不同點火條件下DNTF與B炸藥的燃燒轉爆轟實驗研究

羅一鳴，沈 飛，王 輝，張蒙蒙，王煊軍

(1.火箭軍工程大學，陜西 西安 710025；2.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

引言

3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)是目前具備實用價值的第三代含能材料之一，其能量水平僅次于CL-20，且該材料具有較低的熔點(108～110℃)和較高的密度、爆速及爆熱，以其作為載體開發的熔鑄炸藥相比于TNT基和DNAN基熔鑄炸藥具有顯著的能量優勢[1-4]。

但前期研究表明[5]，DNTF基熔鑄炸藥具有點火后快速轉爆轟的特點，難以通過快速烤燃、慢速烤燃等安全性試驗，從而影響DNTF基炸藥的推廣應用。因此，為了提升DNTF基炸藥的使用安全性，必須深入研究其燃燒轉爆轟(DDT)行為，才能尋求合適的技術途徑加以改善。

DDT的研究一直是火炸藥領域中的熱點，其特征對火炸藥的生產、運輸、使用、貯存等各環節的安全性均有重要影響，因此國內外開展了大量的研究工作[6-13]。然而在DNTF的應用領域中，DDT的研究工作仍較為薄弱，馮曉軍等[14-15]研究了配方組分、點火藥量、約束強度、裝藥成型方式對DNTF基炸藥的燃燒轉爆轟的影響，結果顯示點火藥量的改變對初始燃燒持續時間和誘導爆轟距離的影響較為明顯。

然而在上述研究中，采用的最低點火條件為3g黑火藥，且燃燒室的空間較小，其點火強度約達百兆帕級，導致DNTF基炸藥的DDT過程較為迅速，不利于深入分析其增長過程；此外，該實驗采用特定的混合炸藥配方，其他組分的引入對于研究DNTF燃燒轉爆轟過程也具有一定的干擾。

由于火炸藥的安全事故，很多情況下是在受到較低刺激下逐漸增長而發生的，因此研究弱刺激下的點火增長過程同樣具有非常重要的現實意義[16]；此外，重點針對其DNTF單質炸藥，而非混合炸藥配方開展DNTF的點火轉爆轟的研究，對于不同體系DNTF基配方的設計具有更為明確的指導意義。

基于以上原因，本研究采用0.25、0.5、1.0、2.0g 4種不同藥量的黑火藥點火，考察了DNTF單質炸藥的燃燒轉爆轟過程，并在相同條件下與B炸藥的DDT現象進行了對比，以期為DNTF的安全性優化及工程應用研究提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗裝置

DDT試驗裝置如圖1所示，由點火器、DDT管、同軸電離探針、激光探頭傳感器以及高速、低速兩臺數據采集儀等組成。

點火器由電點火頭(約含30mg黑火藥)與不同質量的黑火藥組成，即采用細紗將電點火頭和黑火藥包裹一體，并將其裝入DDT管端頭內的點火腔內，通過調整黑火藥的質量可以對點火壓力進行控制。

DDT管的材質為45號鋼，由點火端蓋、管身和尾部端蓋組成，其結構如圖1所示。點火端頭內部設置了Φ20mm×25mm的圓柱形點火空腔；管身內徑為20mm，外徑為64mm，長度為500mm。DDT管的約束強度Pb可由式(1)計算[17]：

(1)

式中：k為管外徑與內徑比值；σ為材料的抗拉強度，45號鋼的抗拉強度為600MPa。因此可計算得到本實驗中DDT管的靜態約束強度約為313MPa，其結構如圖1所示。

圖1 DDT管結構示意圖

在點火端黑火藥內設置一根通斷式電探針作為觸發，然后依次在管身的前段間隔30mm設置5支激光光纖探頭，后段間隔60mm設置4支激光光纖探頭，其布局如圖2所示。由于黑火藥反應至炸藥開始燃燒之間可能存在一定的延遲，且延遲時間難以確定，因此采用兩臺示波器對信號進行記錄，如圖2所示。其中，1號示波器連接的通斷式電探針與1號激光光纖探頭，其間隔時間為反應波陣面在裝藥前30mm內傳播所需的時間；其采樣頻率設置為10kS/s，確保其測量時間的覆蓋范圍較寬。2號示波器測量連接1號至9號激光探頭傳感器，從而可以測試反應波陣面在裝藥30～360mm內傳播所需的時間。

圖2 反應波陣面信號采集示意圖

試驗所用激光光纖探頭的結構如圖3所示，該探頭由光纖、0.2mm厚的玻璃管、鍍膜反射鏡組成，當激光通過光纖照射至反射鏡時，其反射光與入射光產生干涉，從而探測器可感應出相應的輸出信號。

圖3 激光光纖探頭結構示意圖

由于玻璃管的強度較低，燃燒波或爆轟波的壓力均可使光纖頭部反射面瞬間破壞，造成反射光無法返回，測量信號出現跳躍，從而確定出燃燒波或爆轟波到達相應位置的時刻。由于該探頭對壓力的響應較為靈敏，可快速準確地探測到反應波陣面的到達時間，因此可兼顧燃燒區域和爆轟反應區域的測量。

由于只需要測量每支光纖探頭破碎的時刻，因此為了減少示波器的工作通道，可選擇一些探頭進行串聯，如將1號、4號、7號探頭的直流信號探測器串聯，則每破壞一個探頭時，其信號就會出現一個向下的階躍，如圖4所示，進而能夠獲取所有探頭的響應時刻。為了兼顧測量精度及測量時間范圍，將示波器的采樣頻率設置為10MS/s。

圖4 激光光纖探頭響應時的信號曲線

1.2 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和強光，當波陣面傳播到同軸電離探針或激光探頭的位置處會使上述傳感器產生電脈沖信號，通過數據采集儀可以記錄到該電脈沖到達的時間，依據相鄰探針間的距離和電脈沖到達的時間差，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和轉變時間。

1.3 點火藥量

為了研究不同點火壓力下DNTF炸藥的響應特性，首選需要根據經典內彈道學的燃氣狀態方程確定出火藥量m與壓力峰值pm的關系[18]：

pm=Δ·f/(1-a·Δ)

(2)

式中：Δ表示裝填密度或火藥量與燃燒空腔的體積比，單位為g/cm3；a為燃氣產物的余容，這里取1；f表示火藥力，本試驗中采用常用的小粒黑，則取300kJ/kg；火藥量m的單位為g；壓力峰值pm的單位為MPa；本研究中的燃燒空腔尺寸均為Φ20mm×25mm。

為了獲取DNTF炸藥在10～100MPa點火壓力作用下的燃燒轉爆轟特性，本研究將點火藥量設置為2.0、1.0、0.5和0.25g 4種工況，同時考慮點火頭藥量的貢獻，根據式(2)可計算出4種工況對應的點火壓力峰值分別為104.6、45.3、21.7和11.1MPa。

1.4 炸藥樣品

分別將DNTF單質炸藥和B炸藥(TNT與RDX的質量比為40∶60)澆鑄成Φ20mm×450mm(可拼接)的藥柱，其中DNTF單質炸藥裝藥密度為1.82g/cm3(94% TMD)，該密度下爆速約為8900m/s；B炸藥裝藥密度為1.68g/cm3(96% TMD)，該密度下爆速約為7800m/s。炸藥樣品裝配如圖5所示。

圖5 炸藥試樣裝配示意圖

2 結果與討論

2.1 不同藥量的點火引發情況

當黑火藥藥量分別為2.0、1.0、0.5和0.25g 條件下，DNTF單質炸藥和B炸藥在DDT管內的點火情況如表1所示。

表1 不同點火藥量下的點火情況

B炸藥的點火閾值較高，除2.0g黑火藥能夠成功點火以外，剩下的3種條件均不能順利點火；而DNTF單質炸藥點火閾值則較低，在0.25g黑火藥的點火條件下仍然能夠順利點燃。該結果表明，DNTF單質非常容易發生點火，在一些輕微刺激條件下也可能存在安全風險，在生產、使用等各環節應尤為注意。

2.2 DDT反應劇烈程度

B炸藥在2.0g黑火藥點火條件下DDT管的破壞程度如圖6所示。

圖6 B炸藥的DDT反應劇烈程度

在距點火端160mm處，DDT管出現明顯的膨脹，表明此處的B炸藥反應速率開始大幅提升；而DDT管僅撕裂成數塊較大的碎片，表明反應最終未轉變為穩定爆轟，由于殼體撕裂導致管內壓力迅速降低，同時缺少殼體約束，稀疏波影響增強，使反應波陣面能量耗散過大，因此無法支撐反應速率的進一步提升。另外3種點火條件下，由于B炸藥未點火，DDT管完好無變化。

DNTF單質炸藥在4種點火條件下DDT管的破壞程度大致相同，如圖7所示。管體完全破裂成小尺寸破片，未找到較完整的大型破片，這表明4種狀態下DNTF單質炸藥在點火端不遠處即完成了DDT轉變，形成了爆轟。

圖7 DNTF的DDT反應劇烈程度

與B炸藥實驗后回收的破片對比可以發現，DNTF在4種點火條件下，DDT管的破碎程度均較高，可以初步判定DNTF在上述實驗條件下均發生了爆轟。從已回收的破片可以看出，部分破片仍然保持了初始的管身結構特征，該類型的破片應是在爆轟增長過程中產生的。當DNTF裝藥中反應波陣面的速度較低時，反應產物壓力相對較低，DDT管的破裂以拉伸斷裂為主，其破片的管身結構特征仍能夠保留；當反應波陣面的速度較高時，反應產物壓力迅速升高，DDT管的破裂以剪切斷裂為主，其原有的結構特征將被完全破壞。

2.3 DDT反應過程分析

2.3.1 裝藥前30mm的反應特征

點火時觸發低速數采開始計時，當1號激光傳感器接收到信號后結束計時，這段時間包括兩個響應過程，即炸藥端面被引燃的過程和燃燒波傳播至1號激光傳感器的過程。如果忽略炸藥端面的引燃過程，即一旦點火器點火便認為炸藥端面被引燃，則可通過測試間距與信號時間差計算得到反應波陣面在該段的平均傳播速度，其結果如表2所示。

表2 裝藥前30mm的反應波測試數據

由于電離探針被觸發的時刻早于裝藥真正的點火時刻，因此表2中的平均速度存在一定的偏差。

對于DNTF，在2.0g黑火藥點火條件下，由于在4.96ms內還應包含裝藥被引燃的時間，因此裝藥前30mm反應波陣面真實的平均速度應比3.348km/s高，且已經進入到低速爆轟階段。該結果表明，相比于B炸藥，DNTF一旦發生點火，其反應速率將快速增長。

但是，當點火藥量降低后，DNTF裝藥在該段的反應波陣面速率顯著降低，甚至在0.25g點火藥條件下，反應波陣面經歷了2643.4ms后才傳播到1號傳感器的所在位置(30mm處)。上述現象表明，點火強度的變化可對DNTF炸藥裝藥DDT過程中的初期反應歷程造成顯著影響。當點火強度較低時，DNTF炸藥裝藥需經歷慢速燃燒階段；但當點火強度較高時，DNTF的DDT過程將直接越過低速燃燒階段，甚至高速燃燒階段，直接進入到低速爆轟階段。

需要特別指出的是，在黑火藥分別為1.0、0.5和0.25g條件下，DNTF反應波陣面平均速度計算值出現了大幅降低。出現這種現象的原因主要是因為隨著點火壓力的減小，裝藥被引燃的時間大幅增加，而本實驗中的測試方法無法精確地表征裝藥何時被引燃，因此大幅增長的引燃時間被計入了反應波陣面傳播時間，從而導致反應波陣面平均速度計算值出現嚴重失真。

2.3.2 裝藥30mm后的反應特征

通過DDT管上不同測點的激光傳感器，準確測量了反應波陣面的到達時間，當1號測點觸發時高速數采開始計時，其后各測點的到達時間如表3所示。

根據表3的測試數據，可獲得反應波陣面在各測點間的平均傳播速率，其結果如表4所示。

表3 裝藥30mm后反應波陣面的到達時間

表4 反應波陣面在不同位置處的傳播速度

假定各測量范圍內的平均速度為該范圍內中心點的速度，則可得到反應波陣面在裝藥中隨距離的變化趨勢，如圖8所示。

從圖8可以看出，對于DNTF炸藥裝藥，在2.0和0.25g兩種點火條件下，反應波陣面速度的差值在45mm處為2.3km/s，75mm處為0.53km/s，而在105mm處僅為0.176km/s。該結果表明，雖然點火藥量對DNTF炸藥裝藥初始反應速率具有顯著影響，然而DNTF自身反應增長速率極快，在較短的距離內，弱點火條件的DDT實驗仍能迅速發展為穩定爆轟。在DNTF炸藥裝藥的4組實驗中，其爆轟轉變距離(穩定爆轟形成位置與點火端距離)均在120～150mm范圍內。

圖8 不同距離處的反應波陣面速度

由文獻[19]可知，DNTF的分解氣相產物對DNTF熱分解反應具有催化作用，隨著外部壓力的升高，分解氣相產物不能迅速離開DNTF表面，從而能夠進一步加劇DNTF的熱分解反應速率。因此，當DNTF被點燃后，由于氣體反應產物的生成而使DDT管中的壓力升高；隨著DDT管中壓力的升高又會進一步促進DNTF反應速率的提升。由于存在上述相互促進的熱分解/燃燒過程，因此DNTF在弱點火條件下也能夠快速增長為穩定爆轟；同時，由于反應速率增長非常迅速，因此導致其爆轟轉變距離在不同點火條件下的差異并不顯著。

B炸藥的DDT實驗顯示，該DDT過程較為平緩，其反應波陣面速度由0.141km/s最終增長到2.449km/s，未達到B炸藥的穩定爆轟速度(7.8km/s)，沒有完成燃燒轉爆轟過程。

通過對比DNTF單質炸藥和B炸藥的燃燒轉爆轟試驗結果可以發現，前者的反應波陣面增長速率極快，一旦發生點火，將快速增長為爆轟，這也是影響DNTF安全使用的關鍵因素之一，且抑制該類型DDT增長速率的難度較高。

3 結 論

(1)與B炸藥相比，DNTF單質炸藥具有較低的點火閾值，在11.1MPa的點火強度下仍能實現正常點火，并完全反應，該特性在文獻報道的點火強度數據中屬于非常低的水平，因此在應用過程中對DNTF單質炸藥的意外點火問題應尤為重視。

(2)在本實驗條件下，采用2.0g點火藥時，DNTF炸藥裝藥的爆轟轉變距離在120～150mm之間，而B炸藥未完成燃燒轉爆轟過程，該現象表明DNTF的DDT轉變過程極為迅速，這也是DNTF基混合炸藥難以通過快速烤燃、慢速烤燃等安全性試驗的主要原因。

(3)當點火藥量從2.0g降至0.25g時，雖然會使DNTF裝藥的引燃時間大幅增加，但最終都能實現燃燒轉爆轟，且其爆轟誘導距離均在120～150mm范圍內。該現象表明，對于DNTF單質炸藥，點火強度的變化可對DDT過程中的低速熱傳導燃燒階段產生顯著影響。