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(xiǎn)源，其安全性是武器系統(tǒng)非常關(guān)心的問題，也一直是含能材料領(lǐng)域中的重要研究方向。炸藥非沖擊點(diǎn)火后可能發(fā)生燃燒、爆燃、爆炸甚至爆轟反應(yīng)，其反應(yīng)演化是一個(gè)涉及結(jié)構(gòu)響應(yīng)、斷裂與炸藥化學(xué)反應(yīng)耦合的多物理、多階段復(fù)雜過程，其影響因素主要包括：炸藥化學(xué)物理性質(zhì)、慣性及機(jī)械約束、初始點(diǎn)火方式及點(diǎn)火位置等，國內(nèi)外研究學(xué)者針對這些影響因素及相關(guān)機(jī)制開展了大量研究。

文獻(xiàn)[9-11]對HMX基LX-04、LX-11、LX-10、PBX9501等炸藥的燃燒特能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)粘結(jié)劑含量較高(≥15%)的LX-04和LX-11炸藥在 500 MPa 壓力范圍內(nèi)燃燒平穩(wěn)，但粘結(jié)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(wěn)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(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象，表明炸藥化學(xué)性質(zhì)對其反應(yīng)特性影響較大。Dickson等在機(jī)械約束烤燃實(shí)驗(yàn)中采用高速攝影技術(shù)觀測到炸藥點(diǎn)火后形成多條裂紋，認(rèn)為裂紋增加了反應(yīng)面積，導(dǎo)致反應(yīng)烈度的增加。Berghout等對有機(jī)械和熱損傷PBX9501炸藥反應(yīng)特性的研究發(fā)現(xiàn)，由機(jī)械損傷造成不同尺寸的裂紋和孔隙導(dǎo)致炸藥燃燒轉(zhuǎn)變機(jī)制發(fā)生了變化。Smilowitz等采用質(zhì)子照相技術(shù)直接觀測了炸藥點(diǎn)火后的炸藥裂紋對流燃燒過程，獲得了炸藥熱傳導(dǎo)及對流燃燒陣面?zhèn)鞑ズ忘c(diǎn)火后炸藥消耗的物理圖像，驗(yàn)證了炸藥熱爆炸反應(yīng)早期壓力增加導(dǎo)致宏觀裂紋形成、高溫產(chǎn)物對流點(diǎn)火以及炸藥層流消耗等反應(yīng)機(jī)制。Holmes等針對PBX9501炸藥開展了球形質(zhì)量裝藥中心點(diǎn)火試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)機(jī)械約束裝藥的反應(yīng)烈度比未約束裝藥高，低烈度反應(yīng)主要由燃燒產(chǎn)物氣體驅(qū)動的炸藥自身形成動態(tài)破裂所主導(dǎo)，大質(zhì)量分?jǐn)?shù)炸藥參與燃燒反應(yīng)之前裂紋的擴(kuò)展速度足夠快，以致壓力釋放和反應(yīng)熄滅，在壓力增長和釋放競爭關(guān)系中后者占主導(dǎo)作用。

為深入認(rèn)識裝藥反應(yīng)演化過程的影響因素及其影響機(jī)制，本文基于炸藥化學(xué)物理性質(zhì)、機(jī)械約束及點(diǎn)火方式等因素，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械約束裝藥點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置，在炸藥柱底端機(jī)械約束較強(qiáng)的位置點(diǎn)火，采用多種診斷手段對HMX基壓裝PBX炸藥的反應(yīng)演化行為進(jìn)行了研究分析，認(rèn)識了炸藥非沖擊點(diǎn)火后反應(yīng)烈度的轉(zhuǎn)變過程，為今后認(rèn)識不同因素對裝藥反應(yīng)烈度的影響規(guī)律以及篩選炸藥配方提供新的方法支撐。

1 實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，由腔體、可調(diào)節(jié)約束器、點(diǎn)火器及圓柱形炸藥組成。腔體內(nèi)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(jié)構(gòu)的裝配間隙。腔體上端安裝約束器，其內(nèi)徑小于炸藥樣品直徑，當(dāng)反應(yīng)高壓沖破約束片時(shí)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(yīng)演化行為的影響。腔體底部預(yù)留10 mm×10 mm中心孔，孔中填充約0.6 g黑火藥，采用點(diǎn)火器點(diǎn)燃黑火藥，黑火藥產(chǎn)生的高溫燃燒產(chǎn)物點(diǎn)燃炸藥樣品，樣品在炸藥基體約束及裝置機(jī)械約束下進(jìn)行反應(yīng)演化。圖1中PDV為激光干涉儀。

圖1 機(jī)械約束裝藥點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of mechanically confined charrge ignition experimental device

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

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：為沖塞破壞強(qiáng)度(MPa)；為拉伸破壞強(qiáng)度(MPa)；為螺紋剪切破壞強(qiáng)度(MPa)；為剪切強(qiáng)度(MPa)；為安全系數(shù)，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(shù)代入(1)式～(4)式，可得=220 MPa，=195 MPa，=227 MPa。因此，整個(gè)裝置的約束強(qiáng)度由約束器的設(shè)計(jì)壓力決定，本文中約束器采用定制的爆破片，其設(shè)計(jì)壓力分別為 2 MPa 和50 MPa。

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

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)試樣為HMX基高聚物粘結(jié)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(jié)劑類別不同，各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為HMX 87%、TATB 7%、鈍感劑1.8%、粘結(jié)劑4.2%，其理論最大密度為1.874 g/cm，實(shí)際密度為1.845 g/cm，尺寸為50 mm×50 mm，質(zhì)量約 181 g。 兩種炸藥力學(xué)強(qiáng)度存在差異，環(huán)境溫度下PBX-1和PBX-2炸藥實(shí)測抗壓強(qiáng)度分別為40.55 MPa和48.74 MPa。

1.3 實(shí)驗(yàn)測試

實(shí)驗(yàn)測量項(xiàng)目包括：采用PDV和測速探頭，對約束器底部殼體的運(yùn)動歷程進(jìn)行測量；采用沖擊波超壓測試系統(tǒng)(2個(gè)美國PCB公司產(chǎn)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(yīng)產(chǎn)生的空氣沖擊波超壓進(jìn)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(nèi)炸藥反應(yīng)壓力進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)中，采用約束片動作觸發(fā)探針，探針導(dǎo)通信號觸發(fā)同步機(jī)，同步機(jī)同時(shí)觸發(fā)PDV、沖擊波超壓及壓力測試系統(tǒng)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 2 MPa機(jī)械約束結(jié)果

2 MPa機(jī)械約束下PBX-1和PBX-2裝藥內(nèi)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(jīng)歷0.902 ms、0.858 ms后壓力達(dá)到第1個(gè)波峰，峰值壓力分別為91.4 MPa和108.9 MPa，此時(shí)約束片未膨脹變形，表明炸藥基體約束作用造成壓力持續(xù)升高。隨后，PBX-1和PBX-2裝藥分別經(jīng)歷大約0.045 ms和0.029 ms后約束片速度達(dá)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(nèi)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(jī)械約束不同裝藥內(nèi)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(jī)械約束下PBX-1和PBX-2裝藥反應(yīng)沖擊波超壓信號，PBX-1和PBX-2炸藥反應(yīng)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(jī)械約束下PBX-1和PBX-2炸藥反應(yīng)TNT當(dāng)量分別為22.3 g和7.20 g，約裸藥爆轟總當(dāng)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(yīng)回收的剩余殘骸。腔體內(nèi)回收到大量細(xì)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(shù)表面有燃燒的痕跡，并且在實(shí)驗(yàn)裝置附近幾米內(nèi)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(jī)械約束結(jié)果

50 MPa機(jī)械約束下PBX-1和PBX-2裝藥內(nèi)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(gè)階段：階段Ⅰ壓力隨時(shí)間變化基本呈線性關(guān)系，PBX-1和PBX-2裝藥內(nèi)部壓力上升時(shí)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(shí)間變化較快，PBX-1和PBX-2裝藥內(nèi)部壓力大約分別經(jīng)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(nèi)變化。裝藥反應(yīng)進(jìn)入階段Ⅱ后，PBX-1和PBX-2裝藥的約束器殼體大約分別經(jīng)歷0.16 ms和0.12 ms后，速度達(dá)到524 m/s和414 m/s，然而對應(yīng)時(shí)刻裝藥內(nèi)部壓力為545 MPa和314 MPa，機(jī)械約束已經(jīng)失效，PBX-1和PBX-2裝藥在炸藥基體慣性約束下還分別經(jīng)歷大約80 μs和14 μs的反應(yīng)演化，壓力增長達(dá)到甚至超過50%。

圖5 50 MPa機(jī)械約束不同裝藥內(nèi)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(jī)械約束下PBX-1和PBX-2裝藥反應(yīng)沖擊波超壓信號，PBX-1和PBX-2炸藥反應(yīng)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(jī)械約束下PBX-1和PBX-2炸藥反應(yīng)TNT當(dāng)量為86.4 g和87.9 g，約裸藥爆轟總當(dāng)量的36.9%和37.6%。

圖6 50 MPa機(jī)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(jī)械約束下PBX-1和PBX-2裝藥實(shí)驗(yàn)裝置殘骸。從圖7中可以看出，PBX-1裝藥裝置側(cè)面、底部和頂部均發(fā)生破裂，其中側(cè)面形成尺寸不同的小碎塊，特征尺寸10～30 mm，底部出現(xiàn)裂紋，與側(cè)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(fā)生嚴(yán)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(cè)面破片較大，底部未出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。

圖7 50 MPa機(jī)械約束下實(shí)驗(yàn)裝置殘骸Fig.7 Recovered fragments of experimental device under 50 MPa mechanical confinement

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及討論

2.2.1 炸藥力學(xué)性能對反應(yīng)演化行為的影響

本文實(shí)驗(yàn)點(diǎn)火產(chǎn)生的產(chǎn)物不會引起炸藥基體斷裂，炸藥被點(diǎn)燃后基體開始以熱傳導(dǎo)燃燒模式進(jìn)行層流消耗，同時(shí)也作為約束邊界引起裝藥反應(yīng)壓力升高，反過來高壓產(chǎn)物壓縮炸藥基體，當(dāng)壓力達(dá)到一定臨界值后可能會引發(fā)炸藥斷裂，炸藥反應(yīng)機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變，典型的特征是炸藥燃燒表面積增大，導(dǎo)致增壓速率劇增，壓力曲線出現(xiàn)拐彎現(xiàn)象。

50 MPa機(jī)械約束實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PBX-1和PBX-2裝藥內(nèi)部壓力曲線出現(xiàn)上述典型特征(見圖5)。在階段Ⅰ，壓力曲線隨時(shí)間變化基本呈線性關(guān)系，裝藥反應(yīng)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(dǎo)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(xiàn)斷裂，燃燒陣面進(jìn)入這些裂縫中(圖4中PBX-1炸藥殘骸表面出現(xiàn)燃燒痕跡)，炸藥反應(yīng)機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成拆解燃燒。階段Ⅰ和階段Ⅱ壓力曲線之間有一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，為炸藥反應(yīng)機(jī)制轉(zhuǎn)變的臨界壓力，50 MPa機(jī)械約束下PBX-1和PBX-2裝藥反應(yīng)轉(zhuǎn)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(xué)組成基本一致，相對于PBX-1炸藥，PBX-2炸藥抗壓強(qiáng)度提升約20%，反應(yīng)轉(zhuǎn)變的臨界壓力提升了大約67.7%。因此，炸藥力學(xué)性能在裝藥反應(yīng)烈度演化進(jìn)程中扮演重要角色，其決定了炸藥斷裂條件，為裝藥反應(yīng)烈度增長提供了有利途徑。

2.2.2 機(jī)械約束對反應(yīng)演化行為的影響

表1給出了不同機(jī)械約束下裝藥反應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2 MPa機(jī)械約束下，PBX-1和PBX-2裝藥反應(yīng)最高壓力在百兆帕量級，產(chǎn)生破片速度在幾十米量級，裝藥反應(yīng)烈度為爆燃。實(shí)驗(yàn)回收到不同碎化程度炸藥殘骸，表明炸藥基體在反應(yīng)演化過程中形成了網(wǎng)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(chǎn)物進(jìn)入了裂紋且引發(fā)炸藥新表面反應(yīng)的對流燃燒機(jī)制，同時(shí)裂紋也為燃燒產(chǎn)物逃逸提供通道，促進(jìn)機(jī)械約束薄弱位置壓力升高而發(fā)生結(jié)構(gòu)解體泄壓，導(dǎo)致炸藥反應(yīng)熄滅，裝藥烈度表現(xiàn)水平不高。然而，在50 MPa機(jī)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(dá)到500 m/s，裝藥發(fā)生爆炸反應(yīng)，并且機(jī)械約束失效后，裝藥反應(yīng)壓力增長超過50%，造成反應(yīng)演化后期烈度的增長。

表1 不同機(jī)械約束下實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)械約束是影響裝藥反應(yīng)烈度非常重要的因素。約束作用下反應(yīng)壓力驅(qū)動炸藥斷裂、燃燒比表面積增加，燃燒產(chǎn)物進(jìn)入裂紋形成對流燃燒，引發(fā)當(dāng)?shù)胤磻?yīng)壓力急劇升高，反過來進(jìn)一步使炸藥斷裂、分叉及破碎，形成表面積巨大的裂紋網(wǎng)絡(luò)，又為對流燃燒提供更多的通道和表面積，這種正反饋機(jī)制是引發(fā)高密度壓裝炸藥發(fā)生高烈度反應(yīng)的直接原因，但需要裝藥約束強(qiáng)度為其創(chuàng)造條件。

本文還進(jìn)一步驗(yàn)證了Holmes等的研究結(jié)論，并且呈現(xiàn)了炸藥配方微調(diào)導(dǎo)致反應(yīng)演化行為的差異，實(shí)驗(yàn)方法對炸藥配方篩選具有良好的適用性。為了進(jìn)一步認(rèn)識裝藥反應(yīng)演化影響因素及機(jī)制，在后期的研究中將開展炸藥化學(xué)物理性質(zhì)、炸藥損傷狀態(tài)(少許微裂紋、破碎等)、點(diǎn)火方式(裝藥機(jī)械約束弱處)等因素對裝藥反應(yīng)演化行為的影響，以模擬不同裝藥類型、結(jié)構(gòu)及狀態(tài)下裝藥事故反應(yīng)演化行為，為武器裝藥安全性研究提供支撐。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)械約束裝藥點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置，對兩種HMX基壓裝PBX炸藥在不用機(jī)械約束下反應(yīng)演化行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，通過測量獲得的多種量化信息分析了炸藥力學(xué)性能及機(jī)械約束強(qiáng)度對裝藥反應(yīng)演化行為的影響。得到如下主要結(jié)論：

1)設(shè)計(jì)了一種機(jī)械約束裝藥人為點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，可獲取裝藥反應(yīng)演化過程多種量化信息，有利于對裝藥反應(yīng)演化的影響因素及機(jī)制深入分析，同時(shí)能為快速評估裝藥反應(yīng)烈度、篩選炸藥配方提供了新的方法支撐。

2)機(jī)械約束條件對裝藥反應(yīng)烈度影響顯著，新裝置在2 MPa和50 MPa機(jī)械約束下裝藥反應(yīng)壓力分別呈現(xiàn)百兆帕和吉帕，約束殼體速度分別呈現(xiàn)幾十米每秒和幾百米每秒，二者相差接近1個(gè)數(shù)量級，HMX基PBX裝藥反應(yīng)烈度分別呈現(xiàn)爆燃和爆炸。