低密实PETN炸药静电放电响应特性及机制研究

发布时间：2020-08-04 09:22

【摘要】：低密实炸药由于具有较大的孔隙率和较高的渗透性,更易于静电放电的击穿和引燃而造成安全事故。本文以低密实PETN炸药为研究对象,以桥丝式火工品为试验载体,采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的手段,对低密实炸药静电放电条件下的响应特性、影响规律以及作用机制进行了研究。建立了可模拟不同静电放电条件的试验装置及方法,获得了低密实炸药的静电放电响应特性及规律,提出了炸药静电损伤的表征和量化分析方法,得到了静电放电火花能量的转化效率及组成,揭示了低密实炸药的静电放电作用过程及机理。研究工作对于深入认识低密实炸药的静电放电响应机制,从而指导其使用过程的静电安全有重要意义。研制了几种典型人体静电放电模拟装置,建立了基于直升机模型的高能量静电放电试验系统,设计了模拟低密实炸药静电放电击穿和引燃的试验装置。通过对人体模型输出波形特性参数的测试,以及对火工品作用效应影响因素的试验研究,分析得到了静电放电能量是影响炸药响应的关键因素,从而确定了试验采用的人体静电放电模型参数为500pF和100Ω。研究了炸药密实程度对静电击穿的影响规律,试验发现,炸药密实程度越低,静电放电击穿电压越小,放电击穿通道的扩展直径更大,炸药的疏松效应以及热分解反应越明显;采用微焦点CT检测技术对低密实PETN炸药的损伤进行了表征,获得了损伤的典型形貌以及分布区域细节。损伤的形貌呈现典型的“树杈”形状,主要分布在桥丝焊点和壳体间的区域内,越接近电极塞的部分损伤越严重,这与该处距离壳体较近,静电更易释放,且放电能量更为集中有关。提出了始发药损伤程度的量化计算方法,通过计算损伤密度疏松区占有效起爆始发药体积的百分比,获得了低密实炸药损伤程度对其传爆性能的影响关系。结果表明,随着炸药损伤程度的提高其传爆可靠性降低,影响炸药可靠传爆的损伤度临界阈值约为5%。分析认为,炸药损伤产生的密度疏松区在爆燃波传播过程中的稀疏波效应是导致其传爆性能变差的主要原因。研究了高能量静电作用下以火工品为载体的低密实PETN炸药的响应特性。结果发现,静电放电火花的热效应使PETN炸药发生分解反应并产生爆燃,而炸药最终反应烈度主要取决于火工品壳体和电极塞的约束强度;研究了静电火花能量转化效率的影响因素及组成分布。结果表明,静电火花能量转化效率随放电电压和间隙的增加呈增大趋势。静电火花能约占电容存储总能量的10.6%～18.8%,其中静电火花能中约有80%转化为热能,因此,静电放电火花的热效应是导致炸药发生反应的主因。研究提出了低密实炸药静电放电作用过程的物理图像及机制:低密实炸药中的空气首先被击穿形成放电通道,通道内空气瞬时受热膨胀以及部分炸药受热分解产生的气体共同形成压缩波,不断对未反应炸药进行压缩使其密度增加,同时,炸药受热分解后在局部形成高温热点,反应的不断迭代导致热点逐渐增加,药剂发生燃烧,最终反应烈度会受约束等因素影响转变为爆燃、爆轰或者熄灭。分别采用ANSYS MAXWELL软件和FLUENT软件对炸药静电击穿以及热传递过程进行了模拟,结果显示:炸药颗粒及其孔隙在局部微区域内的可能击穿路径是沿炸药颗粒表面且路径较短的、电场强度大于空气击穿场强的弯曲折线。以衰减热流作为入口输入条件,并且设定壁面为恒温条件,炸药热传递以及温度变化更接近于静电放电火花使炸药点火的实际过程。模拟从理论上说明了静电击穿路径的形成机理及其过程,再现了炸药内部的热传导和热分解过程。
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ560.1
【图文】：

静电火花感度,粉尘云,炸药,测试装置

灥ｇ逡逑图ｉ．ｉ炸药静电火花感度测试装置逡逑炸药静电火花感度测试中常用的样品状态为炸药颗粒或粉末。在生产和使用过程中，逡逑若炸药粉末与空气混合形成炸药粉尘云时最易发生静电危险。图１．２所示为对炸药粉尘逡逑云进行静电感度测试采用的仪器和设备［６９＿７１１。该设备利用高压气体将预先放置在样品盘逡逑中炸药粉末吹散，并在密闭容器中形成一定浓度的炸药粉尘云，然后用不同能量的静电逡逑火花将其引燃从而测试静电感度。逡逑？Ｌ偏逡逑焌。匪逡逑图１．２炸药粉尘云静电火花感度测试装置逡逑３逡逑

试验装置图,静电安全,固体推进剂,试验装置

除炸药粉末及炸药粉尘云的静电感度测试装置外，人们对成型炸药的静电火花感度逡逑测试装置及方法也开展了许多研究工作，大部分的研宄主要集中在固体推进剂静电感度逡逑测试方面｜１３＞１４’７２＿７５１。最初测试固体推进剂静电火花感度的装置与图１．１所示的炸药静电逡逑火花感度测试装置基本相同。１９８５年，由于静电放电引燃推进剂导致“潘兴’’ＩＩ导弹发生逡逑爆炸，造成了重大的人员伤亡。该事故促使人们对固体推进剂静电感度测试装置和方法逡逑开展了更为细致的研宄Ｐ３１，发现图１．］的方法因为电火花的加热作用只发生在电火花与逡逑推进剂试样表面的接触点上，高温的气体放电通道仅与空气接触，大量的热耗散于空气逡逑中，电火花加热方式的能量利用率很低，无法准确测得作用在推进剂试样上的能量，从逡逑而对其静电安全性作出正确预测。美国海军水面武器中心｜７３１、Ｂｅｌｌｅｒｂｙ１７６１等都进行了研逡逑宄和改进，其中Ｌｅｅ１６８１的工作最具代表性，其设计的试验装置见图１．３所示，主要改进逡逑如下：①增强导电性：在试样上涂一层导电胶以确保试样与电极之间的导通性；②增加逡逑接触压力：两电极间的距离可调，能够对有弹性试样施加一定的压力载荷，确保试样与逡逑电极接触紧密；③提高测试精度：提高电压、电流信号记录所用示波器、高压探头和电逡逑流探头的精度和灵敏度；④增加观测手段：推进剂在静电放电作用下的点火过程采用高逡逑速摄影仪进行记录

波形,放电电流,人体,波形

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