發射藥燃燒轉爆轟的試驗研究

陳曉明，趙 瑛，宋長文，劉來東，張 衡

（西安近代化學研究所，陜西 西安 710065）

引 言

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

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

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

1 實 驗

1.1 發射藥樣品

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

表1 發射藥配方Table 1 Formulations of gun propellants

1.2 實驗方法

本試驗參考聯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，發射藥裝滿鋼管內，在一端用電點火頭點燃黑火藥進行點火。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爆轟的判據。試驗裝置示意圖見圖1。

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

2 結果與分析

2.1 試驗結果

對同一個配方發射藥進行了不同藥型以及不同約束的燃燒轉爆轟試驗，結果見表2和圖2。

表2 發射藥DDT試驗結果Table 2 DDT test results of gun propellant

燃燒轉爆轟試驗中，燃燒和爆轟所產生的壓力和溫度完全不同。火藥燃燒高壓氣體的最高溫度為2500～3600K，爆轟氣體溫度最高可達5000K。根據鋼管尺寸進行力學計算，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，爆轟的初始壓力遠遠大于其穩定爆轟的壓力，屬于超壓爆轟，其反應區極薄，反應時間不超過100ns，由于信號幅度超過示波器設置的量程，實際壓力值應遠大于此［9］。所以，在燃燒轉爆轟試驗中，發生爆轟段的鋼管內壁與爆轟物質直接接觸，受到超壓與高溫氣體的沖蝕，出現與藥粒大小一致的凹坑，而在未爆轟段或未發生爆轟反應的鋼管，雖然鋼管受到高壓氣體作用而發生不同程度的破壞，但其內壁表面狀態沒有變化，該現象成為判斷是否發生爆轟的判據。由于超壓反應區極薄，壓力隨距離而迅速衰減，所以外圍的見證板在燃燒轉爆轟試驗中，雖發生不同程度的變形，但對爆燃與爆轟的判斷，則缺乏明顯的判據。

2.2 發射藥燃燒轉爆轟的影響因素

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

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

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

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

2.3 發射藥燃燒轉爆轟過程分析

發射藥的燃燒轉爆轟可分為兩個階段，即燃燒轉沖擊波（DST）和沖擊轉爆轟（SDT），DST階段也稱為燃燒轉爆轟誘導期，這在燃燒轉爆轟試驗后鋼管內壁狀態可以得到驗證，見圖3。

圖3 燃燒轉爆轟不同階段的鋼管內壁狀態Fig.3 The state of tube inner wall of different phases in DDT

發射藥發生燃燒轉爆轟的影響因素與這兩個階段均密切相關。在燃燒轉爆轟誘導期，即DST階段，發射藥燃燒并形成足夠強度的沖擊波。這與發射藥燃氣生成速率與約束強度有關。在沖擊波轉爆轟階段（SDT），發射藥床受到沖擊波作用而發生爆轟，這與發射藥的沖擊波感度有關，沖擊波感度大的發射藥易發生燃燒轉爆轟，如發射藥組分中加入能量更高的材料（包括NG、DA或RDX等）后，發射藥的沖擊波感度增加［10］，易受到沖擊波作用而發生爆轟，其在燃燒轉爆轟試驗中，更容易發生燃燒轉爆轟。同時試驗可知，藥型尺寸相對較小的發射藥容易產生爆轟。這是因為發射藥藥型尺寸小，燃氣生成速率快，壓力上升速率更快，在相同的約束條件下，易產生更大的壓力波。同時，藥型尺寸小的發射藥，其裝填密度較大，沖擊波感度較大［10］。

約束越強，越容易發生燃燒轉爆轟。這是因為，約束越強，鋼管破壞所需的壓力越大，能夠使藥床燃燒產生更大的燃氣壓力，形成更強的沖擊波，更易誘發藥床的爆轟。當約束強度不夠大時，爆轟管在發射藥燃燒過程中，在高壓氣體的作用下發生破壞，難以形成足夠強度的沖擊波，不能發生燃燒轉爆轟。

3 結 論

（1）藥型尺寸對發射藥的燃燒轉爆轟有較大影響，藥型尺寸減小，裝藥燃氣速率增大，同時發射藥的沖擊波感度增大，越容易發生燃燒轉爆轟。

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

（3）發射藥的燃燒轉爆轟過程受約束條件的影響較大，在強約束條件下，能生產更強的沖擊波，容易發生燃燒轉爆轟。

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