侯鵬飛，潘仁明，朱日宏，李方欣，葛瑞榮

（1.南京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院， 江蘇 南京 210094； 2.南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院， 江蘇 南京 210094； 3.安徽紅星機(jī)電科技股份有限公司， 安徽 合肥 231135）

0 引 言

含有亞穩(wěn)態(tài)能量基團(tuán)的發(fā)射藥在生產(chǎn)、儲(chǔ)存等過程中易發(fā)生燃爆事故［1-3］，需安裝抑爆系統(tǒng)加以控制。目前發(fā)射藥抑爆系統(tǒng)的首選探測方法是能實(shí)時(shí)探測發(fā)射藥起火的光學(xué)探測法［4］。光學(xué)探測是對(duì)發(fā)射藥燃燒火焰的光輻射響應(yīng)，光學(xué)探測器在實(shí)際應(yīng)用中普遍存在系統(tǒng)誤啟動(dòng)或不啟動(dòng)的問題，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的可靠性，其原因在于設(shè)置的光譜波長與強(qiáng)度范圍過于寬泛，沒有結(jié)合發(fā)射藥的燃燒輻射特性來設(shè)計(jì)制作光學(xué)傳感器。

現(xiàn)有的針對(duì)發(fā)射藥等含能材料燃燒火焰光譜特性的研究較少。Yang 等［5］提出一種基于氮離子發(fā)射光譜的溫度診斷技術(shù)，對(duì)幾種推進(jìn)劑的燃燒火焰光譜進(jìn)行了研究，計(jì)算的最高溫度與熱電偶溫度相匹配，發(fā)現(xiàn)暗區(qū)的存在。Sheehe 等［6］為了掌握硝基甲烷燃燒過程的化學(xué)動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，對(duì)氧化鋁燈芯上燃燒的硝基甲烷火焰進(jìn)行了可見-近紅外光譜采集，確定了硝基甲烷-空氣燃燒過程中存在的瞬態(tài)基團(tuán)，包括HNO*、CN*、NO2*、CH*、OH*、NH*等活性基團(tuán)。程和平［7］測量了在264～650 nm 波長范圍內(nèi)真空石英管中黑索今爆炸的輻射能量，指出黑索今爆炸過程中輻射能量大小與其質(zhì)量呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。Yuan 等［8］研究了Al/高氯酸銨/端羥基聚丁二烯推進(jìn)劑紫外-近紅外波段的燃燒火焰光譜，采集到Al，Na，K，Ca，Li 等金屬原子的發(fā)射光譜。周禹男等［9］研究了在推進(jìn)劑中常用的3 種鋁顆粒的火焰光譜，發(fā)現(xiàn)火焰的光譜強(qiáng)度與樣品的粒徑、燃燒環(huán)境的氧化性有關(guān)，粒徑越小，光譜強(qiáng)度越大；燃燒環(huán)境的氧化性越強(qiáng)，點(diǎn)火延遲時(shí)間越短，光譜強(qiáng)度也越大。苑繼飛等［10］采集了鋁粉和黑索今混合物燃燒火焰的輻射光譜，觀察到明顯的AlO 的發(fā)射光譜，因黑索今含量太少未觀測到CN＊和OH＊發(fā)射光譜。以上研究主要集中在含能材料火焰溫度、輻射基團(tuán)等方面的研究，缺少利用發(fā)射藥燃燒輻射特性指導(dǎo)光學(xué)探測器設(shè)計(jì)的針對(duì)性研究。

根據(jù)溶塑火藥燃燒理論［11］，發(fā)射藥燃燒各反應(yīng)區(qū)域中發(fā)生不同化學(xué)反應(yīng)，各區(qū)的溫度和燃燒產(chǎn)物存在明顯差異導(dǎo)致燃燒輻射特性不同，而燃燒輻射特性，尤其是常壓燃燒火焰輻射特性，蘊(yùn)含著燃燒過程的大量信息，是發(fā)射藥火災(zāi)光學(xué)探測的基礎(chǔ)。因此，需要設(shè)計(jì)針對(duì)性的發(fā)射藥火焰光譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)不同類型的發(fā)射藥進(jìn)行燃燒火焰光譜測試，為光學(xué)探測器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

單基發(fā)射藥和雙基發(fā)射藥是常見的發(fā)射藥，生產(chǎn)儲(chǔ)存過程中易引發(fā)事故［3］，是發(fā)射藥安全關(guān)注的重點(diǎn)領(lǐng)域。光學(xué)探測器在發(fā)射藥燃爆災(zāi)害探測時(shí)，其應(yīng)用場景主要為生產(chǎn)和儲(chǔ)存時(shí)的發(fā)射藥火災(zāi)探測，此時(shí)空氣為助燃劑，環(huán)境壓力通常為常壓，但發(fā)射藥成品或半成品處在相對(duì)封閉空間（一般會(huì)配置泄壓口）時(shí)，其環(huán)境壓力可能會(huì)高于大氣壓力，而根據(jù)溶塑火藥燃燒理論，壓力不同，發(fā)射藥燃燒反應(yīng)的進(jìn)程不同，造成燃燒輻射的差異。鑒于此，本研究選擇了空氣氣氛下低壓、常壓、較高壓等工況，設(shè)計(jì)并搭建了發(fā)射藥火焰光譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展空氣氣氛下不同壓力條件下的典型單基發(fā)射藥“20/7”和雙基發(fā)射藥“雙芳-3”燃燒試驗(yàn)，利用光纖光譜儀和光譜分析儀采集燃燒火焰輻射光譜，分析燃燒過程的光譜和光強(qiáng)特征，為發(fā)射藥火災(zāi)探測器的設(shè)計(jì)積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

“20/7”單基藥粉，瀘州北方化學(xué)工業(yè)有限公司；“雙芳-3”吸收藥，山西北方興安化學(xué)有限公司；丙酮、無水乙醚，分析純，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司。無水酒精，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

JH-500 型捏合機(jī)，上海紅星化工機(jī)械廠；ZJB-30型油壓機(jī)，天津市第二鍛壓機(jī)床廠；AHX 安全型水浴烘箱，南京理工大學(xué)機(jī)電廠。FLA4000+光纖光譜儀，杭州晶飛科技有限公司，分辨率0.1 nm；橫河IMAQ6370C 光譜分析儀，深圳集源科技有限公司，信號(hào)采集光纖的纖芯/包層直徑為400/440 μm，數(shù)值孔徑為0.2。

1.2 樣品制備

采用半溶劑法［12］工藝用粉碎的“20/7”單基藥粉和“雙芳-3”吸收藥制備試樣。單基藥藥柱：柱狀，直徑8.4 mm，長度16 mm，質(zhì)量1.5 g。雙基藥藥柱：管狀，外徑6.0 mm，孔徑1.9 mm，長度16 mm，質(zhì)量1.1 g。實(shí)驗(yàn)前在45 ℃下將藥柱烘干24 h，去除其中水分。

1.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

發(fā)射藥火焰光譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示。燃燒室內(nèi)部尺寸為300 mm×300 mm×300 mm，正面為一方型JGS2 紫外光學(xué)石英玻璃視窗，在紫外-近紅外波段有良好的透光率。 燃燒室上方外接上海笠聚的YN100BF 型 壓 力 表，量 程-0.1～2.4 MPa，精 度 等 級(jí)1.6 級(jí)。采用2 臺(tái)不同波段的光譜儀采集火焰輻射光譜，光譜儀前端接準(zhǔn)直鏡，F(xiàn)LA4000+光纖光譜儀準(zhǔn)直鏡距藥柱中軸線垂直距離30 cm，光譜采集范圍200～1100 nm，積分時(shí)間5 ms；IMAQ6370C 光譜分析儀前端距藥柱中心軸線垂直距離20 cm，光譜采集范圍1000～1700 nm。

圖1 發(fā)射藥火焰光譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system for propellant flame spectrum collection

1.4 實(shí)驗(yàn)過程

采用鎳鉻合金電阻絲點(diǎn)火。電阻絲兩端接金屬重物，質(zhì)量均為20 g，懸掛于兩端電極上，電阻絲緊壓接觸試樣上表面。在電極兩端施加20 V 電壓，電阻絲發(fā)熱升溫點(diǎn)燃藥柱。藥柱點(diǎn)燃后，利用高溫熔斷電阻絲原理，依靠重物重力將斷開的電阻絲拉離燃燒區(qū)域，防止對(duì)火焰流場的干擾和電阻絲高溫發(fā)光對(duì)光譜測量帶來干擾，點(diǎn)火系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 點(diǎn)火系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of ignition system

首先將試樣安裝在樣品架上，連接點(diǎn)火電阻絲，檢查導(dǎo)通合格后待命；關(guān)閉燃燒室；用真空泵將燃燒室抽成真空后，將高純空氣通入燃燒室至實(shí)驗(yàn)壓力；打開光纖光譜儀進(jìn)行連續(xù)的光譜采集；迅速點(diǎn)火，試樣開始燃燒，當(dāng)火焰穩(wěn)定時(shí)，打開光譜分析儀進(jìn)行火焰光譜測試；試樣燃燒完畢后關(guān)閉光纖光譜儀和光譜分析儀。同一實(shí)驗(yàn)條件，重復(fù)3 次測試。實(shí)驗(yàn)前采集背景光譜，并將背景光譜從發(fā)射藥的燃燒光譜中去除。

為減少環(huán)境光對(duì)測試的干擾，測試發(fā)射藥燃燒火焰光譜時(shí)，燃燒室周圍布置黑色吸光幕布。

研究壓力對(duì)發(fā)射藥燃燒火焰光譜影響時(shí)，設(shè)置的壓力值分別為-0.05，0，0.20 MPa（表壓），充壓氣體為高純空氣。

2 結(jié)果與討論

2.1 常壓下單基藥的燃燒火焰輻射特性

為研究單基發(fā)射藥常壓條件下的燃燒輻射特性，對(duì)典型單基藥“20/7”進(jìn)行了燃燒光譜采集，結(jié)果如圖3 所示。由圖3a 可以看出，“20/7”單基藥燃燒火焰的連續(xù)輻射很弱，僅在550～650 nm 范圍內(nèi)存在較弱強(qiáng)度的連續(xù)輻射，這可能是由于“20/7”單基藥中非可燃組分含量低，燃燒充分，產(chǎn)生的碳粒等固體顆粒物少。將圖3a 分解為圖3b （200～500 nm），圖3c（500～800 nm），圖3d（800～1100 nm）。圖3b 中輻射光譜強(qiáng)度最低。其中，310.6 nm 附 近 是OH＊（A2Σ+-x2Π）發(fā) 射 峰；337.5 nm 處對(duì)應(yīng)NO（B2Π-x2Π）譜帶，NO 大量的存在于“20/7”單基藥的燃燒反應(yīng)區(qū)內(nèi)，主要由硝酸酯和醛類放熱反應(yīng)生成。373.3 nm 處是Fe 的發(fā)射峰；387.3 nm 對(duì)應(yīng)CH＊（B2Σ--x2Π）譜帶，這一波段還有CN＊（B2Σ+-x2Σ+），但會(huì)被前者掩蓋，同時(shí)，F(xiàn)e 在這一波段也有明顯的特征峰，所以這一波段更可能是幾種發(fā)射峰的疊加；404.4 nm 處是K 的發(fā)射峰，相較于766.5，769.9 nm 的主峰更難激發(fā)，且強(qiáng)度較弱。424.6 nm 處 對(duì) 應(yīng) 了CHO＊（1A″ -1A1）譜 帶，生 成CHO*的反應(yīng)主要位于發(fā)射藥的表面反應(yīng)區(qū)，可能是由硝酸酯的分解反應(yīng)、分解產(chǎn)物與硝酸酯的反應(yīng)和初始產(chǎn)物之間的反應(yīng)產(chǎn)生，但是這一波段附近還可能存在Ca的發(fā)射峰。464.1 nm 譜峰屬于CO2*（1B2-x1Σ+g）譜帶，這在CO 火焰中常見，而CO 也是硝化棉（NC）燃燒分解的重要中間產(chǎn)物。此外，在“20/7”單基藥燃燒過程中，一些波段存在偶然出現(xiàn)的發(fā)射峰，包括330.2 nm 處的Na 發(fā)射峰，體現(xiàn)了燃燒反應(yīng)的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性。樣品中的Na，K，Ca 和Fe 金屬組分主要來自NC 生產(chǎn)過程中殘存的木質(zhì)素，在2 種發(fā)射藥的實(shí)際生產(chǎn)過程中均不可避免少量存在。在200～500 nm 波段采集到大量特征峰，可以提高探測識(shí)別的可靠性，但強(qiáng)度弱不能提高探測靈敏度。

圖3 單基藥穩(wěn)定燃燒輻射光譜強(qiáng)度曲線Fig.3 Curves of radiative spectral intensity obtained for a single-base propellant at stable combustion

圖3c 中記錄的500～800 nm 波段燃燒輻射的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于另外2 個(gè)波段，表明“20/7”單基藥燃燒輻射能量主要集中在這一波段?！?0/7”單基藥的火焰光譜在589 nm 和768 nm 附近有很強(qiáng)的線光譜，這主要是金屬Na 和K 外層電子躍遷發(fā)射的原子光譜［13］。相較于其它原子光譜，其激發(fā)能量和溫度條件都較低，發(fā)射峰強(qiáng)度也更高，強(qiáng)度受溫度和含量的影響大。不同于自由基來自化學(xué)激發(fā)，Na 和K 發(fā)射峰主要由原子的熱激發(fā)形成，與原子序數(shù)和溫度密切相關(guān)，包含了燃燒過程溫度的信息［14］。同時(shí)，在這個(gè)波段中，也存在源自Ca（OH）2的554.4，622.9，645.3 nm 處 較 弱 的 發(fā) 射峰。在500～800 nm 波段的特征峰明顯缺乏特異性，但強(qiáng)度高適用于提高探測器靈敏度。

圖3d 記錄的800～1100 nm 波段存在大量的譜峰，其中易于分辨的是821 nm 處Na的發(fā)射峰和930 nm 附近H2O 的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)峰，H2O 是燃燒反應(yīng)區(qū)的重要產(chǎn)物。單基藥火焰區(qū)主要反應(yīng)之一［11］：2NO+2H2→N2+2H2O。這其中就伴隨著大量H2O 和多種發(fā)射基團(tuán)的產(chǎn)生，在其它的燃燒反應(yīng)區(qū)和環(huán)境中的H2O 也可能會(huì)進(jìn)入火焰區(qū)。

在1000～1700 nm 波段未采集到“20/7”單基藥燃燒輻射光譜，最有可能的原因是“20/7”單基藥在這一波段的輻射強(qiáng)度低于光譜儀響應(yīng)下限，表明針對(duì)這一波段的探測器并不適用于“20/7”單基藥。

需要注意的是，雖然OH*、C2*、CH*、CHO*等自由基的峰出現(xiàn)在輻射光譜中，但是相對(duì)于Na 和K 的峰而言強(qiáng)度很弱，易被忽視且大量金屬的發(fā)射峰會(huì)掩蓋它們的信息。

“20/7”單基藥的燃燒輻射以Na 和K 的發(fā)射峰為主，其它波段的輻射強(qiáng)度明顯偏弱，所以針對(duì)此類發(fā)射藥的探測器設(shè)計(jì)時(shí)主要應(yīng)參考Na 和K 的發(fā)射光譜以提高靈敏度，并考慮一般火焰中不常見的其它基團(tuán)的發(fā)射光譜以提高探測可靠性。

2.2 常壓下雙基藥的燃燒火焰輻射特性

為研究雙基發(fā)射藥常壓條件下的燃燒輻射特性，對(duì)典型雙基發(fā)射藥“雙芳-3”進(jìn)行了燃燒光譜采集，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 雙基藥穩(wěn)定燃燒輻射光譜強(qiáng)度曲線Fig.4 Curves of radiative spectral intensity obtained for the double-base propellant at stable combustion

由圖4 可以看出，“雙芳-3”燃燒發(fā)射光譜強(qiáng)度在200～400 nm 范圍內(nèi)很弱，強(qiáng)度接近于環(huán)境的背景輻射，沒有明顯的特征峰。400～728 nm 范圍內(nèi)，波長增加，發(fā)射光譜強(qiáng)度逐漸變強(qiáng)，并伴隨一些特征峰的出現(xiàn)。在728～1100 nm 范圍內(nèi)，發(fā)射光譜強(qiáng)度總體上在逐漸減弱。除Na 和K 輻射的線狀光譜外，“雙芳-3”燃燒光譜中有強(qiáng)烈的連續(xù)輻射。連續(xù)光譜為燃燒過程中固體顆粒在高溫下產(chǎn)生的熱輻射，表明在“雙芳-3”燃燒的火焰區(qū)可能包含大量的固體顆粒物，這主要是由于燃燒表面反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生的氣體把燃燒表面的固體顆粒帶入，還有一部分是燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的碳黑。碳黑的形成可能是由于燃燒表面反應(yīng)區(qū)和暗區(qū)產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)進(jìn)入火焰區(qū)生成大量的碳，在此溫度下，NO 也會(huì)與碳迅速反應(yīng)，溫度升高和氧氣不足都會(huì)促進(jìn)碳黑的生成。固體顆粒物在燃燒過程中急速升溫，放出輻射，當(dāng)這些顆粒物濃度足夠大時(shí)就會(huì)出現(xiàn)黑體的特征?！半p芳-3”雙基藥比“20/7”單基藥有更強(qiáng)的連續(xù)輻射，表明其常壓燃燒過程氧化劑含量不足的情況更嚴(yán)重，燃燒更不充分。400～500 nm 波段可以看到小的凸起，這可能是CO 氧化過程產(chǎn)生的激發(fā)CO2*的連續(xù)發(fā)射光譜，CO 是雙基藥燃燒過程中的重要中間產(chǎn)物，充斥在燃燒區(qū)，CO2*輻射通常被認(rèn)為在一個(gè)寬波段內(nèi)保持不變［15-16］。連續(xù)光譜會(huì)掩蓋強(qiáng)度較弱的光譜，特別是分子光譜，使得許多化學(xué)信息難以分辨。

在200～1100 nm 波段，OH*，C2*，CH*是在化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中常見的自由基。OH＊的主要波長為：281.1，306.4，309.0，312.2，347.2 nm，其中在306 nm處的峰值最為顯著；C2*的強(qiáng)特征譜帶為swan 系統(tǒng)譜帶，主要波長為：469.7，471.5，516.5，558.5，563.5 nm；CH*的431.5 nm 和390.0 nm 譜帶在火焰中也很常見；而H2O 分子的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)光譜也具有較強(qiáng)的譜帶強(qiáng)度，在651.7，927.7nm 處有強(qiáng)的發(fā)射或者吸收峰［13］，這些都是燃燒反應(yīng)中常見的發(fā)射基團(tuán)。但是在“雙芳-3”的燃燒過程中的200～1100 nm 波段卻難以辨識(shí)?？赡艿脑蛞皇侨紵^程中生成的發(fā)射基團(tuán)濃度較低；二是在火焰中存在的時(shí)間過短，光譜儀難以記錄；三是相對(duì)于強(qiáng)大的連續(xù)輻射，它們的強(qiáng)度過低，被掩蓋。

為探究雙基藥在1000～1700 nm 波段的輻射特性，采用橫河IMAQ6370C 光譜分析儀對(duì)“雙芳-3”雙基藥的燃燒火焰光譜進(jìn)行了采集，結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可以看出，在1000～1700 nm 波段，輻射光譜提供了更多燃燒信息，但仍存在較強(qiáng)的連續(xù)輻射。參考相關(guān)文獻(xiàn)［13］，1090.3 nm 是CN*（A2Π-x2Σ+）的發(fā)射峰；1135.4 和1378.6 nm 處是H2O（振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)）的吸收峰；1460.6，1488.7，1505.7，1536.6，1581.7 nm 處是OH*（振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)）發(fā)射峰；在1172.4 nm 和1407.5 nm是C2*（A′3Σg--x3Πu）的發(fā)射峰。H2O 是燃燒反應(yīng)中常見的物質(zhì)，也可能是環(huán)境中存在的水分子，火焰區(qū)外層基態(tài)的H2O 吸收了其激發(fā)波長范圍內(nèi)的輻射，“雙芳-3”雙基藥燃燒產(chǎn)生H2O 的機(jī)制與“20/7”單基藥類似。但對(duì)于“雙芳-3”雙基藥，這些基團(tuán)的發(fā)射峰和吸收峰相對(duì)于連續(xù)輻射較弱，分辨率很低，在大部分時(shí)間內(nèi)難以觀測。連續(xù)光譜的掩蓋導(dǎo)致200～1100 nm 波段可提供的燃燒化學(xué)信息較少，而紅外波段可能會(huì)提供更多的化學(xué)信息?！半p芳-3”雙基藥燃燒反應(yīng)開始后，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溫度升高，紅外輻射增強(qiáng)會(huì)掩蓋這一波段的特征，不同階段記錄的輻射光譜不同。

圖5 雙基藥穩(wěn)定燃燒近紅外波段輻射光譜曲線Fig.5 Radiation spectrum curve collected for the double-base propellant under the stable combustion in the near-infrared band

“雙芳-3”雙基藥的燃燒輻射光譜具有明顯的連續(xù)光譜，連續(xù)光譜的峰值波長比Na 和K 的發(fā)射峰更有特異性，所以針對(duì)此類發(fā)射藥的探測器設(shè)計(jì)應(yīng)主要參考連續(xù)光譜的峰值波長。

2.3 壓力對(duì)單基藥和雙基藥燃燒輻射的影響

為研究燃燒環(huán)境壓力對(duì)發(fā)射藥燃燒輻射的影響，對(duì)“20/7”單基藥和“雙芳-3”雙基藥進(jìn)行了不同壓力下的燃燒火焰光譜測試，結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可以看出，隨著壓力的升高，燃燒火焰的輻射光譜強(qiáng)度增強(qiáng)。這是由于，一是壓力的增加促進(jìn)了火焰區(qū)碳黑的生成；二是壓力升高，環(huán)境中的氧氣含量增多，反應(yīng)物濃度提高，反應(yīng)強(qiáng)度提高，輻射區(qū)域的溫度更高；三是表面反應(yīng)區(qū)內(nèi)反應(yīng)更劇烈，生成更多的氣體，在進(jìn)入反應(yīng)區(qū)時(shí)帶入了更多的固體顆粒。

圖6 不同壓力條件下單基藥和雙基藥穩(wěn)定燃燒輻射光譜Fig.6 Stable combustion radiation spectra collected for single-base propellant and double-base propellant under different pressure conditions

提高壓力會(huì)加快NC 和硝化甘油（NG）的分解速率［11］，同時(shí)增加燃燒表面附近氧化性氣體的濃度，導(dǎo)致燃燒強(qiáng)度增加。從熱力學(xué)的角度來說，較高的壓力也會(huì)使發(fā)射藥表面和周圍高溫氣體之間的傳熱系數(shù)增加［17］，有力地提高了燃燒速率和強(qiáng)度。

低壓條件下“20/7”單基藥和“雙芳-3”雙基藥均未能完全燃燒，在底部有少量殘余。根據(jù)加熱層理論［11］，低壓條件下，當(dāng)凝聚相反應(yīng)熱效應(yīng)強(qiáng)度、火焰區(qū)高溫反應(yīng)物對(duì)燃面的傳熱強(qiáng)度以及環(huán)境與燃面的熱交換強(qiáng)度之和小于發(fā)射藥維持穩(wěn)定燃燒必須的臨界熱效應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，由于無法建立穩(wěn)定的加熱層，2 種發(fā)射藥的燃燒強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱，直至熄滅，導(dǎo)致部分樣品留有殘余，燃燒反應(yīng)未進(jìn)行到底。發(fā)射藥生產(chǎn)儲(chǔ)存過程中，較低的環(huán)境壓力和較薄的堆積厚度導(dǎo)致火藥的燃燒能力下降，對(duì)抑爆系統(tǒng)而言所需要的抑爆制劑含量和探測器靈敏度要求較低。在一定范圍內(nèi)環(huán)境壓力的升高提升了發(fā)射藥的燃燒強(qiáng)度，使用環(huán)境壓力越高，探測器的靈敏度要求越高。

在研究低壓條件下“雙芳-3”雙基藥燃燒輻射隨時(shí)間變化的特性時(shí)，將火焰輻射強(qiáng)度超過背景輻射強(qiáng)度10%定義為燃燒開始，記錄了“雙芳-3”雙基藥燃燒初始0.2 s 的燃燒輻射時(shí)序光譜，結(jié)果如圖7 所示。在-0.05 MPa 壓力條件下，“雙芳-3”雙基藥燃燒初期的火焰光譜出現(xiàn)了和“20/7”單基藥類似的特征，僅有較弱的連續(xù)光譜，且Ca 的發(fā)射峰可以被觀察到。但這一特征僅在燃燒初始階段維持了較短的時(shí)間，隨后連續(xù)光譜強(qiáng)度開始增強(qiáng)，這一特征也被連續(xù)光譜掩蓋。這可能是因?yàn)樵诘蛪合氯紵磻?yīng)的初始階段，燃燒室內(nèi)氧氣含量高，固體顆粒的生成量少，且溫度低，連續(xù)光譜弱。但是隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)變得劇烈，燃燒區(qū)氧氣含量變少，火焰區(qū)溫度高，固體顆粒增多導(dǎo)致連續(xù)輻射變強(qiáng)。因此，針對(duì)低壓使用情況下的雙基藥抑爆系統(tǒng)探測器設(shè)計(jì)時(shí)，主要識(shí)別對(duì)象應(yīng)為燃燒初期輻射強(qiáng)度較強(qiáng)的金屬發(fā)射峰，否則會(huì)導(dǎo)致探測器的響應(yīng)速度變慢。

圖7 -0.05 MPa 下雙基藥燃燒初始0.2 s 內(nèi)的時(shí)序輻射光譜Fig.7 Radiation spectra in time series obtained for the double-base propellant combusting in the initial 0.2 s at pressures of-0.05 MPa

3 結(jié) 論

（1）“20/7”單基藥常壓燃燒火焰光譜中有OH*，C2*，CHO*等基團(tuán)強(qiáng)度較弱的發(fā)射峰，1000～1700 nm波段輻射強(qiáng)度過低均不宜作為探測波段。原料纖維素中含有Na，K，Ca 等金屬組分，導(dǎo)致明顯的Na，K，Ca特征峰，感光探測器應(yīng)主要依據(jù)Na 和K 的輻射光譜設(shè)計(jì)。

（2）“雙芳-3”雙基藥常壓燃燒火焰光譜中有大量固體顆粒導(dǎo)致的強(qiáng)烈連續(xù)輻射，且Na 和K 金屬的發(fā)射峰十分明顯，在1000～1700 nm 波段有H2O 的吸收峰和OH*、C2*的發(fā)射峰但強(qiáng)度較弱，其探測器的設(shè)計(jì)主要依據(jù)連續(xù)光譜的峰值波長，結(jié)合Na 和K 的輻射光譜提高探測可靠性。

（3）環(huán)境壓力提高，“20/7”單基藥和“雙芳-3”雙基藥輻射光譜強(qiáng)度均增大，感光探測器觸發(fā)閾值應(yīng)隨環(huán)境壓力調(diào)整。低壓下“雙芳-3”雙基藥燃燒初期輻射光譜相近于“20/7”單基藥，此時(shí)應(yīng)以Na 和K 的發(fā)射峰為主要探測對(duì)象。