不同點(diǎn)火條件下DNTF與B炸藥的燃燒轉(zhuǎn)爆轟實(shí)驗(yàn)研究

羅一鳴，沈 飛，王 輝，張蒙蒙，王煊軍

(1.火箭軍工程大學(xué)，陜西 西安 710025；2.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引言

3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)是目前具備實(shí)用價(jià)值的第三代含能材料之一，其能量水平僅次于CL-20，且該材料具有較低的熔點(diǎn)(108～110℃)和較高的密度、爆速及爆熱，以其作為載體開發(fā)的熔鑄炸藥相比于TNT基和DNAN基熔鑄炸藥具有顯著的能量?jī)?yōu)勢(shì)[1-4]。

但前期研究表明[5]，DNTF基熔鑄炸藥具有點(diǎn)火后快速轉(zhuǎn)爆轟的特點(diǎn)，難以通過(guò)快速烤燃、慢速烤燃等安全性試驗(yàn)，從而影響DNTF基炸藥的推廣應(yīng)用。因此，為了提升DNTF基炸藥的使用安全性，必須深入研究其燃燒轉(zhuǎn)爆轟(DDT)行為，才能尋求合適的技術(shù)途徑加以改善。

DDT的研究一直是火炸藥領(lǐng)域中的熱點(diǎn)，其特征對(duì)火炸藥的生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用、貯存等各環(huán)節(jié)的安全性均有重要影響，因此國(guó)內(nèi)外開展了大量的研究工作[6-13]。然而在DNTF的應(yīng)用領(lǐng)域中，DDT的研究工作仍較為薄弱，馮曉軍等[14-15]研究了配方組分、點(diǎn)火藥量、約束強(qiáng)度、裝藥成型方式對(duì)DNTF基炸藥的燃燒轉(zhuǎn)爆轟的影響，結(jié)果顯示點(diǎn)火藥量的改變對(duì)初始燃燒持續(xù)時(shí)間和誘導(dǎo)爆轟距離的影響較為明顯。

然而在上述研究中，采用的最低點(diǎn)火條件為3g黑火藥，且燃燒室的空間較小，其點(diǎn)火強(qiáng)度約達(dá)百兆帕級(jí)，導(dǎo)致DNTF基炸藥的DDT過(guò)程較為迅速，不利于深入分析其增長(zhǎng)過(guò)程；此外，該實(shí)驗(yàn)采用特定的混合炸藥配方，其他組分的引入對(duì)于研究DNTF燃燒轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程也具有一定的干擾。

由于火炸藥的安全事故，很多情況下是在受到較低刺激下逐漸增長(zhǎng)而發(fā)生的，因此研究弱刺激下的點(diǎn)火增長(zhǎng)過(guò)程同樣具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[16]；此外，重點(diǎn)針對(duì)其DNTF單質(zhì)炸藥，而非混合炸藥配方開展DNTF的點(diǎn)火轉(zhuǎn)爆轟的研究，對(duì)于不同體系DNTF基配方的設(shè)計(jì)具有更為明確的指導(dǎo)意義。

基于以上原因，本研究采用0.25、0.5、1.0、2.0g 4種不同藥量的黑火藥點(diǎn)火，考察了DNTF單質(zhì)炸藥的燃燒轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程，并在相同條件下與B炸藥的DDT現(xiàn)象進(jìn)行了對(duì)比，以期為DNTF的安全性優(yōu)化及工程應(yīng)用研究提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

DDT試驗(yàn)裝置如圖1所示，由點(diǎn)火器、DDT管、同軸電離探針、激光探頭傳感器以及高速、低速兩臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀等組成。

點(diǎn)火器由電點(diǎn)火頭(約含30mg黑火藥)與不同質(zhì)量的黑火藥組成，即采用細(xì)紗將電點(diǎn)火頭和黑火藥包裹一體，并將其裝入DDT管端頭內(nèi)的點(diǎn)火腔內(nèi)，通過(guò)調(diào)整黑火藥的質(zhì)量可以對(duì)點(diǎn)火壓力進(jìn)行控制。

DDT管的材質(zhì)為45號(hào)鋼，由點(diǎn)火端蓋、管身和尾部端蓋組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。點(diǎn)火端頭內(nèi)部設(shè)置了Φ20mm×25mm的圓柱形點(diǎn)火空腔；管身內(nèi)徑為20mm，外徑為64mm，長(zhǎng)度為500mm。DDT管的約束強(qiáng)度Pb可由式(1)計(jì)算[17]：

(1)

式中：k為管外徑與內(nèi)徑比值；σ為材料的抗拉強(qiáng)度，45號(hào)鋼的抗拉強(qiáng)度為600MPa。因此可計(jì)算得到本實(shí)驗(yàn)中DDT管的靜態(tài)約束強(qiáng)度約為313MPa，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 DDT管結(jié)構(gòu)示意圖

在點(diǎn)火端黑火藥內(nèi)設(shè)置一根通斷式電探針作為觸發(fā)，然后依次在管身的前段間隔30mm設(shè)置5支激光光纖探頭，后段間隔60mm設(shè)置4支激光光纖探頭，其布局如圖2所示。由于黑火藥反應(yīng)至炸藥開始燃燒之間可能存在一定的延遲，且延遲時(shí)間難以確定，因此采用兩臺(tái)示波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行記錄，如圖2所示。其中，1號(hào)示波器連接的通斷式電探針與1號(hào)激光光纖探頭，其間隔時(shí)間為反應(yīng)波陣面在裝藥前30mm內(nèi)傳播所需的時(shí)間；其采樣頻率設(shè)置為10kS/s，確保其測(cè)量時(shí)間的覆蓋范圍較寬。2號(hào)示波器測(cè)量連接1號(hào)至9號(hào)激光探頭傳感器，從而可以測(cè)試反應(yīng)波陣面在裝藥30～360mm內(nèi)傳播所需的時(shí)間。

圖2 反應(yīng)波陣面信號(hào)采集示意圖

試驗(yàn)所用激光光纖探頭的結(jié)構(gòu)如圖3所示，該探頭由光纖、0.2mm厚的玻璃管、鍍膜反射鏡組成，當(dāng)激光通過(guò)光纖照射至反射鏡時(shí)，其反射光與入射光產(chǎn)生干涉，從而探測(cè)器可感應(yīng)出相應(yīng)的輸出信號(hào)。

圖3 激光光纖探頭結(jié)構(gòu)示意圖

由于玻璃管的強(qiáng)度較低，燃燒波或爆轟波的壓力均可使光纖頭部反射面瞬間破壞，造成反射光無(wú)法返回，測(cè)量信號(hào)出現(xiàn)跳躍，從而確定出燃燒波或爆轟波到達(dá)相應(yīng)位置的時(shí)刻。由于該探頭對(duì)壓力的響應(yīng)較為靈敏，可快速準(zhǔn)確地探測(cè)到反應(yīng)波陣面的到達(dá)時(shí)間，因此可兼顧燃燒區(qū)域和爆轟反應(yīng)區(qū)域的測(cè)量。

由于只需要測(cè)量每支光纖探頭破碎的時(shí)刻，因此為了減少示波器的工作通道，可選擇一些探頭進(jìn)行串聯(lián)，如將1號(hào)、4號(hào)、7號(hào)探頭的直流信號(hào)探測(cè)器串聯(lián)，則每破壞一個(gè)探頭時(shí)，其信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)向下的階躍，如圖4所示，進(jìn)而能夠獲取所有探頭的響應(yīng)時(shí)刻。為了兼顧測(cè)量精度及測(cè)量時(shí)間范圍，將示波器的采樣頻率設(shè)置為10MS/s。

圖4 激光光纖探頭響應(yīng)時(shí)的信號(hào)曲線

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)，用電起爆器使點(diǎn)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(shí)，在波陣面會(huì)產(chǎn)生一定的電離產(chǎn)物和強(qiáng)光，當(dāng)波陣面?zhèn)鞑サ酵S電離探針或激光探頭的位置處會(huì)使上述傳感器產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀可以記錄到該電脈沖到達(dá)的時(shí)間，依據(jù)相鄰探針間的距離和電脈沖到達(dá)的時(shí)間差，便可以計(jì)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)變距離和轉(zhuǎn)變時(shí)間。

1.3 點(diǎn)火藥量

為了研究不同點(diǎn)火壓力下DNTF炸藥的響應(yīng)特性，首選需要根據(jù)經(jīng)典內(nèi)彈道學(xué)的燃?xì)鉅顟B(tài)方程確定出火藥量m與壓力峰值pm的關(guān)系[18]：

pm=Δ·f/(1-a·Δ)

(2)

式中：Δ表示裝填密度或火藥量與燃燒空腔的體積比，單位為g/cm3；a為燃?xì)猱a(chǎn)物的余容，這里取1；f表示火藥力，本試驗(yàn)中采用常用的小粒黑，則取300kJ/kg；火藥量m的單位為g；壓力峰值pm的單位為MPa；本研究中的燃燒空腔尺寸均為Φ20mm×25mm。

為了獲取DNTF炸藥在10～100MPa點(diǎn)火壓力作用下的燃燒轉(zhuǎn)爆轟特性，本研究將點(diǎn)火藥量設(shè)置為2.0、1.0、0.5和0.25g 4種工況，同時(shí)考慮點(diǎn)火頭藥量的貢獻(xiàn)，根據(jù)式(2)可計(jì)算出4種工況對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火壓力峰值分別為104.6、45.3、21.7和11.1MPa。

1.4 炸藥樣品

分別將DNTF單質(zhì)炸藥和B炸藥(TNT與RDX的質(zhì)量比為40∶60)澆鑄成Φ20mm×450mm(可拼接)的藥柱，其中DNTF單質(zhì)炸藥裝藥密度為1.82g/cm3(94% TMD)，該密度下爆速約為8900m/s；B炸藥裝藥密度為1.68g/cm3(96% TMD)，該密度下爆速約為7800m/s。炸藥樣品裝配如圖5所示。

圖5 炸藥試樣裝配示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 不同藥量的點(diǎn)火引發(fā)情況

當(dāng)黑火藥藥量分別為2.0、1.0、0.5和0.25g 條件下，DNTF單質(zhì)炸藥和B炸藥在DDT管內(nèi)的點(diǎn)火情況如表1所示。

表1 不同點(diǎn)火藥量下的點(diǎn)火情況

B炸藥的點(diǎn)火閾值較高，除2.0g黑火藥能夠成功點(diǎn)火以外，剩下的3種條件均不能順利點(diǎn)火；而DNTF單質(zhì)炸藥點(diǎn)火閾值則較低，在0.25g黑火藥的點(diǎn)火條件下仍然能夠順利點(diǎn)燃。該結(jié)果表明，DNTF單質(zhì)非常容易發(fā)生點(diǎn)火，在一些輕微刺激條件下也可能存在安全風(fēng)險(xiǎn)，在生產(chǎn)、使用等各環(huán)節(jié)應(yīng)尤為注意。

2.2 DDT反應(yīng)劇烈程度

B炸藥在2.0g黑火藥點(diǎn)火條件下DDT管的破壞程度如圖6所示。

圖6 B炸藥的DDT反應(yīng)劇烈程度

在距點(diǎn)火端160mm處，DDT管出現(xiàn)明顯的膨脹，表明此處的B炸藥反應(yīng)速率開始大幅提升；而DDT管僅撕裂成數(shù)塊較大的碎片，表明反應(yīng)最終未轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定爆轟，由于殼體撕裂導(dǎo)致管內(nèi)壓力迅速降低，同時(shí)缺少殼體約束，稀疏波影響增強(qiáng)，使反應(yīng)波陣面能量耗散過(guò)大，因此無(wú)法支撐反應(yīng)速率的進(jìn)一步提升。另外3種點(diǎn)火條件下，由于B炸藥未點(diǎn)火，DDT管完好無(wú)變化。

DNTF單質(zhì)炸藥在4種點(diǎn)火條件下DDT管的破壞程度大致相同，如圖7所示。管體完全破裂成小尺寸破片，未找到較完整的大型破片，這表明4種狀態(tài)下DNTF單質(zhì)炸藥在點(diǎn)火端不遠(yuǎn)處即完成了DDT轉(zhuǎn)變，形成了爆轟。

圖7 DNTF的DDT反應(yīng)劇烈程度

與B炸藥實(shí)驗(yàn)后回收的破片對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，DNTF在4種點(diǎn)火條件下，DDT管的破碎程度均較高，可以初步判定DNTF在上述實(shí)驗(yàn)條件下均發(fā)生了爆轟。從已回收的破片可以看出，部分破片仍然保持了初始的管身結(jié)構(gòu)特征，該類型的破片應(yīng)是在爆轟增長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的。當(dāng)DNTF裝藥中反應(yīng)波陣面的速度較低時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物壓力相對(duì)較低，DDT管的破裂以拉伸斷裂為主，其破片的管身結(jié)構(gòu)特征仍能夠保留；當(dāng)反應(yīng)波陣面的速度較高時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物壓力迅速升高，DDT管的破裂以剪切斷裂為主，其原有的結(jié)構(gòu)特征將被完全破壞。

2.3 DDT反應(yīng)過(guò)程分析

2.3.1 裝藥前30mm的反應(yīng)特征

點(diǎn)火時(shí)觸發(fā)低速數(shù)采開始計(jì)時(shí)，當(dāng)1號(hào)激光傳感器接收到信號(hào)后結(jié)束計(jì)時(shí)，這段時(shí)間包括兩個(gè)響應(yīng)過(guò)程，即炸藥端面被引燃的過(guò)程和燃燒波傳播至1號(hào)激光傳感器的過(guò)程。如果忽略炸藥端面的引燃過(guò)程，即一旦點(diǎn)火器點(diǎn)火便認(rèn)為炸藥端面被引燃，則可通過(guò)測(cè)試間距與信號(hào)時(shí)間差計(jì)算得到反應(yīng)波陣面在該段的平均傳播速度，其結(jié)果如表2所示。

表2 裝藥前30mm的反應(yīng)波測(cè)試數(shù)據(jù)

由于電離探針被觸發(fā)的時(shí)刻早于裝藥真正的點(diǎn)火時(shí)刻，因此表2中的平均速度存在一定的偏差。

對(duì)于DNTF，在2.0g黑火藥點(diǎn)火條件下，由于在4.96ms內(nèi)還應(yīng)包含裝藥被引燃的時(shí)間，因此裝藥前30mm反應(yīng)波陣面真實(shí)的平均速度應(yīng)比3.348km/s高，且已經(jīng)進(jìn)入到低速爆轟階段。該結(jié)果表明，相比于B炸藥，DNTF一旦發(fā)生點(diǎn)火，其反應(yīng)速率將快速增長(zhǎng)。

但是，當(dāng)點(diǎn)火藥量降低后，DNTF裝藥在該段的反應(yīng)波陣面速率顯著降低，甚至在0.25g點(diǎn)火藥條件下，反應(yīng)波陣面經(jīng)歷了2643.4ms后才傳播到1號(hào)傳感器的所在位置(30mm處)。上述現(xiàn)象表明，點(diǎn)火強(qiáng)度的變化可對(duì)DNTF炸藥裝藥DDT過(guò)程中的初期反應(yīng)歷程造成顯著影響。當(dāng)點(diǎn)火強(qiáng)度較低時(shí)，DNTF炸藥裝藥需經(jīng)歷慢速燃燒階段；但當(dāng)點(diǎn)火強(qiáng)度較高時(shí)，DNTF的DDT過(guò)程將直接越過(guò)低速燃燒階段，甚至高速燃燒階段，直接進(jìn)入到低速爆轟階段。

需要特別指出的是，在黑火藥分別為1.0、0.5和0.25g條件下，DNTF反應(yīng)波陣面平均速度計(jì)算值出現(xiàn)了大幅降低。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是因?yàn)殡S著點(diǎn)火壓力的減小，裝藥被引燃的時(shí)間大幅增加，而本實(shí)驗(yàn)中的測(cè)試方法無(wú)法精確地表征裝藥何時(shí)被引燃，因此大幅增長(zhǎng)的引燃時(shí)間被計(jì)入了反應(yīng)波陣面?zhèn)鞑r(shí)間，從而導(dǎo)致反應(yīng)波陣面平均速度計(jì)算值出現(xiàn)嚴(yán)重失真。

2.3.2 裝藥30mm后的反應(yīng)特征

通過(guò)DDT管上不同測(cè)點(diǎn)的激光傳感器，準(zhǔn)確測(cè)量了反應(yīng)波陣面的到達(dá)時(shí)間，當(dāng)1號(hào)測(cè)點(diǎn)觸發(fā)時(shí)高速數(shù)采開始計(jì)時(shí)，其后各測(cè)點(diǎn)的到達(dá)時(shí)間如表3所示。

根據(jù)表3的測(cè)試數(shù)據(jù)，可獲得反應(yīng)波陣面在各測(cè)點(diǎn)間的平均傳播速率，其結(jié)果如表4所示。

表3 裝藥30mm后反應(yīng)波陣面的到達(dá)時(shí)間

表4 反應(yīng)波陣面在不同位置處的傳播速度

假定各測(cè)量范圍內(nèi)的平均速度為該范圍內(nèi)中心點(diǎn)的速度，則可得到反應(yīng)波陣面在裝藥中隨距離的變化趨勢(shì)，如圖8所示。

從圖8可以看出，對(duì)于DNTF炸藥裝藥，在2.0和0.25g兩種點(diǎn)火條件下，反應(yīng)波陣面速度的差值在45mm處為2.3km/s，75mm處為0.53km/s，而在105mm處僅為0.176km/s。該結(jié)果表明，雖然點(diǎn)火藥量對(duì)DNTF炸藥裝藥初始反應(yīng)速率具有顯著影響，然而DNTF自身反應(yīng)增長(zhǎng)速率極快，在較短的距離內(nèi)，弱點(diǎn)火條件的DDT實(shí)驗(yàn)仍能迅速發(fā)展為穩(wěn)定爆轟。在DNTF炸藥裝藥的4組實(shí)驗(yàn)中，其爆轟轉(zhuǎn)變距離(穩(wěn)定爆轟形成位置與點(diǎn)火端距離)均在120～150mm范圍內(nèi)。

圖8 不同距離處的反應(yīng)波陣面速度

由文獻(xiàn)[19]可知，DNTF的分解氣相產(chǎn)物對(duì)DNTF熱分解反應(yīng)具有催化作用，隨著外部壓力的升高，分解氣相產(chǎn)物不能迅速離開DNTF表面，從而能夠進(jìn)一步加劇DNTF的熱分解反應(yīng)速率。因此，當(dāng)DNTF被點(diǎn)燃后，由于氣體反應(yīng)產(chǎn)物的生成而使DDT管中的壓力升高；隨著DDT管中壓力的升高又會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)DNTF反應(yīng)速率的提升。由于存在上述相互促進(jìn)的熱分解/燃燒過(guò)程，因此DNTF在弱點(diǎn)火條件下也能夠快速增長(zhǎng)為穩(wěn)定爆轟；同時(shí)，由于反應(yīng)速率增長(zhǎng)非常迅速，因此導(dǎo)致其爆轟轉(zhuǎn)變距離在不同點(diǎn)火條件下的差異并不顯著。

B炸藥的DDT實(shí)驗(yàn)顯示，該DDT過(guò)程較為平緩，其反應(yīng)波陣面速度由0.141km/s最終增長(zhǎng)到2.449km/s，未達(dá)到B炸藥的穩(wěn)定爆轟速度(7.8km/s)，沒(méi)有完成燃燒轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程。

通過(guò)對(duì)比DNTF單質(zhì)炸藥和B炸藥的燃燒轉(zhuǎn)爆轟試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，前者的反應(yīng)波陣面增長(zhǎng)速率極快，一旦發(fā)生點(diǎn)火，將快速增長(zhǎng)為爆轟，這也是影響DNTF安全使用的關(guān)鍵因素之一，且抑制該類型DDT增長(zhǎng)速率的難度較高。

3 結(jié) 論

(1)與B炸藥相比，DNTF單質(zhì)炸藥具有較低的點(diǎn)火閾值，在11.1MPa的點(diǎn)火強(qiáng)度下仍能實(shí)現(xiàn)正常點(diǎn)火，并完全反應(yīng)，該特性在文獻(xiàn)報(bào)道的點(diǎn)火強(qiáng)度數(shù)據(jù)中屬于非常低的水平，因此在應(yīng)用過(guò)程中對(duì)DNTF單質(zhì)炸藥的意外點(diǎn)火問(wèn)題應(yīng)尤為重視。

(2)在本實(shí)驗(yàn)條件下，采用2.0g點(diǎn)火藥時(shí)，DNTF炸藥裝藥的爆轟轉(zhuǎn)變距離在120～150mm之間，而B炸藥未完成燃燒轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程，該現(xiàn)象表明DNTF的DDT轉(zhuǎn)變過(guò)程極為迅速，這也是DNTF基混合炸藥難以通過(guò)快速烤燃、慢速烤燃等安全性試驗(yàn)的主要原因。

(3)當(dāng)點(diǎn)火藥量從2.0g降至0.25g時(shí)，雖然會(huì)使DNTF裝藥的引燃時(shí)間大幅增加，但最終都能實(shí)現(xiàn)燃燒轉(zhuǎn)爆轟，且其爆轟誘導(dǎo)距離均在120～150mm范圍內(nèi)。該現(xiàn)象表明，對(duì)于DNTF單質(zhì)炸藥，點(diǎn)火強(qiáng)度的變化可對(duì)DDT過(guò)程中的低速熱傳導(dǎo)燃燒階段產(chǎn)生顯著影響。