1 引言

炸药燃烧转爆轰(Deflagration to Detonation Transition, DDT)特性是评价炸药安全性的重要指标, 能为炸药装药安全性分析评估提供更准确的依据。近十年来, 国内外对炸药DDT过程进行了大量的研究。Leuret等^[1]研究了HMX/粘结剂(96%/4%)炸药在高密度(1.823 g·$\text{cm}^{-3}$)低孔隙率(超过理论最大密度98%)状态下的DDT行为。Verbeek^[2]、Asay^[3]及Luebcke^[4]研究发现DDT现象一般发生在具有较强约束条件或较大尺寸的装药中。赵同虎^[5-6]、黄毅民^[7]等研究了颗粒状HMX、RDX炸药DDT特性, 给出了炸药发生DDT的条件。文尚刚等^[8]研究了约束条件对HMX基压装高密度PBX炸药的DDT过程影响。陈朗等^[9]采用试验和数值计算的方式研究了成型PBXC03炸药的DDT过程。但这些研究主要是针对常温下炸药DDT过程, 难以真实反映炸药在火灾环境下的危害程度, 因此, 有必要研究加热状态下炸药DDT特性变化, 分析炸药在火烧条件下燃烧转爆轰的条件以及难易程度, 这对评估大型装药在热作用下的安全性具有重要意义。

本课题组针对PBX-2炸药开展了加热状态下燃烧转爆轰试验, 研究了加热前后PBX-2炸药燃烧转爆轰特性变化。

2 试验原理及测试 2.1 试验原理与装置

将成型炸药柱密封在DDT管中, 加热DDT管使炸药柱至预定温度, 通过点火头点燃炸药柱, 燃烧波即在炸药柱中传播, 一定条件下可转变为爆轰波。采用离子探针测试燃烧波或爆轰波的传播时间和距离, 计算传播速度。根据测试结果和装置残骸, 综合判断炸药的反应程度。

与传统的DDT试验装置不同, 为了研究加热状态下炸药的DDT过程, 本课题组设计了一种可加热的DDT试验装置, 如图 1所示。试验装置主要包括DDT管、点火部分、炸药柱、电探针、热电偶、电加热装置等, 空气腔为20 mm(用于测试DDT管内气体压力)。采用的钢壳体内径为30 mm, 外径为50 mm, 长420 mm, 壳体材料采用45$^{\#}$钢。设计的电探针间距为25 mm, 共14个探针孔, 试验装置照片如图 2所示。

2.2 试样

PBX-2炸药主要由HMX、TATB和粘结剂等组成, 密度约为1.85 g·$\text{cm}^{-3}$, 140 ℃时开始出现明显热分解, 由中国工程物理研究院化工材料研究所提供。按炸药机加工艺将PBX-2炸药加工成$\varPhi $30 mm×100 mm的药柱, 然后将4个$\varPhi $30 mm×100 mm药柱组合为$\varPhi $30 mm×400 mm药柱, 总药量约486.5 g。每个状态准备了2发试验样品, 本文的结果是试验平均结果。

2.3 试验方案

考虑在100 ℃以上电探针可能失效, 同时为了与PBX-2炸药实际应用结合, 解决工程问题, 故选择85 ℃进行实验, 对比分析加热与未加热PBX-2炸药DDT特性的变化趋势。

加热过程中, 采用较低升温速率(2 ℃·$\text{min}^{-1}$)控制温度, 使炸药中心温度与炸药表面温度尽可能接近。对炸药进行开孔、开槽, 在炸药半径处(即炸药样品表面与试验弹内壁接触处)布置热电偶(直径约为2 mm), 测量炸药表面温度变化过程。沿炸药轴向不同位置安装电离探针测量炸药反应波阵面速度, 得到燃烧波或爆轰波的传播时间和距离, 判断炸药反应的剧烈程度。

3 结果与讨论

测试了可加热DDT装置炸药表面温度变化过程, 结果如图 3所示。从图 3可以看出, 该加载方式能有效实现DDT装置中炸药的温升控制, 炸药被加热至85 ℃时与壳体温度相差约30 ℃。

常温以及85 ℃下的PBX-2炸药DDT试验结果照片如图 4所示。从图 4可以看出, 未加热时DDT管破裂并形成一些较大的破片, 底板上有凹坑(图 4a); 当炸药表面被加热到85 ℃再点火时, 装置壳体前部破裂(图 4b), 中后部壳体完好, 壳内仍剩余有大量炸药样品, 且壳体仍剩余部分完好的探针, 表明加热至85 ℃后反应仅传播至DDT管中部位置, 相比常温状态下壳体破裂时间提前。

图 5为根据探针信号获得的85 ℃条件下反应传播距离与相对时间、反应传播距离与波阵面速度变化曲线。表 1为加热前后PBX-2炸药DDT试验测试结果。从图 5可以看出, 随着传播距离的增加, 波阵面速度逐渐增加。同时, 由表 1可见, 未加热PBX-2炸药在DDT管壳体破裂前反应传播速度约为4317.8 m·$\text{s}^{-1}$, 加热至85 ℃时PBX-2炸药在DDT管壳体破裂前反应传播速度约为2976.2 m·$\text{s}^{-1}$, 均低于PBX-2炸药完全爆轰时的爆速(约为8712 m·$\text{s}^{-1}$^[10], 因此, 结合图 4中试验结果, 综合判断加热至85 ℃时PBX-2炸药未发生DDT现象。

实际上, 试验获得的“低速爆轰(Low velocity detonation, LVD)”现象从一定角度看并不是真正意义上的爆轰, 而是炸药件在燃烧形成的不稳定压缩波作用下, 产生的结构破坏, 形成裂隙, 为破碎炸药中的燃烧波提供能量支持前驱不稳定压缩波传播, 这种相互作用达到一种平衡后, 能定常地向前传播。在这种形状不稳定(由于约束的管体的形变和破裂等原因造成)的压缩波作用下, 炸药件发生挤压、产生剪切等作用而破碎, 使后续的燃烧波易于进行下去。形成了一个破坏—燃烧—支持前驱压缩波破坏的稳定过程, 当这种定常传播的“LVD”受到干扰时(如炸药柱间有间隙或炸药已破碎), 其定常传播状态被打破很快就会产生DDT现象。

图 6为常温以及加热至85 ℃下的PBX-2炸药的SEM(扫描电镜)结果对比。从图 6中可以看出, 未加热时PBX-2炸药内孔隙清晰(图 6a), 粘结剂包覆炸药颗粒, 粘结剂、炸药颗粒界面明确, 而加热至85 ℃时(图 6b, 粘结剂明显发生了流动, 填补了炸药原有的孔隙, 几乎无法判定粘结剂、炸药颗粒界面。

因此, 相比未加热, 加热至85 ℃的PBX-2炸药柱中缺乏孔隙而不易形成对流燃烧, 炸药燃烧面积相对较小, 气体生成速率和能量释放速率都受到很大的限制, 难以出现DDT所需要的较高压力增长速率, 导致在DDT试验中炸药点火后前部反应的炸药产生高压无法维持其向后面炸药传播, 使反应产生压力高于壳体约束强度, 故加热85 ℃后DDT管壳体破裂时间提前。因此, 在燃烧转爆轰试验中加热至85 ℃后的PBX-2炸药反应程度低于未加热炸药。

4 结论

在可加热的燃烧转爆轰试验装置条件下, 常温时PBX-2炸药反应传播距离达到了400 mm, 在DDT管壳体破裂前反应传播速度约为4317.8 m·$\text{s}^{-1}$, 在85 ℃下PBX-2炸药在DDT管壳体破裂前反应传播距离仅为175 mm, 速度约为2976.2 m·$\text{s}^{-1}$, 低于PBX-2炸药完全爆轰时的爆速。因此, PBX-2炸药未发生燃烧转爆轰现象。加热对PBX-2炸药的燃烧转爆轰特性有显著影响:加热至85 ℃后PBX-2炸药的反应程度明显低于未加热炸药, 更难以发生DDT现象。

设计的加热条件下炸药DDT试验加载装置能有效用于加热后炸药燃烧转爆轰特性变化研究。