PBX炸藥在滑道試驗(yàn)中的響應(yīng)

申春迎，黃 謙，向 永，鄧 川

(中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621900)

摩擦一直被認(rèn)為是炸藥發(fā)生意外點(diǎn)火的重要原因之一［1］。Peter Dickson列舉了炸藥件在加工、檢測(cè)、運(yùn)輸和銷毀各個(gè)環(huán)節(jié)中由于摩擦引發(fā)的意外爆炸事故［2］。國(guó)內(nèi)外都非常重視炸藥在摩擦下的安全性，并建立了一系列從毫克到克、千克量級(jí)的摩擦試驗(yàn)方法來考察炸藥的安全性研究其響應(yīng)機(jī)制。研究結(jié)果表明:毫克量級(jí)的粉狀炸藥和大型藥球的摩擦試驗(yàn)在炸藥爆炸危險(xiǎn)性方面得出的結(jié)果并不完全一致［2］。這與兩者模擬的環(huán)境不同導(dǎo)致的反應(yīng)增長(zhǎng)模式不同有關(guān)。小型試驗(yàn)由于試驗(yàn)藥量小成本低檢測(cè)方便在炸藥配方篩選和日常質(zhì)量檢測(cè)中發(fā)揮重要作用，但與實(shí)際使用環(huán)境相差甚遠(yuǎn)，大型試驗(yàn)則對(duì)炸藥加工、操作、運(yùn)輸、使用過程中的安全性評(píng)估起著重要作用，但試驗(yàn)成本太高、樣品加工周期長(zhǎng)，不可能做大量試驗(yàn)。大型試驗(yàn)和小型試驗(yàn)相互補(bǔ)充，兩者都不可或缺。

滑道試驗(yàn)用來模擬炸藥件在生產(chǎn)、裝配、運(yùn)輸與使用中由于意外跌落發(fā)生撞擊、摩擦等刺激作用的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，而且可用于鑒定炸藥工廠的不同材料地面覆蓋物引起的爆炸效應(yīng)。美國(guó)原子能委員會(huì)曾把這種試驗(yàn)方法作為鑒定炸藥工廠作業(yè)安全最有實(shí)用價(jià)值的方法［3］。Bowden和Yoffe等人通過試驗(yàn)證明，炸藥在滑道試驗(yàn)中點(diǎn)火是由于炸藥在受到撞擊、摩擦后，機(jī)械能在極小的局部地方轉(zhuǎn)化為熱能形成熱點(diǎn)造成的［4］。Peter Dickson和Gary Parker將傳統(tǒng)的滑道試驗(yàn)的靶板進(jìn)行改進(jìn)，通過高速攝影觀察到了熱點(diǎn)的產(chǎn)生、增長(zhǎng)和熄滅等過程［4］。

美國(guó)能源部的IHE鑒定試驗(yàn)中規(guī)定滑道試驗(yàn)中要求三發(fā)標(biāo)準(zhǔn)炸藥球在落高20ft(6.1 m)、14°撞擊角條件下無反應(yīng)［5］。本研究對(duì)幾種壓制PBX炸藥進(jìn)行了滑道試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高速攝影幅頻對(duì)鑒定低感炸藥是否為鈍感炸藥具有重要作用，討論了影響炸藥在滑道試驗(yàn)中的響應(yīng)的因素。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要由懸掛系統(tǒng)、試驗(yàn)件、釋放裝置、樣品提升系統(tǒng)、靶五部分組成，如圖1所示。

圖1 滑道試驗(yàn)裝置示意圖

為了觀察炸藥在滑道試驗(yàn)中受到摩擦撞擊時(shí)的點(diǎn)火及熱點(diǎn)發(fā)展情況，將國(guó)軍標(biāo)GJB772A—1997中的(炸藥試驗(yàn)方法斜撞擊感度滑道試驗(yàn)法)滑道試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，將半球基體材料上半部分材料改為鋁，下半部分材料改為有機(jī)玻璃。Φ80 mm×50 mm炸藥柱鑲嵌在有機(jī)玻璃中。改進(jìn)后的試驗(yàn)件重心位置不變，試驗(yàn)件的重量保持不變，約10 kg。

1.2 測(cè)試系統(tǒng)

采用中科動(dòng)態(tài)智能動(dòng)態(tài)測(cè)試儀、江蘇聯(lián)能電荷放大器YE6600B、江蘇聯(lián)能加速度傳感器CY-YD-113、美國(guó)PCB公司137A自由場(chǎng)壓力傳感器和多通道信號(hào)適配器組成的壓力、加速度測(cè)試系統(tǒng);用高速攝影儀GX-1記錄炸藥撞擊、點(diǎn)火、爆炸過程，攝影幅頻8000 fps。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 幾種PBX炸藥的試驗(yàn)結(jié)果

滑道試驗(yàn)是將試驗(yàn)件提升到預(yù)定高度后，試驗(yàn)件自由擺落并以一定的角度撞擊水平靶板，測(cè)試炸藥球發(fā)生反應(yīng)的程度，評(píng)價(jià)其安全性。本次滑道試驗(yàn)撞擊角度為14°，靶板為35鋼，上表面噴涂50～70目的石英砂，厚度為1～1.3 mm。試驗(yàn)樣品為分別以 TATB、TATB/HMX、HMX/TATB、HMX為基的幾種 PBX炸藥，成型方式為壓制。其中 PBX-1和PBX-4分別含95%左右的 TATB和 HMX，PBX-2含有70%以上的TATB和少量HMX，PBX-3含有80%以上的HMX和少量TATB。

對(duì)4種PBX炸藥進(jìn)行了不同落高下撞擊角度為14°的滑道試驗(yàn)，滑道試驗(yàn)結(jié)果見表1。

2.2 高速攝影測(cè)試結(jié)果

通過高速攝影觀測(cè)到PBX-1和PBX-2炸藥件在落高6.1 m、撞擊角度為14°的滑道試驗(yàn)中沒有點(diǎn)火現(xiàn)象發(fā)生。PBX-3炸藥在相同條件下則發(fā)生了點(diǎn)火、燃燒等反應(yīng)。PBX-3樣品從撞靶到發(fā)生點(diǎn)火、點(diǎn)火熄滅或點(diǎn)火增長(zhǎng)過程的高速攝影圖像見圖2。攝像幅頻為8000 fps。

表1 幾種PBX炸藥滑道試驗(yàn)結(jié)果

圖2 PBX-3炸藥滑道試驗(yàn)高速攝影圖像(落高6.1 m，14°，幅頻8000 fps)

從高速攝影的圖像可以清楚的看到，PBX-3炸藥在落高6.1 m、撞擊角度為14°試驗(yàn)條件下與砂靶撞擊摩擦?xí)r發(fā)生了點(diǎn)火。以炸藥件撞擊靶面作為零時(shí)，PBX-3-1炸藥在經(jīng)過1.125 ms的延時(shí)后，炸藥發(fā)生了點(diǎn)火，而后火焰擴(kuò)大熱點(diǎn)進(jìn)一步發(fā)展，隨著炸藥的破碎，火焰很快變小，并逐漸向裂紋內(nèi)部發(fā)展，熱點(diǎn)進(jìn)一步增長(zhǎng)，最后形成了較大的火焰，炸藥發(fā)生了燃燒。試驗(yàn)結(jié)束后回收到炸藥小碎塊185 g。而另外兩發(fā)PBX-3炸藥在相同試驗(yàn)條件下的結(jié)果比較類似，都是在炸藥撞擊靶板后經(jīng)過1.5 ms左右的延時(shí)，炸藥發(fā)生了點(diǎn)火，隨著炸藥柱產(chǎn)生裂紋和破碎，熱點(diǎn)很快熄滅(0.125～0.25 ms)，反應(yīng)沒有發(fā)展下去。試驗(yàn)后可以回收到絕大部分炸藥。

從上面PBX-3炸藥的高速攝影圖像觀察可以發(fā)現(xiàn)，炸藥反應(yīng)特征的趨勢(shì)可能是火焰?zhèn)鞑ヅc由炸藥球撞擊形成的裂紋和破裂導(dǎo)致的熄火之間的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果。

在同樣試驗(yàn)條件下進(jìn)行了PBX-4炸藥的滑道試驗(yàn)。其高速攝影圖像見圖3，從圖3中可以看到PBX-4炸藥在撞擊靶板1.625 ms后發(fā)生點(diǎn)火出現(xiàn)火光，而后擴(kuò)展到炸藥內(nèi)部裂紋中，很快成長(zhǎng)為爆炸波。

圖3 PBX-4炸藥滑道試驗(yàn)高速攝影圖像

2.3 加速度、超壓測(cè)試數(shù)據(jù)分析

在炸藥試件上表面均布3只加速度傳感器，用來測(cè)試撞擊過程中的加速度。在距撞擊點(diǎn)3 m處布置壓力傳感器，用來測(cè)試炸藥反應(yīng)產(chǎn)生的超壓。撞擊過程中產(chǎn)生的加速度和超壓值見表2。從表2中可以看出，當(dāng)炸藥發(fā)生反應(yīng)時(shí)，加速度值明顯升高，加速度測(cè)量值從6500 m/s2升高到9600 m/s2以上，在發(fā)生爆炸及以上等級(jí)的反應(yīng)時(shí)加速度值更高，超過20000 m/s2。炸藥發(fā)生爆炸反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生的空氣沖擊波超壓比較大，而發(fā)生三級(jí)及以下等級(jí)的反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生的超壓很小，僅幾千帕，因此超壓值可作為反應(yīng)等級(jí)劃分的參考。

表2 幾種炸藥的加速度和超壓測(cè)試結(jié)果

3 討論

從上面的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，4種PBX炸藥在滑道試驗(yàn)中的結(jié)果差異比較明顯。PBX-1和PBX-2兩種炸藥比較安全，而PBX-4炸藥則比較敏感。

Bowden和Yeffe等通過試驗(yàn)研究，認(rèn)為在滑道試驗(yàn)中炸藥點(diǎn)火主要是在由于炸藥局部受到撞擊或摩擦形成熱點(diǎn)造成的［7］，半球撞擊摩擦產(chǎn)生的熱能集中在很小的區(qū)域(直徑約1 inch)。

根據(jù)Randolph等建立的預(yù)測(cè)炸藥臨界落高的滑道試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，摩擦斑直徑可按下式?jì)算［7］:

式(1)中:dc為摩擦斑直徑(cm);D為半球直徑(m);H為跌落高度(m);Φ為撞擊角度(°);W為半球重量(kg);σ為極限動(dòng)力學(xué)強(qiáng)度(MPa)。

摩擦接觸時(shí)間

從上面可以看出，炸藥撞擊摩擦形成的摩擦斑大小與摩擦系數(shù)無關(guān)，但與樣品的力學(xué)強(qiáng)度、跌落高度、撞擊角度以及樣品重量、尺寸大小有關(guān)。摩擦接觸時(shí)間與摩擦系數(shù)以及撞擊角度無關(guān)，但與半球的重量、大小以及力學(xué)性能有關(guān)。

根據(jù)Charles Anderson的滑道試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，摩擦產(chǎn)生的摩擦斑的溫度可用下式表示［7］

式(2)中:TS為溫度(℃);α為熱擴(kuò)散率(cm2/s);σ為極限動(dòng)態(tài)力學(xué)強(qiáng)度(MPa);δ為常數(shù);λ為導(dǎo)熱系數(shù)(cal/cm·s·℃);μ為炸藥在砂靶上的摩擦系數(shù)。

對(duì)于這幾種炸藥半球，其半球直徑相同重量相近，極限動(dòng)態(tài)力學(xué)強(qiáng)度越高其與靶板摩擦接觸時(shí)間越短，摩擦斑的直徑也越小，摩擦斑的溫度越高。摩擦系數(shù)的大小直接影響摩擦斑的熱點(diǎn)溫度。摩擦系數(shù)越大，摩擦斑點(diǎn)的溫度越高，炸藥越容易發(fā)生反應(yīng)。

幾種炸藥的力學(xué)性能如表3所示。有研究表明:材料越軟，摩擦撞擊產(chǎn)生的摩擦斑點(diǎn)越大，炸藥越安全。從上面的公式也可以看出，炸藥的極限動(dòng)態(tài)力學(xué)強(qiáng)度對(duì)炸藥在滑道試驗(yàn)中的安全性影響比較大。選擇合適的極限動(dòng)態(tài)力學(xué)強(qiáng)度和摩擦系數(shù)對(duì)于預(yù)估炸藥臨界落高的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，但極限動(dòng)態(tài)力學(xué)強(qiáng)度和摩擦系數(shù)很難獲得準(zhǔn)確值。

參照GB10006—1988塑料薄膜和薄片摩擦系數(shù)測(cè)定方法，測(cè)得50目～70目石英砂砂靶與PBX-3炸藥之間的摩擦系數(shù)在0.40 ～0.60范圍內(nèi)。

按照式(3)估算出摩擦系數(shù)分別為0.45和0.5時(shí)4種PBX炸藥的熱點(diǎn)溫度。結(jié)果見表4。從表中數(shù)據(jù)可以看出，摩擦系數(shù)對(duì)熱點(diǎn)溫度影響明顯。Beedham、Dyer等報(bào)到在滑道試驗(yàn)中引發(fā)HMX和RDX炸藥反應(yīng)的熱點(diǎn)溫度在400～470℃，遠(yuǎn)高于熱點(diǎn)火溫度 215 ～ 260℃［8］。PBX-3 和PBX-4炸藥在落高6.1 m、撞擊角度為14°時(shí)的熱點(diǎn)溫度都超過了400℃，因此可能發(fā)生點(diǎn)火。由于噴砂的靶板表面不規(guī)則，炸藥和靶板之間摩擦?xí)r主要是突出點(diǎn)的接觸，因此實(shí)際接觸面積比理論接觸面小，這些接觸點(diǎn)的溫度比預(yù)測(cè)的熱點(diǎn)溫度高。由于噴砂靶板粗糙度和平整度不可能完全一致，因此即使在相同的落高和撞擊角度條件下，熱點(diǎn)溫度也會(huì)有差別，這也就導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果具有一定的分散性。

表3 幾種炸藥的力學(xué)性能

表4 幾種炸藥的熱點(diǎn)溫度計(jì)算結(jié)果

由于PBX-2和PBX-3、PBX-4這3種炸藥中都含有比較敏感的HMX成分，引發(fā)炸藥發(fā)生反應(yīng)的熱點(diǎn)溫度相近。從表4可以看出，在相同試驗(yàn)條件下，PBX-3的熱點(diǎn)溫度明顯高于PBX-2。同時(shí)PBX-2中含有大量TATB成分，不僅可降低熱點(diǎn)溫度，而且可以大大降低反應(yīng)劇烈程度，因此PBX-2炸藥在滑道試驗(yàn)中的安全性明顯高于PBX-3炸藥。當(dāng)然，炸藥發(fā)生點(diǎn)火后的反應(yīng)等級(jí)與炸藥本身的性能密切相關(guān)，如PBX-4炸藥在發(fā)生點(diǎn)火后，很容易轉(zhuǎn)化為爆炸或爆轟反應(yīng)，而PBX-3炸藥由于含有少量的TATB炸藥，明顯降低了炸藥反應(yīng)的劇烈程度，其在相同試驗(yàn)條件下，點(diǎn)火要么熄滅要么成長(zhǎng)為燃燒，但都沒發(fā)展到爆炸或爆燃反應(yīng)。

對(duì)于PBX-1炸藥，其成分為TATB和粘接劑，而TATB的熱安全性遠(yuǎn)優(yōu)于HMX炸藥，故PBX-1炸藥發(fā)生反應(yīng)所需的熱點(diǎn)溫度要高于另外3種PBX炸藥。在撞擊角度和摩擦靶面相同的條件下，要使其在滑道試驗(yàn)中發(fā)生點(diǎn)火需要的落高也要高于另外幾種PBX炸藥，安全性更好。

滑道試驗(yàn)中，高速攝影圖像對(duì)炸藥的反應(yīng)等級(jí)的判別至關(guān)重要。特別是對(duì)于一些比較低感的炸藥，反應(yīng)等級(jí)較低，沒有超壓產(chǎn)生，點(diǎn)火后反應(yīng)迅速熄滅(從點(diǎn)火到熄滅不到0.2 ms)，試驗(yàn)件和靶板上也可能沒有明顯燒蝕痕跡，如果高速攝影儀攝像的幅頻低很可能拍不到點(diǎn)火過程，導(dǎo)致試驗(yàn)反應(yīng)級(jí)別誤判，因此，試驗(yàn)中高速攝影的幅頻不能低于8000幅/s。

4 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，PBX-1炸藥和PBX-2炸藥在跌落高度6.1 m、撞擊角度14°的滑道試驗(yàn)沒有發(fā)生反應(yīng)，而PBX-3炸藥則發(fā)生了燃燒反應(yīng)，PBX-4炸藥在相同條件下發(fā)生了強(qiáng)烈的爆燃反應(yīng)。PBX-1和PBX-2炸藥在滑道試驗(yàn)中的安全性明顯優(yōu)于PBX-3和PBX-4炸藥。

PBX-3炸藥、PBX-4炸藥在跌落高度6.1 m、撞擊角度14°的滑道試驗(yàn)中點(diǎn)火延遲時(shí)間區(qū)別不大，都在1.5 ms左右。

對(duì)于低感炸藥，滑道試驗(yàn)中，高速攝影儀的攝影幅頻不能低于8000幅/s。

炸藥在滑道試驗(yàn)中的安全性不僅與炸藥本身的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，還和其力學(xué)性能和熱物理性能及炸藥與靶板之間的摩擦系數(shù)等密切相關(guān)。

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