6.2 美军弹丸装药倒空
弹丸装药倒空是通过一定的技术手段，使易燃易爆的装药从金属壳体中分离出来，可分为弹丸装药倒空和发射药装药倒空。一般后装炮弹的发射装药可直接采用分解拆卸进行倒空，而弹丸装药由于弹药装填的牢固性和高密度要求，需采用更复杂的技术手段才能倒出。弹丸装药倒空技术作为废旧弹药处理技术的重要组成部分，把高风险的废旧弹药变成具有较高价值的有用资源，是实现弹药无害化处理及绿色回收利用的重要途径。
根据装药性质的不同，可以将弹丸装药倒空方法分为高温熔化、溶剂溶解、机械倒空三类。高温熔化是利用外界热源对装药进行加热，使其熔化后在重力作用下流出，实现装药与壳体分离的方法，典型方法为蒸汽加热倒空法和电磁感应加热倒空法。溶剂溶解是利用某些装药在不同溶剂中的溶解度差异，用相应溶剂溶解装药并分离出不可溶部分，而后再回收利用的方法。例如硝铵炸药可以根据其溶于水的特性，用水进行溶解处理，典型方法为有机溶剂冲洗倒空法。机械倒空指利用外力作用于装药，使装药层层剥离，达到倒空装药目的的方法，典型方法为高压水射流冲洗倒空法、水力空化倒空法、挖药倒空法、冷循环倒空法等。挖药倒空法由于对操作人员危害较大，目前已不再采用。
蒸汽加热倒空法是利用蒸汽作为介质加热弹体，使弹体内装药温度达到其熔点以上，从而使装药熔化成液态并自动流出的倒空方法。该方法适合装药熔点较低，加热不分解、不挥发，炸药毒性较小的装药，例如各种装有TNT 炸药的弹丸。蒸汽加热倒空技术相关参数见表6-4。
表6-4 蒸汽加热倒空技术相关参数
国外对蒸汽加热的研究较早，美国于1994 年研制出高压釜熔解系统，该高压釜使用间接加热的方法将蒸汽施加到弹药的外部，在115 ℃和标准大气压下对340 kg 的弹药进行倒空测试，每小时产生3.8 L 废水。蒸汽加热倒空法的最大优点是设备简单，倒药效率较高，操作方便、安全，因此在报废弹药处理机构中被广泛采用；缺点是热利用效率较低，凝结水和保温用水中有炸药污染，需对废水进行后处理。若炸药的熔点较高（高于120 ℃），使用蒸汽加热法时必须大幅提高蒸汽的压力，这将提高设备的复杂度，降低安全性，因此，对于熔点较高的装药不宜采用蒸汽加热倒空法。
高压水射流冲洗倒空法是利用常温高速水射流对弹体装药表面的冲击、剥离作用，使弹体装药破碎和倒出的方法。剥离后的炸药与水同时流入收集槽，经过过滤分离和净化之后的水可再循环使用。由于利用常温水冲击，高比热容的水可以及时带走热量，消除热量积累，提高了处理的安全性。美国海军水面武器中心利用该方法实现弹药中PBX 炸药的去除和回收，已成功倒空数万发弹丸，倒空1 发装B 炸药的155 mm 弹丸用时2.4 min。研究表明，利用高压水射流处理废旧弹药，不但能有效地将装药从战斗部中完全分离出来，而且安全性较高。但是也存在高压环境对机器部件的要求高、设备维护频率高、容易产生大量密集的难以消除的泡沫、产生废水量多且处理难度大、不适用于机械感度高的炸药等问题。
除此之外，美军也开展了冷循环倒空法研究。冷循环倒空法又称低温、室温冷冻法，其原理是将弹药置于低温条件下冷冻后取出，反复进行温度循环操作，使弹丸装药在不同的温度梯度中产生分布不均的热应力，形成裂纹，进而发生崩裂，产生破碎的药块并取出，实现装药倒空的目的。倒空产生的碎片大小取决于炸药的特性。美国于1994 年利用该方法对LX-17 高爆炸药和PBX9404 进行装药倒空实验，将装药反复在-196 ℃的液氮浴中进行快速冷却循环，然后升温至环境温度。LX-17 在15 min 后分解为8 mm 或更小的碎片，而PBX9404 容易冷冻成约1 mm 的碎片。冷循环倒空法的优点是使用惰性气体氮气进行冷却，降低了装药的敏感性，安全可靠；倒空操作中没有机械撞击和摩擦作用，同时不产生污染。缺点是装药适用范围小，效率较低、能耗较大，不利于大规模工业化推广。
有机溶剂冲洗倒空法是利用有机溶剂的溶化作用、高压冲刷作用及选择性溶解作用，去除炸药装药并回收其组分的方法。溶化作用可增强溶剂对装药的破碎作用；选择性溶解作用可把混合炸药分离成可溶和不可溶的组分。美国曾选用甲苯进行B 炸药的倒空试验，利用黑索今（RDX）和TNT 在不同温度下的溶解度差异，通过调节温度和溶剂压力，使得TNT溶解在热的甲苯中，而RDX 处于不溶解状态，最后通过沉淀槽和溶剂储槽的处理获得TNT和RDX。利用有机溶剂冲洗倒空装药，适用于两组分炸药，能一次完成两组分炸药的分离和回收，并且喷射射流的温度和喷射压力较低，能耗较小。但是该方法也有明显弊端，例如需要有机溶剂，污染较大，且可能对弹体的有机涂层、黏结剂等组件具有腐蚀性，同时大量易燃的有机溶剂也存在较大的安全隐患。
高压氨射流倒空法综合利用了高压水射流冲洗倒空和有机溶剂倒空的原理，利用高压氨射流的动能连续冲击弹体中的炸药，将其破碎并溶解于液氨中。1996 年，美国的T-C 公司首次将液氨加压作为切割射流应用于废旧弹药倒空工序中，通过多次试验，当氨射流压力为50 MPa 时，能将有毒有害的化学试剂、炸药、固体推进剂的弹丸和火箭发动机安全可靠地进行分解。与高压水射流技术相比，氨射流技术速度更快，效率更高。但是，该方法使用的前提是炸药在液氨中的溶解性较好，例如黑索今、奥克托今等，这在一定程度上限制了高压氨射流技术的使用范围，并且与高压水射流技术相比成本更高。
CO2鼓风／真空法清除弹丸装药技术是由美国人研究用于弹丸装药倒空的方法，通过类似于喷沙器的CO2鼓风系统将弹体中炸药填充物吹成粉末状，并收集进真空容器中，鼓风系统与真空系统组成密闭的庞大系统。与其他倒空方法相比，CO2 鼓风／真空法操作简单，机械化程度高，不涉及废水处理问题，消耗能量低，不需要任何其他清洗工序。但是由于技术实现性以及产生大量静电，该技术目前并没有应用于实际的批量报废弹药倒空销毁，仅停留于试验阶段。
热水脱药法适用于柱装药弹丸，如57 mm 小口径高炮榴弹弹丸，其炸药由80%钝化黑索今和20%的铝粉所构成。由于黑索今的熔点为203℃，无法采用蒸汽加热倒空法进行倒空，但是固定药柱黏结剂的熔点较低，可以依照装药的反过程，采用加热熔化黏结剂，将药柱倒出的方法。倒药时将弹丸口部向下，竖直排放，将装弹丸的盛弹笼放入加热槽中，加热槽中水量以能够淹没弹丸为宜，水温控制在82℃～100℃，加热时间为3 min。到达加热时间后震动脱药，后对弹丸逐一进行检查，确认倒药彻底性。若有药柱未脱出者，可将其浸泡在水中用铜制工具挖出。热水脱药法主要是针对装药熔点较高但黏结剂熔点较低的弹丸进行倒空，这种方法的优点是设备简单，操作时间较短，但是与其他方法相比，安全性较差，并且倒空效率较低。
在分析常见装药倒空方法的原理、技术和特征的基础上，本书把6 种装药倒空方法的应用范围、优缺点进行了归纳总结，见表6-5。可以看出，各种倒药方法都有其对应的应用范围，其中蒸汽加热倒空法由于操作简单，对人员素质要求较低，安全性较好的优点，成为目前我国主要采用的倒空方法。但是，新型火炸药和高熔点装药的出现，蒸汽加热倒空法已经无法满足高熔点装药的倒空需求，因此，寻找一种能够倒空低熔点装药，也能倒空高熔点装药，且安全性较好的倒空方法已经成为世界各国正在研究的课题。
表6-5 装药倒空方法对比
续表
针对蒸汽加热倒空法不适用于高熔点装药的情况，美国基于感应加热技术与装药倒空的联系，在2006 年提出了电磁感应加热倒空法，其基本工作原理见图6-4。该法的工作过程为：利用法拉第电磁感应定律、欧姆加热及接触传热理论，将交流电作用在缠绕弹丸的线圈上，线圈内产生的交变磁场在弹丸内产生涡旋电场，涡旋电场驱动金属壳体中的载流子运动产生欧姆热，传导的欧姆热使壳体内的装药熔化而流出，从而实现装药倒空的目的。美国用内装B 炸药的60 mm 迫击炮弹作为实验对象，当功率为4 kW 时平均熔化时间为11.9 s，99.1%的装药被倒空。
图6-4 感应加热倒空法基本工作原理
电磁感应加热倒空法的基本理论是法拉第电磁感应定律，其原理为利用某一频率的交变电流通过线圈产生相同频率的交变磁场，当通过附近的导体回路中磁通量随时间发生变化时，回路中会产生感应电动势，且感应电动势的大小与穿过回路磁通量的变化率成正比。在电动势作用下，导体回路内部产生方向与交变电流相反的涡流，从而利用该电流生成的焦耳热对导体加热。导体回路中磁通量的变化是由线圈磁场变化引起的，此时产生的电动势是感应电动势。
当频率为f 的交变电流i 流过匝数为N 的线圈时，导体内产生的感应电动势计算公式见式（6-1）：
式中：负号表示感应电动势的变化阻止磁通的变化；E 为感应电动势；N 为线圈的匝数；dΦ／dt 为磁通量变化率。
从以上可以看出，感应加热系统包括感应线圈、交流电源和被加热的导体三部分。与普通电阻加热相比，感应加热的特点是被加热物体和电源之间没有电接触，而是通过电磁感应加热将电源的电能转化为被加热物体的热能，其能量转换过程见图6-5。
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图6-5 电磁感应加热中能量转化过程
感应加热技术已经广泛应用于冶金、机械制造、医疗等各个领域，在金属表面热处理、零件加热、金属3D 打印、电磁炉等方面，均能看到感应加热技术的使用。可以说，感应加热技术是一项成熟的技术，可将其研究成果与倒空装药过程相结合，形成新的技术——电磁感应制热式弹丸装药倒空技术。
由于感应加热中给导体通的是较高频率的交流电，导致电流在导体截面上的分布不再是均匀的，导体表面上各点的电流密度最大，由外向内电流密度递减，在导体中心轴线上的电流密度最小，这种现象叫作集肤效应，也称为趋肤效应（Skin Effect）。当导体中某处的电流密度达到导体外表面密度的1／e 时，则将该处至导体表面的距离定义为趋肤深度（见图6-6）。
图6-6 高频时导体电流密度分布情形
以圆柱体导体为例，假设频率较高，根据麦克斯韦方程组可求得导体内任意一点的磁场强度和电流密度，见式（6-2）和式
（6-3）：
式中：H0、J0分别是导体表面的磁场强度和电流密度；R0是导体半径；x 表示该点到导体表面的距离，其中k ＝
当点到导体表面的距离远小于导体半径时，即x／R0 →0，则可推出感应电流强度公式，见式（6-4）：
根据定义，涡流的理论透入深度x0（即趋肤深度）处的电流密度应为J0／e，其计算见式（6-5）：
式中：ω 为激励的角频率，单位为rad／s；μ 为导体的磁导率，单位为H／m；σ 为导体的电导率，单位为S／m。可以计算出在趋肤深度以内的导体产生的热量占总能量的86.5%，因此在工程计算时可认为趋肤深度以外的导体内没有感应电流。
感应加热包含传热过程，热传递由三种可复合叠加的基本模式实现，即传导、对流和辐射。
热传导可表示一个或多个物体直接接触，它们的基本粒子存在着能级差而导致能量传播，基本粒子运动是其产生的根本原因。宏观上看热传导建立在一定路径上存在温度差的两点之间。热传导的傅里叶定律见式（6-6）：
式中：φ 为热流密度，单位为W／m2；λ 为热导率，单位为W／（m·K）。从该定律可以看出弹丸等温面上的热流密度与温度梯度成正比。
热对流是由液体或气体区域内具有温差的小流量单元的运动决定的，包括强制对流和自然对流。温差流体与固体表面或温差流体之间以传热的形式实现能量交换，用牛顿冷却方程表示，见式（6-7）：
式中：h 表示对流换热系数，单位为W／（m2·K）；Tp表示固体壁面温度；Tf是流体温度。
热辐射是一种特殊的传热形式。它不需要借助任何组成粒子来传递能量，而是通过电磁波作用下物体表面原子的振动来传递能量。辐射热传递应具有辐射路径上的发射物体、辐射传播空间和吸收辐射热的物体，可以在真空中进行。
在工程中，通常考虑两个或多个物体之间的辐射，净传热可用斯蒂芬-玻尔兹曼方程计算，见式（6-8）：
式中：Q 为热流率；ε 为辐射率；σ 为斯蒂芬-玻尔兹曼常数；A1为辐射面1 的面积；F12为由辐射面1 到辐射面2 的形状系数；T1为辐射面1 的绝对温度；T2为辐射面2 的绝对温度。
在感应加热中，由于传热过程是弹丸外壳对内部装药的传热，属于固体传热，而且温度相对较低（不超过500 ℃），因此主要作用是热传导。