant obtained by DSC

      2 實驗部分

      2.1 材料與儀器

      根據(jù)QJ 1113-1987復(fù)合固體推進(jìn)劑性能測試用試樣制備兩種不同規(guī)格的中燃速推進(jìn)劑方坯,尺寸分別為Φ30mm×60mm 和13cm×13cm×50cm,密度均為1.80g/cm3。

      前者用于沖擊起爆實驗,其輸出端藥柱為鈍化RDX,驗證板為厚度6mm 的均質(zhì)鋁板,隔板與飛片為同一材料,隔板直徑為30mm;飛片直徑為30mm,厚度為2.5mm 和5mm。

      后者用于溫升實驗,需在內(nèi)部預(yù)定點位埋設(shè)溫度傳感器(型號PT100,測量精度0.1℃,北京九純健公司)。利用自研的DPA 切割實驗系統(tǒng)與6通道記錄儀記錄切割過程中的溫升變化,如圖2所示。

      圖2 DPA 切割實驗系統(tǒng)Fig.2 DPA test system

      2.2 沖擊起爆實驗

      2.2.1 實驗原理

      水射流在高壓條件下可近似認(rèn)為剛性物質(zhì)[4],假定推進(jìn)劑屬于內(nèi)部不存在原生的孔隙、裂紋或雜質(zhì)等缺陷的聚合體,理想高壓水射流對HTPB推進(jìn)劑表面的沖擊作用應(yīng)符合以下規(guī)律:射流斷面恒定不變,斷面內(nèi)速度離噴嘴的距離分布均勻,射流的性質(zhì)不隨物體離噴嘴距離加大而改變。按照一維沖擊波傳播理論,則射流對推進(jìn)劑沖擊過程可簡化為飛片沖擊模型;隔板可視為具有一定厚度的水幕,其材質(zhì)與飛片(水射流)相同,飛片厚度應(yīng)視為靶距。水射流作用下的臨界起爆壓力可等同于飛片作用下的臨界起爆壓力,如圖3所示。

      圖3 水射流的飛片沖擊模型Fig.3 Schematic model for flying plate impacting test

      2.2.2 實驗方法

      采用簡易平面波發(fā)生器爆炸驅(qū)動飛片高速撞擊帶隔板裝藥,對HTPB 推進(jìn)劑(AP/Al/wax)進(jìn)行沖擊起爆實驗。以板痕對比法,研究在相同條件下發(fā)生50%爆轟的臨界隔板厚度及臨界起爆壓力[8]。實驗前,進(jìn)行專門實驗測試了平面波發(fā)生器輸出波,波陣面平整度為64ns,加載2.5mm和5mm 兩種厚度(靶距)的飛片,速度均為350m/s。

      2.3 溫升實驗

      2.3.1 實驗原理

      為保證處理過程中任意時刻推進(jìn)劑內(nèi)部溫度小于臨界溫度,必須對溫度適時監(jiān)測。鑒于水射流沖擊的實時性,在推進(jìn)劑內(nèi)部相應(yīng)點位埋設(shè)一組溫度傳感器,當(dāng)壓力作用于界面并發(fā)生溫度變化時,實時信號被采集并傳輸?shù)酵獠康挠涗泝x上。通過比較內(nèi)部溫度與推進(jìn)劑的臨界溫度,從而判定高壓水射流沖擊作用的危險性[4]。

      2.3.2 實驗方法

      安裝固定推進(jìn)劑方坯,并確定溫升實驗的工藝參數(shù)為靶距30mm、噴嘴直徑0.25mm。具體操作過程如下:在監(jiān)控探頭的指引下,通過CNC 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)將噴頭移動到工作原點;打開高壓系統(tǒng)油泵,設(shè)定好系統(tǒng)出口壓力,調(diào)整好噴嘴與推進(jìn)劑表面的距離和角度,在選定范圍的不同壓力和不同時間內(nèi)執(zhí)行相關(guān)程序。為防止誤差干擾,溫度的采集應(yīng)先于高壓水而開啟,溫度的記錄及相應(yīng)溫升關(guān)系曲線的建立則應(yīng)在高壓水開啟10s后開始。

      3 結(jié)果與討論

      3.1 水錘壓力對沖擊起爆的影響

      根據(jù)沖擊波一維傳播理論,接觸面上沖擊波壓力P0和粒子質(zhì)點速度u0可表述為:

      其中水射流密度為ρ1,Hugoniot參數(shù)為a1、b1,沖擊速度為v0;推進(jìn)劑密度為ρ2,Hugoniot參數(shù)為a2、b2,沖擊波衰減系數(shù)為x1。

      沖擊波在隔板中傳播時會損失能量而不斷衰減,到達(dá)隔板和推進(jìn)劑接觸面上的沖擊波壓力Pn和粒子質(zhì)點速度μ0分別為:

      式中:hn為臨界起爆隔板厚度測試中所測得的L50。

      當(dāng)沖擊波到達(dá)推進(jìn)劑接觸面時,將向內(nèi)部產(chǎn)生投射。根據(jù)動量守恒和介質(zhì)連續(xù)條件,投射進(jìn)入推進(jìn)劑的沖擊波壓力和質(zhì)點速度分別為:

      ρ02·u1(a2+b2·u1)=ρ01[a1+b1(2u0-u1)(2u0-u1)]

      得到透射進(jìn)入推進(jìn)劑的沖擊波質(zhì)點速度為:

      式中:A=ρ02b2-ρ01b;B=ρ02a2+ρ01a1+4ρ01b1u0;C=-(2ρ01a1u0+4ρ01b1u20)

      通過實驗裝置中的錳銅壓阻計測得兩種厚度飛片(ht1,ht2)的HTPB 推進(jìn)劑臨界起爆隔板厚度(hn1,hn2)。根據(jù)實驗結(jié)果,將已知參數(shù)代入上述公式中,通過計算得到該推進(jìn)劑在金屬鋁飛片沖擊條件下的臨界起爆壓力Pt,結(jié)果見表3。

      表3 沖擊起爆實驗結(jié)果Table 3 Result obtained by initiation test

      在相同靶距條件下,考慮到水射流的密度比金屬材質(zhì)的飛片密度小2.7倍。通過計算可知,出口壓力為60MPa下的高壓水射流在推進(jìn)劑內(nèi)部所產(chǎn)生的臨界起爆壓力約為2~3GPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于該壓力下產(chǎn)生的水錘壓力0.82GPa。因此,水錘壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于此時的臨界起爆壓力(見表3),對SDT 過程中的安全性不構(gòu)成任何威脅。

      3.2 滯止壓力對溫升變化的影響

      向事先埋設(shè)溫度傳感器的推進(jìn)劑表面進(jìn)行沖擊作業(yè),切割時間20min后溫度趨于穩(wěn)定,不同的出口壓力(P0)下內(nèi)部溫升變化如圖4所示。

      由圖4可知,出口壓力在60~90MPa時,溫升變化趨勢幾乎一致,即前期溫升速率很快,達(dá)到某一時間點后平穩(wěn)。究其原因在于沖擊摩擦生熱并在推進(jìn)劑內(nèi)部形成熱點,并引起推進(jìn)劑的放熱反應(yīng),溫升速率較快;后期溫升速率較慢的原因在于推進(jìn)劑已被破壞,熱量不易積聚,逐漸達(dá)到平衡。當(dāng)出口壓力達(dá)到100MPa后,溫升變化呈階梯式增長,約在13min時出現(xiàn)最高溫度值126℃,之后開始緩慢下降,最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在LALDS過程中,出口壓力為100MPa時的溫度峰值雖然遠(yuǎn)未達(dá)到HTPB推進(jìn)劑的臨界溫度,但其溫度變化趨勢與以往壓力下的不同,已經(jīng)出現(xiàn)放熱峰,進(jìn)一步實驗溫升變化出現(xiàn)不穩(wěn)定跡象的幾率會大大增加,其溫度峰值很有可能達(dá)到或超過臨界溫度值。因此,有必要將100MPa作為出口壓力的上限。

      圖4 不同壓力下推進(jìn)劑內(nèi)部溫升變化Fig.4 Temperature rise in propellant under different pressures

      4 結(jié) 論

      (1)射流出口壓力的合理選擇是保證沖擊HTPB推進(jìn)劑安全性的前提條件。出口壓力的選擇原則應(yīng)“就低不就高”,在滿足推進(jìn)劑破碎的前提下,應(yīng)將重點放在功率、出口壓力和流量的合理匹配,而不是單純提高壓力。

      (2)根據(jù)沖擊起爆實驗和內(nèi)部溫升實驗的結(jié)果,得出滿足水射流切割HTPB 推進(jìn)劑條件的最低出口壓力為60MPa,并分析得出上限為100MPa。在此區(qū)間內(nèi)的高壓水射流對于推進(jìn)劑既能實施沖蝕破碎,又能保證過程的安全性。

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