初始自由空腔體積對PBX-3 炸藥慢烤反應(yīng)烈度的影響

胡平超，李 濤，劉倉理，傅 華，薛 洪，胡順治

（1.中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽 621999； 2.中國工程物理研究院，四川 綿陽 621999）

0 引 言

武器彈藥在運輸、貯存、使用等環(huán)境下可能遭遇火災(zāi)事故，對人員、建筑物、武器平臺等造成不同程度損傷，彈藥熱安全性是安全彈藥的重點研究方向之一［1-5］。快烤場景下，一般在裝藥表面發(fā)生點火反應(yīng)，反應(yīng)烈度往往較低；慢烤場景下，一般在裝藥內(nèi)部發(fā)生點火反應(yīng)，反應(yīng)烈度往往較高。HMX 是一種常用的二代含能材料，在各類戰(zhàn)斗部裝藥中得到廣泛應(yīng)用。對于不同的彈藥裝藥，自由空腔體積可能不同，研究自由空腔對結(jié)構(gòu)裝藥慢烤反應(yīng)烈度的影響，分析認識自由空腔對炸藥熱刺激反應(yīng)烈度影響的機理，對彈藥裝藥的熱安全性評估及設(shè)計具有重要的意義。

國內(nèi)外在炸藥熱刺激反應(yīng)烈度相關(guān)的熱損傷、點火反應(yīng)演化外以及工程因素影響等方面已開展了大量研究工作。Parker 等［6］通過顯微鏡觀察了自由狀態(tài)和徑向約束狀態(tài)PBX-9501 炸藥在高溫下的熱損傷，發(fā)現(xiàn)自由狀態(tài)下熱損傷以孔洞為主，約束狀態(tài)熱損傷除孔洞外，還有因應(yīng)力作用引起的炸藥晶體內(nèi)部裂紋，其損 傷 更 嚴 重。Smilowitz 等［7-9］采 用 質(zhì) 子 輻 照、動 態(tài)X 射線等診斷技術(shù)對約束炸藥慢烤點火后的密度演變過程進行了拍攝，獲得了炸藥點火位置、點火初期燃燒速率以及點火反應(yīng)后在微裂紋中形成對流燃燒的物理圖像，分析了炸藥熱膨脹系數(shù)、粘接劑熱穩(wěn)定性等對慢烤點火位置有一定影響，進一步影響反應(yīng)烈度。TAPPAN等［10］研究認識了壓力會延緩HMX 的熱致相變進程，郭偉等［11］通過加速老化后的PBX-6 炸藥烤燃實驗，認識了加速老化引起炸藥密度減小、孔穴度增大、熱穩(wěn)定降低，導(dǎo)致炸藥在快烤和慢烤下的烤燃時間縮短、點火溫度降低；Wardell 等［12］通過縮比熱爆炸（STEX）實驗認識了初始空腔對約束PBX-9501、LX-04 炸藥慢烤點火反應(yīng)烈度的影響不同，智小琦等［13-16］通過不同狀態(tài)約束RDX 基炸藥的慢烤實驗，獲得了炸藥密度、溫升速率、緩釋結(jié)構(gòu)對反應(yīng)烈度的影響規(guī)律，認識了一定范圍內(nèi)的自由空間顯著增加炸藥的反應(yīng)烈度。Maienschein 等［17］通 過HMX 基PBX 炸 藥 在 高 溫 高 壓下的燃速試驗，認識了炸藥燃燒速率隨壓力增加而增大，HMX 相變后炸藥燃燒速率顯著增大；Holmes 等［18］通過不同預(yù)應(yīng)力作用下的PBX-9501 炸藥中心人為點火實驗，認識了炸藥點火反應(yīng)后的反應(yīng)烈度隨預(yù)應(yīng)力增大而增加；Berghout 等［19］基于損傷PBX-9501 炸藥的燃燒特性實驗，認識了炸藥燃燒氣體進入裂紋的臨界壓力隨裂紋寬度減小而增大。由此可見，熱損傷、相變、應(yīng)力、點火位置等多種因素對炸藥慢烤反應(yīng)烈度均有重要影響，現(xiàn)有研究主要通過實驗裝置殘骸判斷反應(yīng)烈度，對其中的機制分析側(cè)重于單一影響因素。

為此，本研究參考國外SITI 實驗裝置［20］，設(shè)計了初始自由空腔體積率（空腔體積與炸藥體積之比）分別為7.4% 和1.0% 的弱約束實驗裝置，并針對HMX 基PBX-3 炸藥開展了慢烤實驗，測量了炸藥內(nèi)部不同位置的溫度演變歷程，利用耐高溫多普勒速度測量技術(shù)（PDV）獲得了炸藥點火后殼體的膨脹速度歷程，回收了實驗裝置殘骸，分析了初始自由空腔影響炸藥反應(yīng)烈度的原因，可為炸藥裝藥慢烤熱響應(yīng)數(shù)值計算、熱安全性評估及設(shè)計提供參考。

1 慢烤實驗

1.1 實驗裝置

實驗裝置見圖1 所示，主要由殼體、PBX-3 炸藥以及螺栓等3 部分組成。殼體為2A12，外徑Φ31.4 mm，內(nèi)徑Φ25 mm，厚度3.2 mm，由上下2 個獨立的裝藥腔體通過4 個M6 的螺栓連接形成。PBX-3 炸藥樣品由2 個直徑為Φ25 mm、厚度為10 mm 的藥柱相疊加，炸藥中HMX 含量約為90%，密度為1.85 g·cm-3，約為最大理論密度的98.5%。在含有初始空腔的實驗裝置中，2個裝藥腔體的空腔尺寸均為Φ20 mm×1 mm，為HMX 在高溫下的熱致相變提供體積供膨脹空間。由于2 個藥柱間安裝有小尺寸K 型熱電偶，炸藥與約束殼體間存在裝配間隙，2 種狀態(tài)下實際初始自由空腔體積率分別約為7.4%和1.0%。

圖1 慢烤實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of slow cook-off test setups

1.2 實驗儀器

慢烤實驗在高溫烘箱中進行，其內(nèi)部空腔尺寸為300 mm×300 mm×400 mm，腔體四周為保溫棉，采用熱風對流循環(huán)方式使腔體內(nèi)部溫度基本均勻，最大溫升速率可達10 ℃·min-1，最高溫度可達300 ℃，控溫精度為±1 ℃。采用截面尺寸為0.25 mm×0.15 mm的K 型熱電偶測量炸藥內(nèi)部以及約束殼體表面的溫度，熱電偶的測量溫度范圍為0～300 ℃；采用型號為NHR-8000 的無紙記錄儀對溫度進行采集，采樣頻率為1 s-1，記錄精度為1 ℃。使用耐高溫PDV 探頭對炸藥點火反應(yīng)后殼體速度進行測量，其正常工作溫度范圍為0～300 ℃。

1.3 實驗方法

實驗前將2 個藥柱分別安裝在2 個獨立的裝藥腔體內(nèi)，然后在其中一個炸藥表面安裝4 個K 型熱電偶，4 個熱電偶分別距炸藥中心0，3.2，6.4，9.6 mm，并在約束殼體外圓柱面的中心附近粘貼1 個相同型號及尺寸的K 型熱電偶，再將2 個裝藥腔體通過螺栓連接在一起裝配完成后，將整個實驗裝置放入高溫烘箱中，最后在距實驗裝置圓柱面約30 mm 位置布置1 個耐高溫PDV 探頭，用于測量炸藥點火反應(yīng)后殼體的速度。慢烤實驗測試布局示意圖見圖2 所示，實驗裝置、熱電偶、耐高溫PDV 探頭安裝完成后的實物圖見圖3所示。

圖2 慢烤實驗測試布局示意圖Fig.2 Measuring layout of slow cook-off test

圖3 慢烤實驗裝置實物照片F(xiàn)ig.3 Photo of slow cook-off test setup

2 發(fā)不同初始自由空腔體積率的PBX-3 炸藥慢烤實驗的溫升邊界條件相同，實驗時30 min 將高溫烘箱內(nèi)的空氣加熱至160 ℃，然后保溫45 min，使炸藥內(nèi)部溫度基本處于平衡狀態(tài)，再以0.8 ℃·min-1的溫升速率加熱至炸藥發(fā)生熱爆炸反應(yīng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 點火響應(yīng)

2 種不同初始自由空腔體積率的慢烤實驗中，安裝在距炸藥中心0，3.2，6.4，9.6 mm 以及殼體表面的熱電偶測得的溫度分別記為T1、T2、T3、T4 以及Ts，從加熱開始直至炸藥發(fā)生點火反應(yīng)，各測點溫度演變歷程見圖4 所示，2 種不同初始自由空腔體積率下炸藥均在中心區(qū)域首先發(fā)生點火反應(yīng)。

圖4 不同初始空腔體積下炸藥內(nèi)部溫度曲線Fig.4 Temperature-time curves inside of PBX-3 explosives with different initial cavity volume ratios

初始自由空腔體積率為7.4%時，炸藥內(nèi)部溫度在167 ℃時出現(xiàn)顯著的溫度平臺；當殼體溫度達到217 ℃后，炸藥內(nèi)部4 個測點溫度均超過約束殼體表面溫度；加溫時間9320 s 時炸藥發(fā)生點火反應(yīng)，此時約束殼體表面的溫度為224 ℃，炸藥內(nèi)部測點T1、T2、T3、T4 的溫度分別為230，229，228 ℃和226 ℃。初始自由空腔體積率為1.0%時，炸藥內(nèi)部未出現(xiàn)顯著的HMX 相變吸熱溫度平臺；當殼體溫度達到222 ℃后，炸藥內(nèi)部各測點溫度均超過約束殼體表面溫度；加溫時間9717 s 時炸藥發(fā)生點火反應(yīng)，此時約束殼體表面的溫度為232 ℃，炸藥內(nèi)部測點T1、T2、T3 和T4 的溫度分別為254，251，243 ℃和235 ℃。

對比2 種初始自由空腔體積率下炸藥內(nèi)部及殼體表面溫度可以看出，初始自由空腔體積率為1.0%時，慢烤實驗過程中炸藥內(nèi)部無明顯的HMX 相變吸熱溫度平臺，直至炸藥發(fā)生點火反應(yīng)，加溫時間更長，點火時刻約束殼體表面溫度更高、炸藥內(nèi)部整體溫度更高。

2.2 殼體速度

2 發(fā)不同初始自由空腔體積率的慢烤實驗中，PBX-3 炸藥點火反應(yīng)后，耐高溫PDV 探頭測得PBX-3炸藥點火反應(yīng)后的殼體徑向膨脹速度，以及通過速度積分獲得的殼體位移見圖5 所示。

圖5 不同初始自由空腔體積率下PBX-3 炸藥反應(yīng)后的殼體速度及位移Fig.5 Velocity and displacement-time curves of shell after explosive reaction with different initial cavity volume ratios

由圖5a 可以看出，初始自由空腔體積率為7.4%時，炸藥點火反應(yīng)初期，殼體速度緩慢增長，經(jīng)過數(shù)百微秒后達到最大值，約為30.5 m·s-1，然后速度突然下降到約0.5 m·s-1，而后又快速增長；當殼體速度達到最大時，殼體徑向位移約為2.2 mm。由圖5b 可以看出，初始自由空腔體積率為1.0%時，炸藥點火反應(yīng)后，殼體速度呈指數(shù)型快速增長，在48 μs 內(nèi)從0 增長到107 m·s-1，此時PDV 探頭損壞；當殼體速度達到最大值時，殼體徑向位移約為0.9 mm。

對比2 種初始自由空腔體積率下PBX-3 炸藥反應(yīng)后的殼體速度可以看出，當初始自由空腔體積率為1.0%時，殼體在更短的時間內(nèi)達到更高的速度，反應(yīng)烈度更高。

2.3 實驗裝置殘骸

2 發(fā)不同初始自由空腔體積率的慢烤實驗中，PBX-3 炸藥點火反應(yīng)后高溫烘箱殘骸見圖6 所示，實驗裝置殘骸及實驗輔助件均殘留高溫烘箱內(nèi)。初始自由空腔體積率7.4%時，高溫烘箱門被炸藥反應(yīng)產(chǎn)生的壓力推開，實驗測試輔助件以及高溫烘箱主體結(jié)構(gòu)保持完整，箱內(nèi)有少量見黑色痕跡，局部仍殘留有少量未反應(yīng)的炸藥粉末（圖6a）。初始自由空腔體積率1.0%時，高溫烘箱發(fā)生嚴重變形，箱壁有部分炸藥噴濺燃燒的痕跡（圖6b）。

2 發(fā)不同初始自由空腔體積率的慢烤實驗中，PBX-3 炸藥點火反應(yīng)后實驗裝置殘骸見圖7 所示。初始自由空腔體積率7.4%時，實驗裝置主體結(jié)構(gòu)保持完整，螺栓變形較小，螺母順利拆卸，炸藥點火反應(yīng)后的部分燃燒殘余物仍位于裝藥腔體內(nèi)（圖7a）。初始自由空腔體積率1.0%時，實驗裝置解體形成8 塊小破片和5 塊大破片，其中上半部分約束殼體頂部破裂成4 個破片，仍連接在螺栓上，下半部分約束殼體底部由于應(yīng)力集中被剪切成一個比較完整的圓孔，直徑約為Φ27 mm，螺栓嚴重變形呈彎曲狀態(tài)（圖7b）。

圖7 不同初始空腔容積比的試驗裝置殘骸Fig.7 Wreckage of test setups with different initial cavity volume ratios

對比2 發(fā)實驗后的高溫烘箱殘骸以及實驗裝置可看出，初始自由空腔體積率1.0%時，PBX-3 炸藥慢烤中心點火后形成的破壞力更強。初始自由空腔體積率7.4%時，炸藥點火反應(yīng)后約束殼體結(jié)構(gòu)基本完整；初始自由空腔體積率1.0%時，殼體嚴重破壞形成較小破片，點火后反應(yīng)更劇烈。

2.4 結(jié)果分析

根據(jù)2 發(fā)不同空腔體積率慢烤實驗中炸藥內(nèi)部的溫度歷程可看出，PBX-3 炸藥均在中心區(qū)域首先發(fā)生點火反應(yīng)。慢烤實驗過程中，初始自由空腔體積率為7.4%時炸藥內(nèi)部在167 ℃出現(xiàn)明顯的吸熱溫度平臺，而初始自由空腔體積率為1.0%時未出現(xiàn)明顯的吸熱溫度平臺，這是因為7.4%的初始自由空腔體積率為HMX 相變提供了體積膨脹空間，HMX 在該溫度下發(fā)生了較為充分的吸熱相變反應(yīng)；初始自由空腔體積率為1.0%時，高溫下炸藥熱膨脹使其受到的熱應(yīng)力較大，延緩了HMX 的相變進程，炸藥內(nèi)部因HMX 相變吸熱體現(xiàn)出來的溫度平臺就不明顯。直至慢烤點火反應(yīng)時刻，初始自由空腔體積率為7.4%時，慢烤加溫時間為9320 s，約束殼體表面溫度為224 ℃；初始自由空腔體積率為1.0%時，慢烤加溫時間為9717 s，約束殼體表面溫度為232 ℃；這是因為初始自由空腔體積率為1.0%時，HMX 相變進程較慢，其放熱分解反應(yīng)引起的熱量積累也就越慢，使得慢烤加溫時間更長。

根據(jù)2 發(fā)不同空腔體積率慢烤實驗中炸藥點火反應(yīng)后約束殼體的徑向運動速度歷程可看出，炸藥反應(yīng)后殼體速度是一個緩慢增長的過程，經(jīng)歷數(shù)十微秒甚至數(shù)百微秒達到最大值，呈典型的非沖擊點火反應(yīng)增長特征；從實驗后殼體殘骸可看出，即使炸藥在中心首先發(fā)生點火反應(yīng)，仍呈現(xiàn)出非對稱反應(yīng)演化特征，表明炸藥非沖擊點火反應(yīng)后的燃燒特征與正常爆轟顯著不同。

根據(jù)2 發(fā)不同空腔體積率慢烤實驗中PBX-3 炸藥點火反應(yīng)后約束殼體的運動速度、慢烤箱及實驗裝置殘骸分析判斷，初始自由空腔體積率為7.4%時PBX-3炸藥發(fā)生爆燃反應(yīng)；初始自由空腔體積率為1.0%時PBX-3 炸藥發(fā)生爆炸反應(yīng)，其反應(yīng)烈度更高。這是因為：初始自由空腔體積率為1.0%時，慢烤點火反應(yīng)時刻PBX-3 炸藥整體溫度更高，其熱損傷更嚴重；初始自由空腔體積率為1.0%時，高溫環(huán)境下炸藥承受的熱應(yīng)力更大，炸藥因應(yīng)力引起的損傷更嚴重，炸藥在中心區(qū)域首先發(fā)生點火反應(yīng)后，產(chǎn)生的高溫氣體向損傷炸藥的裂紋中傳播；初始自由空腔體積率為1.0%時，由于PBX-3 炸藥點火時刻受到的應(yīng)力更大，炸藥點火反應(yīng)初期產(chǎn)生的氣體不能及時逸出，導(dǎo)致炸藥中心壓力急劇增加，進一步增大了炸藥的燃燒速率，且燃燒產(chǎn)生的高溫氣體在更高的壓力下更容易進入微裂紋，使得炸藥點火后容易形成更強的對流燃燒，最終導(dǎo)致反應(yīng)烈度更高。

3 結(jié) 論

在相同約束強度和溫升速率下，針對初始自由空腔體積率為7.4%和1.0%的約束HMX 基PBX-3 炸藥開展了慢烤實驗，獲得了炸藥內(nèi)部溫度歷程、約束殼體膨脹速度歷程以及實驗裝置殘骸等點火響應(yīng)特征數(shù)據(jù)，從殼體速度、實驗裝置殘骸分析判斷，初始自由空腔體積率對約束PBX-3炸藥慢烤反應(yīng)烈度具有重要影響。

（1）初始自由空腔體積率為1.0%時，點火時刻約束殼體表面溫度更高、炸藥整體溫度更高；炸藥點火反應(yīng)后約束殼體破裂更嚴重，約束殼體速度更高、加速更快，PBX-3 炸藥反應(yīng)烈度更高。

（2）初始自由空腔體積率為1.0%時，炸藥點火反應(yīng)時整體溫度更高，其熱損傷更嚴重；慢烤高溫下炸藥承受的熱應(yīng)力更大，炸藥因應(yīng)力導(dǎo)致的損傷更嚴重；炸藥中心區(qū)域點火反應(yīng)產(chǎn)生的高溫氣體在較大的應(yīng)力作用下聚集形成更高的壓力，導(dǎo)致炸藥燃燒速率增加、高溫氣體進入微裂紋形成更強的對流燃燒，炸藥點火反應(yīng)后壓力增長速率更快；炸藥點火反應(yīng)時刻的損傷更嚴重，以及更大應(yīng)力作用下的中心區(qū)域點火反應(yīng)，可能是慢烤下初始自由空腔體積率為1.0%的約束PBX-3炸藥發(fā)生更高反應(yīng)烈度的原因。