【摘要】：低密實(shí)炸藥由于具有較大的孔隙率和較高的滲透性,更易于靜電放電的擊穿和引燃而造成安全事故。本文以低密實(shí)PETN炸藥為研究對(duì)象,以橋絲式火工品為試驗(yàn)載體,采用理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段,對(duì)低密實(shí)炸藥靜電放電條件下的響應(yīng)特性、影響規(guī)律以及作用機(jī)制進(jìn)行了研究。建立了可模擬不同靜電放電條件的試驗(yàn)裝置及方法,獲得了低密實(shí)炸藥的靜電放電響應(yīng)特性及規(guī)律,提出了炸藥靜電損傷的表征和量化分析方法,得到了靜電放電火花能量的轉(zhuǎn)化效率及組成,揭示了低密實(shí)炸藥的靜電放電作用過程及機(jī)理。研究工作對(duì)于深入認(rèn)識(shí)低密實(shí)炸藥的靜電放電響應(yīng)機(jī)制,從而指導(dǎo)其使用過程的靜電安全有重要意義。研制了幾種典型人體靜電放電模擬裝置,建立了基于直升機(jī)模型的高能量靜電放電試驗(yàn)系統(tǒng),設(shè)計(jì)了模擬低密實(shí)炸藥靜電放電擊穿和引燃的試驗(yàn)裝置。通過對(duì)人體模型輸出波形特性參數(shù)的測(cè)試,以及對(duì)火工品作用效應(yīng)影響因素的試驗(yàn)研究,分析得到了靜電放電能量是影響炸藥響應(yīng)的關(guān)鍵因素,從而確定了試驗(yàn)采用的人體靜電放電模型參數(shù)為500pF和100Ω。研究了炸藥密實(shí)程度對(duì)靜電擊穿的影響規(guī)律,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),炸藥密實(shí)程度越低,靜電放電擊穿電壓越小,放電擊穿通道的擴(kuò)展直徑更大,炸藥的疏松效應(yīng)以及熱分解反應(yīng)越明顯;采用微焦點(diǎn)CT檢測(cè)技術(shù)對(duì)低密實(shí)PETN炸藥的損傷進(jìn)行了表征,獲得了損傷的典型形貌以及分布區(qū)域細(xì)節(jié)。損傷的形貌呈現(xiàn)典型的“樹杈”形狀,主要分布在橋絲焊點(diǎn)和殼體間的區(qū)域內(nèi),越接近電極塞的部分損傷越嚴(yán)重,這與該處距離殼體較近,靜電更易釋放,且放電能量更為集中有關(guān)。提出了始發(fā)藥損傷程度的量化計(jì)算方法,通過計(jì)算損傷密度疏松區(qū)占有效起爆始發(fā)藥體積的百分比,獲得了低密實(shí)炸藥損傷程度對(duì)其傳爆性能的影響關(guān)系。結(jié)果表明,隨著炸藥損傷程度的提高其傳爆可靠性降低,影響炸藥可靠傳爆的損傷度臨界閾值約為5%。分析認(rèn)為,炸藥損傷產(chǎn)生的密度疏松區(qū)在爆燃波傳播過程中的稀疏波效應(yīng)是導(dǎo)致其傳爆性能變差的主要原因。研究了高能量靜電作用下以火工品為載體的低密實(shí)PETN炸藥的響應(yīng)特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn),靜電放電火花的熱效應(yīng)使PETN炸藥發(fā)生分解反應(yīng)并產(chǎn)生爆燃,而炸藥最終反應(yīng)烈度主要取決于火工品殼體和電極塞的約束強(qiáng)度;研究了靜電火花能量轉(zhuǎn)化效率的影響因素及組成分布。結(jié)果表明,靜電火花能量轉(zhuǎn)化效率隨放電電壓和間隙的增加呈增大趨勢(shì)。靜電火花能約占電容存儲(chǔ)總能量的10.6%～18.8%,其中靜電火花能中約有80%轉(zhuǎn)化為熱能,因此,靜電放電火花的熱效應(yīng)是導(dǎo)致炸藥發(fā)生反應(yīng)的主因。研究提出了低密實(shí)炸藥靜電放電作用過程的物理圖像及機(jī)制:低密實(shí)炸藥中的空氣首先被擊穿形成放電通道,通道內(nèi)空氣瞬時(shí)受熱膨脹以及部分炸藥受熱分解產(chǎn)生的氣體共同形成壓縮波,不斷對(duì)未反應(yīng)炸藥進(jìn)行壓縮使其密度增加,同時(shí),炸藥受熱分解后在局部形成高溫?zé)狳c(diǎn),反應(yīng)的不斷迭代導(dǎo)致熱點(diǎn)逐漸增加,藥劑發(fā)生燃燒,最終反應(yīng)烈度會(huì)受約束等因素影響轉(zhuǎn)變?yōu)楸�、爆轟或者熄滅。分別采用ANSYS MAXWELL軟件和FLUENT軟件對(duì)炸藥靜電擊穿以及熱傳遞過程進(jìn)行了模擬,結(jié)果顯示:炸藥顆粒及其孔隙在局部微區(qū)域內(nèi)的可能擊穿路徑是沿炸藥顆粒表面且路徑較短的、電場(chǎng)強(qiáng)度大于空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)的彎曲折線。以衰減熱流作為入口輸入條件,并且設(shè)定壁面為恒溫條件,炸藥熱傳遞以及溫度變化更接近于靜電放電火花使炸藥點(diǎn)火的實(shí)際過程。模擬從理論上說明了靜電擊穿路徑的形成機(jī)理及其過程,再現(xiàn)了炸藥內(nèi)部的熱傳導(dǎo)和熱分解過程。
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ560.1
【圖文】：

灥ｇ逡逑圖ｉ．ｉ炸藥靜電火花感度測(cè)試裝置逡逑炸藥靜電火花感度測(cè)試中常用的樣品狀態(tài)為炸藥顆�；蚍勰Ｔ谏a(chǎn)和使用過程中，逡逑若炸藥粉末與空氣混合形成炸藥粉塵云時(shí)最易發(fā)生靜電危險(xiǎn)。圖１．２所示為對(duì)炸藥粉塵逡逑云進(jìn)行靜電感度測(cè)試采用的儀器和設(shè)備［６９＿７１１。該設(shè)備利用高壓氣體將預(yù)先放置在樣品盤逡逑中炸藥粉末吹散，并在密閉容器中形成一定濃度的炸藥粉塵云，然后用不同能量的靜電逡逑火花將其引燃從而測(cè)試靜電感度。逡逑？Ｌ偏逡逑焌。匪逡逑圖１．２炸藥粉塵云靜電火花感度測(cè)試裝置逡逑３逡逑

除炸藥粉末及炸藥粉塵云的靜電感度測(cè)試裝置外，人們對(duì)成型炸藥的靜電火花感度逡逑測(cè)試裝置及方法也開展了許多研究工作，大部分的研宄主要集中在固體推進(jìn)劑靜電感度逡逑測(cè)試方面｜１３＞１４’７２＿７５１。最初測(cè)試固體推進(jìn)劑靜電火花感度的裝置與圖１．１所示的炸藥靜電逡逑火花感度測(cè)試裝置基本相同。１９８５年，由于靜電放電引燃推進(jìn)劑導(dǎo)致“潘興’’ＩＩ導(dǎo)彈發(fā)生逡逑爆炸，造成了重大的人員傷亡。該事故促使人們對(duì)固體推進(jìn)劑靜電感度測(cè)試裝置和方法逡逑開展了更為細(xì)致的研宄Ｐ３１，發(fā)現(xiàn)圖１．］的方法因?yàn)殡娀鸹ǖ募訜嶙饔弥话l(fā)生在電火花與逡逑推進(jìn)劑試樣表面的接觸點(diǎn)上，高溫的氣體放電通道僅與空氣接觸，大量的熱耗散于空氣逡逑中，電火花加熱方式的能量利用率很低，無法準(zhǔn)確測(cè)得作用在推進(jìn)劑試樣上的能量，從逡逑而對(duì)其靜電安全性作出正確預(yù)測(cè)。美國海軍水面武器中心｜７３１、Ｂｅｌｌｅｒｂｙ１７６１等都進(jìn)行了研逡逑宄和改進(jìn)，其中Ｌｅｅ１６８１的工作最具代表性，其設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置見圖１．３所示，主要改進(jìn)逡逑如下：①增強(qiáng)導(dǎo)電性：在試樣上涂一層導(dǎo)電膠以確保試樣與電極之間的導(dǎo)通性；②增加逡逑接觸壓力：兩電極間的距離可調(diào)，能夠?qū)τ袕椥栽嚇邮┘右欢ǖ膲毫d荷，確保試樣與逡逑電極接觸緊密；③提高測(cè)試精度：提高電壓、電流信號(hào)記錄所用示波器、高壓探頭和電逡逑流探頭的精度和靈敏度；④增加觀測(cè)手段：推進(jìn)劑在靜電放電作用下的點(diǎn)火過程采用高逡逑速攝影儀進(jìn)行記錄

除炸藥粉末及炸藥粉塵云的靜電感度測(cè)試裝置外，人們對(duì)成型炸藥的靜電火花感度逡逑測(cè)試裝置及方法也開展了許多研究工作，大部分的研宄主要集中在固體推進(jìn)劑靜電感度逡逑測(cè)試方面｜１３＞１４’７２＿７５１。最初測(cè)試固體推進(jìn)劑靜電火花感度的裝置與圖１．１所示的炸藥靜電逡逑火花感度測(cè)試裝置基本相同。１９８５年，由于靜電放電引燃推進(jìn)劑導(dǎo)致“潘興’’ＩＩ導(dǎo)彈發(fā)生逡逑爆炸，造成了重大的人員傷亡。該事故促使人們對(duì)固體推進(jìn)劑靜電感度測(cè)試裝置和方法逡逑開展了更為細(xì)致的研宄Ｐ３１，發(fā)現(xiàn)圖１．］的方法因?yàn)殡娀鸹ǖ募訜嶙饔弥话l(fā)生在電火花與逡逑推進(jìn)劑試樣表面的接觸點(diǎn)上，高溫的氣體放電通道僅與空氣接觸，大量的熱耗散于空氣逡逑中，電火花加熱方式的能量利用率很低，無法準(zhǔn)確測(cè)得作用在推進(jìn)劑試樣上的能量，從逡逑而對(duì)其靜電安全性作出正確預(yù)測(cè)。美國海軍水面武器中心｜７３１、Ｂｅｌｌｅｒｂｙ１７６１等都進(jìn)行了研逡逑宄和改進(jìn)，其中Ｌｅｅ１６８１的工作最具代表性，其設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置見圖１．３所示，主要改進(jìn)逡逑如下：①增強(qiáng)導(dǎo)電性：在試樣上涂一層導(dǎo)電膠以確保試樣與電極之間的導(dǎo)通性；②增加逡逑接觸壓力：兩電極間的距離可調(diào)，能夠?qū)τ袕椥栽嚇邮┘右欢ǖ膲毫d荷，確保試樣與逡逑電極接觸緊密；③提高測(cè)試精度：提高電壓、電流信號(hào)記錄所用示波器、高壓探頭和電逡逑流探頭的精度和靈敏度；④增加觀測(cè)手段：推進(jìn)劑在靜電放電作用下的點(diǎn)火過程采用高逡逑速攝影儀進(jìn)行記錄

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本文編號(hào)：2780355