含能材料燃燒轉(zhuǎn)爆轟研究進(jìn)展

張 超， 馬 亮， 趙鳳起, 秦 能， 袁志鋒

(西安近代化學(xué)研究所 火炸藥燃燒國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710065)

1 引 言

燃燒轉(zhuǎn)爆轟(Deflagration to Detonation Transition，DDT)是含能材料的一個(gè)重要特征[1]，也是含能材料危險(xiǎn)性的一項(xiàng)重要指標(biāo)[2]，備受重視。燃燒轉(zhuǎn)爆轟是系統(tǒng)由燃燒發(fā)展為穩(wěn)定爆轟過程中出現(xiàn)的一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)，它廣泛存在于推進(jìn)劑和發(fā)射藥的燃燒、爆破器材的起爆以及炸藥的生產(chǎn)、貯存和使用過程中[3]。早在20世紀(jì)40年代，蘇聯(lián)科學(xué)家Andreev首先開始了對此問題的研究[4]，此后，經(jīng)過科技工作者的不斷探索，在DDT試驗(yàn)及理論方面均取得了一定進(jìn)展[5]。隨著人們對DDT認(rèn)識的不斷加深，從20世紀(jì)中葉起，開始了大規(guī)模、系統(tǒng)性的研究工作，國外從事DDT研究工作的主要機(jī)構(gòu)有美國的海軍水面武器中心、洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室、桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室、斯坦福實(shí)驗(yàn)室、?？死锼构竞偷V物局，前蘇聯(lián)的科學(xué)院化學(xué)物理所，法-德聯(lián)合研究所，英國的裝備研究和發(fā)展機(jī)構(gòu)等[6]，自此國內(nèi)外學(xué)者對炸藥、推進(jìn)劑、發(fā)射藥、煙火藥等含能材料的燃燒轉(zhuǎn)爆轟研究步伐就一直沒有停歇[7-20]。目前，DDT機(jī)理已經(jīng)被用來指導(dǎo)火炸藥的配方設(shè)計(jì)、性能控制以及安全防護(hù)措施的制定[21]，此外，科研人員還把燃料-空氣炸藥(FAE)燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程中產(chǎn)生的高溫、高壓燃?xì)庥米髅}沖發(fā)動機(jī)的動力源[22-25]，用以克服傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)能量輸出效率低的不足，被認(rèn)為是最具有發(fā)展前景的動力裝置之一[26-29]。

通過已有的研究，人們對含能材料燃燒轉(zhuǎn)爆轟的研究方法、影響因素及過程機(jī)理有了較全面的了解，本文綜述了其中有代表性的研究成果，以期為火炸藥的燃燒轉(zhuǎn)爆轟特性研究、配方設(shè)計(jì)、安全控制、成果應(yīng)用等提供參考。

2 燃燒轉(zhuǎn)爆轟研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)研究法

實(shí)驗(yàn)研究法目前主要包括DDT管法和動態(tài)壓縮法。DDT管法是含能材料燃燒轉(zhuǎn)爆轟現(xiàn)象研究最常用的方法，壓縮法常用作DDT機(jī)理研究。研究火炸藥等含能材料的DDT管通常有強(qiáng)約束和弱約束兩種[30]，強(qiáng)約束一般為厚壁金屬管，其優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度大、約束力強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)由燃燒到爆轟的轉(zhuǎn)變。弱約束一般為有機(jī)玻璃管或塑料管，其優(yōu)點(diǎn)是具有良好的可視性，有利于觀察整個(gè)DDT過程燃燒波的傳播規(guī)律和藥床的密度分布，缺點(diǎn)是強(qiáng)度差、易變形，由于側(cè)向稀疏波作用，在有限長的管內(nèi)較難實(shí)現(xiàn)由燃燒到爆轟的轉(zhuǎn)變，因此塑料管或玻璃管僅用于容易發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟的材料。普通含能材料DDT裝置如圖1[31]，新型FAE DDT裝置如圖2[32]。

DDT過程是一個(gè)強(qiáng)烈的動態(tài)壓縮過程，為深入研究DDT機(jī)理，Sandusky[33]等人設(shè)計(jì)了高壓氣源驅(qū)動的壓縮實(shí)驗(yàn)、活塞撞擊壓縮實(shí)驗(yàn)、用螺旋形裝藥推動活塞的裝置和間隙實(shí)驗(yàn)裝置分別模擬了多種含能材料多孔藥床的DDT過程，Sandusky在活塞壓縮過程中首次觀察到了致密波(The Compaction Wave，使得藥粒床孔隙率發(fā)生變化的行進(jìn)波即為致密波[34])。燃燒轉(zhuǎn)爆轟的發(fā)生與致密波作用相關(guān)，Sandusky[33]發(fā)現(xiàn)當(dāng)活塞撞擊多孔床的速度小于300 m·s-1時(shí): 形成的穩(wěn)態(tài)致密波速低于600 m·s-1; 當(dāng)活塞速度足夠大時(shí)，致密波速度加快，藥粒床孔隙率急劇變化而引發(fā)燃燒，這一過程滿足方程:τ2Δt=const。式中τ為測得的被壓縮固相中的應(yīng)力,MPa; Δt為藥床從被撞擊到出現(xiàn)火焰的時(shí)間間隔，μs。

圖1DDT管布局圖[31]

Fig.1Arrangement of DDT tube[31]

圖2空氣-燃料DDT實(shí)驗(yàn)裝置圖[32]

Fig.2Schematic diagram of air-fuel DDT experimental setup[32]

對DDT過程的測試手段主要有測壓和測速兩個(gè)方面。 測壓技術(shù)有: 應(yīng)變片法[35]、管內(nèi)痕跡顯示法[35]、驗(yàn)證板法[35]、軸向機(jī)械探針法[35]、錳銅壓阻計(jì)[36]等。管內(nèi)痕跡顯示法一般用于DDT過程分析，陳曉明[37]等人利用管內(nèi)痕跡法分析了發(fā)射藥在燃燒轉(zhuǎn)沖擊波(DST)和沖擊轉(zhuǎn)爆轟(SDT)兩個(gè)階段管壁的變化情況。應(yīng)變片法是將應(yīng)變片貼在DDT管外表面,通過測量DDT管的變形來反映管內(nèi)壓縮波或沖擊波的傳播規(guī)律，該法的缺點(diǎn)是測量誤差偏大,優(yōu)點(diǎn)是能夠得到強(qiáng)壓縮波到達(dá)各應(yīng)變片所處位置的相對時(shí)間。

測速技術(shù)有: 高速攝影法[35]、脈沖X射線法[35]、光纖記錄法[35]、電離探針法[35]、軸向電阻絲法[35]等，其中電離探針和光纖法以其經(jīng)濟(jì)簡單而被廣泛應(yīng)用。電離探針主要依靠火炸藥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的正負(fù)離子導(dǎo)通，當(dāng)火焰波小于500 m·s-1時(shí)探針很難測到波速，光纖探針的工作依靠熱和光的輻射，即使在較低的燃燒速度下也能測到燃燒波速度。因此，通常采用電離探針和光纖探針相結(jié)合的手段測量燃燒波速度，高速段用電離探針，低速段用光纖探針。董樹南[31]等人采用電離探針和光纖探針記錄了含ACP(一種以二價(jià)銅胺絡(luò)離子為陽離子的高氯酸鹽)改性雙基推進(jìn)劑的燃燒與爆轟波陣面的位置-時(shí)間關(guān)系, 發(fā)現(xiàn)隨著ACP含量的增加，裝藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟有明顯增大傾向。

除上述實(shí)驗(yàn)技術(shù)外,用于含能材料DDT研究的還有微波干涉儀、聲像法、反轉(zhuǎn)多幅閃光技術(shù)[38-41]等。

判斷燃燒轉(zhuǎn)爆轟與否或其傾向大小的方法一般根據(jù)具體條件而定，從簡單、便宜到復(fù)雜、昂貴的研究方法目前都在應(yīng)用[30]。前者如驗(yàn)證板方法，即在DDT管下方固定一塊鋼板，通過觀察鋼板上留下的痕跡(壓痕)來判斷是否發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡單、直接、廉價(jià)，缺點(diǎn)是人為主觀影響因素較大，經(jīng)常存在誤判、漏判情況，因?yàn)樵谠囼?yàn)現(xiàn)場經(jīng)常存在見證板被拋射無法找到的現(xiàn)象。比較精確的方法是采用高速攝影技術(shù)觀察燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程的發(fā)展，或在DDT管中安裝傳感器測試燃燒波及壓力波的傳播情況，從燃燒波陣面和壓力波陣面的相對位置來分析燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程[30]。其缺點(diǎn)是復(fù)雜、成本昂貴，存在設(shè)備被毀壞的危險(xiǎn)。目前比較經(jīng)濟(jì)、可靠的方法是通過觀察見證板、樣品管的破壞程度等綜合來判斷是否發(fā)生了燃燒轉(zhuǎn)爆轟[42]。

2.2 數(shù)值模擬法

燃燒轉(zhuǎn)爆轟邊界影響因素多，包含能量轉(zhuǎn)換、相變、壓縮、沖擊波形成與迭加、穩(wěn)態(tài)爆轟等復(fù)雜過程[43]，這給DDT數(shù)值模擬帶來了一定的難度。目前，對含能材料DDT過程的數(shù)值模擬主要采用兩相流理論模型。最早采用兩相流模型研究燃燒問題的是Kuo[44]和Gough等人[45]，他們未考慮固相的壓縮性和顆粒間的相互作用，因此只進(jìn)行了低速、低壓下的數(shù)值模擬。為了克服此不足，Passman[46]等人在兩相模型中引入體積分?jǐn)?shù)守恒方程進(jìn)一步完善了兩相流模型。經(jīng)不斷完善，國外學(xué)者已用一維兩相流的燃燒轉(zhuǎn)爆轟動力學(xué)模型及其數(shù)值計(jì)算方法成功地預(yù)示了燃燒轉(zhuǎn)爆轟的全過程[47-50]。 國內(nèi)秦根成[51]等利用一維兩相反應(yīng)流模型，建立了硝酸酯增塑聚醚(NEPE)高能推進(jìn)劑燃燒轉(zhuǎn)爆轟數(shù)學(xué)模型，用Mac-Cormack差分格式進(jìn)行數(shù)值求解NEPE推進(jìn)劑燃燒向爆轟轉(zhuǎn)變的內(nèi)在原因，認(rèn)為存在于藥粒床中的壓縮波和燃燒波的相互作用導(dǎo)致了NEPE推進(jìn)劑由燃燒向爆轟的轉(zhuǎn)變。劉德輝[52]采用一維分離兩相流反應(yīng)模型以及變步長跳步差分計(jì)算格式模擬了固體推進(jìn)劑的燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程，建立了確定誘導(dǎo)爆轟距離的方法,由該法所得的誘導(dǎo)爆轟距離值與實(shí)驗(yàn)值誤差小于15%; 賈祥瑞[53-55]和楊濤[56]等人采用一維分離兩相流反應(yīng)模型等對推進(jìn)劑多孔床中不同速度的致密波進(jìn)行了計(jì)算,得到了致密波區(qū)內(nèi)的參數(shù)分布。

在二維模擬方面，Krier和Samuelson[57]采用了Leapfrog法求解二維炸藥床的燃燒轉(zhuǎn)爆轟問題，發(fā)現(xiàn)Leapfrog法對非粘性流體控制方程是適用的,但不適合解含有粘性力二階偏導(dǎo)數(shù)的方程組,因?yàn)樵谖锢砹客蛔儏^(qū)之前產(chǎn)生嚴(yán)重的數(shù)值振蕩。為了克服這一缺點(diǎn)，Spalding等人[58]提出了SIMPLE(semi-Implscit Method for pressure-Linked Equations)和IPSA(Interphase slsp Algorithm)數(shù)值解法，SIMPLE型數(shù)值計(jì)算方法較好地克服了數(shù)值解的嚴(yán)重振蕩問題，IPSA法能夠較好的解決多相流動過程和燃燒過程的數(shù)值分析，姜羲[43]等人參考應(yīng)用IPSA解法于全粘性方程,結(jié)合燃燒轉(zhuǎn)爆轟的具體物理特性和初邊條件,對跨音速流動和壓力校準(zhǔn)方程作了特殊處理，建立了含能材料密實(shí)顆粒床的燃燒轉(zhuǎn)爆轟全粘性歐拉二維非定常兩相反應(yīng)流的控制方程組，成功地模擬了無起爆藥雷管的起爆流場。

對于氣液兩相燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程的數(shù)值模擬，大多都采用了Lax-wendrof格式[59]和Ma Corynack格式[60]進(jìn)行,但其都不能處理激波間斷問題,且穩(wěn)定性條件苛刻。對此不足，美國航空航天局的Chang[61]提出了CE/SE(Conservation Element and Solution Element)算法，該方法格式簡單、精度高，是計(jì)算爆轟等強(qiáng)間斷問題的有效方法。國內(nèi)外對于PDE(Pulse Detonation Engine)氣液兩相爆轟的模擬大多未考慮粘性影響，林玲[62]等在前人研究的基礎(chǔ)上，將二維粘性CE/SE方法應(yīng)用到等離子體射流點(diǎn)火的多相爆轟模型中，分別以N-S(Navier-Stokes)方程和Euler方程為控制方程，比較了等離子射流點(diǎn)火條件下粘性作用對爆轟參數(shù)的影響，認(rèn)為提高初始射流點(diǎn)火的溫度和時(shí)間，可以顯著地縮短誘導(dǎo)爆轟距離(沖擊波和爆轟波的交點(diǎn)距裝藥初始點(diǎn)火端的距離)。

DDT現(xiàn)象更適合用三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬。但由于DDT過程中最后階段(沖擊波轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z階段)，各狀態(tài)參量瞬變劇烈，這需要開展相當(dāng)數(shù)量的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究以提供三維數(shù)值模擬所需的物理參數(shù)，DDT實(shí)驗(yàn)研究所需的人力、物力、財(cái)力花費(fèi)很大，這給三維數(shù)值模擬帶來了很大的困難。盡管國內(nèi)外研究人員在DDT三維模擬方面開展了一些研究工作，如20世紀(jì)80年代,Mader等[63]在“熱點(diǎn)”形成爆轟方面進(jìn)行了簡單的三維數(shù)值模擬，Hallquist[64]主持開發(fā)的1991年版的DYDA程序具有一定處理三維問題的功能。但這些三維模擬僅限于燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程某個(gè)階段的簡單模擬，還不能預(yù)示燃燒轉(zhuǎn)爆轟的全過程。對DDT三維數(shù)值模擬還需今后進(jìn)一步研究完善。

3 燃燒轉(zhuǎn)爆轟影響因素

3.1 裝填密度的影響

裝填密度一般采用理論最大裝填密度(TMD)的百分?jǐn)?shù)來表示。董賀飛[65]以兩相流模型為基礎(chǔ)，采用CE/SE方法模擬了裝填密度對HMX炸藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟的影響，氣相產(chǎn)物狀態(tài)方程采用基于統(tǒng)計(jì)物理的類CHEQ(一種基于統(tǒng)計(jì)物理的爆轟產(chǎn)物物態(tài)方程程序)的計(jì)算結(jié)果，數(shù)值模擬結(jié)果表明，在相同的試驗(yàn)條件下，爆轟成長距離在一定范圍內(nèi)隨裝填密度呈“U”形變化，如圖4所示。“U”曲線表明，存在某一含能材料最容易出現(xiàn)由燃燒轉(zhuǎn)向爆轟的裝填密度，在該密度兩側(cè)隨著裝填密度的增加或減小都不易發(fā)生DDT轉(zhuǎn)變?！癠”形曲線的最底部即為含能材料在該裝填密度下的最小誘導(dǎo)爆轟距離Lmin，Lmin越小，越易發(fā)生DDT轉(zhuǎn)變，φ-L曲線越寬，也越易出現(xiàn)DDT轉(zhuǎn)變。趙孝彬[30]、賈祥瑞[53]、文尚剛[66]等人通過試驗(yàn)也得到了此結(jié)果。

圖3裝填密度與誘導(dǎo)爆轟距離關(guān)系[65]

Fig.3Relation curve of the predetonation column length versus loading density[65]

3.2 約束條件的影響

約束條件包括強(qiáng)約束條件和弱約束條件，強(qiáng)約束條件如厚壁鋼管，弱約束條件如薄壁鋁管、銅管及有機(jī)玻璃管、塑料管、玻璃管等。

陳朗[67]等在不同約束條件下( DDT管長420 mm,壁厚分別為5 mm和30 mm),對PBXC03壓裝炸藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示，PBXC03壓裝炸藥只有在強(qiáng)約束下(壁厚30 mm)才能夠發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟,弱約束下(壁厚5 mm)管體破壞引起氣體泄漏和壓力降低是限制炸藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟的主要原因。

秦能[42]、陳曉明[37]分別用殼體厚度為4 mm和9 mm的鋼管對RDX-CMDB(Composite modified double-base)推進(jìn)劑和6/7藥型雙基發(fā)射藥、疊氮發(fā)射藥以及三基發(fā)射藥進(jìn)行了燃燒轉(zhuǎn)爆轟試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與陳朗模擬的結(jié)果相同，在弱約束條件下幾種火藥未發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟，而在強(qiáng)約束條件下發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟。趙同虎[68]等人研究了DDT管材料對顆粒狀RDX床DDT過程的影響，發(fā)現(xiàn)DDT管材料對顆粒狀RDX誘導(dǎo)爆轟距離影響不大，但對DDT機(jī)理過程有一定影響， DDT管材為鋼時(shí)，RDX的DDT過程為突變模式，管材為鋁時(shí)為連續(xù)轉(zhuǎn)變模式; F.Leuret[69]研究了樣品管長度對壓裝高密度炸藥(HMX質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96%的塑性炸藥)DDT的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著DDT管長度的增加，裝藥發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟的幾率也增大，說明約束條件對試驗(yàn)結(jié)果有影響。增強(qiáng)約束條件易于發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟，約束越強(qiáng)，破壞DDT管所需的壓力越大，有利于藥床燃燒產(chǎn)生燃?xì)鈮毫Φ木奂纬蓮?qiáng)大的沖擊波，進(jìn)而誘發(fā)藥床由燃燒轉(zhuǎn)為爆轟。弱約束容易發(fā)生側(cè)向膨脹形變而產(chǎn)生稀疏波，稀疏波能夠減小管內(nèi)的dp/dt(壓力-時(shí)間梯度)，相對延遲了藥床由燃燒向爆轟的轉(zhuǎn)變，DDT管的壁厚與反應(yīng)激烈程度關(guān)聯(lián)不大[30]。

3.3 材料的物理與化學(xué)性質(zhì)的影響

影響含能材料DDT過程的主導(dǎo)內(nèi)在因素是材料本身物化性能，如材料的化學(xué)組成、沖擊波感度和質(zhì)量燃耗率等。

減少火藥配方中硝化甘油(NG)、疊氮硝胺(DA)和黑索今(RDX)等組分含量可以降低其燃燒轉(zhuǎn)爆轟能力，法國火炸藥公司( SNPE) 在研究添加了硝胺炸藥(RDX 或HMX)的改性雙基推進(jìn)劑的爆轟性能時(shí)也證實(shí)了這一點(diǎn)[70-71]。劉德輝[72]等研究了HTPB/AP/HMX(HTPB: 端羥基聚丁二烯,AP:高氯酸銨)推進(jìn)劑的燃燒轉(zhuǎn)爆轟特性，發(fā)現(xiàn)在同樣的裝藥密度下，AP/HMX丁羥復(fù)合推進(jìn)劑的誘導(dǎo)爆轟距離比不含HMX的復(fù)合推進(jìn)劑低42 mm; 含能材料的沖擊波感度越大越易發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟[73]，這是因?yàn)闆_擊波感度越大其吸收沖擊波能量轉(zhuǎn)化為熱能越容易，在沖擊波作用下更易裂解形成熱點(diǎn)而引發(fā)爆轟。

質(zhì)量燃耗率是影響含能材料DDT反應(yīng)的決定性因素。含能材料的質(zhì)量燃耗率越大，其發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟的進(jìn)程越快。影響含能材料質(zhì)量燃耗率的大小的主要因素有:

(1) 組成的氧平衡。愈接近零氧平衡的裝藥，愈易實(shí)現(xiàn)DDT。因?yàn)榱阊跗胶獾难b藥燃燒充分，火焰溫度高，藥粒表面處的溫度梯度也大，藥粒的線燃速增大，質(zhì)量燃耗率增大[66]。

(2) 裝藥的滲透性。滲透性越大，高溫燃?xì)鉂B入裝藥內(nèi)部越容易，使對流火焰?zhèn)鞑ニ俣忍岣?，從而質(zhì)量燃耗率增大。在同一孔隙度條件下，顆粒越小、粒形越不規(guī)則的藥劑滲透性越大，因此，粉狀或粒狀裝藥易發(fā)生DDT反應(yīng)[72]。

(3) 火炸藥的燃速壓強(qiáng)指數(shù)。火炸藥燃速壓強(qiáng)指數(shù)越高，其質(zhì)量燃耗率受管內(nèi)壓力的波動增幅越大，爆轟就越易形成。炸藥的壓力指數(shù)都較高,推進(jìn)劑、發(fā)射藥配方中炸藥組分含量越高越易發(fā)生DDT反應(yīng)[73]。

(4) 添加劑。炸藥、推進(jìn)劑、發(fā)射藥配方中添加的鈍感劑、降速劑等惰性組分一般都包覆于含能材料的表面，延緩含能材料初始質(zhì)量燃耗率。這一點(diǎn)王建[74]等已通過鈍感劑包覆HMX試驗(yàn)予以證明。

(5) 裝藥內(nèi)部缺陷。張?zhí)┤A[6]、秦能[42]等人試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)受撞擊損傷的推進(jìn)劑和內(nèi)部存在孔洞的推進(jìn)劑更易發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟現(xiàn)象。這是因?yàn)檠b藥內(nèi)部存在氣孔、裂紋等缺陷時(shí)，裝藥初始燃面增大，裝藥的質(zhì)量燃耗率增加。

3.4 點(diǎn)火強(qiáng)度與點(diǎn)火方式的影響

點(diǎn)火強(qiáng)度也是影響含能材料燃燒轉(zhuǎn)爆轟的一個(gè)重要因素。點(diǎn)火強(qiáng)度越大，點(diǎn)火初期產(chǎn)生的點(diǎn)火峰壓越高，形成局部高壓區(qū)，對藥床產(chǎn)生一定壓縮作用，有些高能點(diǎn)火藥中含有金屬粉(鋁粉、鎂粉等)，燃燒時(shí)產(chǎn)生大量熾熱燃燒粒子，在壓力作用下，這些熾熱的粒子將會沖擊裝藥的燃面，造成局部燃面增大，未燃藥床在壓縮和沖擊作用下，燃燒加劇，誘導(dǎo)爆轟距離縮短。榮光富、黃寅生等[75-76]研究了高能點(diǎn)火藥對太安燃燒轉(zhuǎn)爆轟的影響，發(fā)現(xiàn)改性后的硼系高能點(diǎn)火藥BKF2使太安燃燒轉(zhuǎn)爆轟的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未改性的硼系高能點(diǎn)火藥(BKF1)。

趙同虎[77]研究了點(diǎn)火方式對顆粒狀裝藥HMX燃燒轉(zhuǎn)爆轟的影響，發(fā)現(xiàn)顆粒狀HMX在點(diǎn)火藥直接點(diǎn)火時(shí)在藥床73.4 mm處發(fā)生爆轟，在活塞驅(qū)動點(diǎn)火時(shí),在藥床35 mm處發(fā)生了爆轟，說明兩種點(diǎn)火方式下炸藥的DDT過程不完全相同?；钊淖兞薉DT管的封閉條件，對炸藥的DTT帶來一定的影響。

3.5 溫度的影響

國內(nèi)外研究人員關(guān)于溫度對含能材料DDT的影響也進(jìn)行了相關(guān)研究[78-80]，發(fā)現(xiàn)初始溫度雖然不能影響含能材料DDT響應(yīng)類型，但對含能材料發(fā)生DDT后對環(huán)境的破壞程度有一定影響。如代曉淦[80]等人研究了初溫對PBX-2(HMX基炸藥)燃燒轉(zhuǎn)爆轟的影響，發(fā)現(xiàn)在其它實(shí)驗(yàn)條件均相同條件下，85 ℃下PBX-2的反應(yīng)激烈程度相比于20 ℃下較弱。分析原因認(rèn)為這是因?yàn)檩^高溫度下，粘結(jié)劑發(fā)生融化和流動使得體系孔隙率減少，不利于高溫燃?xì)鉂B入裝藥內(nèi)部，延緩了DDT反應(yīng)的時(shí)間和能量釋放速率。

4 DDT機(jī)理研究

由于火炸藥等含能材料DDT過程的復(fù)雜性及DDT現(xiàn)象的隨機(jī)性，對DDT機(jī)理的闡述至今仍莫衷一是，沒有一個(gè)滿意的解釋。國內(nèi)外科技工作者根據(jù)各自的研究情況得出了眾多有關(guān)DDT機(jī)理的解釋，可以將它們歸納為兩類，一類是“沖擊波成長說”，一類為“局部熱爆炸說”。

“沖擊波成長說”的代表是Bernecker.R.R和Sandusky.H.W[81]。他們將DTT過程分為點(diǎn)火前、點(diǎn)火/傳導(dǎo)燃燒、對流燃燒、壓縮(熱點(diǎn))燃燒、沖擊波形成、沖擊波作用下的壓縮燃燒和爆轟形成7個(gè)階段，并非所有的DDT過程中都存在這7個(gè)階段，隨著外界條件的變化，這7個(gè)階段在不同的區(qū)域分別發(fā)揮主導(dǎo)作用。如楊濤等人[82]將發(fā)射藥在強(qiáng)約束條件下的DDT過程分為低速對流燃燒、快速對流燃燒和穩(wěn)態(tài)爆轟3個(gè)階段?！皼_擊波成長說”可以解釋絕大部分含能材料的DDT現(xiàn)象。

“局部熱爆炸說”的代表是Price.D[83]，認(rèn)為在點(diǎn)火初始階段，藥床的燃燒速度與管內(nèi)壓力增加都比較平緩，但藥床顆粒間的壓實(shí)現(xiàn)象依然嚴(yán)重，壓力波陣面處孔隙被急劇壓縮形成固相應(yīng)力波，當(dāng)波陣面處的孔隙完全消失后，應(yīng)力波繼續(xù)發(fā)展在波陣面處形成了密實(shí)區(qū)，文獻(xiàn)[84]中形象地將該密實(shí)區(qū)稱為“塞子”(Plug)，藥床燃燒產(chǎn)生的熱量不能以對流的形式穿過塞子，而應(yīng)力波卻可以穿過塞子，不斷加強(qiáng)的應(yīng)力波使某處藥床在某時(shí)刻突然發(fā)生熱爆炸形成強(qiáng)烈沖擊波，沖擊波強(qiáng)度達(dá)到某一臨界值則誘發(fā)爆轟。引起爆轟的最主要五個(gè)階段如圖4所示。

圖4引起爆轟的五個(gè)過程[84]

Fig.4Five-part sequence of event leading to DDT-case[84]

目前這兩類機(jī)理可以解釋絕大部分含能材料的DDT現(xiàn)象。但在沖擊波的形成方式、相對位置等方面還存在一些爭議，這有待于現(xiàn)代測試技術(shù)與燃燒技術(shù)的發(fā)展以進(jìn)一步研究，燃燒轉(zhuǎn)爆轟機(jī)理要從含能材料燃燒特征和爆炸性能兩方面進(jìn)行分析研究。

5 結(jié)束語

燃燒轉(zhuǎn)爆轟是亞穩(wěn)態(tài)含能材料的重要特征之一。研究含能材料的燃燒轉(zhuǎn)爆轟特性, 對于彈藥安全性、可靠性提高具有重要意義。今后，含能材料DDT研究應(yīng)重點(diǎn)在以下幾個(gè)方面開展工作:

(1) 加強(qiáng)含能材料燃燒轉(zhuǎn)爆轟研究中試驗(yàn)條件與方法的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化研究。

(2) 針對新型高能固體炸藥和推進(jìn)劑，結(jié)合安全性研究，對其DDT規(guī)律進(jìn)行研究，為其研發(fā)與使用過程的安全控制提供指導(dǎo)，同時(shí)用得到的DDT成果指導(dǎo)新型鈍感高能火炸藥配方的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

(3) 在含能材料DDT數(shù)值模擬方面，加強(qiáng)火炸藥燃燒爆炸學(xué)、流體力學(xué)理論、光譜學(xué)、量子化學(xué)、計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)及數(shù)值方法的交叉融合，建立完善全面考慮含能材料反應(yīng)引起的邊界問題、含能材料理化特性、幾何效應(yīng)等的三維DDT數(shù)學(xué)模型。

(4) 針對工業(yè)安全和爆轟發(fā)動機(jī)，應(yīng)重點(diǎn)開展氣相爆轟中DDT問題，了解氣相爆轟中DDT的化學(xué)本質(zhì)，為含能材料工業(yè)生產(chǎn)中的危險(xiǎn)抑制和含能材料在新型動力裝置應(yīng)用提供理論支撐。

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