激光热引爆金属/炸药密封装置的机理研究

为揭示激光热引爆金属/炸药装置的物理机制和规律，本项目提出采用理论分析、数值模拟和实验验证相结合的方法，研究金属/炸药密封装置的传热规律，建立金属/炸药之间非理想传热的理论模型；研究炸药熔化、蒸发、分解直至点火全过程的物理化学变化，基于详细化学反应动力学机制，建立凝聚炸药热响应的物理和化学反应模型；研究多相、多组分系统的流体动力学过程，建立相应的流体动力学模型。在此基础上，建立一个能够准确描述激光热引爆金属/炸药密封装置从惰性加热到炸药热分解直至点火全过程的物理和数学模型。采用有限差分和相应的计算方法，编制热学/化学/流体动力学相互耦合的程序代码，对不同条件下热引爆金属/炸药密封装置的全过程进行数值模拟，得到具有实际指导意义的理论结果。本项目的研究成果可以为激光与物质相互作用、热爆炸理论和战术激光反导武器的研究和效能评估提供硬杀伤理论基础和基本数据。

含能材料在激光辐照下的快烤燃研究是热点火和热爆炸研究的热点课题之一，是含能材料热安全性研究的重要内容。其研究成果可以为激光反导武器的研究和效能评估及战斗部防护设计提供理论基础。黑索今（RDX）是硝胺类含能材料的一种，广泛用于固体推进剂和高能炸药装药。本项目以RDX为研究对象，对RDX在激光辐照下的快烤燃特性进行了较系统的研究。.开展了激光辐照下含能材料快烤燃的实验研究，测量了装置内部的压力和温度发展历程以及壳体破裂时间。通过对实验结果的分析指出，激光辐照壳体后，壳体温度不断升高并向内部传播，经过一段时间的热传导，壳体内表面温度开始升高，热量不断经由壳体传递给内部炸药，使炸药温度不断升高，直至熔化、分解、发生剧烈的化学反应；炸药发生的化学反应并不是爆轰，而是燃烧，燃烧生成大量的气体产物，同时温度急剧升高，由于壳体的约束作用，内部压力不断升高，最终使壳体破裂；装置内部的压力在较长时间内是缓慢升高的，直至点火点附近急剧升高。.在实验研究和文献调研的基础上，建立了RDX快烤燃的一维模型。模型包括凝聚相炸药、气隙和壳体三部分。凝聚相的主要组分为固相RDX和液相RDX以及少量的分解产物，主要的物理化学过程包括热传导、熔化、分解和蒸发，控制方程为能量守恒方程和组分连续性方程。气隙是初始装药时存在或者热膨胀过程中产生的，主要组分是RDX蒸汽和化学反应产物，主要的物理化学过程包括热传导、对流、扩散和化学反应，控制方程为质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分连续性方程。壳体的物理过程为热传导，并可能发生熔化，控制方程为惰性热传导方程。.根据建立的物理和数学模型，采用有限差分方法对控制方程进行离散化，利用FORTRAN语言编制了RDX快烤燃的计算程序。采用变物性参数，基于整体气相反应机制，对激光辐照下RDX的快烤燃过程进行了数值模拟研究，得到了快烤燃过程中的温度、主要组分的分布及其发展变化历程以及气隙中的压力发展历程，并由此得到了快烤燃过程的点火延迟时间。结果表明，RDX的快烤燃过程可以分为三个阶段：惰性热传导阶段、初始热分解阶段和点火燃烧阶段。最后定量研究了激光功率密度和壳体厚度对快烤燃过程的影响。