考慮DDT過程的傳火傳爆環(huán)節(jié)實驗研究

吳錦濤，呂一品，唐 科，董 剛，胡振興

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所， 北京 100076； 2.北京電子工程總體研究所， 北京 100854；3.南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理重點實驗室， 南京 210094)

1 引言

航天火工分離裝置是指裝有火藥或炸藥，受外界能量刺激后產(chǎn)生燃燒、爆炸或爆轟，用以引燃火藥、引爆炸藥、機械做功或產(chǎn)生特種效應(yīng)的一次性使用裝置的總稱[1]。航天飛行器發(fā)射過程中的發(fā)動機點火、級間分離、整流罩分離、星箭分離和增壓輸送管路閥門開啟等任務(wù)，均通過分離裝置完成。由于內(nèi)裝火工品的參與，典型的分離過程通常涉及到火工品序列之間的傳火傳爆環(huán)節(jié)，而該過程的本質(zhì)是裝置結(jié)構(gòu)組成的密閉容腔內(nèi)化學(xué)反應(yīng)流的發(fā)展和傳播。從發(fā)生機理來看，傳火傳爆環(huán)節(jié)可大致分為3個階段：1)燃燒，表現(xiàn)為邊界作用下流場失穩(wěn)等導(dǎo)致的火焰加速；2)爆燃[2]，燃燒速度足夠大時，火焰可以誘導(dǎo)激波，此時激波強度取決于火焰的燃燒速度；3)爆轟[3-4]，此時火焰與激波耦合，在腔內(nèi)形成激波-對流火焰復(fù)合波，該階段引導(dǎo)激波可以直接點燃流場內(nèi)的反應(yīng)介質(zhì)，故火焰尾隨激波以相同的速度傳播?；诖耍鞔_容腔內(nèi)燃燒轉(zhuǎn)爆轟(deflagration-to-detonation transition，DDT)過程[5-6]的發(fā)生發(fā)展經(jīng)過，進而誘導(dǎo)序列之間爆轟波的形成和穩(wěn)定傳播，可以保證傳火傳爆環(huán)節(jié)的有效進行。

火工品通常由裝填密度較高的固體炸藥顆粒(火、炸藥等)組成，引燃或引爆后會在極為短暫的時間內(nèi)發(fā)生狀態(tài)變化，伴隨劇烈的化學(xué)反應(yīng)和頻繁的能量轉(zhuǎn)換。在此基礎(chǔ)上，序列之間的燃燒轉(zhuǎn)爆轟(DDT)過程的表現(xiàn)形式通常為：火工品點燃后，在極短的時間內(nèi)進入對流燃燒，燃燒過程不斷加速引起壓力的迅速上升，產(chǎn)生局部的壓力擾動，進而在容腔內(nèi)產(chǎn)生一系列壓縮波，壓縮波與對流火焰(燃燒波)匯聚形成沖擊波，經(jīng)過一定時間的發(fā)展達到臨界強度，誘發(fā)下級序列產(chǎn)生爆轟[6]。燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程的不同階段，對應(yīng)的序列輸出性能也不同。一方面，DDT發(fā)展不充分，可能導(dǎo)致上級序列的輸出能量不足以引燃或引爆下級序列；另一方面，DDT發(fā)展過于迅猛，會在容腔內(nèi)形成過驅(qū)爆轟(over-driven detonation)，而過驅(qū)狀態(tài)下的爆轟波傳播是不穩(wěn)定的，且具有很強的破壞性，容易損壞下級序列。因此，為控制和優(yōu)化傳火傳爆環(huán)節(jié)的序列輸出性能，需要對燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程的影響因素開展相關(guān)的研究。馮曉軍等[7]在DNTF基炸藥爆燃轉(zhuǎn)爆轟過程的研究中發(fā)現(xiàn)，壓裝高密度炸藥的DDT過程具有一定的幾率性，受此影響，不同裝填密度、管壁厚度和管壁約束條件下，爆轟波的誘導(dǎo)距離長度和持續(xù)時間也不同。張超等[8]在熱塑性高能推進劑DDT過程的研究中發(fā)現(xiàn)，推進劑的燃燒速度越高、壓強指數(shù)越大，DDT管內(nèi)壓力上升梯度就越大，越有利于壓縮波的形成和發(fā)展。劉德輝等[9]通過模擬復(fù)合推進劑DDT的研究發(fā)現(xiàn)，推進劑接近零氧平衡狀態(tài)時更容易誘發(fā)爆燃向爆轟過程的轉(zhuǎn)變。馬云鵬等[10]在爆震管內(nèi)緩燃到爆震轉(zhuǎn)變距離和時間的數(shù)值模擬研究中發(fā)現(xiàn)，增加氧化劑體積分數(shù)可以縮短DDT過程轉(zhuǎn)變所需的距離和時間。上述研究均表明，密閉容腔內(nèi)化學(xué)反應(yīng)流的爆燃轉(zhuǎn)爆轟是一個多因素耦合作用的過程，作為影響傳火傳爆序列分離性能的關(guān)鍵，針對該過程發(fā)展規(guī)律和影響因素的研究相對較少，且現(xiàn)有的部分工作都未考慮實際序列環(huán)境條件帶來的影響。

本文中采用實驗研究、數(shù)據(jù)處理和理論分析相結(jié)合的方法，以典型分離過程中火工品序列的傳火傳爆環(huán)節(jié)為對象，通過設(shè)置不同的實驗工況，考察序列結(jié)構(gòu)組成的密閉容腔內(nèi)燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程的發(fā)展規(guī)律。結(jié)合不同初始條件下的實驗結(jié)果，分析間隙尺寸、環(huán)境溫度和初始點火藥量等因素對DDT過程發(fā)展階段和傳火傳爆環(huán)節(jié)輸出性能的影響。研究結(jié)果為火工分離裝置的設(shè)計和改進提供指導(dǎo)。

2 傳火傳爆環(huán)節(jié)實驗

2.1 實驗系統(tǒng)

傳火傳爆環(huán)節(jié)實驗系統(tǒng)由電發(fā)火管、密閉傳火容腔、裝填藥柱和序列輸出端組成，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。為體現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)真實性，依據(jù)序列環(huán)境條件將密閉傳火容腔分成2個尺寸不同的隔離段(a和b)。實驗時，隔離段a的直徑設(shè)定為D1=14.0 mm，長度(L1)隨初始條件發(fā)生變化；隔離段b的直徑設(shè)定為D2=6.5 mm，長度設(shè)定為L2=6 mm。藥柱的直徑與隔離段b的直徑一致，總長度設(shè)定為L=17.7 mm，共分為4個裝填層，由上至下，每個裝填層的內(nèi)裝藥成分、藥量和密度設(shè)置值見表1。

1-電發(fā)火管；2-隔離段a；3-隔離段b；4-裝填藥柱；5-輸出端圖1 傳火傳爆序列結(jié)構(gòu)及能量傳遞過程示意圖Fig.1 The structure and the energy transfer process of the fire and explosion sequence

表1 藥柱不同裝填層的參數(shù)設(shè)計Table 1 The designed parameters of different filling layers in the powder column of the fire and explosion sequence

傳火傳爆環(huán)節(jié)過程原理如下：電發(fā)火管接收額定電流后開始工作，將產(chǎn)物輸出在裝置結(jié)構(gòu)組成的小尺度密閉容腔(隔離段a和b)內(nèi)，由于隔離段直徑的減小，腔內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的劇烈程度不斷上升，刺激流場內(nèi)產(chǎn)生激波-對流火焰復(fù)合波并引發(fā)下級序列，裝填藥柱工作后將上級輸出能量進一步傳遞和放大，最終實現(xiàn)燃燒向爆轟過程的轉(zhuǎn)變。

2.2 實驗條件

對于封閉容腔而言，間隙尺寸的變化直接改變流場內(nèi)爆轟波的誘導(dǎo)距離長度，進而導(dǎo)致燃燒轉(zhuǎn)爆轟(DDT)過程的發(fā)展空間和時間不同，影響傳火傳爆環(huán)節(jié)的輸出性能。此外，環(huán)境溫度和初始點火藥量不同，反應(yīng)體系內(nèi)的化學(xué)動、熱力學(xué)屬性也不同，進而改變密閉容腔內(nèi)的能量傳遞和轉(zhuǎn)換進程，影響下級序列在輸出端的表現(xiàn)。

為考察傳火傳爆環(huán)節(jié)輸出性能受初始輸入條件的影響規(guī)律，分別設(shè)置不同的隔離段a長度(L1)、環(huán)境溫度(T)和電發(fā)火管初始點火藥量(q)，依次開展不同條件下的序列發(fā)火實驗，具體實驗工況如表2所示。

表2 不同工況的實驗條件和實驗結(jié)果

其中，工況1～工況6對應(yīng)不同隔離段a長度的實驗工況，工況1為無間隙工況，工況6為過間隙工況，二者分別代表了間隙尺寸條件的兩個極端。通過對比工況1～工況6在輸出端的性能表現(xiàn)，選取工況4為基準工況，與工況7～工況9相結(jié)合，考察傳火傳爆序列受環(huán)境溫度的影響。最后，結(jié)合工況4、工況10和工況11分析初始點火藥量對輸出威力的影響。由于實際傳火傳爆環(huán)節(jié)作用時間很短(一般在ms級或更快)，因而火工藥劑的起爆傳爆可以看作一個瞬時反應(yīng)過程，而熱量的傳遞和傳導(dǎo)過程則相對緩慢很多。因此，在開展的傳火傳爆序列實驗研究中，各工況均未考慮起爆瞬時的熱損失。

2.3 實驗測定

本文中采用鉛塊凹痕實驗法[11]測定傳火傳爆序列發(fā)火實驗的結(jié)果，實驗時，通過專用裝夾工裝將序列輸出端固定在實驗設(shè)備上，并與鉛塊接觸，裝填藥柱(表1)被逐級引發(fā)后，產(chǎn)生軸向輸出，最終在鉛塊上留下凹痕，通過螺旋測微器(即千分尺)等專用工裝儀器測量鉛板凹痕深度(d)，獲得不同輸入條件下傳火傳爆序列的輸出性能。實驗原理見圖2。

1-裝填藥柱；2-限制套筒；3-鉛塊；4-鋼墊圖2 鉛塊凹痕實驗法原理示意圖Fig.2 The mechanism of the experimental method for dent test on lead block

3 結(jié)果分析與討論

圖3和圖4分別給出了不同工況條件下，傳火傳爆序列發(fā)火性能實驗的鉛板凹痕照片記錄，并對凹痕深度進行了測量，方法如下：測量前，用毛刷或布清除鉛塊及凹痕表面的多余物殘渣，確定凹痕中心后，選取位置沿中心成180°的2個測量點，對2個位置點的數(shù)據(jù)進行測定并取平均值，即為所測鉛塊的凹痕深度取值。通過多點測量求取平均值的方式，可以有效避免單一測點的測量誤差，保證數(shù)據(jù)的有效性。

圖3 不同條件下發(fā)火實驗后鉛板凹痕照片F(xiàn)ig.3 The multimedia recordings for the dents on lead block of the different cases

圖4 凹痕截面照片F(xiàn)ig.4 Typical section view of the dents on lead block

3.1 間隙尺寸對發(fā)火性能的影響

不同間隙尺寸下，發(fā)火性能實驗獲得的鉛板凹痕深度取值見表2。為保證不同工況實驗數(shù)據(jù)的可對比性，本文所有實驗結(jié)果均采用固定人員、固定設(shè)備和固定儀器的方式獲取，避免因測量誤差導(dǎo)致的橫向不一致。從實驗結(jié)果來看，除了0間隙條件(工況1)外，其余工況中傳火傳爆環(huán)節(jié)均正常發(fā)火并產(chǎn)生凹痕，證明傳火傳爆序列在輸出性能上的穩(wěn)定性。對比不同條件下的實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著隔離段a長度(L1)的增加，終端火工品序列在輸出端的能量呈上升趨勢，直至間隙過大(工況6)時，鉛板凹痕深度才出現(xiàn)下降。從小尺度空間內(nèi)燃燒轉(zhuǎn)爆轟(DDT)過程的發(fā)展機理而言，當裝置結(jié)構(gòu)組成的間隙尺寸增大時，密閉容腔內(nèi)爆燃波/爆轟波的誘導(dǎo)距離增大，基于此，反應(yīng)流流場內(nèi)DDT過程的發(fā)展更為充分，更有利于能量在下級序列的傳遞和放大。此外，當密閉容腔內(nèi)2段隔離段(a和b)的直徑不一致時，隨著通道面積的減小，容腔內(nèi)反應(yīng)介質(zhì)的傳播速度和流場內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的劇烈程度均明顯上升，這進一步刺激了工況2～工況6中激波-對流火焰復(fù)合波(爆燃波/爆轟波)的形成及發(fā)展。相應(yīng)地，對于工況1而言，由于隔離段a的長度為0，電發(fā)火管的輸出產(chǎn)物直接進入到隔離段b，缺少了通道變窄(隔離段a至隔離段b)帶來的燃燒加速和流場失穩(wěn)過程，點火元件的輸出能量無法得到進一步的發(fā)展。上述2個方面原因最終導(dǎo)致下級序列(裝填藥柱)未能成功引發(fā)，傳火傳爆環(huán)節(jié)失效。

為了量化間隙尺寸與輸出能量的關(guān)系，圖5給出隔離段a長度(L1)與鉛板凹痕深度(d)之間的關(guān)系曲線。結(jié)果表明，當L1在1.4～3.9 mm范圍內(nèi)，傳火傳爆序列的輸出性能較為穩(wěn)定。從尺寸設(shè)計的角度而言，采用1.4mm的設(shè)計值，能夠在保證產(chǎn)品輸出性能的同時，兼顧元器件的通用性，因此，以L1=1.4 mm(工況4)為基準工況，進一步分析環(huán)境溫度和初始點火藥量對傳火傳爆序列發(fā)火性能的影響規(guī)律。

圖5 隔離段長度(L1)與鉛板凹痕深度(d)的關(guān)系曲線Fig.5 The correlation curve between the length of isolation section(L1) and the dent depth on lead block(d)

3.2 環(huán)境溫度對發(fā)火性能的影響

研究表明[12-15]，反應(yīng)流流場中火焰失穩(wěn)和加速的過程通常伴隨著激波與火焰之間的相互作用，在此基礎(chǔ)上，介質(zhì)的傳播形式轉(zhuǎn)變?yōu)橐约げㄅc火焰組成的復(fù)合波(包括爆燃波和爆轟波)，以此實現(xiàn)燃燒向爆轟的轉(zhuǎn)換。隨著環(huán)境溫度的提升，流場內(nèi)的部分區(qū)域可能出現(xiàn)能量聚集并產(chǎn)生熱點(hot spot)，更有利于波陣面與火焰面的相互耦合，引起流場內(nèi)的火焰失穩(wěn)和加速，最終影響燃燒轉(zhuǎn)爆轟(DDT)過程的發(fā)展進程。因此，有必要考察環(huán)境溫度對傳火傳爆環(huán)節(jié)輸出性能的影響。

不同環(huán)境溫度下傳火傳爆序列輸出性能的統(tǒng)計結(jié)果見表2，結(jié)果表明，相對于常溫條件下的實驗結(jié)果(工況4)，傳火傳爆序列在高溫條件下的輸出威力并無太大變化，說明傳火傳爆環(huán)節(jié)發(fā)火性能受環(huán)境溫度的影響較小。一方面，這是由其中斯蒂芬酸鉛裝藥的發(fā)火穩(wěn)定性所決定的；另一方面，由于燃燒轉(zhuǎn)爆轟(DDT)過程的不斷發(fā)展，序列之間的能量逐級傳遞和放大，伴隨著流場內(nèi)劇烈的化學(xué)反應(yīng)變化，密閉容腔內(nèi)的實際溫度已遠高于外在環(huán)境溫度，在此基礎(chǔ)上，溫度條件的變化幾乎無法影響流場內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)進程。因此，傳火傳爆序列在不同環(huán)境溫度條件下的輸出威力相似。

3.3 初始點火藥量對發(fā)火性能的影響

電發(fā)火管內(nèi)裝火工品的初始藥量直接決定傳火傳爆序列的點火能量，初始點火藥量越大，密閉容腔內(nèi)燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程的點火能量也越大。為考察電發(fā)火管在不同初始點火藥量下的輸出穩(wěn)定性，以工況 4為基準藥量，工況10采用基準藥量的75%，工況11采用基準藥量的125%，依次進行發(fā)火性能實驗，并統(tǒng)計鉛板凹痕深度的取值，見表2。結(jié)果表明，相對于基準藥量(工況4)，小藥量(工況10)和大藥量(工況11)條件下，傳火傳爆序列的輸出威力均略微下降。從發(fā)展規(guī)律而言，當容腔尺寸固定時，反應(yīng)流流場內(nèi)燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程的發(fā)展進程也相對固化。此時，若減小初始點火藥量，容易導(dǎo)致DDT過程發(fā)展不充分，傳火傳爆序列的輸出威力則下降；若增大初始點火藥量，容易導(dǎo)致流場內(nèi)激波-對流火焰復(fù)合波的強度過大，進而破壞下級火工品序列，同樣會導(dǎo)致輸出威力的下降。

4 相關(guān)性分析

為定量分析傳火傳爆序列輸入條件與輸出性能之間的相關(guān)性，輸入條件偏差值的相關(guān)性參數(shù)σ(n)為：

(1)

將不同工況的σ(n)與鉛板凹痕深度d擬合，繪制相關(guān)性曲線，見圖6。由于工況1中電發(fā)火管未正常引爆下級序列，因此，圖6曲線未包含工況1的試驗數(shù)據(jù)，只對工況2～工況11中成功子樣的結(jié)果進行分析。通過相關(guān)性分析可以發(fā)現(xiàn)，表2中3個輸入條件(隔離段a長度、環(huán)境溫度和初始點火藥量)對傳火傳爆序列輸出威力的影響較大，σ(n)和d的相關(guān)系數(shù)達到R2=42.31%。同時，上述3個參數(shù)并不能完全決定傳火傳爆環(huán)節(jié)的輸出性能，上文提到，諸如裝填密度、管壁厚度、管壁約束和推進劑狀態(tài)等因素，均對該環(huán)節(jié)燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程的發(fā)展具有一定的影響。此外，對比平均點(average point)的統(tǒng)計結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，輸出威力大于凹痕深度平均值(5.54 mm)的工況，其對應(yīng)的σ(n)取值均在[0.52，1.06]。該結(jié)果表明，輸入?yún)?shù)與其對應(yīng)平均值的偏差越小，越有利于爆轟波在間隙尺寸組成的密閉容腔內(nèi)的形成和發(fā)展，傳火傳爆序列在輸出端的發(fā)火威力也越大。

圖6 擬合偏差值σ(n)與鉛板凹痕深度d的相關(guān)性曲線Fig.6 The correlation curve between the fitting deviation value(σ(n)) and the dent depth on lead block(d)

考慮到本文中環(huán)境溫度和初始點火藥量對輸出威力的影響較小，仍以工況4中的環(huán)境溫度和初始點火藥量為基準，分別取T=20 ℃和q=130 mg，將σ(n)的取值范圍換算為隔離段a長度(L1)的取值范圍。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當L1取值在[0.56 mm，3.90 mm]時，傳火傳爆序列在輸出端的發(fā)火性能較好。在對初始點火元器件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，應(yīng)當充分考慮裝置結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的間隙尺寸，以本文所使用的電發(fā)火管為例，當隔離段a的長度不小于0.56 mm時，能夠有效保證傳火傳爆序列的輸出威力滿足使用要求。

5 結(jié)論

1) 以典型航天火工品序列中傳火傳爆環(huán)節(jié)為研究對象，重點考察序列結(jié)構(gòu)間隙組成的密閉容腔內(nèi)燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程的發(fā)展，并通過設(shè)置不同的間隙尺寸、環(huán)境溫度和初始點火藥量，分析傳火傳爆序列輸出性能受輸入條件的影響規(guī)律。結(jié)果表明，相對于環(huán)境溫度和初始點火藥量，間隙尺寸對傳火傳爆環(huán)節(jié)輸出威力的影響更為明顯。

2) 為保證輸出威力滿足使用要求，電發(fā)火管等元器件的尺寸間隙設(shè)計應(yīng)在[0.56 mm，3.90 mm]。