約束對(duì)DNAN基熔鑄炸藥點(diǎn)火反應(yīng)特性的影響

馬 騰,董小麗,楊 年,劉靜平,羅一民,徐 森,,劉大斌,萬(wàn) 敏

(1.南京理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院,江蘇 南京 210094;2.南京理工大學(xué) 發(fā)射動(dòng)力研究所,江蘇 南京 210094;3.國(guó)家民用爆破器材質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心,江蘇 南京 210094;4.青島海關(guān)技術(shù)中心,山東 青島 266599)

引 言

2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)作為炸藥,最早出現(xiàn)于第二次世界大戰(zhàn),DNAN的感度和黏度均顯著低于TNT,純度達(dá)到99.8%,是一種替代TNT的高安全性載體炸藥[1]。DNAN基熔鑄炸藥不僅提高了戰(zhàn)斗部長(zhǎng)期貯存性能和裝藥工藝性,而且具有良好的安定性,提高了戰(zhàn)場(chǎng)上的生存能力[2]。DNAN作為一種新型不敏感熔鑄載體,以其為載體的熔鑄炸藥受到國(guó)內(nèi)外的高度關(guān)注[3]。例如美國(guó)Picatinny Arsenal公司按照鈍感彈藥標(biāo)準(zhǔn)研制了以DNAN為熔鑄載體的PAX系列新型熔鑄炸藥[4]。自2005年開(kāi)始,美國(guó)又在“通用低成本不敏感炸藥”項(xiàng)目的支持下推出以DNAN為熔鑄載體的IMX系列熔鑄炸藥[5]。對(duì)于DNAN基熔鑄炸藥,目前研究主要重點(diǎn)集中在配方、工藝和能量輸出特性方面[1,3,6-7],很少看到關(guān)于DNAN基熔鑄炸藥點(diǎn)火后反應(yīng)特性方面研究的相關(guān)報(bào)道。

含能材料在生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用過(guò)程中對(duì)外界刺激存在固有的敏感性,在加熱、碎片撞擊、火花和摩擦刺激下會(huì)導(dǎo)致意外點(diǎn)火。炸藥在點(diǎn)火后續(xù)反應(yīng)與炸藥性質(zhì)、約束條件以及點(diǎn)火條件相關(guān),與沖擊起爆相比,反應(yīng)涉及過(guò)程復(fù)雜,烈度演化走向不確定,最為嚴(yán)重的可導(dǎo)致爆轟反應(yīng)[8]。1959年A. Macek[9]采用應(yīng)變計(jì)和電離式探針研究了鑄裝HMX炸藥的點(diǎn)火過(guò)程,提出了經(jīng)典的“一維假定”下的波聚合物理模型,認(rèn)為被點(diǎn)燃的炸藥不斷產(chǎn)生的應(yīng)力波在炸藥柱中傳播,經(jīng)過(guò)一段距離后在炸藥內(nèi)部匯聚成了沖擊波,對(duì)波陣面前未反應(yīng)炸藥進(jìn)行沖擊起爆,從而發(fā)生了燃燒轉(zhuǎn)爆轟(Deflagration to Detonation Transition, DDT),得到在從炸藥點(diǎn)火至發(fā)生爆轟存在一定長(zhǎng)度的誘導(dǎo)距離。在之后的幾十年中,國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)炸藥點(diǎn)火后反應(yīng)進(jìn)行了研究,并取得了一定的進(jìn)展[10]。約束條件是影響炸藥點(diǎn)火后反應(yīng)特性的重要影響因素。F. Leuret等[11]研究了不同約束條件下壓裝高密度炸藥的DDT過(guò)程。結(jié)果表明在強(qiáng)約束條件下才有可能發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟現(xiàn)象。代曉淦等[12]研究了10mm和20mm約束條件下對(duì)PBX-2炸藥DDT過(guò)程的影響,結(jié)果表明約束條件對(duì)誘導(dǎo)爆轟距離有明顯影響。

本研究開(kāi)展了不同約束條件下DNAN基熔鑄炸藥單端點(diǎn)火試驗(yàn)及爆轟試驗(yàn),通過(guò)設(shè)置驗(yàn)證板和沖擊波超壓傳感器,綜合判斷炸藥的反應(yīng)特性。通過(guò)對(duì)比點(diǎn)火試驗(yàn)與沖擊起爆產(chǎn)生的沖擊波超壓,基于爆炸相似律估算點(diǎn)火試驗(yàn)中等效反應(yīng)藥量,探究約束條件對(duì)DNAN基熔鑄炸藥反應(yīng)特性的影響,以期為炸藥安全防護(hù)措施的設(shè)定提供初步的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 樣 品

DNAN基熔鑄炸藥由質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%DNAN、40%HMX、30%Al粉組成,試驗(yàn)所需炸藥均采用熔鑄工藝,即將高能炸藥固相顆粒(HMX)加入到熔融態(tài)炸藥基質(zhì)(DNAN)中形成懸浮液,鑄裝到模具中,冷卻凝固成型[2]。鑄裝過(guò)程中,通過(guò)震動(dòng)、抽真空等措施控制炸藥缺陷,炸藥密度為1.872g/cm3。長(zhǎng)度1000mm、內(nèi)徑40mm的鋼管實(shí)際裝藥量為(2300±10)g。

1.2 試驗(yàn)裝置

圖1為試驗(yàn)裝置示意圖。該試驗(yàn)裝置主要由鋼管、點(diǎn)火系統(tǒng)及端蓋組成。試驗(yàn)前,將被測(cè)炸藥裝藥熔鑄于無(wú)縫鋼管中,材料為45#鋼。鋼管一端通過(guò)螺帽與點(diǎn)火系統(tǒng)相連,另一端則通過(guò)螺帽與端蓋相連。為防止端頭被沖出導(dǎo)致反應(yīng)中斷,螺紋高度設(shè)計(jì)為60mm,分別設(shè)計(jì)了4、10、20、30、40及50mm壁厚的鋼管。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 A diagram of the configuration

1.3 試驗(yàn)布局及方法

為了測(cè)試爆炸物響應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的地面反射超壓,壓力傳感器選用美國(guó)PCB公司生產(chǎn)的112A系列產(chǎn)品,傳感器最大測(cè)試量程為3.45MPa,采樣頻率選取1MHz。由于爆炸中心附近波系反射復(fù)雜,通常將超壓傳感器布置于馬赫反射區(qū)[13]。超壓傳感器埋設(shè)于防護(hù)鐵墩中,鐵墩上表面與地面平齊,鐵墩間隔1m呈直線(xiàn)排布,各中心距爆心分別為2.5、3.5、4.5及5.5m,圖2為沖擊波超壓傳感器布置圖。

圖2 沖擊波超壓測(cè)試傳感器布置圖Fig.2 Shock wave overpressure test sensor layout scheme

1.4 測(cè)試方法

試驗(yàn)樣品實(shí)物如圖3所示,試驗(yàn)裝置垂直放置于支撐木架上,木架下方放置8mm厚的45#鋼制驗(yàn)證板。裝置點(diǎn)火端向上,底端距離驗(yàn)證板20cm,在點(diǎn)火端使用20g黑火藥進(jìn)行點(diǎn)火。為測(cè)試DNAN基熔鑄炸藥點(diǎn)火過(guò)程中發(fā)生爆轟的藥量,設(shè)計(jì)了相同壁厚下的爆轟試驗(yàn)作為對(duì)比,試驗(yàn)中采用雷管(8#工業(yè)雷管)與傳爆藥柱(70g壓裝鈍化RDX)的組合對(duì)其進(jìn)行起爆[14]。

圖3 樣品實(shí)物圖Fig.3 The device photo of sample

由上節(jié)的圖2可知,φ大于74°,所有測(cè)點(diǎn)位置均位于馬赫反射區(qū)域,即各點(diǎn)入射角大于馬赫反射的臨界角,此時(shí)入射壓力、反射壓力的換算結(jié)果見(jiàn)式(1)[15]:

(1)

式中:ΔPi為入射沖擊波峰值超壓,Pa;ΔPr為馬赫反射峰值超壓,Pa;φ為測(cè)試點(diǎn)與爆心連線(xiàn)方向與地面垂直方向的夾角值。

不同于球形裝藥,長(zhǎng)徑比較大的直線(xiàn)裝藥(L∶D=25∶1)的沖擊波陣面柱形地?cái)U(kuò)張而非球形的擴(kuò)張。實(shí)際上,對(duì)于這樣的線(xiàn)性裝藥,常運(yùn)用一個(gè)與通常使用的霍普金森爆炸波相似律不同的相似律。認(rèn)為超壓峰值ΔP是R/(ω/L)1/2的函數(shù),而不是R/ω1/3的函數(shù)[16]。超壓計(jì)算公式如下:

ΔP=a[(ω/L)1/2/R]+b[(ω/L)1/2/R]2+
c[(ω/L)1/2R]3

(2)

式中:ΔP為沖擊波超壓峰值,Pa;ω為發(fā)生爆轟的藥量,kg;L為藥柱長(zhǎng)度,m;R為測(cè)壓距離,m;a、b、c為根據(jù)試驗(yàn)擬合的系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 單端點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果及分析

進(jìn)行了不同約束條件下的單端點(diǎn)火試驗(yàn),試驗(yàn)后現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果如圖4所示。目前,存在多種燃燒轉(zhuǎn)爆轟試驗(yàn)結(jié)果判定方法。通常結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)沖擊波超壓、驗(yàn)證板及管體形貌綜合評(píng)判爆炸物的反應(yīng)劇烈程度[13, 17-18]。在4mm和10mm鋼管壁厚條件下鋼管均從點(diǎn)火端發(fā)生破裂,驗(yàn)證板均完好未破損,管內(nèi)炸藥均反應(yīng)完全。分析認(rèn)為黑火藥燃燒和炸藥燃燒產(chǎn)生的氣壓使得鋼管前端發(fā)生破裂,該約束條件無(wú)法滿(mǎn)足炸藥反應(yīng)往更劇烈的方向發(fā)展,表明DNAN基熔鑄炸藥僅發(fā)生燃燒反應(yīng)。

圖4 點(diǎn)火試驗(yàn)后驗(yàn)證板及管體形貌Fig.4 Morphology of the verification plate and tube body after the single-end ignition experiments

在20、30、40及50mm壁厚條件下,試驗(yàn)后鋼管發(fā)生輕微膨脹但主體完好,點(diǎn)火端及尾端均發(fā)生了斷裂且切口平整,內(nèi)部有明顯爆炸痕跡,但底部驗(yàn)證板穿孔不光潔,更多呈現(xiàn)出拉伸撕裂狀態(tài),并不是爆轟產(chǎn)生的剪切力所致。綜上表明,DNAN基熔鑄炸藥經(jīng)黑火藥引燃后迅速燃燒,發(fā)生爆炸反應(yīng)并產(chǎn)生巨大聲響,但未發(fā)生爆轟反應(yīng)。分析認(rèn)為,在較強(qiáng)約束條件下,DNAN基熔鑄炸藥在一端使用點(diǎn)火藥引燃后的反應(yīng)行為是以高溫、高壓反應(yīng)產(chǎn)物沿裝藥縫隙對(duì)流,主要的表現(xiàn)形態(tài)為炸藥表面的層流燃燒及其伴隨的結(jié)構(gòu)響應(yīng)行為,從反應(yīng)水平來(lái)看,炸藥中沒(méi)有形成穩(wěn)定的沖擊波,因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)從沖擊到爆轟的轉(zhuǎn)變[8]。

現(xiàn)場(chǎng)在4種強(qiáng)約束條件下點(diǎn)火試驗(yàn)中測(cè)試到了強(qiáng)烈的沖擊波超壓信號(hào),圖5為試驗(yàn)測(cè)試得到的反射沖擊波壓力曲線(xiàn),結(jié)果表明隨著壁厚的增大,各測(cè)點(diǎn)采集到的壓力呈上升趨勢(shì)。強(qiáng)約束條件下,破壞鋼管所需的壓力越大,有利于藥床燃燒產(chǎn)生氣體壓力的聚集,同時(shí)也表明大部分炸藥發(fā)生了反應(yīng)。為確認(rèn)約束條件對(duì)本試驗(yàn)的影響,排除環(huán)境、測(cè)試系統(tǒng)等因素對(duì)結(jié)果的干擾,本研究在同一試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行了多次重復(fù)性試驗(yàn),對(duì)所測(cè)的壓力數(shù)據(jù)按式(1)進(jìn)行入射壓力換算,結(jié)果如表1所示。

表1 單端點(diǎn)火試驗(yàn)沖擊波超壓測(cè)試結(jié)果Table 1 Shock wave overpressure test results of single-end ignition experiments

圖5 單端點(diǎn)火試驗(yàn)的反射沖擊波壓力曲線(xiàn)Fig.5 Reflected shock wave pressure curves of the single-end ignition experiments

2.2 爆轟試驗(yàn)結(jié)果分析

為了估算不同壁厚下的DNAN基熔鑄炸藥點(diǎn)火后等效反應(yīng)藥量,分別進(jìn)行20、30、40及50mm壁厚條件下的爆轟試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)收集到的鋼管碎片如圖6所示,可以看出4種約束條件的試驗(yàn)中,爆轟產(chǎn)生的高壓迅速破壞約束鋼管,現(xiàn)場(chǎng)收集到的碎片呈小塊,均表現(xiàn)為拉剪混合斷裂模式,且碎片表面無(wú)明顯燃燒痕跡,符合爆轟試驗(yàn)中碎片特征。DNAN基熔鑄炸藥在雷管和傳爆藥柱的組合作用下起爆,均發(fā)生爆轟反應(yīng)。

圖6 爆轟試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)收集碎片F(xiàn)ig.6 Fragments collected at the site of the detonation experiment

圖7為試驗(yàn)測(cè)試得到的反射沖擊波壓力曲線(xiàn),經(jīng)單端點(diǎn)火試驗(yàn)相同數(shù)據(jù)處理方法處理后,反射沖擊波超壓峰值及入射沖擊波超壓峰值如表2所示,可以看出隨著測(cè)點(diǎn)位置到爆心距離的增大,入射壓也隨之衰減,超壓曲線(xiàn)呈現(xiàn)較好的規(guī)律性。

表2 DNAN基熔鑄炸藥沖擊起爆試驗(yàn)沖擊波超壓測(cè)試結(jié)果Table 2 Shock wave overpressure test results of shock initiation test

圖7 爆轟驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)的反射沖擊波壓力曲線(xiàn)Fig.7 Reflected shock wave pressure curves of shock initiation tests

不同壁厚DNAN基熔鑄炸藥入射超壓擬合曲線(xiàn)如圖8所示。在同一位置處、不同壁厚下炸藥的沖擊波超壓基本一致,可以認(rèn)為壁厚對(duì)當(dāng)前裝藥尺寸下炸藥的能量輸出影響較小,其能量釋放均達(dá)到了理想狀態(tài)[19]。根據(jù)爆炸相似律,對(duì)沖擊起爆試驗(yàn)的入射超壓峰值進(jìn)行最小二乘擬合,如式(3)～式(6)所示,相關(guān)系數(shù)R2均在0.99以上。圖8的擬合曲線(xiàn)也表明,在本試驗(yàn)選定的測(cè)壓范圍內(nèi),直線(xiàn)裝藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓能較好地滿(mǎn)足爆炸相似律:

圖8 不同壁厚DNAN基熔鑄炸藥入射超壓擬合曲線(xiàn)Fig.8 Incident overpressure fitting curve of DNAN-based melt-cast explosives under different shell thickness

壁厚為50mm(R2=0.991):

Pm=85.15[(ω/L)1/2/R]+594.21[(ω/L)1/2/R]2-
408.14[(ω/L)1/2/R]3

(3)

壁厚為40mm(R2=0.997):

Pm=-190.56[(ω/L)1/2/R]+1784.73[(ω/L)1/2/R]2-
1578.64[(ω/L)1/2/R]3

(4)

壁厚為30mm(R2=0.999):

Pm=61.49[(ω/L)1/2/R]+472.75[(ω/L)1/2/R]2-
77.11[(ω/L)1/2/R]3

(5)

壁厚為20mm(R2=0.997):

Pm=12.16[(ω/L)1/2/R]+726.09[(ω/L)1/2/R]2-
345.51[(ω/L)1/2/R]3

(6)

在4mm和10mm壁厚條件下炸藥在單端點(diǎn)火試驗(yàn)中發(fā)生燃燒反應(yīng),試驗(yàn)過(guò)程中所采集到的壓力值非常小,可忽略不計(jì)。本研究將單端點(diǎn)火試驗(yàn)中發(fā)生爆炸反應(yīng)的20、30、40及50mm壁厚條件點(diǎn)火試驗(yàn)中采集到的沖擊波超壓帶入相對(duì)應(yīng)壁厚條件沖擊波超壓擬合公式,換算得到的爆轟藥量結(jié)果如表3所示,需要注意的是,等效爆炸當(dāng)量是以裸藥球爆炸計(jì)算所得,而本試驗(yàn)結(jié)果中空氣沖擊波超壓的產(chǎn)生的條件是特定的約束條件下,不能完全等同于等效反應(yīng)藥量,但作為估算其數(shù)值的一種方法,具有重要的參考價(jià)值。

表3 DNAN基熔鑄炸藥單端點(diǎn)火試驗(yàn)的等效反應(yīng)藥量Table 3 Equivalent reaction mass of DNAN-based melt-cast explosives in single-end ignition experiments

結(jié)果表明約束條件對(duì)炸藥反應(yīng)過(guò)程的影響很大,DNAN基熔鑄炸藥發(fā)生反應(yīng)的等效反應(yīng)藥量隨著壁厚的增加而增大,當(dāng)鋼管壁厚從20mm增加至50mm時(shí),等效反應(yīng)藥量與原藥柱的質(zhì)量比從23.9%顯著增大至78.7%。陳朗等[20]研究表明,約束條件的增強(qiáng)對(duì)初始炸藥燃燒產(chǎn)生的燃?xì)獾南拗谱饔迷龃?鋼管膨脹相對(duì)減小,不易產(chǎn)生稀疏波,有利于壓力升高并進(jìn)一步加速燃燒,從而縮短了燃燒過(guò)程,壓縮藥床形成更為劇烈反應(yīng)的進(jìn)程,反應(yīng)更為劇烈。當(dāng)壁厚為20、30及40mm時(shí),這種促進(jìn)作用非常明顯。隨著壁厚的增大,DNAN基熔鑄炸藥提前發(fā)展成爆炸反應(yīng),使得參與反應(yīng)的藥量增加。與之相比,當(dāng)鋼管壁厚為40mm和50mm時(shí),爆炸藥量相近,等效反應(yīng)藥量與原藥柱質(zhì)量比分別為77.3%和78.7%。分析認(rèn)為,在40mm壁厚條件下已經(jīng)達(dá)到足夠強(qiáng)的約束,繼續(xù)增大壁厚對(duì)燃?xì)獾南拗颇芰吔鼧O限,對(duì)反應(yīng)特性的促進(jìn)作用影響減小,等效反應(yīng)藥量無(wú)法進(jìn)一步提高。

3 結(jié) 論

(1)DNAN基熔鑄炸藥在一般約束條件下(壁厚≤10mm),在黑火藥點(diǎn)火作用下僅發(fā)生燃燒反應(yīng),在強(qiáng)約束條件下(壁厚20、30、40、50mm)在單端引燃后未發(fā)生典型的燃燒轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程,反應(yīng)烈度為爆炸。

(2)基于爆炸相似律,通過(guò)對(duì)比點(diǎn)火試驗(yàn)與爆轟試驗(yàn)產(chǎn)生的沖擊波超壓,得到DNAN基熔鑄炸藥發(fā)生反應(yīng)的等效反應(yīng)藥量隨約束條件的增強(qiáng)而增大,等效反應(yīng)藥量與原藥柱質(zhì)量比從23.9%依次增大為34.8%、77.3%及78.7%。

(3)在一定范圍內(nèi)增加壁厚,DNAN基熔鑄炸藥燃燒進(jìn)程會(huì)隨之加快,進(jìn)而向著更為劇烈的反應(yīng)方向發(fā)展,當(dāng)約束條件足夠強(qiáng)時(shí),這種促進(jìn)作用將不再明顯。