不同機械約束下壓裝PBX炸藥反應演化行為

姚奎光， 王淑娟， 樊星， 聶少云， 王翔， 代曉淦

(中國工程物理研究院 化工材料研究所， 四川 綿陽 621999)

0 引言

炸藥是武器裝備的重要能源，也是軍事安全中的重大潛在危險源，其安全性是武器系統非常關心的問題，也一直是含能材料領域中的重要研究方向。炸藥非沖擊點火后可能發生燃燒、爆燃、爆炸甚至爆轟反應，其反應演化是一個涉及結構響應、斷裂與炸藥化學反應耦合的多物理、多階段復雜過程，其影響因素主要包括：炸藥化學物理性質、慣性及機械約束、初始點火方式及點火位置等，國內外研究學者針對這些影響因素及相關機制開展了大量研究。

文獻[9-11]對HMX基LX-04、LX-11、LX-10、PBX9501等炸藥的燃燒特能進行了研究，發現粘結劑含量較高(≥15%)的LX-04和LX-11炸藥在 500 MPa 壓力范圍內燃燒平穩，但粘結含量較低(≤10%)的LX-10和PBX9501炸藥在壓力超過150 MPa后燃燒變得非常不穩定，推斷高壓下炸藥基體斷裂形成高的燃燒比面積促使樣品燃速陡增，姚奎光等對HMX含量95%PBX炸藥燃燒特性研究也發現類似現象，表明炸藥化學性質對其反應特性影響較大。Dickson等在機械約束烤燃實驗中采用高速攝影技術觀測到炸藥點火后形成多條裂紋，認為裂紋增加了反應面積，導致反應烈度的增加。Berghout等對有機械和熱損傷PBX9501炸藥反應特性的研究發現，由機械損傷造成不同尺寸的裂紋和孔隙導致炸藥燃燒轉變機制發生了變化。Smilowitz等采用質子照相技術直接觀測了炸藥點火后的炸藥裂紋對流燃燒過程，獲得了炸藥熱傳導及對流燃燒陣面傳播和點火后炸藥消耗的物理圖像，驗證了炸藥熱爆炸反應早期壓力增加導致宏觀裂紋形成、高溫產物對流點火以及炸藥層流消耗等反應機制。Holmes等針對PBX9501炸藥開展了球形質量裝藥中心點火試驗，研究發現機械約束裝藥的反應烈度比未約束裝藥高，低烈度反應主要由燃燒產物氣體驅動的炸藥自身形成動態破裂所主導，大質量分數炸藥參與燃燒反應之前裂紋的擴展速度足夠快，以致壓力釋放和反應熄滅，在壓力增長和釋放競爭關系中后者占主導作用。

為深入認識裝藥反應演化過程的影響因素及其影響機制，本文基于炸藥化學物理性質、機械約束及點火方式等因素，設計了一種機械約束裝藥點火實驗裝置，在炸藥柱底端機械約束較強的位置點火，采用多種診斷手段對HMX基壓裝PBX炸藥的反應演化行為進行了研究分析，認識了炸藥非沖擊點火后反應烈度的轉變過程，為今后認識不同因素對裝藥反應烈度的影響規律以及篩選炸藥配方提供新的方法支撐。

1 實驗方法和實驗方案

1.1 實驗方法

實驗裝置示意圖如圖1所示，由腔體、可調節約束器、點火器及圓柱形炸藥組成。腔體內安裝炸藥樣品，二者壁面之間存在0.05～0.10 mm的間隙，用于模擬裝藥結構的裝配間隙。腔體上端安裝約束器，其內徑小于炸藥樣品直徑，當反應高壓沖破約束片時在軸線方向仍能約束炸藥樣品，以模擬炸藥基體約束對反應演化行為的影響。腔體底部預留10 mm×10 mm中心孔，孔中填充約0.6 g黑火藥，采用點火器點燃黑火藥，黑火藥產生的高溫燃燒產物點燃炸藥樣品，樣品在炸藥基體約束及裝置機械約束下進行反應演化。圖1中PDV為激光干涉儀。

圖1 機械約束裝藥點火實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of mechanically confined charrge ignition experimental device

實驗裝置腔體尺寸為90 mm×115 mm，內半徑=25 mm，外半徑=45 mm，底部壁厚=25 mm，材料為Q235鋼，屈服強度=235 MPa，抗拉強度=370 MPa；約束片尺寸為M55 mm×50 mm，半徑=27.5 mm，螺紋數=11，螺距=4 mm，材料為316L不銹鋼，屈服強度=205 MPa，抗拉強度=520 MPa。腔體在高壓下破壞主要有底部沖塞破壞、側面拉伸破壞及螺紋剪切破壞3種形式，可用下列公式進行估算：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：為沖塞破壞強度(MPa)；為拉伸破壞強度(MPa)；為螺紋剪切破壞強度(MPa)；為剪切強度(MPa)；為安全系數，一般靜載條件下，取值范圍為12～25；取值范圍為05～07。

將腔體和約束器參數代入(1)式～(4)式，可得=220 MPa，=195 MPa，=227 MPa。因此，整個裝置的約束強度由約束器的設計壓力決定，本文中約束器采用定制的爆破片，其設計壓力分別為 2 MPa 和50 MPa。

實驗采取無預留空腔狀態下點火器加黑火藥點火方式，模擬裝藥非沖擊點火后在炸藥緊鄰位置產生數MPa壓力的高溫氣體點火條件。為了消除點火過高壓力對炸藥造成損傷(裂紋)，控制點火腔體積和黑火藥藥量，實驗前首先采用與炸藥尺寸一致的有機玻璃開展了點火試驗，壓力傳感器監測到點火后高溫產物氣體最高壓力約為5 MPa，遠小于炸藥抗壓強度，因此點火條件不會對炸藥造成損傷。

1.2 實驗樣品

實驗試樣為HMX基高聚物粘結炸藥PBX-1和PBX-2，兩種脆性壓裝炸藥各組分含量相同，但粘結劑類別不同，各組分的質量分數分別為HMX 87%、TATB 7%、鈍感劑1.8%、粘結劑4.2%，其理論最大密度為1.874 g/cm，實際密度為1.845 g/cm，尺寸為50 mm×50 mm，質量約 181 g。 兩種炸藥力學強度存在差異，環境溫度下PBX-1和PBX-2炸藥實測抗壓強度分別為40.55 MPa和48.74 MPa。

1.3 實驗測試

實驗測量項目包括：采用PDV和測速探頭，對約束器底部殼體的運動歷程進行測量；采用沖擊波超壓測試系統(2個美國PCB公司產沖擊波超壓傳感器、YE6600電荷放大器以及泰克示波器組成)，在距離裝置中心2 m位置處，對炸藥反應產生的空氣沖擊波超壓進行測量；采用QSY8105高量程壓力傳感器，固定在腔體底端(見圖1)，對腔體內炸藥反應壓力進行測量。實驗中，采用約束片動作觸發探針，探針導通信號觸發同步機，同步機同時觸發PDV、沖擊波超壓及壓力測試系統。

2 實驗結果和分析

2.1 實驗結果

2.1.1 2 MPa機械約束結果

2 MPa機械約束下PBX-1和PBX-2裝藥內部壓力及約束片速度歷程如圖2所示。從壓力歷程曲線可以看出，PBX-1和PBX-2裝藥分別經歷0.902 ms、0.858 ms后壓力達到第1個波峰，峰值壓力分別為91.4 MPa和108.9 MPa，此時約束片未膨脹變形，表明炸藥基體約束作用造成壓力持續升高。隨后，PBX-1和PBX-2裝藥分別經歷大約0.045 ms和0.029 ms后約束片速度達到最大值，分別為 71.7 m/s 和67.9 m/s，約束器破裂，但裝置內部壓力并沒有迅速釋放降低，表明炸藥基體約束仍然起作用。

圖2 2 MPa機械約束不同裝藥內部壓力及約束片速度歷程Fig.2 Profiles of pressure in steel case and velocity of confinement disc for different charges under 2 MPa mechanical confinement

圖3給出了2 MPa機械約束下PBX-1和PBX-2裝藥反應沖擊波超壓信號，PBX-1和PBX-2炸藥反應后2 m處空氣沖擊波超壓平均峰值分別為 19.1 kPa 和11.2 kPa，估算2 MPa機械約束下PBX-1和PBX-2炸藥反應TNT當量分別為22.3 g和7.20 g，約裸藥爆轟總當量分別為9.5%和3.1%。

圖3 2 m處空氣沖擊波超壓波形Fig.3 Air blast overpressure waveform measured at 2 m

圖4給出了PBX-1和PBX-2裝藥反應回收的剩余殘骸。腔體內回收到大量細碎炸藥，特征尺寸從粉末狀亞毫米級到塊狀厘米級，其中PBX-1炸藥大多數表面有燃燒的痕跡，并且在實驗裝置附近幾米內回收到尺寸較大的炸藥塊，部分炸藥塊表面有燃燒的痕跡。

圖4 炸藥回收剩余殘骸Fig.4 Recovered fragments of PBXs

2.1.2 50 MPa機械約束結果

50 MPa機械約束下PBX-1和PBX-2裝藥內部壓力及約束片速度歷程如圖5所示。由圖5中壓力曲線可知，壓力變化大致可以分為兩個階段：階段Ⅰ壓力隨時間變化基本呈線性關系，PBX-1和PBX-2裝藥內部壓力上升時間分別約0.88 ms和0.87 ms，壓力峰值分別約112.7 MPa和189.0 MPa；階段Ⅱ壓力隨時間變化較快，PBX-1和PBX-2裝藥內部壓力大約分別經歷86 μs和100 μs快速增長到1 GPa量級。約束器殼體速度變化趨勢與壓力相似，在Ⅰ階段約束片速度保持在10 m/s以內變化。裝藥反應進入階段Ⅱ后，PBX-1和PBX-2裝藥的約束器殼體大約分別經歷0.16 ms和0.12 ms后，速度達到524 m/s和414 m/s，然而對應時刻裝藥內部壓力為545 MPa和314 MPa，機械約束已經失效，PBX-1和PBX-2裝藥在炸藥基體慣性約束下還分別經歷大約80 μs和14 μs的反應演化，壓力增長達到甚至超過50%。

圖5 50 MPa機械約束不同裝藥內部壓力及約束片速度歷程Fig.5 Profiles of pressure in steel case and velocity of confinement disc for different charges under 50 MPa mechanical confinement

圖6給出了50 MPa機械約束下PBX-1和PBX-2裝藥反應沖擊波超壓信號，PBX-1和PBX-2炸藥反應后2 m處空氣沖擊波超壓平均峰值分別為 39.3 kPa 和39.7 kPa，估算50 MPa機械約束下PBX-1和PBX-2炸藥反應TNT當量為86.4 g和87.9 g，約裸藥爆轟總當量的36.9%和37.6%。

圖6 50 MPa機械約束測得的空氣沖擊波超壓波形Fig.6 Air blast overpressure waveform measured under 50 MPa mechanical confinement

圖7給出了50 MPa機械約束下PBX-1和PBX-2裝藥實驗裝置殘骸。從圖7中可以看出，PBX-1裝藥裝置側面、底部和頂部均發生破裂，其中側面形成尺寸不同的小碎塊，特征尺寸10～30 mm，底部出現裂紋，與側面連接處全被剪切破壞，裝置頂部約束片形成破片，其螺紋連接部位發生嚴重變形，未回收到炸藥殘骸。PBX-2裝藥裝置殘骸與PBX-1裝藥類似，差別在于裝置側面破片較大，底部未出現破裂現象。

圖7 50 MPa機械約束下實驗裝置殘骸Fig.7 Recovered fragments of experimental device under 50 MPa mechanical confinement

2.2 實驗結果分析及討論

2.2.1 炸藥力學性能對反應演化行為的影響

本文實驗點火產生的產物不會引起炸藥基體斷裂，炸藥被點燃后基體開始以熱傳導燃燒模式進行層流消耗，同時也作為約束邊界引起裝藥反應壓力升高，反過來高壓產物壓縮炸藥基體，當壓力達到一定臨界值后可能會引發炸藥斷裂，炸藥反應機制發生轉變，典型的特征是炸藥燃燒表面積增大，導致增壓速率劇增，壓力曲線出現拐彎現象。

50 MPa機械約束實驗結果表明，PBX-1和PBX-2裝藥內部壓力曲線出現上述典型特征(見圖5)。在階段Ⅰ，壓力曲線隨時間變化基本呈線性關系，裝藥反應增壓率基本保持恒定，表明炸藥燃燒表面積變化不大，炸藥以熱傳導燃燒模式在炸藥外表面燃燒；階段Ⅱ裝藥增壓速率劇增，表明炸藥燃耗率劇增，炸藥燃燒表面積增大，炸藥出現斷裂，燃燒陣面進入這些裂縫中(圖4中PBX-1炸藥殘骸表面出現燃燒痕跡)，炸藥反應機制發生轉變，形成拆解燃燒。階段Ⅰ和階段Ⅱ壓力曲線之間有一個明顯的轉折點，為炸藥反應機制轉變的臨界壓力，50 MPa機械約束下PBX-1和PBX-2裝藥反應轉變的臨界壓力大約分別為112.7 MPa和189 MPa，PBX-1和PBX-2炸藥化學組成基本一致，相對于PBX-1炸藥，PBX-2炸藥抗壓強度提升約20%，反應轉變的臨界壓力提升了大約67.7%。因此，炸藥力學性能在裝藥反應烈度演化進程中扮演重要角色，其決定了炸藥斷裂條件，為裝藥反應烈度增長提供了有利途徑。

2.2.2 機械約束對反應演化行為的影響

表1給出了不同機械約束下裝藥反應實驗結果。2 MPa機械約束下，PBX-1和PBX-2裝藥反應最高壓力在百兆帕量級，產生破片速度在幾十米量級，裝藥反應烈度為爆燃。實驗回收到不同碎化程度炸藥殘骸，表明炸藥基體在反應演化過程中形成了網狀裂紋，其中PBX-1大部分殘藥表面有褐色痕跡，表明高壓燃燒產物進入了裂紋且引發炸藥新表面反應的對流燃燒機制，同時裂紋也為燃燒產物逃逸提供通道，促進機械約束薄弱位置壓力升高而發生結構解體泄壓，導致炸藥反應熄滅，裝藥烈度表現水平不高。然而，在50 MPa機械約束下，PBX-1和PBX-2裝藥在百微秒甚至幾十微秒壓力增長至吉帕量級，破片最高速度達到500 m/s，裝藥發生爆炸反應，并且機械約束失效后，裝藥反應壓力增長超過50%，造成反應演化后期烈度的增長。

表1 不同機械約束下實驗結果對比

實驗結果表明，機械約束是影響裝藥反應烈度非常重要的因素。約束作用下反應壓力驅動炸藥斷裂、燃燒比表面積增加，燃燒產物進入裂紋形成對流燃燒，引發當地反應壓力急劇升高，反過來進一步使炸藥斷裂、分叉及破碎，形成表面積巨大的裂紋網絡，又為對流燃燒提供更多的通道和表面積，這種正反饋機制是引發高密度壓裝炸藥發生高烈度反應的直接原因，但需要裝藥約束強度為其創造條件。

本文還進一步驗證了Holmes等的研究結論，并且呈現了炸藥配方微調導致反應演化行為的差異，實驗方法對炸藥配方篩選具有良好的適用性。為了進一步認識裝藥反應演化影響因素及機制，在后期的研究中將開展炸藥化學物理性質、炸藥損傷狀態(少許微裂紋、破碎等)、點火方式(裝藥機械約束弱處)等因素對裝藥反應演化行為的影響，以模擬不同裝藥類型、結構及狀態下裝藥事故反應演化行為，為武器裝藥安全性研究提供支撐。

3 結論

本文設計了一種機械約束裝藥點火實驗裝置，對兩種HMX基壓裝PBX炸藥在不用機械約束下反應演化行為進行了實驗，通過測量獲得的多種量化信息分析了炸藥力學性能及機械約束強度對裝藥反應演化行為的影響。得到如下主要結論：

1)設計了一種機械約束裝藥人為點火實驗，可獲取裝藥反應演化過程多種量化信息，有利于對裝藥反應演化的影響因素及機制深入分析，同時能為快速評估裝藥反應烈度、篩選炸藥配方提供了新的方法支撐。

2)機械約束條件對裝藥反應烈度影響顯著，新裝置在2 MPa和50 MPa機械約束下裝藥反應壓力分別呈現百兆帕和吉帕，約束殼體速度分別呈現幾十米每秒和幾百米每秒，二者相差接近1個數量級，HMX基PBX裝藥反應烈度分別呈現爆燃和爆炸。