損傷對DNAN基熔鑄炸藥點(diǎn)火后反應(yīng)增長的影響

楊 年,馬 騰,黃寅生,周寶晶,劉大斌,徐 森,2

(1.南京理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,江蘇 南京 210018;2.南京理工大學(xué) 民用爆破器材質(zhì)量監(jiān)督檢測中心,江蘇 南京 210018)

引 言

2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)是一種新型熔鑄炸藥載體,早在第二次世界大戰(zhàn)期間DNAN就與硝酸銨和1,3,5-三硝基-1,3,5-三嗪(RDX)一起制造Amatol-40炸藥,但由于其較低的爆炸能量,沒有引起當(dāng)時科研工作者的注意[1]。近些年來隨著不敏感彈藥的發(fā)展,DNAN因其良好的熔鑄特性、動力學(xué)惰性和熱穩(wěn)定性,可用于替代TNT生產(chǎn)不敏感熔鑄炸藥,DNAN又成為了國內(nèi)外研究熱點(diǎn)[2-8]。幾種以DNAN為載體的熔鑄炸藥(以下簡稱DNAN基熔鑄炸藥),例如PAX21、PAX41、PAX48;IMX-101、IMX-104等已由美軍開發(fā)完成并投入服役[9-10]。

Pelletier等[9-10]研究了IMX-104、PAX-48兩種DNAN基熔鑄炸藥的爆轟性能和子彈撞擊、慢速烤燃試驗(yàn)響應(yīng)特性,通過與B炸藥進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)IMX-104和PAX-48兩種炸藥部分爆轟特性參數(shù)約為B炸藥的80%～90%,但不敏感特性大大提高。Provatas等[11]開展了DNAN基熔鑄炸藥的老化研究,結(jié)果表明,DNAN基熔鑄炸藥老化性能優(yōu)于B炸藥。以上結(jié)果表明DNAN基熔鑄炸藥相較于傳統(tǒng)的TNT基熔鑄炸藥在犧牲一部分爆轟性能下提供的不敏感特性是十分顯著的,因此DNAN基熔鑄炸藥具有廣泛的發(fā)展前景。

目前,對DNAN基熔鑄炸藥的研究主要集中于配方設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝、性能評估和不敏感特性等,關(guān)于其點(diǎn)火后反應(yīng)增長特性的研究鮮見報(bào)道。國內(nèi)外對于炸藥的點(diǎn)火后反應(yīng)增長、燃燒演化和裂紋擴(kuò)展主要集中于RDX基和HMX基高能炸藥。Dickson等[12]采用高速攝影研究了PBX9501在小約束盤中烘烤后的反應(yīng),分析了反應(yīng)的點(diǎn)燃和傳播過程。結(jié)果表明,當(dāng)反應(yīng)開始時點(diǎn)火沿裂紋進(jìn)行擴(kuò)散,這些裂紋可有效將點(diǎn)火快速轉(zhuǎn)移到裝藥內(nèi)其他位置。Berghout等[13]發(fā)現(xiàn)在炸藥內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密的情況下,氣體只能從裂縫開口端逸出,燃燒以相對較低的速率在封閉的裂縫中擴(kuò)散,與裂縫外部的壓力無關(guān)。當(dāng)封閉端有另一條氣體逸出路徑時,燃燒以每秒數(shù)百米的速度通過裂縫擴(kuò)散。Son等[14]報(bào)告了PBX9501的火焰蔓延實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在垂直方向上,觀察到火焰向下傳播略快于水平火焰?zhèn)鞑?拐角和粗糙表面也將影響火焰?zhèn)鞑ニ俣?。密閉容器中炸藥燃燒過程不利于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察,Smilowitz等[15-18]利用質(zhì)子照相技術(shù)和原位閃光X射線成像技術(shù),觀察HMX基炸藥層流和對流燃燒過程。結(jié)果表明,點(diǎn)火前熱損傷、點(diǎn)火后熱損傷、對流加熱和約束條件共同影響燃燒反應(yīng)烈度。Jackson等[19]分析了預(yù)置裂紋的高能炸藥燃燒演化實(shí)驗(yàn),不考慮黏性和摩擦阻力,將氣體流動簡化為一維等熵流動,提出了氣動壅塞理論。

中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展了大量有關(guān)高能炸藥裂紋與燃燒演化的研究。約束條件下某PBX在不同寬度預(yù)置裂縫中燃燒演化實(shí)驗(yàn)中,裂縫越寬,對流燃燒產(chǎn)生的峰值壓力越低,燃燒波陣面?zhèn)鞑ニ俣仍娇靃20];在炸藥裂縫中的對流燃燒現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)裂縫寬度越大,裝置解體前燃燒產(chǎn)生的峰值壓力越低,對流燃燒傳播速度越快[21];在HMX基PBX炸藥燃燒產(chǎn)物驅(qū)動裂紋動態(tài)擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)中,由于PBX炸藥存在較強(qiáng)的細(xì)觀非均勻性,導(dǎo)致燃燒過程裂紋擴(kuò)展路徑存在差異,但裂紋擴(kuò)展速度基本一致[22]。段卓平等[23]建立了可以量化反應(yīng)烈度的強(qiáng)約束固體炸藥燃燒裂紋網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)演化模型,結(jié)果表明裝藥結(jié)構(gòu)尺寸越大,炸藥反應(yīng)初期高溫產(chǎn)物氣體流動和表面燃燒導(dǎo)致裂紋增壓擴(kuò)展過程的時間越長。

DNAN基熔鑄炸藥在生產(chǎn)、運(yùn)輸和貯存過程中,受機(jī)械刺激或高低溫刺激容易產(chǎn)生微觀損傷和結(jié)構(gòu)損傷。本研究針對DNAN基熔鑄炸藥在生產(chǎn)、運(yùn)輸和貯存過程中可能受到的刺激,采用擠壓和高溫環(huán)境刺激等方法,獲得了5種不同損傷的DNAN基熔鑄炸藥樣品,通過CT和SEM試驗(yàn),表征、量化了損傷程度,并對DNAN基熔鑄炸藥開展了點(diǎn)火及點(diǎn)火后反應(yīng)增長試驗(yàn)研究。分析了損傷對DNAN基熔鑄炸藥點(diǎn)火后反應(yīng)增長的影響,加深對熔鑄炸藥點(diǎn)火后反應(yīng)增長特性的認(rèn)識,為彈藥的安全生產(chǎn)、使用等提供理論支撐。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品

本實(shí)驗(yàn)所用樣品為條狀DNAN基熔鑄炸藥,樣品呈灰綠色,尺寸為15mm×10mm×100mm,密度為1.872g/cm3,由HMX、DNAN和Al組成,各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為35%、40%和25%。

點(diǎn)火藥為粒狀發(fā)射藥,平均藥粒直徑為1.3mm,主要成分為硝化棉,其中溶解少量二苯酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～2%)、硝酸鉀(≤0.2%)和石墨(≤0.9%)。

1.2 損傷的預(yù)置

試驗(yàn)中為了產(chǎn)生隨機(jī)的5種損傷,采用萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)(WAW-1000J)與高低溫試驗(yàn)箱(EXCAL 2221-HE)模擬樣品在擠壓、高溫刺激后的損傷。樣品1為原樣,樣品2～5為模擬不同環(huán)境刺激后的樣品。在CT(俄羅斯莫斯科探傷有限公司BT-400型工業(yè)CT)下獲得樣品1～5的結(jié)構(gòu)損傷圖像。

CT從觀測面(10mm×100mm)表征了樣品的結(jié)構(gòu)損傷。運(yùn)用圖像處理軟件將樣品CT圖像進(jìn)行處理,對圖像中的裂紋進(jìn)行高亮處理,而后轉(zhuǎn)變?yōu)榛叶葓D像,處理后樣品CT結(jié)果如圖1所示。樣品1結(jié)構(gòu)完好,沒有裂紋;樣品2具有數(shù)條長度、寬度均不規(guī)則的裂紋,裂紋為左右走向,裂紋的最大寬度在100μm;樣品3具有1條主裂紋及3條短裂紋,主要集中在樣品左端,最大寬度在200μm;樣品4具有數(shù)條長度與形狀均不規(guī)則的裂紋,裂紋最大寬度約50μm;樣品5具有1條連貫的左右走向的最大寬度在350μm左右的裂紋和2條較窄的左右走向裂紋。計(jì)算得出樣品裂紋最大寬度(lMax:裂紋最大寬度像素點(diǎn)個數(shù)×單個像素點(diǎn)對應(yīng)尺寸)和損傷程度(δ:損傷面積的像素點(diǎn)個數(shù)占CT圖像像素點(diǎn)總個數(shù)的比)。具體結(jié)果見表1。

表1 DNAN基熔鑄炸藥的損傷程度Table 1 Damage degree of DNAN based melt-cast explosive

圖1 樣品的CT結(jié)果圖Fig.1 CT images of samples

DNAN基熔鑄炸藥在高溫刺激后可能會形成微觀損傷,為了分析和表征其微觀損傷特性,取部分樣品1和樣品4采用掃描電子顯微鏡(JSM-7800F PRIME)獲得它們的微觀結(jié)構(gòu),結(jié)果見圖2。

圖2 樣品1和樣品4的SEM圖Fig.2 SEM images of sample 1 and sample 4

DNAN基熔鑄炸藥在高溫環(huán)境刺激下會形成微觀損傷。對比樣品1與樣品4的SEM圖,高溫環(huán)境刺激后的樣品DNAN熔鑄基體出現(xiàn)了數(shù)條裂紋的微觀損傷,裂紋寬度為0.5μm～1μm,如圖2(a)和(c)所示。原樣與高溫環(huán)境刺激后的樣品DNAN熔鑄基與HMX包覆依然良好,如圖2(b)和(d)所示。

1.3 點(diǎn)火后反應(yīng)增長試驗(yàn)

點(diǎn)火后反應(yīng)增長試驗(yàn)中選用的點(diǎn)火藥為粒狀發(fā)射藥,粒狀發(fā)射藥燃燒速度快,試驗(yàn)中假設(shè)點(diǎn)火后粒狀發(fā)射藥完全燃燒而后引燃DNAN基熔鑄炸藥。點(diǎn)火后反應(yīng)增長試驗(yàn)反應(yīng)容器如圖3所示。

反應(yīng)容器接口包括點(diǎn)火腔、點(diǎn)火極柱、裝藥槽、密封槽和壓力傳感器接口等。將DNAN基熔鑄炸藥與容器壁接觸處涂滿高壓密封硅脂,裝入反應(yīng)容器中。樣品一端與點(diǎn)火腔連接,點(diǎn)火腔容積為27.9mL,另一端使用鋼條固定,反應(yīng)容器設(shè)置有機(jī)玻璃板的透明窗口作為觀察窗,同時使用帶觀測孔的蓋板壓實(shí),確保樣品燃燒后氣體產(chǎn)物由裝藥槽向左右兩端流動,不會向四周逸散,形成定向的氣體流動,模擬裝藥約束條件。

試驗(yàn)開始前,啟動電荷放大器(kistler 5064D)、數(shù)據(jù)采集儀(TraNET 204S8)、高速相機(jī)(PHANTOM V1212, 1028×208, 20000FPS)和激光發(fā)射器,讓它們處于“on”的狀態(tài)。試驗(yàn)開始時,啟動點(diǎn)火器同時激發(fā)粒狀發(fā)射藥和示波器(Tektronix TDS2024C)。點(diǎn)燃粒狀發(fā)射藥創(chuàng)造一個高溫高壓的初始點(diǎn)火條件;被激發(fā)的示波器發(fā)出一個5V的電壓信號激發(fā)高速相機(jī)、數(shù)據(jù)采集儀和激光發(fā)射器,使整個系統(tǒng)時間同步(誤差在3～5μs)。激光發(fā)射器發(fā)射高頻單色光(520nm),屏蔽炸藥反應(yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)光。高速相機(jī)加裝520nm單色光透鏡,用于記錄樣品反應(yīng)增長過程火焰擴(kuò)散,壓力測試系統(tǒng)記錄反應(yīng)過程容腔內(nèi)的壓力變化,試驗(yàn)流程圖如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)流程圖Fig.4 Schematic of experimental setup

2 結(jié)果與討論

2.1 點(diǎn)火后反應(yīng)增長燃燒演化

高速相機(jī)拍攝到樣品1～5點(diǎn)火后反應(yīng)增長演化過程圖像,如圖5所示。

由圖5可知,樣品1中 DNAN基熔鑄炸藥內(nèi)部結(jié)構(gòu)完好,沒有裂紋,反應(yīng)產(chǎn)物主要沿著炸藥與容器壁薄弱處進(jìn)行傳播,燃燒反應(yīng)前期炸藥內(nèi)部未出現(xiàn)著火點(diǎn);樣品2具有數(shù)條長度、寬度均不規(guī)則且左右走向的裂紋,裂紋的最大寬度約100μm,樣品3的左端集中有1條主裂紋及3條短裂紋,最大寬度在200μm;樣品5具有1條連貫的、左右走向的、最大寬度在350μm左右的裂紋和2條較窄的左右走向裂紋。因此,在樣品2、樣品3和樣品5中,反應(yīng)產(chǎn)物不但沿著炸藥與容器壁薄弱處進(jìn)行傳播,同時沿著炸藥內(nèi)部規(guī)則的裂縫形成反應(yīng)產(chǎn)物流動通道(如圖中紅色虛線圈所示),炸藥內(nèi)部在點(diǎn)火后不久就出現(xiàn)了著火點(diǎn),且裂縫越大,著火點(diǎn)的擴(kuò)展速度越快。樣品4具有數(shù)條長度與形狀均不規(guī)則的裂紋,裂紋最大寬度在50μm左右。由于內(nèi)部裂紋較小,且沒有規(guī)則的方向,前期反應(yīng)產(chǎn)物主要也是沿著炸藥與容器壁薄弱處進(jìn)行傳播,但當(dāng)反應(yīng)產(chǎn)物傳播至樣品中部(如圖中紅色虛線圈標(biāo)注),樣品內(nèi)部薄弱處被引燃,出現(xiàn)新的著火點(diǎn)并不斷擴(kuò)大,切割樣品。

樣品1中,10.55～45ms火焰前沿在樣品左端向右端擴(kuò)散,在45ms時氣體透過間隙傳播到樣品最右端并持續(xù)加熱出現(xiàn)了小的著火點(diǎn),175ms時樣品右端著火點(diǎn)擴(kuò)大。在10.55～260ms燃燒主要為傳導(dǎo)燃燒,火焰面擴(kuò)展緩慢。260～275ms時,火焰面擴(kuò)展加速,燃燒產(chǎn)生的氣體沿著反應(yīng)槽向左右兩端快速擴(kuò)散。點(diǎn)火290ms后,燃燒產(chǎn)生的氣體不但沿著反應(yīng)槽向左右兩端快速擴(kuò)散,同時還會在樣品縫隙間上下流動(圖5(a)中290ms所示),燃燒進(jìn)入對流燃燒階段。至305ms時火焰完全覆蓋觀測面。樣品2中,9.65ms樣品左端內(nèi)部火焰沿著裂縫擴(kuò)散。14.25ms樣品右端出現(xiàn)著火點(diǎn),而后火焰沿著縫隙不斷擴(kuò)展。在9.631～19.535ms時,燃燒氣體產(chǎn)物主要由樣品左端向右端流動。19.535ms后樣品左端和樣品右端壓力相同,樣品反應(yīng)產(chǎn)物不再單向地由樣品左端向右端擴(kuò)散,而是沿槽向左右兩端擴(kuò)散,在34ms后由于灰色固體的遮擋無法繼續(xù)觀察火焰發(fā)展過程。

樣品3中,12ms樣品右端出現(xiàn)著火點(diǎn),14ms樣品左端樣品中部火焰沿著裂縫擴(kuò)散。而后火焰沿著裂紋不斷擴(kuò)展。9.570ms后樣品左端和樣品右端壓力相同,26ms后樣品內(nèi)部裂紋火焰燃燒路徑不斷擴(kuò)大,在32ms后火焰覆蓋觀測窗。樣品4中,火焰前沿并未在某個時間到達(dá)樣品右端,而是在25.15ms時在樣品的中間某一部分點(diǎn)火,而后火焰不斷擴(kuò)展。在45ms后火焰覆蓋觀測窗。樣品5沒有緩慢燃燒階段,火焰前沿沿著裂紋在10.05ms時快速到達(dá)樣品右端,而后火焰不斷擴(kuò)展,在22ms后火焰覆蓋觀測窗。

在樣品1中,由于樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密,火焰無法在內(nèi)部形成著火點(diǎn),故而燃面主要沿著樣品左端、右端和樣品與容器接觸面形成著火點(diǎn),進(jìn)而擴(kuò)展形成劇烈燃燒。且反應(yīng)增長過程氣體主要為左右向流動,到290ms時才會出現(xiàn)上下擾動。在樣品出現(xiàn)微觀損傷及不規(guī)則小型裂紋時(樣品4),內(nèi)部結(jié)構(gòu)依然較為致密,燃燒產(chǎn)物在壓力推動下沿著樣品左端和樣品與容器接觸面形成著火點(diǎn),火焰擴(kuò)展過程中在樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)薄弱處形成新的著火點(diǎn),并不斷擴(kuò)大在中部形成了較大的燃燒面,而后向左向右擴(kuò)散,40ms時出現(xiàn)明顯上下擾動的氣流。在炸藥內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密的情況下,氣體只能從裂縫開口端逸出即燃燒產(chǎn)物只向左擴(kuò)散,燃燒以相對較低的速率擴(kuò)散[13]。

在具有較大損傷的炸藥中(樣品2、3和5),炸藥內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了裂紋,燃面將沿著樣品左端、損傷和樣品與容器接觸面形成著火點(diǎn),而后擴(kuò)散,反應(yīng)增長過程氣體不再為單獨(dú)的左右向流動,反應(yīng)產(chǎn)物的流動方向更加多樣性,且分別在35、28和20ms時出現(xiàn)明顯上下擾動的氣流。如圖5中樣品2、3和4紅色虛線標(biāo)注所示,點(diǎn)火沿裂紋進(jìn)行擴(kuò)散,這些裂紋可有效地導(dǎo)致點(diǎn)火快速轉(zhuǎn)移到裝藥內(nèi)其他位置。當(dāng)樣品有另一條燃燒氣體逸出路徑時,燃燒以每秒數(shù)百米的速度通過裂縫擴(kuò)散[13],且裂縫越寬,對流燃燒產(chǎn)生的峰值壓力越低,燃燒波陣面?zhèn)鞑ニ俣仍娇靃20]。

在DNAN基熔鑄炸藥中著火點(diǎn)的反應(yīng)產(chǎn)物,總是沿著炸藥與容器壁之間和炸藥內(nèi)部之間的薄弱部分進(jìn)行快速傳播。損傷的出現(xiàn)將影響火焰面的擴(kuò)散過程,一方面裂縫提供了更多的氣體流動通道,加快了燃燒氣體擴(kuò)散速率,容易出現(xiàn)更多的著火點(diǎn),在大量新的著火點(diǎn)的出現(xiàn)又進(jìn)一步切割、分解了樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu),破壞熔鑄炸藥內(nèi)部緊密結(jié)構(gòu),形成湍流燃燒流動,進(jìn)一步加劇了燃燒劇烈程度,減少了燃燒持續(xù)時間。

2.2 點(diǎn)火后反應(yīng)增長容器內(nèi)壓力變化

圖6為樣品1～5點(diǎn)燃后反應(yīng)增長過程的時間—壓力曲線。由圖6可知,試驗(yàn)開始粒狀發(fā)射藥首先被點(diǎn)燃,粒狀發(fā)射藥燃燒一段時間后反應(yīng)容器內(nèi)點(diǎn)火端壓力達(dá)到最大。達(dá)到最大壓力后容器內(nèi)壓力開始下降,壓力下降一段時間后會出現(xiàn)拐點(diǎn)。拐點(diǎn)的出現(xiàn)說明DNAN基熔鑄炸藥被粒狀發(fā)射藥燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體點(diǎn)燃,DNAN基熔鑄炸藥燃燒產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物,導(dǎo)致時間—壓力曲線產(chǎn)生拐點(diǎn)。本研究將從粒狀發(fā)射藥燃燒壓力最大點(diǎn)時間至樣品被點(diǎn)燃的時間定義為點(diǎn)火延滯(T)時間。不同裂紋對DNAN基熔鑄炸藥燃燒點(diǎn)火的點(diǎn)火延滯時間分別為1.394、1.054、1.275、1.069和0.909ms。

圖6 樣品1～5時間—壓力曲線和dP/dT曲線Fig.6 The time—pressure curves and dP/dT curves of sample 1—5

在樣品1中,DNAN基熔鑄炸藥9.910ms后被點(diǎn)燃,壓力先緩慢下降而后緩慢上升,持續(xù)240.052ms,在這期間壓力傳感器A(圖4中Pressure sensor A)的壓力大于壓力傳感器B(圖4中Pressure sensor B)的壓力,氣體主要從左端向右端流動。在樣品2中,DNAN基熔鑄炸藥9.631ms后被點(diǎn)燃,開始緩慢燃燒,該階段壓力變化不大,A的壓力大于B的壓力,持續(xù)9.904ms,氣體主要從左端向右端流動,擴(kuò)散過程由壓力控制,19.535ms之后A的壓力等于B的壓力。在樣品3中,DNAN基熔鑄炸藥9.270ms后被點(diǎn)燃,9.270～15.730ms為緩慢燃燒階段,該階段壓力先緩慢下降而后緩慢上升,持續(xù)6.160ms,9.270ms后A的壓力等于B的壓力。在樣品4中,DNAN基熔鑄炸藥9.585ms后被點(diǎn)燃,9.585～32.503ms為緩慢反應(yīng)階段,持續(xù)22.918ms,9.585ms后A的壓力等于B的壓力。在樣品5中,9.503ms被點(diǎn)燃后沒有出現(xiàn)緩慢反應(yīng)階段,壓力拐點(diǎn)出現(xiàn)后A的壓力等于B的壓力。

在樣品1～5中,最大壓力增長率分別為2.17、4.56、5.67、13.67和5.23MPa/ms;最大壓力分別為122.34、99.42、90.09、116.73和83.34MPa;燃燒持續(xù)時間分別為293.462、31.669、20.917、32.549和14.241ms。

2.3 損傷對點(diǎn)火延滯時間的影響

裂紋對DNAN炸藥燃燒點(diǎn)火的影響由點(diǎn)火延滯時間來表征。裂紋對樣品1～5的點(diǎn)火延滯時間結(jié)果如表2所示。由表2可知,具有5種不同裂紋的DNAN基熔鑄炸藥點(diǎn)火延滯時間隨裂紋的增加緩慢減小,在0.9～1.5ms之間,樣品3除外但并不影響規(guī)律。5種DNAN基熔鑄炸藥點(diǎn)火延滯時間平均值為1.140ms,方差和標(biāo)準(zhǔn)差值分別為0.030和0.172,可以看出損傷將減少DNAN基熔鑄炸藥點(diǎn)火延滯時間,但對其影響較小,即損傷對點(diǎn)火階段的影響較小。

表2 不同樣品的點(diǎn)火延滯時間Table 2 Ignition delay time of different samples

這一結(jié)果形成的原因是多方面的,一方面點(diǎn)火延滯時間是采用壓力測試結(jié)果間接進(jìn)行評估的,壓力對于點(diǎn)火延滯時間具有一定的滯后性。另一方面點(diǎn)火延滯時間受到樣品種類、點(diǎn)火溫度、點(diǎn)火壓力等因素的綜合影響。在初始點(diǎn)火壓力、初始點(diǎn)火溫度大致相同的條件下,影響點(diǎn)火延滯時間的主要因素為樣品種類,故而損傷可以減少DNAN基熔鑄炸藥點(diǎn)火延滯時間,但影響幅度較小,且點(diǎn)火延滯時間只具有定性作用。

2.4 損傷對緩慢燃燒階段的影響

DNAN炸藥點(diǎn)火后,粒狀發(fā)射藥和DNAN基熔鑄炸藥反應(yīng)產(chǎn)生的壓力差推動反應(yīng)產(chǎn)物從左向右擴(kuò)散,反應(yīng)進(jìn)入緩慢反應(yīng)階段。該階段燃燒前沿主要在樣品左端,前沿和炸藥與容器壁間薄弱處擴(kuò)展緩慢,如圖5中樣品1和樣品4點(diǎn)火后反應(yīng)增長演化圖像。在緩慢反應(yīng)階段,壓力呈緩慢下降或緩慢上升并維持一段時間,該時間為緩慢燃燒持續(xù)時間。損傷對DNAN基熔鑄炸藥燃燒點(diǎn)火的影響由緩慢反應(yīng)時間和緩慢反應(yīng)演化圖像來表征。圖7為損傷對DNAN基熔鑄炸藥點(diǎn)火后緩慢反應(yīng)持續(xù)時間的影響關(guān)系曲線。

圖7 δ與緩慢反應(yīng)時間的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between δ and slow reaction time

如圖7所示,當(dāng)損傷出現(xiàn)時(0.44%),緩慢反應(yīng)持續(xù)時間快速減少,變?yōu)闆]有損傷時的1/10(22.918/240.052)左右。然后隨著損傷加劇(0.62%、1.26%和6.05%),緩慢反應(yīng)持續(xù)時間繼續(xù)減少,但減少幅度變小。試驗(yàn)結(jié)果表明炸藥結(jié)構(gòu)損傷的出現(xiàn)極大影響了DNAN基熔鑄炸藥點(diǎn)火后緩慢反應(yīng)狀況,縮短了緩慢反應(yīng)持續(xù)時間,隨著損傷程度的增加,DNAN基熔鑄炸藥緩慢反應(yīng)持續(xù)時間先劇烈變化而后緩慢變化,并趨向于0。在有較大(≥6.05%)損傷程度的DNAN基熔鑄炸藥中,其點(diǎn)火后將直接跳過緩慢反應(yīng)階段,進(jìn)入快速反應(yīng)階段。

2.5 損傷對反應(yīng)烈度的影響

DNAN基熔鑄炸藥在緩慢反應(yīng)后,進(jìn)入快速反應(yīng)階段。該階段燃燒由單一的傳導(dǎo)燃燒變?yōu)閺?fù)雜的傳導(dǎo)/湍流混合燃燒或湍流燃燒,DNAN基熔鑄炸藥反應(yīng)速率加快,容器內(nèi)壓力急劇上升,出現(xiàn)最大反應(yīng)壓力(Pm)、最大壓力變化率(ηm),并影響了DNAN基熔鑄炸藥的反應(yīng)持續(xù)時間(t),如表3所示。

表3 δ與反應(yīng)持續(xù)時間、最大壓力和最大壓力變化率關(guān)系Table 3 Relationship between δ and reaction time, maximum pressure and maximum pressure change rate

當(dāng)損傷程度為0.44%時,DNAN基熔鑄炸藥主要是微觀損傷,和尺寸較小的結(jié)構(gòu)損傷,點(diǎn)火進(jìn)入快速燃燒階段后出現(xiàn)最大壓力變化率13.67MPa/ms。隨著損傷程度的增加最大壓力變化率逐漸減少,但仍大于未損傷樣品的最大壓力變化率2.17MPa/ms。Son等[14]研究了具有80μm裂紋的PBX9501炸藥點(diǎn)火后反應(yīng)增長過程,測得最大壓力為680MPa,最大壓力變化率為10000MPa/ms,反應(yīng)烈度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于具有損傷的DNAN基熔鑄炸藥,點(diǎn)火后反應(yīng)增長的反應(yīng)烈度主要為燃燒而沒有轉(zhuǎn)化為爆燃或像高能炸藥一般發(fā)生爆炸。

燃燒持續(xù)時間隨著DNAN炸藥損傷程度的增加而減短,表明DNAN不敏炸藥在快速燃燒階段,損傷的出現(xiàn)增加了著火點(diǎn)數(shù)量和燃燒面積,加快了炸藥的整體燃燒速率,因而大大縮短了燃燒持續(xù)時間。這與尚海林等[21]試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)的裂縫寬度越大,裝置解體前燃燒產(chǎn)生的峰值壓力越低,對流燃燒傳播速度越快相符合。若是在密閉環(huán)境中發(fā)生意外點(diǎn)火,將縮短應(yīng)急響應(yīng)時間,事故得不到充分的時間處理,更容易造成事故。但容器內(nèi)最大壓力隨著損傷程度的增加而減小,表明裂紋減小了DNAN基熔鑄炸藥點(diǎn)火后反應(yīng)烈度的大小,在密閉裝置中炸藥損傷的出現(xiàn)反而降低了容器內(nèi)的最大壓力,降低了危險(xiǎn)程度。

損傷對DNAN炸藥點(diǎn)火后最大壓力變化率的影響是先增大后減小,壓力變化率表征了炸藥反應(yīng)不穩(wěn)定的狀況,壓力變化率越大,炸藥反應(yīng)越不穩(wěn)定,炸藥反應(yīng)響應(yīng)程度將由燃燒轉(zhuǎn)化為爆燃甚至爆炸。因此炸藥損傷提高了炸藥點(diǎn)火后反應(yīng)增長過程的不穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

(1)針對損傷對DNAN基熔鑄炸藥點(diǎn)火后反應(yīng)增長的影響,采用單色光屏蔽技術(shù)結(jié)合高速攝影、壓力測試等技術(shù)對DNAN基熔鑄炸藥點(diǎn)火后反應(yīng)增長過程開展了試驗(yàn)研究,獲得DNAN基熔鑄炸藥點(diǎn)火后反應(yīng)增長演化圖像和容器內(nèi)壓力變化特性參數(shù),DNAN基熔鑄炸藥點(diǎn)火及點(diǎn)火后反應(yīng)增長主要分為3個階段,分別為點(diǎn)火階段、緩慢反應(yīng)階段和快速反應(yīng)階段。

(2)損傷的出現(xiàn)影響DNAN基熔鑄炸藥火焰燃燒面的擴(kuò)展過程。由于DNAN基熔鑄炸藥內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密,沒有裂紋時反應(yīng)產(chǎn)物主要沿著炸藥與容器之間傳播。裂紋的出現(xiàn)提供了更多的氣體流動通道,在DNAN基熔鑄炸藥炸藥內(nèi)部出現(xiàn)更多著火點(diǎn)。著火點(diǎn)的出現(xiàn)進(jìn)一步切割、分解了樣品,改變了炸藥內(nèi)部緊密的結(jié)構(gòu),加速了燃燒擴(kuò)散,改變了燃燒特性,縮短了反應(yīng)持續(xù)時間。

(3)5組樣品的點(diǎn)火延滯時間隨損傷程度的增加而減少,樣品3除外。5組樣品的點(diǎn)火延滯時間平均值為1.140ms,差距不大,損傷對DNAN基熔鑄炸藥點(diǎn)火階段的影響較小。

(4)DNAN基熔鑄炸藥損傷的出現(xiàn)縮短了緩慢反應(yīng)持續(xù)時間,損傷程度對緩慢反應(yīng)階段有較大影響。隨著損傷程度的增加,DNAN基熔鑄炸藥緩慢反應(yīng)持續(xù)時間先迅速減小而后緩慢減小,并趨向于0,較大損傷程度(≥6.05%)的樣品點(diǎn)火后反應(yīng)增長將越過緩慢反應(yīng)階段,快速進(jìn)入快速反應(yīng)階段。

(5)隨著DNAN基熔鑄炸藥損傷程度的增加,減少了燃燒持續(xù)時間,即縮短了事故應(yīng)急響應(yīng)時間,更易形成事故;但容器內(nèi)最大反應(yīng)壓力卻減少了,降低了反應(yīng)烈度,降低危險(xiǎn)程度。炸藥損傷的出現(xiàn)提高了DNAN基熔鑄炸藥最大壓力變化率,即提高了反應(yīng)的不穩(wěn)定性,反應(yīng)烈度更容易由低等級的燃燒轉(zhuǎn)化為高等級的爆燃或爆炸等。且在試驗(yàn)中,具有微觀、無規(guī)則結(jié)構(gòu)損傷的樣品4中具有最大壓力變化率13.67MPa/ms,反應(yīng)不穩(wěn)定性最大。