AP和Al含量對DNTF基炸藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟的影響

馮曉軍, 楊建剛, 徐洪濤, 田 軒

(西安近代化學研究所, 陜西 西安 710065)

1 引 言

炸藥的燃燒轉(zhuǎn)爆轟(DDT)是一個非常復(fù)雜的物理和化學變化過程,也是炸藥全壽命周期安全性設(shè)計與評價的重要性能參數(shù)之一[1]。Bernecker R 等[2]對鈍化黑索今(RDX)藥粒進行了DDT過程研究,認為對流燃燒的加速導(dǎo)致壓縮波的產(chǎn)生,當壓縮波在燃燒波陣面匯聚時便產(chǎn)生沖擊波,沖擊波在很短距離內(nèi)迅速加強,從而引起DDT的發(fā)生。Price D等[3]對高能推進劑的DDT進行了研究,發(fā)現(xiàn)在強約束下,推進劑發(fā)生爆轟的壓力突變時間和距離很短,認為DDT的發(fā)生是由推進劑局部熱爆炸引起的。Leuret等[4]對壓裝高密度的HMX基炸藥DDT過程進行了研究,并與鑄裝炸藥及顆粒態(tài)裝藥進行了對比分析。國內(nèi)在炸藥的DDT機理及影響因素方面也開展了大量的工作,如趙同虎等[5]用蓋帽探針和離子探針研究了顆粒狀奧克托今(HMX)、RDX的DDT過程。陳朗等[6]采用試驗和仿真計算研究了不同約束對以HMX為基的PBXC03高密度炸藥DDT過程的影響。代曉淦等[7]研究了由HMX、TATB和粘結(jié)劑等組成的PBX-2炸藥在加熱條件下的DDT變化特性。目前為止,對炸藥DDT影響因素研究主要是針對炸藥的外在因素,如裝藥密度、約束、點火強度等,而炸藥配方中各組分對DDT的影響研究則較少。

二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF,C6N8O8)是一種具有廣泛應(yīng)用前景的新型高能量密度炸藥,具有爆速高、威力大、感度適中、熱安定性良好等優(yōu)點,可代替TNT作為熔鑄混合炸藥的載體,大幅提高熔鑄炸藥的能量[8]。以DNTF為載體,添加高氯酸銨(AP)和Al形成復(fù)合炸藥,可以調(diào)節(jié)其爆轟反應(yīng)速率和能量輸出結(jié)構(gòu),從而增強爆炸毀傷作用,但是對于DNTF基復(fù)合炸藥的安全性,尤其是燃燒轉(zhuǎn)爆轟特性研究較少,這對DNTF基復(fù)合炸藥配方的安全性設(shè)計和應(yīng)用指導(dǎo)性不強。

本研究采用同軸電離探針測試技術(shù),分析了AP和Al摩爾比變化對DNTF基炸藥裝藥DDT過程中波陣面速度及爆轟誘導(dǎo)距離的影響規(guī)律。

2 試驗原理與測試

2.1 試驗裝置和方法

DDT試驗裝置系統(tǒng)如圖1所示,由DDT管、點火器、同軸電離探針、阻抗匹配器及數(shù)據(jù)采集儀等組成。DDT管用45#鋼加工,內(nèi)徑40 mm,壁厚10 mm,長度1200 mm,點火端用堵頭和螺釘緊固密封,末端用帶螺紋的端蓋密封,在DDT管上距點火端和末端各150 mm的中間部位均布探針,間距75 mm,共計布放13支探針。點火器由電點火頭和3 g黑火藥組成,在點火器與第一節(jié)藥柱端面處布放觸發(fā)探針,作為計時零點,第一個同軸探針距離觸發(fā)探針125 mm。同軸電離探針由外徑1.5 mm,內(nèi)徑1 mm的黃銅管內(nèi)固定直徑為0.86 mm的漆包線組成。阻抗匹配器型號為BZK-100,電阻值變化范圍為100 Ω～100 MΩ,共20通道。數(shù)據(jù)采集儀為HBM Gensis 5i。

圖1DDT試驗系統(tǒng)示意圖

1—螺釘, 2—堵頭, 3—DDT管, 4—試樣, 5—螺紋端蓋,6—觸發(fā)探針, 7—點火器, 8—電離探針, 9—多通道阻抗匹配器, 10—數(shù)據(jù)采集儀

Fig.1Schematic diagram of DDT test system

1—bolt, 2—plug, 3—DDT tube, 4—sample, 5—screw cover, 6—trigger probe, 7—ignition device, 8—ionization probe, 9—multi channel impedance match device,10—data collecting instrument

試驗時,用電起爆器使點火器瞬間燃燒并引燃與其緊密接觸的炸藥端面,燃燒波在炸藥柱內(nèi)加速燃燒,在一定的壓力和溫度條件下轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z傳播。炸藥燃燒或爆轟時,在波陣面會產(chǎn)生一定的電離產(chǎn)物,當波陣面?zhèn)鞑サ酵S電離探針位置處會使探針導(dǎo)通,從而產(chǎn)生電壓脈沖信號,通過多通道阻抗匹配器和數(shù)據(jù)采集儀可以記錄到該電壓脈沖到達的時間,依據(jù)相鄰探針間的距離和電壓脈沖到達的時間差,便可以計算出燃燒波或爆轟波的傳播速度,從而得到燃燒到爆轟的轉(zhuǎn)變距離。

2.2 試 樣

試驗用炸藥配方見表1。采用熔鑄工藝將試樣制成直徑為Φ40 mm的圓柱形藥柱,成型時將這三種配方的試樣裝藥密度均控制在理論密度的92%左右,盡可能減小密度對DDT的影響。將每種炸藥配方的試樣制成11節(jié)長度為100 mm的藥柱和1節(jié)長度為85 mm的藥柱,將每節(jié)藥柱的兩個端面磨齊平,依次裝入DDT試驗管中,如圖2所示。

表1DDT試驗用炸藥配方

Table1Formulation of explosive used for DDT test

serialnumberformulationρTMD/g·cm-3ρ/g·cm-3oxygenbalancenAP∶nAl1#30DNTF/40AP/30Al2．172．00-0．1920．3062#30DNTF/45AP/25Al2．131．95-0．1310．4143#30DNTF/50AP/20Al2．091．92-0．0690．574

Note:ρTMDis theoretical density,ρis charge density,nAP∶nAlis mole ratio of AP and Al.

圖2試樣裝置圖

Fig.2The device photo of sample

3 結(jié)果與討論

對這三種配方的炸藥進行DDT試驗,可以得到DDT過程的波陣面位置隨時間的變化曲線和波陣面速度隨距離的變化曲線,如圖3和圖4所示,同時也得到反應(yīng)后DDT管的碎裂情況,如圖5所示。

從圖5顯示的DDT管的破碎狀態(tài)可以看出這三種配方的炸藥都發(fā)生了燃燒轉(zhuǎn)爆轟反應(yīng),且三種配方的DDT管碎裂的破片尺寸大小及破片分布無明顯差別,說明這三種炸藥發(fā)生DDT轉(zhuǎn)變后的劇烈性程度沒有明顯的差異,表明DNTF基復(fù)合炸藥發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟的破壞作用主要取決于配方中主體炸藥DNTF的猛度和含量,而配方中AP與Al的摩爾比變化對DDT爆炸劇烈性無明顯影響。分析認為DDT管的碎裂對于炸藥爆炸破壞而言屬于局部破壞,體現(xiàn)了炸藥的猛度,而復(fù)合炸藥的猛度主要由其所含主炸藥的含量及爆壓決定, AP和Al在DNTF基復(fù)合炸藥中的作用主要是調(diào)節(jié)并增強其在爆轟反應(yīng)區(qū)后的能量釋放速率及轉(zhuǎn)化,提高爆炸作功的效能,因此對與其緊密接觸的DDT管碎裂作用不明顯。

圖3波陣面位置隨時間變化曲線

Fig.3The curves of wave front location vs. time

圖4波陣面速度隨距離變化曲線

Fig.4The curves of wave front velocity vs. distance

從圖3可以看出,1#炸藥的燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程經(jīng)歷了較為明顯的點火后初始燃燒、對流燃燒、壓縮波引發(fā)的爆燃、爆轟等四個階段。從點火到1065 μs左右,1#炸藥波陣面位置隨時間緩慢變化,說明其處于點火后的初始燃燒階段,從1065 μs至1413 μs左右,波陣面位置隨時間快速非線性增大,說明裝藥在內(nèi)部溫度和壓力的作用下發(fā)生了不穩(wěn)定的對流燃燒,從1413 μs至1482 μs左右,波陣面位置隨時間以指數(shù)形式急速上升,說明裝藥內(nèi)的壓力波逐漸匯聚產(chǎn)生了爆燃現(xiàn)象,從1482 μs后,波陣面位置隨時間以陡峭的線性變化,說明炸藥發(fā)生了爆轟轉(zhuǎn)變。從圖4可以得出上述四個階段對應(yīng)的波陣面?zhèn)鞑テ骄俣茸兓? 點火初始燃燒階段,波陣面?zhèn)鞑テ骄俣葹?40.8 m·s-1; 對流燃燒階段,波陣面的速度變化為500～1300 m·s-1; 爆燃階段,波陣面的速度變化為3000～4000 m·s-1; 爆轟階段,波陣面的速度變化為4000～6300 m·s-1。

30DNTF/40AP/30Al(1#) 30DNTF/45AP/25Al(2#) 30DNTF/50AP/20Al(3#)

圖5試驗后DDT管破裂照片

Fig.5Rupture photos of DDT tube after test

對于2#炸藥的燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程,從圖3和圖4可以看出,其點火初始燃燒持續(xù)時間比1#炸藥增長,在1235 μs左右,燃燒波陣面平均速度降低為121.4 m·s-1,而對流燃燒的持續(xù)時間明顯縮短,約為100 μs左右,波陣面平均速度增加到755～1225 m·s-1,然后在極短的時間內(nèi)從對流燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣容^高的爆燃或爆炸階段,此時的波陣面?zhèn)鞑ニ俣葹?787～4573 m·s-1,明顯高于1#炸藥的爆燃速度,當波陣面?zhèn)鞑サ骄嚯x點火端525 mm左右時,2#炸藥發(fā)生了燃燒到爆轟的轉(zhuǎn)變,波陣面的傳播速度達到6410 m·s-1以上。

對于3#炸藥的燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程,從圖3和圖4可以看出,其初始點火燃燒持續(xù)時間更長,大約持續(xù)了1395 μs左右,燃燒波陣面平均速度降低為107.5 m·s-1,隨后快速發(fā)展為對流燃燒,波陣面?zhèn)鞑テ骄俣冗_到了1648 m·s-1左右,而且對流燃燒持續(xù)時間很短,大約46 μs左右,接著轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚俚谋蓟虮ǚ磻?yīng)階段,這一階段的持續(xù)時間更短,大約只有30 μs左右,波陣面的傳播速度為4200～4800 m·s-1,當波陣面?zhèn)鞑サ骄嚯x點火端425～500 mm時,3#炸藥發(fā)生了燃燒到爆轟的轉(zhuǎn)變,其爆轟波陣面?zhèn)鞑ニ俣却笥?300 m·s-1。

對這三種炸藥DDT過程中各階段轉(zhuǎn)變的持續(xù)時間和波陣面?zhèn)鞑テ骄俣冗M行分析,結(jié)果見表2。

表2三種炸藥DDT轉(zhuǎn)變持續(xù)時間和速度

Table2DDT duration time and velocity for three explosives

serialnumberInitialcombustiontDT/μsDFWV/m·s-1convectioncombustiontDT/μsDFWV/m·s-1deflagrateorexplosiontDT/μsDFWV/m·s-1detonationDFWV/m·s-1detonationdistance/mm1#1065141348500693000-40004000-6300600-6752#1235121100755613787-45736300-6700525-6003#1395108461648304200-48006300-6500425-500

Note:tDTis duration time,DFWVis front wave velocity.

可以看出,隨著配方中AP與Al摩爾比的增大,DDT過程中初始燃燒段的持續(xù)時間延長,燃燒波傳播速度降低,但從初始燃燒向?qū)α魅紵霓D(zhuǎn)變速度加快,而且對流燃燒的持續(xù)時間明顯縮短,對流燃燒波傳播速度加快,從對流燃燒到爆燃或爆炸的轉(zhuǎn)變速度更快,尤其是3#炸藥,其對流燃燒到爆燃轉(zhuǎn)變只持續(xù)了幾十微秒,而且從爆燃或爆炸到爆轟的轉(zhuǎn)變幾乎沒有明顯的時間持續(xù)。從圖3和表2也可以明顯得出,隨著炸藥配方中AP與Al摩爾比的增大,DDT誘導(dǎo)爆轟距離減小,說明其更容易發(fā)生燃燒向爆轟的轉(zhuǎn)變。上述現(xiàn)象可能與配方中AP和Al的含量及反應(yīng)過程有關(guān)。當炸藥裝藥被點火器引燃后,首先是端面炸藥中的主體炸藥DNTF發(fā)生燃燒放熱,由于AP在300 ℃左右就開始發(fā)生吸熱分解反應(yīng)[9],Al在沖擊作用下的點火燃燒溫度在2100 K(1827 ℃)[10]左右,AP發(fā)生反應(yīng)的溫度比Al的燃燒溫度低得多,因此在主炸藥的燃燒加熱作用下,AP首先吸熱分解,釋放出氧化性氣體,在這一過程中,炸藥試樣處于DDT的初始燃燒階段,如果AP含量越高,即AP與Al的摩爾比越大,則吸熱越多,導(dǎo)致初始燃燒段持續(xù)時間越長,隨著燃燒反應(yīng)的進行,DDT管內(nèi)的壓力和溫度會逐漸增大,引起Al的燃燒放熱反應(yīng),由于鋁粉燃燒放熱量非常高,使得DDT管內(nèi)的壓力和溫度急劇上升,從而引起對流燃燒和爆燃的快速發(fā)生,AP與Al的摩爾比越大,炸藥配方的負氧平衡越小,氧化劑含量和濃度較高,參加燃燒反應(yīng)的Al粉量及Al粉的反應(yīng)完全性越高,DDT管內(nèi)的溫度和壓力增長變化率會越高,從而使得燃燒到爆轟轉(zhuǎn)變的誘導(dǎo)距離減小。

從圖4可以看出,炸藥的DDT過程是一個非穩(wěn)態(tài)的變化,即使發(fā)生了爆轟反應(yīng),其爆轟速度也是波動變化的,這屬于非穩(wěn)態(tài)爆轟反應(yīng),而非傳統(tǒng)沖擊引爆下的穩(wěn)定爆轟傳播,尤其是在DDT管的末端,由于DDT管的破裂引起的壓力和溫度降低及側(cè)向稀疏波對爆轟反應(yīng)區(qū)能量的耗散影響,其爆轟傳播速度也會有一定的降低,但是配方中AP和Al的摩爾比對爆轟波速度的波動有一定的影響,當AP和Al的摩爾比增大時,爆轟階段速度波動會減小,這主要是因為隨配方中AP和Al摩爾比的增大,使其在爆轟反應(yīng)區(qū)內(nèi)Al粉的反應(yīng)度有所增加,釋放的能量增大,這有利于爆轟傳播速度的維持。

4 結(jié) 論

(1) DNTF基復(fù)合炸藥發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟后的局部破壞主要取決于配方中主體炸藥的猛度和含量,配方中AP與Al的摩爾比變化對其局部爆炸劇烈性無明顯影響。

(2) 隨著DNTF基復(fù)合炸藥配方中AP與Al摩爾比從0.306增加到0.574,DDT過程中初始燃燒段的速度從141 m·s-1降低到108 m·s-1,但是對流燃燒傳播速度從500 m·s-1增加到1648 m·s-1,爆燃傳播速度從3000 m·s-1增加到4800 m·s-1,爆轟誘導(dǎo)距離從675 mm左右減小到425 mm左右。

(3) 隨著DNTF基復(fù)合炸藥配方中AP與Al摩爾比的增大,炸藥發(fā)生DDT轉(zhuǎn)變后,爆轟段傳播速度的波動性會減小,有利于爆轟傳播速度的維持。

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