四種典型炸藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟試驗(yàn)研究

馮曉軍，趙　娟，田　軒

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引　言

炸藥的燃燒轉(zhuǎn)爆轟(DDT)過程是一個(gè)由低速燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚俦Z的非定常過程，涉及到復(fù)雜的物理和化學(xué)變化。由于炸藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟性能也是炸藥全壽命周期安全性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)的重要性能參數(shù)之一，對(duì)炸藥配方的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、使用等均有重要的指導(dǎo)價(jià)值[1]，因此得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視和研究。A．Macek[2]研究了鑄裝HMX炸藥的DDT過程，用應(yīng)變計(jì)測(cè)量炸藥點(diǎn)火區(qū)的壓力變化，用電離式探針測(cè)量DDT過程的走時(shí)曲線；F．Leuret[3]研究了不同約束條件下壓裝高密度炸藥的DDT過程，結(jié)果表明壓裝高密度炸藥的DDT過程具有幾率性；D．E．Hare[4]和W．Sandusky[5]研究了初溫對(duì)LX-04炸藥DDT過程的影響，發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)其影響沒有規(guī)律。近年來，國(guó)內(nèi)也開展了固體炸藥的DDT研究，如王建等[6]對(duì)高密度壓裝炸藥的DDT過程進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)壓裝高密度炸藥的DDT過程需要在強(qiáng)約束條件下才能實(shí)現(xiàn)；代曉淦等[7]研究了PBX-2炸藥在加熱條件下的DDT過程，結(jié)果表明，加熱至85℃時(shí)PBX-2炸藥更難發(fā)生DDT現(xiàn)象。上述研究均表明炸藥的DDT過程十分復(fù)雜，并伴有一定的隨機(jī)性。但是針對(duì)一些典型的炸藥配方體系進(jìn)行燃燒轉(zhuǎn)爆轟試驗(yàn)研究，得到的結(jié)果和現(xiàn)象可對(duì)同體系不同配比的混合炸藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程分析和安全性預(yù)估具有實(shí)際借鑒作用。

本研究選擇由TNT、RDX、HMX、DNTF等常用二代單質(zhì)含能材料組成的4種典型混合炸藥配方體系，采用同軸電離探針測(cè)試技術(shù)，進(jìn)行了DDT試驗(yàn)研究，從各組分的熱分解特性及組分間的熱作用耦合分析了其對(duì)炸藥DDT過程轉(zhuǎn)變的影響，以期為同體系炸藥配方的燃燒轉(zhuǎn)爆轟安全性設(shè)計(jì)和分析提供參考。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1　樣品及裝配

4種典型炸藥配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為:P1(40%TNT/60%RDX)、P2(40%DNTF/40%HMX/10%TATB/5%Al/5%添加劑)、P3(25%DNTF/40%AP/30%Al/5%添加劑)和P4(30%RDX/30%AP/30%Al/10%添加劑)。其中炸藥P1、P2、P3采用熔鑄工藝成型，炸藥P4采用澆注工藝成型，成型時(shí)將這4種配方的試樣裝藥密度均控制在理論密度的95%左右，盡可能減小密度對(duì)DDT的影響，DDT試驗(yàn)用炸藥配方性能參數(shù)見表1。每種炸藥配方的試樣制成11節(jié)長(zhǎng)度為100mm的藥柱和1節(jié)長(zhǎng)度為85mm的藥柱，將每節(jié)藥柱的兩個(gè)端面打磨齊平，依次裝入DDT試驗(yàn)管中，如圖1所示。

表1　DDT試驗(yàn)用炸藥配方性能參數(shù)

注：ρTMD為理論最大密度；ρ為裝藥密度；pC-J為爆轟壓力。

1.2　試驗(yàn)裝置

DDT試驗(yàn)裝置如圖2所示，由DDT管、點(diǎn)火器、同軸電離探針、阻抗匹配器及數(shù)據(jù)采集儀等組成。DDT管用45號(hào)鋼加工而成，內(nèi)徑為40mm，壁厚為10mm，長(zhǎng)度為1200mm，點(diǎn)火端用堵頭和螺釘緊固密封，末端用帶螺紋的端蓋密封，在DDT管上距點(diǎn)火端和末端各150mm的中間部位均布探針，間距75mm，共布放13支探針。點(diǎn)火器由電點(diǎn)火頭和3g黑火藥組成，在點(diǎn)火器與第一節(jié)藥柱端面處布放觸發(fā)探針，作為計(jì)時(shí)零點(diǎn)，第一個(gè)同軸探針距離觸發(fā)探針125mm。同軸電離探針由外徑1.5mm，內(nèi)徑1.0mm的黃銅管內(nèi)固定直徑為0.86mm的漆包線組成。阻抗匹配器型號(hào)為BZK-100,電阻值變化范圍為100Ω～100MΩ，共20通道。數(shù)據(jù)采集儀型號(hào)為HBM Gensis 5i，采樣率為1MS/s。

1.3　實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)，用電起爆器使點(diǎn)火器瞬間燃燒并引燃與其緊密接觸的炸藥端面，燃燒波在炸藥柱內(nèi)加速燃燒，在一定的壓力和溫度條件下轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z傳播。炸藥燃燒或爆轟時(shí)，在波陣面會(huì)產(chǎn)生一定的電離產(chǎn)物，當(dāng)波陣面?zhèn)鞑サ酵S電離探針位置處會(huì)使探針導(dǎo)通，從而產(chǎn)生電壓脈沖信號(hào)，通過多通道阻抗匹配器和數(shù)據(jù)采集儀可以記錄到該電壓脈沖到達(dá)的時(shí)間，依據(jù)相鄰探針間的距離和電壓脈沖到達(dá)的時(shí)間差，便可以計(jì)算出燃燒波或爆轟波的傳播速度，從而得到燃燒到爆轟的轉(zhuǎn)變距離。

2　結(jié)果與討論

2.1　DDT響應(yīng)劇烈性

對(duì)4種典型的混合炸藥P1、P2、P3、P4進(jìn)行DDT試驗(yàn)，得到反應(yīng)后DDT管的破裂情況如圖3所示。

從圖3可以看出，3種混合炸藥P1、P2和P3均發(fā)生了燃燒到爆轟的轉(zhuǎn)變，而炸藥P4在點(diǎn)燃后不久發(fā)生了燃燒熄滅，未發(fā)展為爆轟。從DDT殼體破裂的碎片大小和數(shù)量可以看出，炸藥P2的DDT管破裂的最劇烈，炸藥P3次之，炸藥P1最小。分析認(rèn)為，在炸藥發(fā)生了燃燒到爆轟的轉(zhuǎn)變后，其對(duì)裝藥殼體的作用程度與炸藥的爆轟壓力相關(guān)，體現(xiàn)了炸藥的猛度特性，爆轟壓力越大，猛度越大，其對(duì)DDT管的破碎程度就越劇烈。由表1可知，炸藥P1、P2和P3的爆轟壓力分別為24.9、34.8和26.4GPa，與相應(yīng)DDT管的破裂狀態(tài)完全相符。

2.2　DDT反應(yīng)過程分析

試驗(yàn)得到炸藥P1、P2、P3和P4在DDT過程中波陣面到達(dá)不同位置處的時(shí)間，結(jié)果見表2，通過數(shù)據(jù)處理可以得到這4種典型炸藥DDT過程中波陣面位置隨時(shí)間的變化曲線和波陣面速度隨距離的變化曲線，如圖4所示。

從表2和圖4可以看出，炸藥P1的燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程經(jīng)歷了較為明顯的點(diǎn)火后初始燃燒、對(duì)流燃燒、壓縮波引發(fā)的爆燃、爆轟反應(yīng)等4個(gè)階段。從點(diǎn)火開始到大約1657μs，炸藥波陣面位置隨時(shí)間變化較為緩慢，波陣面?zhèn)鞑ニ俣仍?09～1716m/s之間接近于線性地增大，說明其處于點(diǎn)火后的初始燃燒階段；從1657～1716μs，持續(xù)了大約59μs，波陣面位置快速前進(jìn)了150mm，波陣面速度非線性地增加到2491m/s，說明裝藥在內(nèi)部溫度和壓力的協(xié)同作用下發(fā)生了不穩(wěn)定的對(duì)流燃燒；從1716～1758μs，持續(xù)了大約42μs，波陣面速度急速增加到3606m/s，說明裝藥內(nèi)的壓力波逐漸匯聚產(chǎn)生了爆燃現(xiàn)象；隨后經(jīng)過大約15μs，波陣面速度呈指數(shù)增加到5100m/s左右，并基本維持不變直至試驗(yàn)結(jié)束，說明炸藥裝藥已經(jīng)發(fā)生了從燃燒到爆轟的轉(zhuǎn)變。

表2　DDT波陣面到達(dá)不同位置處的時(shí)間

炸藥P2的燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程，其初始點(diǎn)火和對(duì)流燃燒階段沒有明顯區(qū)別，而且從點(diǎn)火到爆燃的轉(zhuǎn)變非?？?，從點(diǎn)火開始大約持續(xù)了195μs就迅速發(fā)展為爆燃，波陣面?zhèn)鞑ニ俣扔?96m/s快速轉(zhuǎn)變?yōu)?768m/s的爆燃速度，而且在爆燃階段只持續(xù)了大約42μs就急速地轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z，波陣面的傳播速度達(dá)到了8000m/s左右，持續(xù)到試驗(yàn)結(jié)束。

炸藥P3的燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程，其初始點(diǎn)火燃燒階段持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)，持續(xù)了大約3683μs，波陣面?zhèn)鞑ニ俣扔?7m/s逐漸增大到1289m/s，但沒有出現(xiàn)明顯的對(duì)流燃燒階段，直接轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚俚谋茧A段，波陣面?zhèn)鞑ニ俣扔?289m/s快速地增大到3318m/s，而且爆燃階段的持續(xù)時(shí)間更短，只有大約13μs，波陣面的傳播速度就急速地轉(zhuǎn)變?yōu)?813m/s以上的爆轟階段，并持續(xù)到試驗(yàn)結(jié)束。

炸藥P4從點(diǎn)火開始，試樣一直處于初始的不穩(wěn)定燃燒階段，持續(xù)了約14686μs，燃燒波陣面?zhèn)鞑ニ俣茸畲笤鲩L(zhǎng)到280m/s，隨后又減小到90m/s左右后燃燒反應(yīng)熄滅，試樣未發(fā)展為爆燃或爆轟，DDT管的部分碎裂是由于初始燃燒階段產(chǎn)生的大量氣體而導(dǎo)致的物理爆炸引起。

2.3　DDT轉(zhuǎn)變時(shí)間、波陣面速度及爆轟轉(zhuǎn)變距離分析

對(duì)4種典型炸藥DDT過程中各階段轉(zhuǎn)變的持續(xù)時(shí)間和波陣面?zhèn)鞑テ骄俣燃俺砷L(zhǎng)為爆轟的轉(zhuǎn)變距離進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。

表3　4種炸藥DDT持續(xù)時(shí)間、速度和爆轟轉(zhuǎn)變距離

注：tD為持續(xù)時(shí)間；vf為波陣面速度；Ld為爆轟轉(zhuǎn)變距離。

從圖4和表3可以明顯看出，炸藥P1經(jīng)歷了燃燒轉(zhuǎn)爆轟的4個(gè)階段，整個(gè)轉(zhuǎn)變過程較為平緩，裝藥轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z的成長(zhǎng)距離在750～825mm。這是因?yàn)檎ㄋ嶱1是TNT和RDX的混合物，由于TNT的熔點(diǎn)較低，約為80℃，在點(diǎn)火燃燒后，釋放的能量大部分可能用于TNT的熔化吸熱，使得DDT管內(nèi)裝藥的溫度上升較為緩慢，同時(shí)TNT和RDX的熱分解溫度也比較高，分別為271℃和205℃，而且二者也有一定的溫差，這就很難使DDT管內(nèi)裝藥的放熱量快速增加，在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生熱分解的加速反應(yīng)，導(dǎo)致燃燒平衡的快速失穩(wěn)，因此其燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程就會(huì)比較平穩(wěn)，轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z的距離也相對(duì)較長(zhǎng)。

炸藥P2和P3的燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程較為快速，從表3和圖4可以看出，其沒有出現(xiàn)明顯的對(duì)流燃燒階段，直接從初始燃燒發(fā)展為爆燃，而且爆燃階段持續(xù)時(shí)間也非常短暫，裝藥轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z的成長(zhǎng)距離分別為375～450mm和675～750mm，與炸藥P1相比更為劇烈，說明其更容易發(fā)生燃燒向爆轟的轉(zhuǎn)變。這一方面是因?yàn)镈NTF的熱感度比較高，這兩種炸藥中都含有一定量的DNTF炸藥，使得其燃燒轉(zhuǎn)爆轟的敏感性提高；另一方面，對(duì)炸藥P2來說，由于DNTF和HMX的熱分解溫度較為接近，分別為257℃和276℃[8-9]，因此DNTF分解釋放的熱量極易導(dǎo)致HMX熱分解的發(fā)生，而且HMX分解放熱速率本身就非?？焖?，其分解反應(yīng)一旦開始，強(qiáng)烈的自加熱和自催化反應(yīng)會(huì)快速釋放大量熱量，使得這兩種炸藥的熱分解放熱量快速疊加，進(jìn)一步促使炸藥裝藥自加速分解反應(yīng)和放熱速率加快，使得DDT管內(nèi)溫度和壓力急劇升高，也會(huì)誘使炸藥中的TATB和Al在較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生放熱反應(yīng)，導(dǎo)致炸藥裝藥的燃燒狀態(tài)快速失穩(wěn)，迅速發(fā)展為爆燃和爆轟，因此爆轟轉(zhuǎn)變距離非常短；對(duì)炸藥P3來說，配方中含有一定量的AP和Al粉，由于AP在300℃左右就開始發(fā)生吸熱分解反應(yīng)，Al在沖擊作用下的點(diǎn)火燃燒溫度在2100K(1827℃)[10]左右，AP發(fā)生反應(yīng)的溫度比Al的燃燒溫度低得多，因此在主炸藥DNTF的燃燒加熱作用下，AP首先吸熱分解，釋放出氧化性氣體，在此過程中，DDT管內(nèi)環(huán)境溫度不會(huì)快速升高，炸藥處于初始燃燒階段，因此炸藥P3初始燃燒階段持續(xù)了3683μs，遠(yuǎn)大于炸藥P2的195μs，但隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，DDT管內(nèi)的壓力和溫度會(huì)逐漸增大，引起Al的燃燒放熱反應(yīng)，由于鋁粉燃燒放熱速率很高，放熱量也非常高，使得DDT管內(nèi)的壓力和溫度急劇上升，從而使DDT管內(nèi)裝藥直接轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，進(jìn)而快速成長(zhǎng)為爆轟。

從圖4和表3可以看出，炸藥P4未發(fā)生燃燒到爆轟的轉(zhuǎn)變，在初始燃燒階段持續(xù)了一段時(shí)間后就發(fā)生了燃燒熄滅現(xiàn)象，這可能是由于炸藥P4采用的是澆注成型工藝，其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的惰性添加劑將炸藥組分進(jìn)行了隔離包覆，導(dǎo)致主炸藥RDX燃燒釋放的熱量被添加劑大量吸收，不易傳遞給炸藥中的AP和Al等組分，使其快速發(fā)生放熱反應(yīng)，而且RDX自身的熱分解反應(yīng)速率相對(duì)較小，這些因素綜合作用，使得炸藥P4在DDT管內(nèi)難以形成穩(wěn)定燃燒，最終燃燒熄滅。

3　結(jié)　論

(1)炸藥發(fā)生燃燒到爆轟的轉(zhuǎn)變后，其對(duì)DDT管的破碎程度與炸藥的爆壓相關(guān)，體現(xiàn)了炸藥的猛度特性，爆壓越大，對(duì)DDT管的破碎就越劇烈。

(2)炸藥P1、P2、P3的爆轟轉(zhuǎn)變距離范圍分別為750～825mm、375～450mm、675～750mm，炸藥P4未發(fā)生燃燒到爆轟的轉(zhuǎn)變。配方中含有DNTF炸藥會(huì)提高燃燒轉(zhuǎn)爆轟發(fā)生的敏感性；配方中含有熱分解溫度接近的組分，會(huì)使熱分解放熱量快速疊加，促使燃燒狀態(tài)快速失穩(wěn)，提高燃燒向爆轟轉(zhuǎn)變。

(3)澆注成型工藝由于存在惰性添加劑對(duì)組分的隔離包覆和吸熱作用，會(huì)降低炸藥燃燒向爆轟轉(zhuǎn)變的可能性。

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