炸藥殉爆的連續壓導速度探針判定方法

李科斌，李曉杰,2，王小紅，曹景祥，閆鴻浩，陳 翔

(1.大連理工大學工程力學系，遼寧 大連 116024；2.工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024； 3.大連船舶重工集團爆炸加工研究所有限公司，遼寧 大連 116311)

引 言

殉爆距離是炸藥的一項重要性能指標，它的大小反映了炸藥在沖擊波作用下引發爆轟的難易程度，對于炸藥生產、運輸、貯存以及使用過程中的安全管理具有重要意義。

國內外對于炸藥殉爆進行了較多研究，日本學者從1951年便開展了高能炸藥水下殉爆的研究[1]；美國原子能實驗室在1958年對高爆速炸藥殉爆過程中沖擊波和彈片撞擊起到的作用進行了分析[2]；1965年，美國礦務局進行了硝酸銨(AN)和銨油炸藥(ANFO)的野外大藥量殉爆試驗[3]，單個裝藥質量達2.5t。我國對工業炸藥殉爆距離的測量已制定了行業標準[4]，推薦使用沙地法和懸吊法進行測量。對于被發裝藥殉爆的判定，最簡單且直接的方法是觀察現場是否有殘留藥卷或飛散的炸藥，這種方法至今仍是我國行業標準中的判定依據[5]；另一種較可靠的定性判斷方法是在被發藥柱尾部鋪設一塊金屬見證板，通過見證板的變形或破壞程度判斷炸藥是否殉爆，見證板多為鋼板、鉛板或鋁板。澳大利亞國防科學與技術組織[6]利用被發藥柱外殼和見證板的變形及破壞程度來判定被發裝藥的反應情況，比較了傳統PBX炸藥中不同RDX粒度級別對殉爆反應的影響。北京理工大學[7]也進行了類似的實驗，分析了GHL炸藥(RDX/Al/Binder)的殉爆情況，并建立仿真模型對藥殼的膨脹、破片的飛散以及被發藥柱的殉爆進行了分析。Los Alamos國家實驗的Allen等[8]則利用方形裝藥配合鉛柱的變形來判斷火箭推進劑的殉爆反應情況，同時建立了相關數值模型。通過高速相機記錄藥柱的爆轟過程是判定炸藥是否發生殉爆更直觀的方法，常用于高能炸藥殉爆實驗。日本學者Itoh等[9]和韓國學者Young-Hun Ko等[10]分別進行了水下裝藥的殉爆實驗，前者通過高速相機和錳銅壓阻片來分析B炸藥的殉爆情況，后者則通過見證板判斷RDX聚能裝藥的殉爆距離，同時給出了數值計算結果。

上述炸藥殉爆的判定方法主要存在如下問題：(1)觀察現場是否有殘留炸藥的方法在判定藥量較大時效果較好，但不能判定被發裝藥的反應狀態，無法分析炸藥爆轟的發展情況，利用壓力傳感器進行殉爆判定時也存在該缺點[10]；(2)見證板在判斷被發裝藥反應狀態時能力有限，判定界限模糊；(3)使用高速相機時儀器設備昂貴，需做好嚴格的防護，操作繁雜，試驗成本較高，且不適合野外大藥量的測試。

為了解決上述問題，本研究研制了一種新型的壓導式連續電阻絲探針，利用該探針對殉爆試驗中主發裝藥和被發裝藥的爆速進行連續測量，可連續記錄炸藥中的爆轟波和空氣中的強沖擊波，從而定量判斷炸藥的殉爆情況，為炸藥殉爆的判定分析提供一種新思路。

1 實 驗

1.1 連續壓導探針工作原理

新型連續壓導探針的結構如圖1所示，其中心為一根直徑0.5～1.0mm、螺距0.5～0.8mm的螺紋金屬絲，可采用螺桿線、批花線、細鋼絲繩、纏絲琴弦或按固定節距扭轉的三角形至六角形麻花型金屬絲；將直徑為0.04～0.1mm、漆包層厚度約為0.016mm的漆包電阻絲對折后緊貼在金屬絲表面，并用絕緣纏繞膜包覆，再用銅箔等作為屏蔽層，最后穿入直徑相近的聚氯乙烯熱縮套管中熱縮后套緊固定。探針整體直徑約為2mm，長度根據裝藥尺寸而定，一般在50～200cm之間。該探針在外界高壓作用下，內部的金屬螺紋將刺穿漆包層使電路導通，因此它除了可以用于爆轟波速度的測量外，也適合沖擊波、高速碰撞等速度的測量。

圖1 連續壓導速度探針的結構Fig.1 The construction of continuous pressure-conducted velocity probe

基于連續壓導探針測量炸藥爆速的工作電路如圖2所示，圖中Rc為電纜電阻，R0為分壓電阻，均為已知值。

圖2 連續爆速的測試電路圖Fig.2 Test circuit of continuous detonation velocity

連續壓導探針沿炸藥軸向布置，炸藥起爆后，爆轟波沿炸藥不斷向前傳播，壓導探針在爆轟波高溫高壓作用下持續導通，聯入電路的有效電阻R(t)則不斷減小，示波器顯示的端電壓V(t)也隨之減小，若電源提供的恒定電壓V0、漆包線單位電阻r和探針的總電阻Ra均已知，則被爆轟波導通部分的探針長度可表示為：

(1)

式(1)表示爆轟波波陣面在任意時刻的位置，若對該式求時間的導數，即為炸藥的爆速：

(2)

實際測試中，將圖2虛線框內的元件組裝成一個整體的測試儀器，即為連續電阻爆速儀。

需要說明的是，由于連續壓導探針是在外部壓力作用下利用螺紋金屬絲的螺齒刺破漆包層來實現回路的“開關”作用，因此從嚴格意義上講探針的電阻變化并不是連續的，而是受螺距、爆速等影響的階梯變化，根據本研究探針的相關參數，可計算得到螺齒間電阻絲的阻值變化約為0.27Ω，其電壓變化為2～8mV，然而由于連續電阻爆速儀受自身噪聲信號的影響，其底噪信號電壓幅度約為26mV，大于螺齒間的電壓變化，螺齒之間的電壓變化信號將被底噪信號所覆蓋，因此實際實驗條件下并不能顯示出理想的階梯變化信號，但由于螺齒間的電阻變化(約0.27Ω)遠小于探針的總電阻(200～500Ω)，因此這里近似將探針的導通過程視為連續的電阻變化。

1.2 實驗設計

1.2.1 樣品及儀器

待測炸藥采用RDX/ANFO混合裝藥，質量比分別為0/100%、15%/85%和50%/50%。

爆速儀采用自行研制的DVP-I型連續電阻爆速儀，其技術指標如表1所示。

表1 DVP-I型連續電阻爆速儀技術指標Table 1 Technical specifications of DVP-I VOD recorder

1.2.2 實驗裝置設計

利用連續電阻絲探針判定炸藥殉爆的實驗裝置如圖3所示，試驗支架的安裝與傳統懸吊法[12-13]基本一致，藥柱距離地面的高度應不小于800mm；連續電阻絲探針依次水平穿入主發裝藥和被發裝藥中心，探針頭部距離主發裝藥起爆端不小于3倍藥卷直徑，探針尾部從被發裝藥尾部引出；將固定好探針的主發裝藥和被發裝藥整體置于半圓形管槽內，連續電阻絲探針的輸出端通過同軸電纜與信號采集儀相連；之后調整藥卷間距為L，并確保兩藥卷處于同一軸心且兩者之間無雜物。

圖3 連續壓導速度探針的殉爆測量裝置Fig.3 Test setup of sympathetic detonation using continuous velocity probe

1.2.3 實驗過程

將雷管插入主發裝藥后與起爆線連接，開啟信號采集儀，設置采樣頻率、采樣長度、觸發方式等試驗參數；炸藥被起爆后，通過信號采集儀獲取連續電阻絲探針的電壓信號曲線；利用式(1)將電壓信號換算為爆轟波-沖擊波的時程曲線后，通過比較爆轟波-沖擊波行程與藥卷和間隔的總長度判斷被發裝藥是否殉爆，即若爆轟波-沖擊波行程與主/被發藥卷和空氣間隔的總長度一致時，說明被發裝藥發生了殉爆，若行程小于總長度時則表示未殉爆。

2 結果與討論

2.1 數據處理與殉爆的判定

圖4為利用圖3所示裝置獲得的3次不同組分裝藥試驗的探針電壓信號曲線，3次試驗中主發裝藥和被發裝藥的裝藥尺寸相同，直徑為32mm，長250mm，不同的是試驗1使用RDX/ANFO(質量比為15%/85%)的混合裝藥，裝藥密度為0.82g/cm3，藥卷間距L設定為20mm，而試驗2和試驗3均使用RDX/ANFO(質量比為50%/50%)的混合裝藥，密度為0.85～0.90g/cm3，藥卷間距L分別為30mm和100mm。

圖4 連續爆速儀記錄的探針電壓信號曲線Fig.4 Probe voltage signal curves recorded by the continuous VOD recorder

由圖4可以看出，3次試驗探針總長近似，3條曲線的初始電壓相近(平行段)，當主發裝藥起爆后，爆轟波沿藥卷傳播，在某一時刻開始(約-0.06ms)作用于探針頭部， 在-0.025ms時刻左右，爆轟波到達主要裝藥末端，進入空氣中形成爆炸沖擊波，初始的強沖擊波將繼續導通探針，若空氣間隔較短，藥卷之間的探針均可被導通(試驗1和試驗2)，但若間隔過長，衰減至一定強度的沖擊波將無法導通探針，出現信號振蕩(試驗3)。由于探針初始總長約870mm(電阻約300Ω)，其中有效部分長420～500mm，若被發裝藥發生殉爆，則爆炸發生后剩余的探針端電壓應在3V左右(試驗2和試驗3)，但若被發裝藥未發生殉爆，則剩余部分探針長度約700mm，最終端電壓約為4.5V(試驗1)，因此，根據圖4的實驗結果，可初步判斷試驗1的被發裝藥未殉爆，而試驗2和試驗3則發生了殉爆。為了進一步分析爆轟波和沖擊波的發展過程，利用式(1)將各試驗的電壓信號分別轉化為爆轟波-沖擊波陣面的時程曲線，如圖5所示，對應了炸藥殉爆判定中可能出現的3種結果。

圖5 殉爆判定的3種時程曲線Fig.5 Three time-history curves for the lodgment of sympathetic detonation

圖5(a)為試驗1的爆轟波-沖擊波時程曲線，主發裝藥的爆轟波首先導通探針(0～150mm)，隨后爆轟波傳播結束，進入空氣中形成爆炸沖擊波，由于空氣間隔較小(20mm)，藥卷之間的探針仍可以被沖擊波壓通(150～170mm)，但由于RDX含量較少，被發裝藥的感度較低，且沖擊波強度也較小，因此被發裝藥中并未形成穩定的爆轟波，而是以炸藥作為多孔介質的沖擊波繼續衰減至無法導通探針為止(170～205mm)。通過對主發裝藥穩定爆轟段進行線性擬合，可知主發裝藥爆速為3143.8m/s，連續電阻絲的最大導通長度約為205mm。從而可以得出結論：RDX/ANFO(質量比為15%/85%)的混合裝藥在間隔20mm時未發生殉爆。

圖5(b)的爆轟波-沖擊波行程對應圖4中試驗2的電壓信號，連續電阻絲探針在主發裝藥、空氣間隔、被發裝藥的長度分別為150、30和250mm，爆轟波在主發裝藥傳播后，進入空氣中形成沖擊波并迅速衰減，但由于此時藥卷間距較小，空氣沖擊波的強度仍可以壓通探針，因此探針也完整地記錄了沖擊波的傳播過程(150～180mm)，通過對該段曲線進行多項式擬合，得到沖擊波速度在2237.4～3038.6m/s之間，隨后在沖擊波和爆轟產物的作用下，被發裝藥被起爆，逐漸發展成穩定的爆轟波并繼續向前傳播(180～430mm)，連續電阻絲探針的最大導通長度大于430mm，而通過對主發裝藥和被發裝藥的爆轟波進行線性擬合可得爆速分別為5074.1和4849.9m/s。據此可以判斷，RDX/ANFO(質量比為50%/50%)的混合裝藥在間隔為30mm時發生了殉爆。

圖5(c)為試驗3的爆轟波-沖擊波時程曲線，探針首先記錄了主發裝藥的爆轟波傳播(0～150mm)，隨后進入空氣中形成爆炸沖擊波，起初的強沖擊波仍可壓通探針(150～170mm)，但由于藥卷間隔較大(100mm)，衰減至一定程度的空氣沖擊波便無法壓通探針，因此出現圖中所示的斷層(170～230mm)，而230～250mm部分的探針又重新被導通，這可能是空氣沖擊波在被發裝藥端面發生反射造成的；由于RDX感度較高，含有質量分數50%RDX的被發藥卷在沖擊波和爆轟產物作用下被起爆，探針繼續被持續導通，并且沒有明顯的爆轟波發展過程，而是直接達到了穩定狀態，連續電阻絲探針的最大導通長度大于430mm，主發藥卷和被發藥卷擬合后的爆速分別為5236.3和5235.1m/s。因此RDX/ANFO(質量比為50%/50%)的混合裝藥在間隔為100mm時仍發生了殉爆。

2.2 重復實驗及殉爆距離的確定

為了確定炸藥殉爆距離的具體值，需要進行大量的殉爆重復試驗，由于ANFO的感度較低，首先對不同配比的RDX/ANFO混合裝藥(RDX質量分數分別為0、15%、50%)在20和30mm間隔下進行了兩組試驗，測試得到的電壓信號經式(1)換算后的爆轟波-沖擊波時程曲線如圖6所示。

圖6 不同ANFO/RDX配比下20和30mm間隔時的殉爆情況Fig.6 Sympathetic detonation results of the air gaps with 20 and 30mm under different ANFO/RDX ratios

圖6中試驗1與試驗2對應的曲線即為圖5(a)和(b)中的曲線，試驗4和試驗5為純銨油炸藥，探針在主發裝藥中的長度為170mm，擬合爆速分別為1848.2和1922.3m/s，曲線在170mm后迅速趨于水平，即30和20mm的空氣間隔未能使被發裝藥殉爆；試驗1和試驗6為RDX/ANFO(質量比為15%/85%)的混合裝藥，探針在主發裝藥中的長度為150mm，擬合后的爆速分別為3348.1和3143.8m/s，同樣，根據曲線的變化可判定30和20mm的空氣間隔也不能使該比例下的被發裝藥發生殉爆；試驗2和試驗7為RDX/ANFO(質量比為50%/50%)的混合裝藥，探針在主發裝藥中的長度也是150mm，兩次試驗主發裝藥的爆速分別為4644.9 和5074.1m/s，與前兩種情況不同，該混合比例下的兩次試驗被發裝藥均發生了殉爆，探針依次記錄了主發裝藥中的爆轟波、空氣中的沖擊波以及被發裝藥的爆轟波，擬合后可知被發裝藥的爆速分別為4707.3和4849.9m/s。

為此，選用RDX/ANFO(質量比為50%/50%)混合裝藥作為測定殉爆距離的待測炸藥，裝藥密度為0.85～0.90g/cm3，根據前述判定殉爆的方法，通過不斷調整藥卷間隔，進行了大量重復性試驗，得到如表2所示的殉爆結果，并對主發裝藥和被發裝藥的爆速(分別為D1和D2)進行了擬合，表2中試驗2和試驗3對應的數據即為圖5(a)和(b)中的數據。

由表2可知，RDX/ANFO(質量比為50%/50%)混合裝藥在密度0.85～0.90g/cm3下的殉爆距離為220mm，且殉爆后的被發裝藥爆速基本與主發裝藥一致，兩者相差在0.02%～4.4%之間。此外，該裝藥條件下，壓導探針所能記錄空氣沖擊波的最大間隔為60mm，于是對于RDX/ANFO(質量比為15%/85%)混合裝藥，在L≥220mm時炸藥不能殉爆，曲線同圖5(a)，L≤60mm時，爆轟波-沖擊波時程曲線為圖5(b)類型，60mm≤L≤220mm時為圖5(c)類型。

3 結 論

(1)基于自行研制的連續壓導探針設計了可連續記錄主發裝藥爆轟波、空氣沖擊波(沖擊波峰壓pS≥20MPa，波速DS≥2000m/s)和被發裝藥爆轟波的殉爆試驗裝置。

(2)根據殉爆判定過程中爆轟波-沖擊波時程曲線可能出現的3種類型，通過分析爆轟波和沖擊波的發展過程確立了殉爆的判定依據，即若爆轟波-沖擊波的總行程等于主/被發藥卷和空氣間隔的總長度時，說明被發裝藥發生了殉爆，若行程小于總長度時，則表示未殉爆。

(3)對3種不同RDX/ANFO混合比例下20mm和30mm空氣間隔時的殉爆情況進行了分析，并通過大量重復性試驗確定了RDX/ANFO(質量比為50%/50%)混合裝藥的殉爆距離為220mm。