約束對DNAN基熔鑄炸藥點火反應特性的影響

馬 騰,董小麗,楊 年,劉靜平,羅一民,徐 森,,劉大斌,萬 敏

(1.南京理工大學 化學與化工學院,江蘇 南京 210094;2.南京理工大學 發射動力研究所,江蘇 南京 210094;3.國家民用爆破器材質量監督檢測中心,江蘇 南京 210094;4.青島海關技術中心,山東 青島 266599)

引 言

2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)作為炸藥,最早出現于第二次世界大戰,DNAN的感度和黏度均顯著低于TNT,純度達到99.8%,是一種替代TNT的高安全性載體炸藥[1]。DNAN基熔鑄炸藥不僅提高了戰斗部長期貯存性能和裝藥工藝性,而且具有良好的安定性,提高了戰場上的生存能力[2]。DNAN作為一種新型不敏感熔鑄載體,以其為載體的熔鑄炸藥受到國內外的高度關注[3]。例如美國Picatinny Arsenal公司按照鈍感彈藥標準研制了以DNAN為熔鑄載體的PAX系列新型熔鑄炸藥[4]。自2005年開始,美國又在“通用低成本不敏感炸藥”項目的支持下推出以DNAN為熔鑄載體的IMX系列熔鑄炸藥[5]。對于DNAN基熔鑄炸藥,目前研究主要重點集中在配方、工藝和能量輸出特性方面[1,3,6-7],很少看到關于DNAN基熔鑄炸藥點火后反應特性方面研究的相關報道。

含能材料在生產、運輸和使用過程中對外界刺激存在固有的敏感性,在加熱、碎片撞擊、火花和摩擦刺激下會導致意外點火。炸藥在點火后續反應與炸藥性質、約束條件以及點火條件相關,與沖擊起爆相比,反應涉及過程復雜,烈度演化走向不確定,最為嚴重的可導致爆轟反應[8]。1959年A. Macek[9]采用應變計和電離式探針研究了鑄裝HMX炸藥的點火過程,提出了經典的“一維假定”下的波聚合物理模型,認為被點燃的炸藥不斷產生的應力波在炸藥柱中傳播,經過一段距離后在炸藥內部匯聚成了沖擊波,對波陣面前未反應炸藥進行沖擊起爆,從而發生了燃燒轉爆轟(Deflagration to Detonation Transition, DDT),得到在從炸藥點火至發生爆轟存在一定長度的誘導距離。在之后的幾十年中,國內外研究者對炸藥點火后反應進行了研究,并取得了一定的進展[10]。約束條件是影響炸藥點火后反應特性的重要影響因素。F. Leuret等[11]研究了不同約束條件下壓裝高密度炸藥的DDT過程。結果表明在強約束條件下才有可能發生燃燒轉爆轟現象。代曉淦等[12]研究了10mm和20mm約束條件下對PBX-2炸藥DDT過程的影響,結果表明約束條件對誘導爆轟距離有明顯影響。

本研究開展了不同約束條件下DNAN基熔鑄炸藥單端點火試驗及爆轟試驗,通過設置驗證板和沖擊波超壓傳感器,綜合判斷炸藥的反應特性。通過對比點火試驗與沖擊起爆產生的沖擊波超壓,基于爆炸相似律估算點火試驗中等效反應藥量,探究約束條件對DNAN基熔鑄炸藥反應特性的影響,以期為炸藥安全防護措施的設定提供初步的理論基礎和數據支撐。

1 實 驗

1.1 樣 品

DNAN基熔鑄炸藥由質量分數30%DNAN、40%HMX、30%Al粉組成,試驗所需炸藥均采用熔鑄工藝,即將高能炸藥固相顆粒(HMX)加入到熔融態炸藥基質(DNAN)中形成懸浮液,鑄裝到模具中,冷卻凝固成型[2]。鑄裝過程中,通過震動、抽真空等措施控制炸藥缺陷,炸藥密度為1.872g/cm3。長度1000mm、內徑40mm的鋼管實際裝藥量為(2300±10)g。

1.2 試驗裝置

圖1為試驗裝置示意圖。該試驗裝置主要由鋼管、點火系統及端蓋組成。試驗前,將被測炸藥裝藥熔鑄于無縫鋼管中,材料為45#鋼。鋼管一端通過螺帽與點火系統相連,另一端則通過螺帽與端蓋相連。為防止端頭被沖出導致反應中斷,螺紋高度設計為60mm,分別設計了4、10、20、30、40及50mm壁厚的鋼管。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 A diagram of the configuration

1.3 試驗布局及方法

為了測試爆炸物響應過程中產生的地面反射超壓,壓力傳感器選用美國PCB公司生產的112A系列產品,傳感器最大測試量程為3.45MPa,采樣頻率選取1MHz。由于爆炸中心附近波系反射復雜,通常將超壓傳感器布置于馬赫反射區[13]。超壓傳感器埋設于防護鐵墩中,鐵墩上表面與地面平齊,鐵墩間隔1m呈直線排布,各中心距爆心分別為2.5、3.5、4.5及5.5m,圖2為沖擊波超壓傳感器布置圖。

圖2 沖擊波超壓測試傳感器布置圖Fig.2 Shock wave overpressure test sensor layout scheme

1.4 測試方法

試驗樣品實物如圖3所示,試驗裝置垂直放置于支撐木架上,木架下方放置8mm厚的45#鋼制驗證板。裝置點火端向上,底端距離驗證板20cm,在點火端使用20g黑火藥進行點火。為測試DNAN基熔鑄炸藥點火過程中發生爆轟的藥量,設計了相同壁厚下的爆轟試驗作為對比,試驗中采用雷管(8#工業雷管)與傳爆藥柱(70g壓裝鈍化RDX)的組合對其進行起爆[14]。

圖3 樣品實物圖Fig.3 The device photo of sample

由上節的圖2可知,φ大于74°,所有測點位置均位于馬赫反射區域,即各點入射角大于馬赫反射的臨界角,此時入射壓力、反射壓力的換算結果見式(1)[15]:

(1)

式中:ΔPi為入射沖擊波峰值超壓,Pa;ΔPr為馬赫反射峰值超壓,Pa;φ為測試點與爆心連線方向與地面垂直方向的夾角值。

不同于球形裝藥,長徑比較大的直線裝藥(L∶D=25∶1)的沖擊波陣面柱形地擴張而非球形的擴張。實際上,對于這樣的線性裝藥,常運用一個與通常使用的霍普金森爆炸波相似律不同的相似律。認為超壓峰值ΔP是R/(ω/L)1/2的函數,而不是R/ω1/3的函數[16]。超壓計算公式如下:

ΔP=a[(ω/L)1/2/R]+b[(ω/L)1/2/R]2+
c[(ω/L)1/2R]3

(2)

式中:ΔP為沖擊波超壓峰值,Pa;ω為發生爆轟的藥量,kg;L為藥柱長度,m;R為測壓距離,m;a、b、c為根據試驗擬合的系數。

2 結果與討論

2.1 單端點火試驗結果及分析

進行了不同約束條件下的單端點火試驗,試驗后現場結果如圖4所示。目前,存在多種燃燒轉爆轟試驗結果判定方法。通常結合現場沖擊波超壓、驗證板及管體形貌綜合評判爆炸物的反應劇烈程度[13, 17-18]。在4mm和10mm鋼管壁厚條件下鋼管均從點火端發生破裂,驗證板均完好未破損,管內炸藥均反應完全。分析認為黑火藥燃燒和炸藥燃燒產生的氣壓使得鋼管前端發生破裂,該約束條件無法滿足炸藥反應往更劇烈的方向發展,表明DNAN基熔鑄炸藥僅發生燃燒反應。

圖4 點火試驗后驗證板及管體形貌Fig.4 Morphology of the verification plate and tube body after the single-end ignition experiments

在20、30、40及50mm壁厚條件下,試驗后鋼管發生輕微膨脹但主體完好,點火端及尾端均發生了斷裂且切口平整,內部有明顯爆炸痕跡,但底部驗證板穿孔不光潔,更多呈現出拉伸撕裂狀態,并不是爆轟產生的剪切力所致。綜上表明,DNAN基熔鑄炸藥經黑火藥引燃后迅速燃燒,發生爆炸反應并產生巨大聲響,但未發生爆轟反應。分析認為,在較強約束條件下,DNAN基熔鑄炸藥在一端使用點火藥引燃后的反應行為是以高溫、高壓反應產物沿裝藥縫隙對流,主要的表現形態為炸藥表面的層流燃燒及其伴隨的結構響應行為,從反應水平來看,炸藥中沒有形成穩定的沖擊波,因此無法實現從沖擊到爆轟的轉變[8]。

現場在4種強約束條件下點火試驗中測試到了強烈的沖擊波超壓信號,圖5為試驗測試得到的反射沖擊波壓力曲線,結果表明隨著壁厚的增大,各測點采集到的壓力呈上升趨勢。強約束條件下,破壞鋼管所需的壓力越大,有利于藥床燃燒產生氣體壓力的聚集,同時也表明大部分炸藥發生了反應。為確認約束條件對本試驗的影響,排除環境、測試系統等因素對結果的干擾,本研究在同一試驗場地進行了多次重復性試驗,對所測的壓力數據按式(1)進行入射壓力換算,結果如表1所示。

表1 單端點火試驗沖擊波超壓測試結果Table 1 Shock wave overpressure test results of single-end ignition experiments

圖5 單端點火試驗的反射沖擊波壓力曲線Fig.5 Reflected shock wave pressure curves of the single-end ignition experiments

2.2 爆轟試驗結果分析

為了估算不同壁厚下的DNAN基熔鑄炸藥點火后等效反應藥量,分別進行20、30、40及50mm壁厚條件下的爆轟試驗。現場收集到的鋼管碎片如圖6所示,可以看出4種約束條件的試驗中,爆轟產生的高壓迅速破壞約束鋼管,現場收集到的碎片呈小塊,均表現為拉剪混合斷裂模式,且碎片表面無明顯燃燒痕跡,符合爆轟試驗中碎片特征。DNAN基熔鑄炸藥在雷管和傳爆藥柱的組合作用下起爆,均發生爆轟反應。

圖6 爆轟試驗現場收集碎片Fig.6 Fragments collected at the site of the detonation experiment

圖7為試驗測試得到的反射沖擊波壓力曲線,經單端點火試驗相同數據處理方法處理后,反射沖擊波超壓峰值及入射沖擊波超壓峰值如表2所示,可以看出隨著測點位置到爆心距離的增大,入射壓也隨之衰減,超壓曲線呈現較好的規律性。

表2 DNAN基熔鑄炸藥沖擊起爆試驗沖擊波超壓測試結果Table 2 Shock wave overpressure test results of shock initiation test

圖7 爆轟驅動試驗的反射沖擊波壓力曲線Fig.7 Reflected shock wave pressure curves of shock initiation tests

不同壁厚DNAN基熔鑄炸藥入射超壓擬合曲線如圖8所示。在同一位置處、不同壁厚下炸藥的沖擊波超壓基本一致,可以認為壁厚對當前裝藥尺寸下炸藥的能量輸出影響較小,其能量釋放均達到了理想狀態[19]。根據爆炸相似律,對沖擊起爆試驗的入射超壓峰值進行最小二乘擬合,如式(3)～式(6)所示,相關系數R2均在0.99以上。圖8的擬合曲線也表明,在本試驗選定的測壓范圍內,直線裝藥爆炸產生的沖擊波超壓能較好地滿足爆炸相似律:

圖8 不同壁厚DNAN基熔鑄炸藥入射超壓擬合曲線Fig.8 Incident overpressure fitting curve of DNAN-based melt-cast explosives under different shell thickness

壁厚為50mm(R2=0.991):

Pm=85.15[(ω/L)1/2/R]+594.21[(ω/L)1/2/R]2-
408.14[(ω/L)1/2/R]3

(3)

壁厚為40mm(R2=0.997):

Pm=-190.56[(ω/L)1/2/R]+1784.73[(ω/L)1/2/R]2-
1578.64[(ω/L)1/2/R]3

(4)

壁厚為30mm(R2=0.999):

Pm=61.49[(ω/L)1/2/R]+472.75[(ω/L)1/2/R]2-
77.11[(ω/L)1/2/R]3

(5)

壁厚為20mm(R2=0.997):

Pm=12.16[(ω/L)1/2/R]+726.09[(ω/L)1/2/R]2-
345.51[(ω/L)1/2/R]3

(6)

在4mm和10mm壁厚條件下炸藥在單端點火試驗中發生燃燒反應,試驗過程中所采集到的壓力值非常小,可忽略不計。本研究將單端點火試驗中發生爆炸反應的20、30、40及50mm壁厚條件點火試驗中采集到的沖擊波超壓帶入相對應壁厚條件沖擊波超壓擬合公式,換算得到的爆轟藥量結果如表3所示,需要注意的是,等效爆炸當量是以裸藥球爆炸計算所得,而本試驗結果中空氣沖擊波超壓的產生的條件是特定的約束條件下,不能完全等同于等效反應藥量,但作為估算其數值的一種方法,具有重要的參考價值。

表3 DNAN基熔鑄炸藥單端點火試驗的等效反應藥量Table 3 Equivalent reaction mass of DNAN-based melt-cast explosives in single-end ignition experiments

結果表明約束條件對炸藥反應過程的影響很大,DNAN基熔鑄炸藥發生反應的等效反應藥量隨著壁厚的增加而增大,當鋼管壁厚從20mm增加至50mm時,等效反應藥量與原藥柱的質量比從23.9%顯著增大至78.7%。陳朗等[20]研究表明,約束條件的增強對初始炸藥燃燒產生的燃氣的限制作用增大,鋼管膨脹相對減小,不易產生稀疏波,有利于壓力升高并進一步加速燃燒,從而縮短了燃燒過程,壓縮藥床形成更為劇烈反應的進程,反應更為劇烈。當壁厚為20、30及40mm時,這種促進作用非常明顯。隨著壁厚的增大,DNAN基熔鑄炸藥提前發展成爆炸反應,使得參與反應的藥量增加。與之相比,當鋼管壁厚為40mm和50mm時,爆炸藥量相近,等效反應藥量與原藥柱質量比分別為77.3%和78.7%。分析認為,在40mm壁厚條件下已經達到足夠強的約束,繼續增大壁厚對燃氣的限制能力趨近極限,對反應特性的促進作用影響減小,等效反應藥量無法進一步提高。

3 結 論

(1)DNAN基熔鑄炸藥在一般約束條件下(壁厚≤10mm),在黑火藥點火作用下僅發生燃燒反應,在強約束條件下(壁厚20、30、40、50mm)在單端引燃后未發生典型的燃燒轉爆轟過程,反應烈度為爆炸。

(2)基于爆炸相似律,通過對比點火試驗與爆轟試驗產生的沖擊波超壓,得到DNAN基熔鑄炸藥發生反應的等效反應藥量隨約束條件的增強而增大,等效反應藥量與原藥柱質量比從23.9%依次增大為34.8%、77.3%及78.7%。

(3)在一定范圍內增加壁厚,DNAN基熔鑄炸藥燃燒進程會隨之加快,進而向著更為劇烈的反應方向發展,當約束條件足夠強時,這種促進作用將不再明顯。