阻燃介質(zhì)在炸藥驅(qū)動(dòng)燃料分散中的應(yīng)用*

王永旭，解立峰，賈曉亮，張 瑩，李 斌

（1. 南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094；2. 遼寧錦華機(jī)電有限公司，遼寧 葫蘆島 125000）

燃料空氣炸藥（fuel air explosive, FAE），作為一種不同于普通炸藥的爆炸能源，是以高揮發(fā)性的可燃液體、高能金屬粉與空氣以一定的比例混合形成的一種可爆炸性混合物[1]。FAE 發(fā)生的是體積爆轟，其作用范圍大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、總沖量大[2-4]。由于燃料空氣炸藥不同的毀傷模式及不容小覷的威力，學(xué)者對(duì)FAE 的出現(xiàn)普遍重視，成為了國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[5-6]。

FAE 云霧的形成方法主要是通過中心分散裝藥爆炸驅(qū)動(dòng)燃料分散，最終形成燃料云霧，拋撒對(duì)象為低沸點(diǎn)液體或高能金屬粉[7-9]。燃料爆炸拋撒形成的云霧的尺寸及濃度分布很大程度上決定了FAE 的毀傷范圍和爆轟性能。關(guān)于爆炸拋撒，主要研究燃料拋撒的過程以及形成云霧的機(jī)理，主要關(guān)注云霧的形狀、尺寸和擴(kuò)散速度等特征參數(shù)，拋撒裝置參數(shù)如殼體材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和比藥量等對(duì)云霧狀態(tài)影響[10-12]。由于燃料本身的特性，燃料容易被中心分散藥爆炸產(chǎn)生的高溫產(chǎn)物引燃，發(fā)生云霧竄火。為了防止發(fā)生竄火，Sedgwick[13]、Aley[14]采用了在中心分散藥兩端填充木塞、橡膠及鋼片等的方法。肖紹清[15-16]發(fā)明了T 形裝藥結(jié)構(gòu)和復(fù)合中心分散藥，可以有效抑制云霧竄火。但是采用這些方法仍不能完全抑制爆炸拋撒過程中的云霧竄火問題。

ABC 超細(xì)干粉滅火劑具有突出的滅火效率，因其巨大的比表面積，滅火效率是普通干粉滅火劑效能的6～10 倍[17]。同時(shí)ABC 超細(xì)干粉滅火劑的粒徑小，流動(dòng)性好，有良好抗復(fù)燃性、彌散性和電絕緣性。鑒于ABC 超細(xì)干粉滅火劑具有良好的滅火性能，為了解決燃料在爆炸拋撒過程中的竄火問題，本文中提出在中心分散藥外部填充以ABC 超細(xì)干粉滅火劑為主體的阻燃介質(zhì)。通過高速錄像和紅外熱成像儀觀察阻燃介質(zhì)對(duì)爆炸瞬間產(chǎn)生的高溫及火球的抑制情況。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)布置

中心裝藥結(jié)構(gòu)如圖1 所示，中心分散藥為TNT 炸藥，質(zhì)量7.85 g，尺寸 ? 20 mm×17 mm，試驗(yàn)使用6 個(gè)。把中心分散藥外部填充的阻燃介質(zhì)分為3 個(gè)部分：在分散藥上部的稱為頂部阻燃介質(zhì)，與分散藥齊平的稱為側(cè)面阻燃介質(zhì)，分散藥下面的稱為底部阻燃介質(zhì)。內(nèi)殼和外殼均為PVC 材料，長(zhǎng)度為200 mm，利用不同直徑的中心管內(nèi)殼改變阻燃介質(zhì)的側(cè)面厚度。底部阻燃介質(zhì)與雷管齊平。外殼為模擬云爆彈體的殼體，內(nèi)外殼體中間不添加燃料。在底部用8#雷管起爆中心分散藥，通過高速錄像和紅外熱成像儀觀測(cè)中心分散裝藥爆炸后阻燃介質(zhì)對(duì)爆炸火球溫度及火焰的抑制情況，通過改變側(cè)面和頂部阻燃介質(zhì)厚度，研究阻燃介質(zhì)對(duì)爆炸火球溫度及火焰的抑制效果，得到阻燃介質(zhì)的最佳用量。

圖 1 中心管結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Central tube structure diagram

圖 2 試驗(yàn)示意圖Fig. 2 Experimental diagram

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用高速錄像和紅外熱成像儀記錄整個(gè)試驗(yàn)過程，高速相機(jī)的型號(hào)為Fastcam Mini UX100，拍攝速度為2 000 s?1，像素1 280×1 024；紅外熱成像儀型號(hào)為ROTRIC A615，拍攝速度為30 s?1，像素640×480。試驗(yàn)布置如圖2 所示，中心管懸掛在空中高度為1 m,在底部起爆中心分散藥。高速錄像儀和紅外熱成像儀布置在距離爆心25 m 處。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 側(cè)面阻燃介質(zhì)對(duì)火球的抑制效果

中心分散藥放置在中心管中間，試驗(yàn)時(shí)先做空白試驗(yàn)，不填充任何阻燃介質(zhì)。然后進(jìn)行側(cè)面阻燃介質(zhì)厚度為9 mm 的試驗(yàn)，底部阻燃介質(zhì)與雷管齊平，頂部裝滿阻燃介質(zhì)。通過高速錄像和紅外熱成像觀察中心分散藥爆炸場(chǎng)溫度和火焰情況，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果采用升降法進(jìn)行下一步試驗(yàn)，得到最佳的側(cè)面阻燃介質(zhì)厚度。側(cè)面阻燃介質(zhì)的填充厚度通過內(nèi)管直徑改變。試驗(yàn)內(nèi)管直徑和阻燃介質(zhì)側(cè)面厚度如表1 所示。

表 1 內(nèi)管直徑和側(cè)面阻燃介質(zhì)厚度Table 1 Inner tube diameter and side flame retardant medium thickness

通過高速錄像，可以觀測(cè)到中心分散藥的整個(gè)爆炸過程，無阻燃介質(zhì)和側(cè)面阻燃介質(zhì)厚度為5 mm的分散藥爆炸過程對(duì)比如圖3 所示。從圖3 中可以看出：在未填充阻燃介質(zhì)的情況下，中心藥在被雷管起爆后，產(chǎn)生巨大火球；填充阻燃介質(zhì)后，火球基本消失。說明填充阻燃介質(zhì)對(duì)抑制中心分散藥爆炸的火焰有非常好的效果。圖4 給出了起爆后2 ms，在填充不同側(cè)面厚度阻燃介質(zhì)的情況下，中心分散藥爆炸的高速圖片。隨著厚度的增加，爆炸產(chǎn)生的火球逐漸減小。在厚度為5.0 mm 時(shí)，火焰完全消失，在下端也沒有看見火光出現(xiàn)，說明阻燃介質(zhì)完全將爆炸產(chǎn)生的火焰抑制。

圖 3 不同填充條件下的高速圖像對(duì)比Fig. 3 High-speed video pictures under different filling conditions

圖 4 不同側(cè)面阻燃介質(zhì)厚度下的高速圖片F(xiàn)ig. 4 High-speed pictures for different side flame retardant medium thicknesses

通過高速錄像可以觀察阻燃介質(zhì)對(duì)中心分散藥爆炸火焰的抑制情況；通過紅外熱成像儀，則可以觀察阻燃介質(zhì)對(duì)中心分散藥爆炸火球溫度的抑制情況。對(duì)未填充阻燃介質(zhì)、填充3.0 mm 阻燃介質(zhì)的中心分散藥爆炸產(chǎn)生的火球表面溫度進(jìn)行分析，不同時(shí)刻的紅外圖片如圖5 所示。

圖 5 不同時(shí)刻的紅外圖片F(xiàn)ig. 5 Infrared pictures at different moments

中心分散藥爆炸后，填充不同厚度的側(cè)面阻燃介質(zhì)的情況下，火球表面最高溫度隨時(shí)間變化關(guān)系曲線如圖6 所示，火球表面溫度測(cè)試結(jié)果如表2 所示。在未填充阻燃介質(zhì)時(shí)，中心分散藥爆炸火球產(chǎn)生的最高溫度為1 355.4 ℃，添加阻燃介質(zhì)后溫度降低90%以上。對(duì)于FAE，常用的液體燃料有環(huán)氧丙烷、石油醚和乙醚等，其燃點(diǎn)在150～300 ℃之間，溫度高于150 ℃時(shí)，就可能將燃料點(diǎn)燃。所以將火球表面最高溫度大于150 ℃的時(shí)間稱為高溫持續(xù)時(shí)間。從表2 中可以看出，當(dāng)添加阻燃介質(zhì)后，最高溫度為124.1 ℃，這表明阻燃介質(zhì)對(duì)中心分散藥爆炸場(chǎng)的溫度有良好的抑制作用。對(duì)33 ms 時(shí)火球表面的溫度進(jìn)行分析，其表面溫度分布如圖7 所示。

圖 6 火球表面最高溫度隨時(shí)間的變化曲線Fig. 6 The highest surface temperature of the fireball vs. time

表 2 火球表面溫度測(cè)試結(jié)果Table 2 Fireball surface temperature test results

從圖7 可以看出，無阻燃介質(zhì)時(shí)，整個(gè)火球表面溫度都超過200 ℃，最高溫度在1 500 ℃以上，前面提到常用液體燃料的燃點(diǎn)在150～300 ℃之間，在這個(gè)溫度下燃料容易被點(diǎn)燃發(fā)生竄火。而有阻燃介質(zhì)時(shí)，火球表面溫度分布不超過100 ℃，阻燃介質(zhì)對(duì)中心分散藥爆炸產(chǎn)生的溫度抑制明顯。通過高速錄像和紅外熱成像的結(jié)果可知，通過填充阻燃介質(zhì)，可以有效抑制中心分散藥爆炸產(chǎn)生的高溫和火球，從而可以有效防止燃料在爆炸拋撒過程中發(fā)生竄火。

圖 7 火球表面溫度及其對(duì)應(yīng)直線溫度變化曲線Fig. 7 Surface temperature distribution and temperature change with the corresponding plot lines

2.2 頂部阻燃介質(zhì)對(duì)火球的抑制效果

在確定側(cè)面最佳厚度為5.0 mm 后，改變頂部阻燃介質(zhì)厚度，尋找最佳的阻燃介質(zhì)用量。圖8 給出了起爆后2 ms，不同頂部阻燃介質(zhì)厚度情況下中心分散藥爆炸時(shí)的高速圖片。從圖8 中可以明顯看出，在側(cè)面阻燃介質(zhì)（5.0 mm）存在的情況下，爆炸火球得到了較好的抑制，隨著阻燃介質(zhì)厚度的增大，完全看不到爆炸產(chǎn)生的火球。圖9 給出了頂部阻燃介質(zhì)不同厚度情況下爆炸火球表面溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線及對(duì)應(yīng)爆炸火球產(chǎn)生的最高溫度，從圖9 可以看出，火球表面最高溫度隨著厚度增大而降低，0～20 mm 前降低幅度較快，20 mm 以后降幅變緩。認(rèn)為20 mm 是最佳的頂部阻燃介質(zhì)厚度。當(dāng)側(cè)面阻燃介質(zhì)的厚度為5.0 mm，頂部阻燃介質(zhì)的厚度為20 mm 時(shí)，火球表面的最高溫度為79.2 ℃，低于150 ℃，以環(huán)氧丙烷、石油醚和乙醚等體為液相組分的燃料在爆炸拋撒過程中不會(huì)發(fā)生竄火現(xiàn)象。

圖 8 不同頂部阻燃介質(zhì)厚度的高速圖片F(xiàn)ig. 8 High-speed pictures for different top flame retardant medium thicknesses

圖 9 火球最高溫度隨時(shí)間的變化曲線及對(duì)應(yīng)的最高溫度Fig. 9 The highest temperature of the fireball vs. time and the corresponding maximum temperature

2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證阻燃介質(zhì)對(duì)中心分散藥的溫度場(chǎng)抑制作用，設(shè)計(jì)了驗(yàn)證試驗(yàn)。殼體為 ? 90 mm×200 mm 的PVC 筒體，中心管內(nèi)徑為30 mm。其結(jié)構(gòu)如圖10 所示。中心分散藥和上面試驗(yàn)質(zhì)量一致，按照上述最佳試驗(yàn)結(jié)果，在中心管中側(cè)面填充5.0 mm 厚的阻燃介質(zhì)，頂部填充20 mm 厚阻燃介質(zhì)。殼體內(nèi)裝填的燃料為乙醚和鋁粉組成的固液混合物，質(zhì)量為1 kg。中心分散藥與裝填燃料質(zhì)量的比值（簡(jiǎn)稱比藥量）為4.7%。分別在未填充阻燃介質(zhì)和填充阻燃介質(zhì)的情況下進(jìn)行燃料拋撒試驗(yàn)，利用高速錄像記錄整個(gè)過程，試驗(yàn)結(jié)果如圖11 所示。

圖 10 燃料拋撒結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 10 Schematic diagram of fuel dispersal structure

圖 11 驗(yàn)證試驗(yàn)高速圖片F(xiàn)ig. 11 High-speed pictures in verification experiment

從圖11 可以看出，在未填充阻燃介質(zhì)的情況下，F(xiàn)AE 燃料被中心分散藥的爆炸火球引燃，發(fā)生竄火。對(duì)于上述中心分散藥裝藥結(jié)構(gòu)，當(dāng)比藥量為1.1%～1.5%時(shí)，云霧的竄火率為100%。比藥量不大于0.98%時(shí)，竄火率高達(dá)50%[15]。這極大限制了FAE 的發(fā)展，因?yàn)樵诟蟮娜剂咸畛滟|(zhì)量情況下，需要更高的驅(qū)動(dòng)能量才能將燃料拋撒到合適的云霧尺寸。中心分散藥質(zhì)量與拋撒燃料質(zhì)量的比值決定了驅(qū)動(dòng)能量的大小。比藥量值越高（但同時(shí)會(huì)增加云霧發(fā)生竄火的風(fēng)險(xiǎn)），驅(qū)動(dòng)能量越大，形成的云霧尺寸也就越大。在本次試驗(yàn)中比藥量超過4%，但云霧仍未發(fā)生竄火(重復(fù)3 次)，說明在中心分散藥外部填充阻燃介質(zhì)是一種防止云霧竄火非常有效的辦法，同時(shí)可以有效提高FAE 的驅(qū)動(dòng)能量。

2.4 機(jī)理分析

云霧發(fā)生竄火現(xiàn)象需要滿足兩個(gè)必要條件：一是燃料與空氣形成的混合物在爆炸極限范圍內(nèi)；二是爆炸性混合物內(nèi)存在點(diǎn)火源。當(dāng)燃料分散至可燃濃度范圍時(shí)，中心分散藥爆炸產(chǎn)生的高溫產(chǎn)物作為火源將燃料點(diǎn)燃發(fā)生自持燃燒乃至爆燃，從而發(fā)生云霧竄火現(xiàn)象。白春華等[1]提出了云霧竄火模型，如圖12 所示。起爆中心分散藥后，爆炸沖擊波會(huì)推動(dòng)燃料向外運(yùn)動(dòng)，在云霧中間會(huì)形成一個(gè)空腔，里面主要是爆轟產(chǎn)物。云霧區(qū)與爆轟產(chǎn)物區(qū)存在一個(gè)“公共區(qū)”。此“公共區(qū)”由分散藥爆轟產(chǎn)物、空氣和燃料組成，竄火主要發(fā)生在該區(qū)域內(nèi)，然后向云霧區(qū)發(fā)展。對(duì)于燃料空氣炸藥來說，爆炸拋撒的目的就是形成可燃、可爆的云霧濃度。因此，只有抑制中心分散藥爆炸產(chǎn)生的高溫和火球，使其低于燃料云霧的最小點(diǎn)火能量，才能防止燃料在拋撒過程中發(fā)生竄火。

圖 12 云霧竄火模型[1]Fig. 12 Cloud premature-combustion model[1]

阻燃介質(zhì)的主體為ABC 超細(xì)干粉滅火劑。當(dāng)在中心分散藥外部填充阻燃介質(zhì)后，ABC 超細(xì)干粉滅火劑的物理、化學(xué)雙重滅火機(jī)理能有效防止云霧竄火。在物理上，滅火劑位于中心分散藥和燃料之間，超細(xì)干粉滅火劑的粒徑小，流動(dòng)性好，可以有效隔絕爆轟產(chǎn)物與燃料接觸，同時(shí)也可以阻斷燃燒所需的氧氣；在化學(xué)方面，ABC 干粉滅火劑的主要滅火組分為磷酸二氫銨(NH4H2PO4)。NH4H2PO4的吸熱分解化學(xué)式為：

NH4H2PO4粉末在200～400 ℃時(shí)快速分解形成氨氣（NH3）和磷酸（H3PO4），超過400 ℃時(shí)，H3PO4進(jìn)一步分解成偏磷酸(HPO3)和水(H2O)，最后生成五氧化二磷(P2O5)[18]。爆炸火球的最高溫度超過1 000 ℃，在此高溫的作用下，NH4H2PO4粉末會(huì)迅速分解吸收了大量的熱量，使爆炸火球的溫度迅速降低，爆轟產(chǎn)物的溫度低于燃料的最小點(diǎn)火溫度。同時(shí)滅火劑與火焰反應(yīng)產(chǎn)生的大量玻璃狀物質(zhì)存在于“公共區(qū)”內(nèi)形成一層隔離層，進(jìn)一步確保燃料不會(huì)被引燃。

3 結(jié) 論

為了解決燃料在分散過程中的竄火問題，以中心分散藥為研究對(duì)象，引入以干粉滅火劑為主體的阻燃介質(zhì)，開展了阻燃介質(zhì)阻燃效果模擬試驗(yàn)及實(shí)際燃料裝藥效果驗(yàn)證試驗(yàn)，得到結(jié)論如下：（1）對(duì)于FAE 的中心分散裝藥，在填充阻燃介質(zhì)的情況下，可以有效抑制爆炸產(chǎn)生的高溫和火焰，從而降低云霧發(fā)生竄火的風(fēng)險(xiǎn)；（2）在阻燃介質(zhì)側(cè)面厚度為5.0 mm，頂部厚度為20 mm 時(shí)，中心分散藥與燃料的質(zhì)量比超過4%，乙醚-鋁粉燃料在拋撒過程中不發(fā)生竄火。