發(fā)射藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟的試驗研究

陳曉明，趙 瑛，宋長文，劉來東，張 衡

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引 言

發(fā)射藥的能量較高，在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中，易受到摩擦、靜電、熱等刺激而發(fā)生燃燒，甚至轉(zhuǎn)為爆轟，造成嚴(yán)重的環(huán)境破壞和人員傷害［1］。同時，為提高身管武器彈丸初速，增加彈丸有效射程，發(fā)射藥裝藥密度大大提高，由此帶來了發(fā)射安全性問題，尤其在底部點(diǎn)火的裝藥中，發(fā)生膛脹甚至膛炸事故。研究發(fā)射藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程及其規(guī)律性，判斷發(fā)射藥生產(chǎn)和貯運(yùn)過程中的危險等級，對相應(yīng)安全措施的有效設(shè)置、保護(hù)生命及財產(chǎn)安全有重要意義［2］。

從20世紀(jì)60年代開始國外開始對火炸藥DDT過程進(jìn)行系統(tǒng)性研究［3－5］，國內(nèi)也進(jìn)行了大量研究［6－8］，但主要集中在炸藥和高能推進(jìn)劑方面，對發(fā)射藥的相關(guān)研究較少。

本研究對典型單、雙、三基發(fā)射藥進(jìn)行了燃燒轉(zhuǎn)爆轟（DDT）試驗，分析了典型發(fā)射藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟特性及影響因素。

1 實(shí) 驗

1.1 發(fā)射藥樣品

選取典型單、雙、三基作為發(fā)射藥試驗樣品，在同一品種發(fā)射藥中選取不同藥型尺寸進(jìn)行對比試驗。實(shí)驗時，發(fā)射藥樣品自然堆滿試樣管中，由于發(fā)射藥的自身密度不同，所以各自的裝填密度不同。發(fā)射藥樣品配方見表1。

表1 發(fā)射藥配方Table 1 Formulations of gun propellants

1.2 實(shí)驗方法

本試驗參考聯(lián)合國危險等級試驗系列5的DDT試驗方法。將被測試樣裝入內(nèi)徑為40mm、長1 200mm的無縫鋼管（試樣管）中，兩端用螺帽封閉，螺紋高度為32mm，為研究約束條件的影響，壁厚有4mm和9mm兩種。試驗時，發(fā)射藥裝滿鋼管內(nèi)，在一端用電點(diǎn)火頭點(diǎn)燃黑火藥進(jìn)行點(diǎn)火。見證板為長1020mm、寬80mm、厚8mm的鋁板。試驗以見證板和鋼管的破壞程度作為燃燒轉(zhuǎn)爆轟的判據(jù)。試驗裝置示意圖見圖1。

圖1 燃燒轉(zhuǎn)爆轟裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of deflagration to detonation transition device

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

對同一個配方發(fā)射藥進(jìn)行了不同藥型以及不同約束的燃燒轉(zhuǎn)爆轟試驗，結(jié)果見表2和圖2。

表2 發(fā)射藥DDT試驗結(jié)果Table 2 DDT test results of gun propellant

燃燒轉(zhuǎn)爆轟試驗中，燃燒和爆轟所產(chǎn)生的壓力和溫度完全不同?；鹚幦紵邏簹怏w的最高溫度為2500～3600K，爆轟氣體溫度最高可達(dá)5000K。根據(jù)鋼管尺寸進(jìn)行力學(xué)計算，在DDT試驗中，鋼管耐壓壓力約為1～2GPa，而傳感器測得的爆轟壓力峰值為22.3GPa，爆轟的初始壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其穩(wěn)定爆轟的壓力，屬于超壓爆轟，其反應(yīng)區(qū)極薄，反應(yīng)時間不超過100ns，由于信號幅度超過示波器設(shè)置的量程，實(shí)際壓力值應(yīng)遠(yuǎn)大于此［9］。所以，在燃燒轉(zhuǎn)爆轟試驗中，發(fā)生爆轟段的鋼管內(nèi)壁與爆轟物質(zhì)直接接觸，受到超壓與高溫氣體的沖蝕，出現(xiàn)與藥粒大小一致的凹坑，而在未爆轟段或未發(fā)生爆轟反應(yīng)的鋼管，雖然鋼管受到高壓氣體作用而發(fā)生不同程度的破壞，但其內(nèi)壁表面狀態(tài)沒有變化，該現(xiàn)象成為判斷是否發(fā)生爆轟的判據(jù)。由于超壓反應(yīng)區(qū)極薄，壓力隨距離而迅速衰減，所以外圍的見證板在燃燒轉(zhuǎn)爆轟試驗中，雖發(fā)生不同程度的變形，但對爆燃與爆轟的判斷，則缺乏明顯的判據(jù)。

2.2 發(fā)射藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟的影響因素

由表2可看出，發(fā)射藥的藥型尺寸對燃燒轉(zhuǎn)爆轟有較大影響。在球形、6／7和17／19藥型的三基發(fā)射藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟試驗中，在4mm鋼管的弱約束條件下，只有較小的球形藥發(fā)生了燃燒轉(zhuǎn)爆轟；在9mm鋼管的強(qiáng)約束條件下，球形和6／7藥型發(fā)射藥發(fā)生了燃燒轉(zhuǎn)爆轟，而較大尺寸的17／19發(fā)射藥未發(fā)生爆轟。說明發(fā)射藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟的能力隨藥型尺寸的減小而增強(qiáng)。

圖2 燃燒轉(zhuǎn)爆轟試驗前后試樣鋼管狀態(tài)ig.2 Tube of detonation before and after deflagration to detonation transition

在單、雙、三基發(fā)射藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟試驗中，同樣的6／7藥型尺寸和約束條件（9mm）下，單基藥未發(fā)生爆轟，雙基發(fā)射藥、疊氮發(fā)射藥以及三基發(fā)射藥均發(fā)生了爆轟。說明添加高能組分、提高發(fā)射藥能量會使發(fā)射藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟的能力增強(qiáng)。

在6／7藥型的雙基藥、疊氮藥以及三基藥的燃燒轉(zhuǎn)爆轟試驗中，三者在弱約束的4mm鋼管中未發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟，而在9mm鋼管的強(qiáng)約束條件下發(fā)生爆轟。說明約束條件對試驗結(jié)果有影響，約束條件增強(qiáng)易于燃燒轉(zhuǎn)爆轟的發(fā)生。

2.3 發(fā)射藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程分析

發(fā)射藥的燃燒轉(zhuǎn)爆轟可分為兩個階段，即燃燒轉(zhuǎn)沖擊波（DST）和沖擊轉(zhuǎn)爆轟（SDT），DST階段也稱為燃燒轉(zhuǎn)爆轟誘導(dǎo)期，這在燃燒轉(zhuǎn)爆轟試驗后鋼管內(nèi)壁狀態(tài)可以得到驗證，見圖3。

圖3 燃燒轉(zhuǎn)爆轟不同階段的鋼管內(nèi)壁狀態(tài)Fig.3 The state of tube inner wall of different phases in DDT

發(fā)射藥發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟的影響因素與這兩個階段均密切相關(guān)。在燃燒轉(zhuǎn)爆轟誘導(dǎo)期，即DST階段，發(fā)射藥燃燒并形成足夠強(qiáng)度的沖擊波。這與發(fā)射藥燃?xì)馍伤俾逝c約束強(qiáng)度有關(guān)。在沖擊波轉(zhuǎn)爆轟階段（SDT），發(fā)射藥床受到?jīng)_擊波作用而發(fā)生爆轟，這與發(fā)射藥的沖擊波感度有關(guān)，沖擊波感度大的發(fā)射藥易發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟，如發(fā)射藥組分中加入能量更高的材料（包括NG、DA或RDX等）后，發(fā)射藥的沖擊波感度增加［10］，易受到?jīng)_擊波作用而發(fā)生爆轟，其在燃燒轉(zhuǎn)爆轟試驗中，更容易發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟。同時試驗可知，藥型尺寸相對較小的發(fā)射藥容易產(chǎn)生爆轟。這是因為發(fā)射藥藥型尺寸小，燃?xì)馍伤俾士欤瑝毫ι仙俾矢?，在相同的約束條件下，易產(chǎn)生更大的壓力波。同時，藥型尺寸小的發(fā)射藥，其裝填密度較大，沖擊波感度較大［10］。

約束越強(qiáng)，越容易發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟。這是因為，約束越強(qiáng)，鋼管破壞所需的壓力越大，能夠使藥床燃燒產(chǎn)生更大的燃?xì)鈮毫?，形成更?qiáng)的沖擊波，更易誘發(fā)藥床的爆轟。當(dāng)約束強(qiáng)度不夠大時，爆轟管在發(fā)射藥燃燒過程中，在高壓氣體的作用下發(fā)生破壞，難以形成足夠強(qiáng)度的沖擊波，不能發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟。

3 結(jié) 論

（1）藥型尺寸對發(fā)射藥的燃燒轉(zhuǎn)爆轟有較大影響，藥型尺寸減小，裝藥燃?xì)馑俾试龃螅瑫r發(fā)射藥的沖擊波感度增大，越容易發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟。

（2）加入能量更高的組分（如硝化甘油、疊氮硝胺、RDX等）后，發(fā)射藥的沖擊波感度增大，可增強(qiáng)發(fā)射藥的燃燒轉(zhuǎn)爆轟能力。

（3）發(fā)射藥的燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程受約束條件的影響較大，在強(qiáng)約束條件下，能生產(chǎn)更強(qiáng)的沖擊波，容易發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟。

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