四種典型炸藥燃燒轉爆轟試驗研究

馮曉軍，趙　娟，田　軒

(西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

引　言

炸藥的燃燒轉爆轟(DDT)過程是一個由低速燃燒轉變為高速爆轟的非定常過程，涉及到復雜的物理和化學變化。由于炸藥燃燒轉爆轟性能也是炸藥全壽命周期安全性設計與評價的重要性能參數之一，對炸藥配方的設計、制造、運輸、使用等均有重要的指導價值[1]，因此得到了國內外學者的重視和研究。A．Macek[2]研究了鑄裝HMX炸藥的DDT過程，用應變計測量炸藥點火區的壓力變化，用電離式探針測量DDT過程的走時曲線；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LX-04炸藥DDT過程的影響，發現溫度對其影響沒有規律。近年來，國內也開展了固體炸藥的DDT研究，如王建等[6]對高密度壓裝炸藥的DDT過程進行了相關的試驗研究及數值模擬計算，發現壓裝高密度炸藥的DDT過程需要在強約束條件下才能實現；代曉淦等[7]研究了PBX-2炸藥在加熱條件下的DDT過程，結果表明，加熱至85℃時PBX-2炸藥更難發生DDT現象。上述研究均表明炸藥的DDT過程十分復雜，并伴有一定的隨機性。但是針對一些典型的炸藥配方體系進行燃燒轉爆轟試驗研究，得到的結果和現象可對同體系不同配比的混合炸藥燃燒轉爆轟過程分析和安全性預估具有實際借鑒作用。

本研究選擇由TNT、RDX、HMX、DNTF等常用二代單質含能材料組成的4種典型混合炸藥配方體系，采用同軸電離探針測試技術，進行了DDT試驗研究，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炸藥DDT過程轉變的影響，以期為同體系炸藥配方的燃燒轉爆轟安全性設計和分析提供參考。

1　實　驗

1.1　樣品及裝配

4種典型炸藥配方(質量分數)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DDT的影響，DDT試驗用炸藥配方性能參數見表1。每種炸藥配方的試樣制成11節長度為100mm的藥柱和1節長度為85mm的藥柱，將每節藥柱的兩個端面打磨齊平，依次裝入DDT試驗管中，如圖1所示。

表1　DDT試驗用炸藥配方性能參數

注：ρTMD為理論最大密度；ρ為裝藥密度；pC-J為爆轟壓力。

1.2　試驗裝置

DDT試驗裝置如圖2所示，由DDT管、點火器、同軸電離探針、阻抗匹配器及數據采集儀等組成。DDT管用45號鋼加工而成，內徑為40mm，壁厚為10mm，長度為1200mm，點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。點火器由電點火頭和3g黑火藥組成，在點火器與第一節藥柱端面處布放觸發探針，作為計時零點，第一個同軸探針距離觸發探針125mm。同軸電離探針由外徑1.5mm，內徑1.0mm的黃銅管內固定直徑為0.86mm的漆包線組成。阻抗匹配器型號為BZK-100,電阻值變化范圍為100Ω～100MΩ，共20通道。數據采集儀型號為HBM Gensis 5i，采樣率為1MS/s。

1.3　實驗方法

試驗時，用電起爆器使點火器瞬間燃燒并引燃與其緊密接觸的炸藥端面，燃燒波在炸藥柱內加速燃燒，在一定的壓力和溫度條件下轉變為爆轟傳播。炸藥燃燒或爆轟時，在波陣面會產生一定的電離產物，當波陣面傳播到同軸電離探針位置處會使探針導通，從而產生電壓脈沖信號，通過多通道阻抗匹配器和數據采集儀可以記錄到該電壓脈沖到達的時間，依據相鄰探針間的距離和電壓脈沖到達的時間差，便可以計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變距離。

2　結果與討論

2.1　DDT響應劇烈性

對4種典型的混合炸藥P1、P2、P3、P4進行DDT試驗，得到反應后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均發生了燃燒到爆轟的轉變，而炸藥P4在點燃后不久發生了燃燒熄滅，未發展為爆轟。從DDT殼體破裂的碎片大小和數量可以看出，炸藥P2的DDT管破裂的最劇烈，炸藥P3次之，炸藥P1最小。分析認為，在炸藥發生了燃燒到爆轟的轉變后，其對裝藥殼體的作用程度與炸藥的爆轟壓力相關，體現了炸藥的猛度特性，爆轟壓力越大，猛度越大，其對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DDT管的破裂狀態完全相符。

2.2　DDT反應過程分析

試驗得到炸藥P1、P2、P3和P4在DDT過程中波陣面到達不同位置處的時間，結果見表2，通過數據處理可以得到這4種典型炸藥DDT過程中波陣面位置隨時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的燃燒轉爆轟過程經歷了較為明顯的點火后初始燃燒、對流燃燒、壓縮波引發的爆燃、爆轟反應等4個階段。從點火開始到大約1657μs，炸藥波陣面位置隨時間變化較為緩慢，波陣面傳播速度在109～1716m/s之間接近于線性地增大，說明其處于點火后的初始燃燒階段；從1657～1716μs，持續了大約59μs，波陣面位置快速前進了150mm，波陣面速度非線性地增加到2491m/s，說明裝藥在內部溫度和壓力的協同作用下發生了不穩定的對流燃燒；從1716～1758μs，持續了大約42μs，波陣面速度急速增加到3606m/s，說明裝藥內的壓力波逐漸匯聚產生了爆燃現象；隨后經過大約15μs，波陣面速度呈指數增加到5100m/s左右，并基本維持不變直至試驗結束，說明炸藥裝藥已經發生了從燃燒到爆轟的轉變。

表2　DDT波陣面到達不同位置處的時間

炸藥P2的燃燒轉爆轟過程，其初始點火和對流燃燒階段沒有明顯區別，而且從點火到爆燃的轉變非常快，從點火開始大約持續了195μs就迅速發展為爆燃，波陣面傳播速度由996m/s快速轉變為3768m/s的爆燃速度，而且在爆燃階段只持續了大約42μs就急速地轉變為爆轟，波陣面的傳播速度達到了8000m/s左右，持續到試驗結束。

炸藥P3的燃燒轉爆轟過程，其初始點火燃燒階段持續時間變長，持續了大約3683μs，波陣面傳播速度由57m/s逐漸增大到1289m/s，但沒有出現明顯的對流燃燒階段，直接轉變為高速的爆燃階段，波陣面傳播速度由1289m/s快速地增大到3318m/s，而且爆燃階段的持續時間更短，只有大約13μs，波陣面的傳播速度就急速地轉變為5813m/s以上的爆轟階段，并持續到試驗結束。

炸藥P4從點火開始，試樣一直處于初始的不穩定燃燒階段，持續了約14686μs，燃燒波陣面傳播速度最大增長到280m/s，隨后又減小到90m/s左右后燃燒反應熄滅，試樣未發展為爆燃或爆轟，DDT管的部分碎裂是由于初始燃燒階段產生的大量氣體而導致的物理爆炸引起。

2.3　DDT轉變時間、波陣面速度及爆轟轉變距離分析

對4種典型炸藥DDT過程中各階段轉變的持續時間和波陣面傳播平均速度及成長為爆轟的轉變距離進行分析，結果見表3。

表3　4種炸藥DDT持續時間、速度和爆轟轉變距離

注：tD為持續時間；vf為波陣面速度；Ld為爆轟轉變距離。

從圖4和表3可以明顯看出，炸藥P1經歷了燃燒轉爆轟的4個階段，整個轉變過程較為平緩，裝藥轉變為爆轟的成長距離在750～825mm。這是因為炸藥P1是TNT和RDX的混合物，由于TNT的熔點較低，約為80℃，在點火燃燒后，釋放的能量大部分可能用于TNT的熔化吸熱，使得DDT管內裝藥的溫度上升較為緩慢，同時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管內裝藥的放熱量快速增加，在較短時間內發生熱分解的加速反應，導致燃燒平衡的快速失穩，因此其燃燒轉爆轟過程就會比較平穩，轉變為爆轟的距離也相對較長。

炸藥P2和P3的燃燒轉爆轟過程較為快速，從表3和圖4可以看出，其沒有出現明顯的對流燃燒階段，直接從初始燃燒發展為爆燃，而且爆燃階段持續時間也非常短暫，裝藥轉變為爆轟的成長距離分別為375～450mm和675～750mm，與炸藥P1相比更為劇烈，說明其更容易發生燃燒向爆轟的轉變。這一方面是因為DNTF的熱感度比較高，這兩種炸藥中都含有一定量的DNTF炸藥，使得其燃燒轉爆轟的敏感性提高；另一方面，對炸藥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致HMX熱分解的發生，而且HMX分解放熱速率本身就非常快速，其分解反應一旦開始，強烈的自加熱和自催化反應會快速釋放大量熱量，使得這兩種炸藥的熱分解放熱量快速疊加，進一步促使炸藥裝藥自加速分解反應和放熱速率加快，使得DDT管內溫度和壓力急劇升高，也會誘使炸藥中的TATB和Al在較短的時間內發生放熱反應，導致炸藥裝藥的燃燒狀態快速失穩，迅速發展為爆燃和爆轟，因此爆轟轉變距離非常短；對炸藥P3來說，配方中含有一定量的AP和Al粉，由于AP在300℃左右就開始發生吸熱分解反應，Al在沖擊作用下的點火燃燒溫度在2100K(1827℃)[10]左右，AP發生反應的溫度比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管內環境溫度不會快速升高，炸藥處于初始燃燒階段，因此炸藥P3初始燃燒階段持續了3683μs，遠大于炸藥P2的195μs，但隨著燃燒反應的進行，DDT管內的壓力和溫度會逐漸增大，引起Al的燃燒放熱反應，由于鋁粉燃燒放熱速率很高，放熱量也非常高，使得DDT管內的壓力和溫度急劇上升，從而使DDT管內裝藥直接轉變為爆燃，進而快速成長為爆轟。

從圖4和表3可以看出，炸藥P4未發生燃燒到爆轟的轉變，在初始燃燒階段持續了一段時間后就發生了燃燒熄滅現象，這可能是由于炸藥P4采用的是澆注成型工藝，其中質量分數10%的惰性添加劑將炸藥組分進行了隔離包覆，導致主炸藥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，使其快速發生放熱反應，而且RDX自身的熱分解反應速率相對較小，這些因素綜合作用，使得炸藥P4在DDT管內難以形成穩定燃燒，最終燃燒熄滅。

3　結　論

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

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

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

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