壓裝PBX炸藥DDT管實驗初始反應演化過程分析

郭應文，胡海波，李 濤，傅 華，文尚剛，喻 虹

(1.中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點實驗室，四川 綿陽 621900；2. 中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621900；3.北京應用物理與計算數學研究所，北京100086)

壓裝PBX炸藥DDT管實驗初始反應演化過程分析

郭應文1，胡海波1，李 濤1，傅 華1，文尚剛2，喻 虹3

(1.中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點實驗室，四川 綿陽 621900；2. 中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621900；3.北京應用物理與計算數學研究所，北京100086)

在DDT管中采用惰性模擬材料研究電點火頭和黑火藥產生的初始壓力對惰性模擬材料點火端面的影響；采用高速攝像機記錄了DDT管內HMX基壓裝PBX炸藥的燃燒發光過程；分析了壓裝PBX炸藥DDT管實驗初始反應演化過程。結果表明，電點火頭和黑火藥產生的初始壓力會引起鄰近脆性炸藥端面裂紋形成和局部破壞，炸藥燃燒的火焰沿炸藥基體裂紋和炸藥與管壁之間的縫隙中傳播，壓裝PBX炸藥初始反應演化與縫隙對流燃燒過程密切相關。

PBX炸藥；對流燃燒；反應演化；DDT管；電點火頭；黑火藥

引 言

高聚物黏結炸藥(PBX)作為目前最常用的炸藥，在實際勤務操作、運輸、貯存中的安全性成為研究的焦點。燃燒轉爆轟(DDT)特性作為評價炸藥在意外事故中點火后反應行為的重要指標，受到國內外學者的廣泛關注。Leuret.F等[1]在研究壓裝炸藥(HMX質量分數為96%，密度為1.823g/cm3)燃燒轉爆轟過程中，采用鐵電陶瓷探針測量波陣面壓力曲線，熔斷絲探針和光纖探針測量燃燒波陣面速度，得到在短約束(DDT管長400mm)中進行的53發實驗有4發實驗轉為爆轟，在長約束(DDT管長1000mm)中進行的7發實驗有4發實驗轉為爆轟，壓裝炸藥的DDT實驗結果表現為隨機性。文尚剛[2]采用電離式電探針和石英壓力傳感器研究壓裝B炸藥的燃燒轉爆轟特性，在密度為1.597g/cm3的3發實驗中都轉為爆轟，而在密度為1.654g/cm3和1.681g/cm3的實驗中都沒有形成爆轟，此外，探針測得的導通信號比較雜亂，表明密度較低的壓裝B炸藥更易發生DDT現象。王建等[3]采用電探針和壓力傳感器研究了某壓裝高能炸藥(HMX質量分數為95%，密度為1.86g/cm3)的燃燒轉爆轟過程，只在DDT管長為600mm中實現燃燒轉爆轟，而在DDT管長為400mm中進行的3發實驗都未實現燃燒轉爆轟。陳朗等[4]結合實驗和數值模擬方法研究PBXC03(密度為1.845g/cm3)壓裝炸藥燃燒轉爆轟行為，結果表明PBXC03壓裝炸藥只有在強約束下才能夠發生燃燒轉爆轟。上述研究結果表明，壓裝PBX炸藥燃燒轉爆轟結果具有明顯的分散性，燃燒到爆轟過程非常復雜。目前，國內外學者開展了DDT管長度、炸藥密度對壓裝PBX炸藥燃燒轉爆轟影響的研究，而對DDT管中初始反應階段卻很少關注。

本研究通過開展點火初始狀態對壓裝PBX炸藥反應影響實驗，分析了DDT管實驗初始反應演化過程，以期為壓裝PBX炸藥在燃燒條件下安全性機理的研究提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗裝置

點火實驗裝置示意圖如圖1所示，DDT管材料為45號鋼，內徑為20mm，外徑為60mm。試樣由兩塊Φ20mm×20mm 的小樣品拼接而成。有機玻璃的尺寸為Φ20mm×10mm，放置在DDT管內作為觀測窗口。DDT末端窗口的直徑為14mm，軸向長為14mm。點火方式采用電點火頭加黑火藥，藥量為1.4g。

1.2 實驗方法

實驗過程分兩部分：首先采用惰性模擬材料研究電點火頭和黑火藥產生的初始壓力對惰性模擬材料點火端面的影響，實驗中DDT管內末端墊有1mm厚的聚四氟乙烯環；然后換成以HMX為基的壓裝PBX炸藥，通過有機玻璃窗口，采用高速攝像機對DDT管內炸藥燃燒發光現象進行觀測。為了觀測炸藥與DDT管壁縫之間的燃燒現象，在DDT管窗口端開了3個寬4mm、120°的小凹槽，小凹槽外邊緣直徑與炸藥直徑相同，如圖2所示。實驗時DDT管末端未放置聚四氟乙烯環。

惰性模擬材料的力學性能與壓裝PBX炸藥相當，都屬于典型的脆性材料，拉伸強度約為10MPa[5]。壓裝PBX炸藥的密度為1.86g/cm3。

2 結果與分析

2.1 點火初始壓力對惰性模擬材料點火端面的影響

在DDT管中，對惰性模擬材料開展1發實驗，回收的惰性模擬材料如圖3所示。從圖3可知，點火藥燃燒后，殘余的灰燼附著在惰性模擬材料前端面上，前端面點火區有被燒蝕的痕跡。在電點火頭和黑火藥燃燒產生的初始壓力作用下，惰性模擬材料前端面產生環向和徑向裂紋，伴有局部的破碎，前端面的徑向裂紋貫穿側表面，惰性模擬材料后端面也出現了裂紋。

2.2 HMX基壓裝PBX的燃燒過程

對壓裝PBX炸藥在DDT管中開展了2發實驗。第一發實驗中，因高速相機設置的幅頻較低，未拍攝到發光圖像。第二發實驗中，高速相機拍攝的結果如圖4所示。從圖4(a)中可以看出，透明窗口發光不均勻，在小凹槽和圓孔周圍有發光火焰，而在窗口中間仍有一片暗區，整體的燃燒趨勢是由四周向中間匯聚。從3個小凹槽和圓孔周圍處發出的火焰表明：炸藥燃燒后的火焰可以向炸藥與DDT管壁之間的縫隙傳播。從透明窗口中間的暗區可知，窗口端面的炸藥不是同時被點燃，燃燒陣面并不以相同的速度在炸藥基體中傳播。經過10μs后，整個窗口發光比較均勻，如圖4(b)所示。

回收實驗后的裝置碎片如圖5所示。從圖5可以看出，2發實驗中的DDT管都碎成3大塊(不包括點火基座)，DDT管在內部壓力作用下發生了膨脹變形，緊固螺釘被拉斷，有部分拉斷的螺釘依然殘留在DDT管碎塊中。DDT管碎成3大塊與加工的3個小凹槽窗口有關，在小凹槽與管壁連接處有應力集中，DDT管從應力集中處拉伸破裂，形成3塊碎片。

2.3 反應演化過程分析

由惰性模擬材料和壓裝PBX炸藥實驗結果可知，電點火頭點燃點火藥時，點火藥燃燒產生的氣體壓力作用在炸藥點火端面上，引起炸藥端面局部破碎，形成裂紋(如圖3(a)所示)。炸藥點燃后，開始燃燒產氣，DDT管內壓力開始上升。燃燒的火焰在產物氣體壓力驅動下，沿炸藥基體裂紋和DDT管壁與炸藥之間的縫隙中傳播，形成對流燃燒[6-7](如圖4(a)中，小凹槽周圍發光的火焰所示)。因裂紋和縫隙增加了炸藥燃燒的表面積，燃燒產物氣體增多，縫隙中的壓力增加。由于炸藥是脆性材料，基體縫隙中燃燒產生的氣體壓力能夠撐開炸藥裂紋尖端，使其快速分叉傳播。新生成的基體裂紋為燃燒提供可用的比表面積，導致燃燒產物氣體增多，縫隙中壓力進一步增加，增加的產物壓力加速摧毀炸藥基體，形成裂紋網絡[8-10]，DDT管內壓力開始劇增。DDT管在內壓作用下，產生環向拉伸應力，當環向拉伸應力超過鋼的屈服應力時，DDT管開始膨脹變形。隨著炸藥繼續燃燒，DDT管內壓力進一步上升，直到環向應力超過鋼的失效應力時，DDT管開始破裂，形成碎片。在強約束下，因約束可以維持管內炸藥燃燒產生的高壓氣體，結果通常表現為劇烈的爆炸反應。

壓裝PBX炸藥DDT管實驗中，炸藥基體在點火初始壓力作用下產生破碎，形成裂紋，宏觀上已經不連續。因此，炸藥點火后的反應演化過程不能用一維來描述，且數值計算模型中也需要考慮炸藥基體的斷裂。

3 結 論

(1)電點火頭和黑火藥產生的初始壓力能夠引起炸藥端面形成裂紋和局部破壞。

(2)產物氣體壓力驅動炸藥燃燒的火焰沿炸藥基體裂紋和炸藥與管壁之間的縫隙中傳播。

(3)在強約束下，因約束可以維持管內炸藥燃燒產生的高壓氣體，結果通常表現為劇烈的爆炸反應。

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Analysis of Initial Reaction Evolution Process of Experiment of DDT Tube Filled with Pressed PBX Explosives

GUO Ying-wen1, HU Hai-bo1,LI Tao1,FU Hua1,WEN Shang-gang2,YU Hong3

(1. National Key Laboratory of Shock Wave and Detonation Physics, Institute of Fluid Physics,CAEP,Mianyang Sichuan 621900,China;2. Institute of Chemical Materials,CAEP,Mianyang 621900,China;3. Institute of Applied Physics and Computational Mathematics, Beijing 100086, China)

The effect of the initial pressure produced by igniter and black powder on the ignition end surface of inert mock material was studied in DDT tube. The combustion luminescence process of pressed HMX-based polymer bonded explosive in DDT tube was recorded by a high speed camera. The initial reaction evolution process of pressed PBX explosives was analyzed. The results show that initial pressure produced by the igniter and black powder can induce crack formation and local damage on the surface of adjacent brittle explosive， and the combustion flame can spread along the explosive matrix cracks and the gap between explosive and tube wall. The initial reaction evolution of pressed PBX explosives and the gap were closely related to the convective combustion process.

PBX explosives; convective combustion; reaction evolution; DDT tube；igniter；black powder

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.03.014

2016-07-15；

2017-03-05

中國工程物理研究院科學技術發展基金(No.2014A0201008);國防科技重點實驗室基金(No.9140C670402150C67291)

郭應文(1990-),男,碩士研究生,從事炸藥安全性機理研究。E-mail:yingwenguo10@163.com

胡海波(1965-),男,研究員, 從事爆轟物理、炸藥安全性機理研究。E-mail: huhaibo@caep.cn

TJ55；O389

A

1007-7812(2017)03-0077-03