炸藥事故反應(yīng)烈度轉(zhuǎn)化的主控機(jī)制

炸藥安全性研究，一方面，是基于炸藥生產(chǎn)過程和彈藥勤務(wù)操作安全需求，關(guān)注各類意外刺激條件下引發(fā)持續(xù)反應(yīng)點(diǎn)火的下限門檻條件；另一方面，是針對事故最大風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測及對事故反應(yīng)烈度增長敏感因素認(rèn)知、源頭控制需求，關(guān)注炸藥中因摩擦、局域變形溫升或火燒引發(fā)的低烈度燃燒等級反應(yīng)點(diǎn)火起始后，受哪些因素主導(dǎo)，經(jīng)由何種機(jī)制和過程，可能轉(zhuǎn)化為高烈度等級反應(yīng)(High Explosive Violent Reaction，HEVR)乃至爆轟。對事故點(diǎn)火及烈度演化過程物理機(jī)制的解讀，應(yīng)重點(diǎn)將事故演化過程中如下因素和環(huán)節(jié)納入關(guān)注范圍：

其一，炸藥力學(xué)性能及事故載荷作用早期炸藥的變形、斷裂。固相含量較高的炸藥，尤其是壓裝高聚物粘結(jié)炸藥(Polymer Bonded Explosive， PBX)的脆性特征突出，應(yīng)變水平<1%時就可能發(fā)生斷裂。無論針對材料性能測試的準(zhǔn)靜態(tài)抗壓、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，動態(tài)霍普金森桿、泰勒柱試驗(yàn)，還是針對炸藥安全性的落錘試驗(yàn)、滑道試驗(yàn)、Susan試驗(yàn)、Steven試驗(yàn)，以及烤燃(Cook-off)、燃燒轉(zhuǎn)爆轟(Deflagration to Detonation Transition, DDT)實(shí)驗(yàn)，忽略伴隨試驗(yàn)加載和事故刺激過程中應(yīng)力集中、應(yīng)力波傳播瞬間發(fā)生的非均勻變形和損傷、斷裂，把炸藥當(dāng)作延性連續(xù)介質(zhì)，且假定事故化學(xué)反應(yīng)隨加載應(yīng)力波在炸藥基體中傳播的模型概念和數(shù)值模擬，注定會遺漏對誘發(fā)點(diǎn)火反應(yīng)和烈度增長主導(dǎo)機(jī)制的捕捉(圖1)(傅華，李克武，李濤，等. 私人通訊)。外部作用能量的空間非均勻性沉積、斷裂，可使得在加載應(yīng)力幅度遠(yuǎn)低于典型沖擊起爆下限閾值(數(shù)萬大氣壓)條件下形成新表面、局域燃燒點(diǎn)火，并誘發(fā)后續(xù)高烈度反應(yīng)。例如，Susan試驗(yàn)中因試件變形、破碎在數(shù)十米每秒、數(shù)十兆帕就劇烈反應(yīng)的炸藥，若保護(hù)設(shè)計(jì)得當(dāng)，在高速侵徹實(shí)驗(yàn)中就能夠承受高達(dá)數(shù)百米每秒、數(shù)百兆帕的嚴(yán)酷過載條件而保持安定。因此，對炸藥事故安全性機(jī)理的解讀，必須基于對炸藥力學(xué)行為的正確認(rèn)知。

圖1壓裝PBX在Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)加載過程中的低應(yīng)變損傷、斷裂非均勻狀態(tài)演化模擬計(jì)算圖像

其二，炸藥燃燒速率特性。若炸藥的層流燃燒速率對壓力不敏感，則縫隙中炸藥表面燃燒引發(fā)的壓力增長(Crack Pressurization)傾向?qū)⒉坏湫?，炸藥斷裂、炸?殼體間隙中傳熱燃燒(Conductive Burnning)向?qū)α魅紵?Convective Burnning)的轉(zhuǎn)化難以形成，通向炸藥HEVR的基本通道就被阻斷。鈍感高能炸藥(Insensitive High Explosive, IHE)，如TATB基PBX的燃速對炸藥配方中粘結(jié)劑種類和比例不敏感，其即便被密封在金屬殼體中燃燒，到數(shù)千大氣壓下層流燃燒速度僅增加數(shù)十倍，達(dá)到數(shù)毫米每秒的水平，對應(yīng)的縫隙燃燒也觀測不到對流燃燒表現(xiàn)。對于非IHE類炸藥如奧克托今(HMX)基的PBX，炸藥基體層流燃燒速度在0.1 MPa的大氣壓環(huán)境下通常為數(shù)毫米每秒，在壓力上升到1.01×103MPa水平時會提升達(dá)數(shù)千倍，達(dá)到數(shù)十米每秒！粘結(jié)劑性能、配比和包覆工藝，孔隙率及溫升、相變，都會明顯影響炸藥燃速(Glascoe E A.A comparison of deflagration rates at elevated pressures and temperatures with thermal explosions.Shock Compression of Condensed Matter, American Physical Society, 2011)，這也正是配方安全性設(shè)計(jì)調(diào)控的空間。炸藥燃速-壓力特性是彈藥安全性的關(guān)鍵內(nèi)因，其反映了反應(yīng)烈度經(jīng)對流燃燒機(jī)制提升的潛在傾向，殼體和炸藥基體約束(在燃燒速率足夠高時，因慣性力效應(yīng)，基體自身同樣能發(fā)揮邊界作用)僅是輔助外因。

其三，燃燒產(chǎn)物驅(qū)動炸藥基體中裂紋的自持傳播。若燃燒速率對壓力敏感，燃燒陣面一旦進(jìn)入炸藥斷裂或炸藥-殼體間隙，就會迅速形成對流燃燒，其在寬度約100 μm間隙中的典型演化過程是：點(diǎn)火初期以約10 m·s-1傳播的表觀燃燒陣面速度，會因間隙內(nèi)氣體擁塞、壓力急劇增長而瞬間躍升到1000 m·s-1以上(Asay B W. Shock Wave Science and Technology Reference Library Vol.5, Non-shock Initiation of Explosives.Springer, 2010, ISBN 978-3-540-87952-7)。其直接后果是間隙中僅數(shù)十兆帕的氣壓，就足以驅(qū)動炸藥基體中裂紋高速擴(kuò)展，自持傳播、分叉擴(kuò)展(圖2)，燃燒比表面積劇增，使炸藥整體反應(yīng)烈度瞬時飆升！這種氣體動力學(xué)機(jī)制主控的間隙表面燃燒傳播(區(qū)別于基體層流燃燒)與斷裂行為的耦合所引發(fā)的烈度增長的進(jìn)一步發(fā)展，取決于其能否在炸藥基體中快速形成萬大氣壓以上壓力波及對應(yīng)的炸藥基體內(nèi)反應(yīng)，進(jìn)而演化成爆轟波。否則，極少量炸藥在表面燃燒的產(chǎn)物壓力，可能使殼體破裂解體，表面反應(yīng)燃速將因氣壓陡降而減慢甚至終止，形成碰撞實(shí)驗(yàn)及烤燃實(shí)驗(yàn)中常見的部分炸藥反應(yīng)爆燃后的塊狀炸藥殘留，而其內(nèi)部并未發(fā)生反應(yīng)。

圖2撞擊條件下炸藥裂隙中點(diǎn)火形成和燃燒產(chǎn)物氣體引發(fā)炸藥基體中裂紋自持傳播的數(shù)值模擬圖像

(王文強(qiáng)，于繼東，尚海林，等.撞擊條件下炸藥熱點(diǎn)形成和燃燒的數(shù)值模擬研究.中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金總結(jié)報(bào)告，2012)

就目前的研究認(rèn)識，要通過精密物理建模和數(shù)值模擬，量化預(yù)測炸藥的安全性行為還遠(yuǎn)不現(xiàn)實(shí)( Asay B W. Shock Wave Science and Technology Reference Library Vol.5, Non-shock Initiation of Explosives.Springer, 2010, ISBN 978-3-540-87952-7)，但對事故反應(yīng)烈度主導(dǎo)性影響因素和過程機(jī)理的認(rèn)識，有助于我們正確解讀各類紛繁復(fù)雜的炸藥安全性行為表現(xiàn)。建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法量化測量炸藥力學(xué)、燃速參數(shù)，表征主控炸藥事故烈度升級的對流燃燒行為特征，能幫助我們直接從炸藥內(nèi)在屬性出發(fā)，更有依據(jù)地判斷不同配方或貯存期限的炸藥及其裝藥系統(tǒng)的相對事故風(fēng)險(xiǎn)，為從配方選擇源頭控制、間接評估庫存性能變化對安全性影響提供有價值的參照信息。

胡海波1,2, 郭應(yīng)文1, 傅 華1, 李濤1, 尚海林1, 李金河1, 文尚剛2, 喻 虹3

1. 中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 綿陽 621999

2. 中國工程物理研究院化工材料研究所安全彈藥中心， 四川 綿陽 621999

3. 北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所， 北京100086

e-mail: huhaibo@caep.cn

中國工程物理研究院科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金(2014A0201008)

國家自然科學(xué)基金(11272294、11272296)

國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(9140C670402150C6291)

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