吳艷青,鮑小偉,王明揚,黃風雷,張 柱

(1.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室,北京100081; 2.太原科技大學應用科學學院,山西太原030024)

RDX/HMX顆粒炸藥落錘撞擊點火-燃燒機理*

吳艷青1,鮑小偉1,王明揚1,黃風雷1,張 柱2

(1.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室,北京100081; 2.太原科技大學應用科學學院,山西太原030024)

對單質炸藥受低速撞擊的力學和化學響應研究,是進行炸藥敏感性評價的基礎。利用配備了光學觀測的落錘撞擊裝置,實現(xiàn)了頻率為1.5×105s-1的實時觀測,不但可以區(qū)分樣品的“爆”或“不爆”,而且可以獲取RDX和HMX顆粒炸藥受落錘低速撞擊變形、破碎、濺射、點火和燃燒隨時間演化的特征。結果表明: RDX顆粒是在液相中點火,而HMX顆粒在固相中點火;燃燒反應前常常發(fā)生劇烈的濺射現(xiàn)象,濺射是由氣相反應產物釋放能量推動破碎的顆粒所致。對比了單個和單層顆粒炸藥響應的特點,多個顆粒由于熱點密集和破碎后相互作用,其燃燒反應比單個顆粒燃燒反應更劇烈。根據(jù)圖像處理估算燃燒波傳播速度,很好地表征了樣品宏觀燃燒反應的劇烈程度。

燃燒;落錘撞擊;RDX/HMX;顆粒炸藥;點火;高速攝影

黑索今(RDX)和奧克托今(HMX)是性能良好的高能單質猛炸藥,隨著這兩種單質炸藥為主體的PBX復合炸藥的廣泛應用,對RDX和HMX使用的安全可靠性也提出了更高的要求。撞擊感度是炸藥非常重要的安全性能指標之一,工程上常用落錘實驗中樣品發(fā)生爆炸概率為50%的下落高度(H50)來評價炸藥撞擊感度的高低[1-2]。然而,由于設備之間的差異以及實驗者用來判定樣品“爆”與“不爆”的人為誤差,即使落錘實驗中感度相同的兩種炸藥,在低速撞擊作用下的變形、破碎、點火和燃燒反應的劇烈程度也不相同[3-4]。為了定量準確地評定炸藥在低速撞擊下的敏感性,需要對炸藥在低速撞擊下的熱點形成、點火、燃燒的力化學響應過程進行觀測研究。

目前已有許多學者通過改造落錘實驗裝置來研究炸藥在低速撞擊下的點火-燃燒機理,其中最著名的是G.M.Swallowe等對落錘儀進行的改進[5-6]。S.N.Heaven等[7]、J.E.Field等[8-9]利用改進后的落錘儀對幾種炸藥在低速撞擊下的變形-點火-燃燒特性進行了對比;L.E.Balzer等[10]用高速攝影儀記錄了PETN和超細PETN的落錘撞擊響應過程,認為氣泡的壓縮是引起PETN點火的因素;S.Hamdan等[11]利用改造的落錘儀獲得了炸藥受撞擊過程中力的時間歷程曲線等。但以上研究均沒有在評價敏感性方面給出定量化指標,也沒有在炸藥燃燒反應劇烈程度上進行區(qū)分。

本文中,將立式落錘儀的下落部分和基底部分進行機械改造,加入完整的光路,利用高速攝影儀拍攝HMX和RDX顆粒炸藥受低速撞擊的整個響應過程。通過處理實時拍攝的圖像,對兩種顆粒炸藥撞擊起爆過程中的點火和燃燒進行對比,分別研究單個和單層RDX、HMX顆粒炸藥的響應特點,利用圖像處理估算燃燒波的傳播速度,獲取表征顆粒炸藥燃燒反應劇烈程度的特征量。

1 實驗研究

1.1 RDX和HMX顆粒的顯微觀測

利用聚焦離子束掃描電子顯微鏡對實驗所用的RDX和HMX炸藥顆粒進行觀測。圖1為掃描電子顯微鏡下兩種樣品的低倍和高倍形貌圖,RDX顆粒和HMX顆粒的外觀形貌特征有很大差別。其中RDX顆粒樣品粒徑為600～1 200μm,呈橢球形,表面相對平整、光滑,無尖角;HMX顆粒樣品粒徑為300～500μm,呈不規(guī)則多面體形,表面棱角分明、相對粗糙,有“凸臺”結構存在。

圖1 掃描電鏡觀測的不同放大倍數(shù)下的RDX和HMX顆粒樣品Fig.1 Microscopic morphologies of RDX and HMX particles observed by scanning electron microscopy

1.2 落錘撞擊加載裝置

基于落錘儀整體尺寸和落錘撞擊部分的功能,重新設計并改造了撞擊裝置,可以通過光路對撞擊過程進行實時觀測,落錘加載裝置及光路觀測部分示意圖如圖2所示。

在落錘側面加工40 mm×40 mm的方孔,方孔中用金屬支架以45°角固定平面鏡。轉而向內開?25 mm的圓孔至錘體中部,形成一個L型孔,與落錘端口的?50 mm的圓柱槽連通,圓柱槽用于嵌入?50 mm×20 mm的鋼化玻璃。鋼化玻璃的質量約102.4 g,對其上、下兩表面進行拋光處理,以保證透光性。鋼化玻璃牌號為Al-Si88412/No.0018/BMA.T. BBK.G。

圖2 落錘加載裝置及光路觀測示意圖Fig.2 Schematic diagram showing the drop-weight loading and optical measurement system

鋼化玻璃與落錘之間放置起緩沖作用的銅墊圈,使鋼化玻璃能夠承受較大沖擊力而不易損壞。落錘背面有防二次撞擊裝置,落錘第一次撞擊試樣彈起后裝置觸發(fā),將落錘掛在與導軌連接的刻槽上,防止落錘再次下落對試樣二次加載。改造后的落錘總質量為5.62 kg。

圓柱型下?lián)糁叽鐬?70 mm×100 mm,內部開孔方式和上落錘相同,擊柱下方的底座上開了圓槽,將擊柱固定在鋼基座上。落錘加載過程中,為保證鋼化玻璃擊柱間的平面碰撞,在撞擊裝置外添加側向開口的導向套筒,尺寸為?93 mm×340 mm,厚度為9.3 mm。碰撞瞬間光線經(jīng)過平面鏡反射,依次透過鋼化玻璃上擊柱、試樣、鋼化玻璃下?lián)糁?反射后進入微焦距高速數(shù)字成像系統(tǒng),記錄試樣受落錘撞擊過程中的響應過程。

2 點火-燃燒現(xiàn)象

2.1 圖像處理標定

為獲得統(tǒng)一的長度標尺基準,未加載時先將半透明的刻度尺放置在鋼化玻璃擊柱上,以1.5×105s-1的拍攝頻率為例,將標尺圖像以一定比例尺插入AUTOCAD,在軟件中圖像尺寸為30 mm×16.88 mm,如圖3所示。在刻度尺的照片上選取10 mm的3條平行線段,測量它們在軟件中的長度,即20.28、20.35、20.35 mm,取平均值為20.33 mm,代表實際中的10 mm。則實際與圖像尺寸比例尺為:

圖3 比例尺基準標定Fig.3 Scale calibration for calculating real size

2.2 RDX顆粒的點火-燃燒實驗

圖4為粒徑620μm的單個RDX顆粒在15 cm落高下撞擊響應的圖像,高速攝影儀拍攝頻率為1.5×105s-1。整個響應持續(xù)886.67μs,可清晰觀測到RDX顆粒經(jīng)歷了破碎、塑性擴展、中心熔化、局部噴射、點火并快速燃燒等現(xiàn)象。在286.67μs時,顆粒塑性變形結束,并在中心區(qū)域出現(xiàn)熔化現(xiàn)象,透光性增強。隨后,在306.67和400.00μs時,破碎后的樣品分別出現(xiàn)了向右上方和左下方的局部噴射現(xiàn)象。在553.33μs時,試樣大范圍向四周噴射;在560.00μs時,出現(xiàn)局部點火(紅線標記);到566.67μs時,該熱點引發(fā)了局部燃燒。

圖4 單個RDX顆粒受撞擊的響應過程,落錘下落高度為15 cmFig.4 Selected photographic frames for an individual RDX particle in response to a drop-weight impact with 15 cm height

燃燒面積的測量通過統(tǒng)計像素點的方法來實現(xiàn)。實驗中以1.5×105s-1的拍攝速度所得的圖像分辨率為256×144,即整幅圖片中共含有256×144=36 864個像素點。將560.00和566.67μs時的圖像在Photoshop中打開,如圖5所示,統(tǒng)計出燃燒區(qū)域中所包含的像素點為1 273。計算出燃燒區(qū)域的面積和等效圓半徑分別為:

則得560.00μs到566.67μs時間段內試樣的平均燃燒速度為:

圖5 兩個時刻燃燒區(qū)面積的變化Fig.5 Burning area change from 560.00μs to 566.67μs

將緊密排列的10個RDX顆粒進行落錘撞擊實驗,落錘下落高度為15 cm,如圖6所示。加載過程持續(xù)1 060.00μs,試樣經(jīng)歷了破碎擴展、中心熔化、濺射、點火、快速燃燒、冷卻。280.00μs時試樣破碎變形階段結束,隨后出現(xiàn)向四周劇烈噴射的現(xiàn)象。993.33μs時兩處發(fā)生局部點火,并迅速發(fā)展成劇烈燃燒,1 000.00μs時各點火處的燃燒迅速連通。燃燒在20μs的時間內迅速擴展至整個試樣,只有少量殘余試樣冷卻堆積。與圖4相似,圖6中453.33μs到993.33μs均出現(xiàn)樣品中心區(qū)由于液相導致發(fā)亮的現(xiàn)象。

圖6 單層(10顆)RDX顆粒受撞擊后的點火燃燒圖像,落錘下落高度為15 cmFig.6 Selected photographic frames for ten RDX particles in response to a drop-weight impact of 15 cm height

圖7的比例因子為0.459,計算出兩個時刻的燃燒區(qū)域的面積和等效圓半徑分別為:

則1 000.00μs到1 006.67μs時間段內的平均燃燒速度為:

圖7 兩個時刻燃燒區(qū)面積的變化Fig.7 Burning area change from 1 000.00μs to 1 006.67μs

2.3 HMX點火燃燒實驗

圖8中試樣為粒徑480μm的HMX顆粒,落錘下落高度為15 cm,高速攝影儀拍攝頻率為1.5×105s-1。與RDX試樣不同的是,HMX試樣在受撞擊后并沒有出現(xiàn)中心區(qū)域很明顯的熔化現(xiàn)象。樣品經(jīng)歷變形破碎后,在293.33μs時發(fā)生向左下方的飛濺現(xiàn)象,360.00μs時向多個方向的噴射產生,并在平鋪試樣的上邊緣處發(fā)生點火,試樣點火引發(fā)快速燃燒,在約20μs內樣品反應結束,但仍有殘留反應物。

圖8 單個HMX顆粒受撞擊的響應過程,落錘下落高度為15 cmFig.8 Selected photographic frames for an individual HMX particle in response to a drop-weight impact with 15 cm

此實驗中實際長度與圖像長度的比例系數(shù)為0.492,由366.67μs和373.33μs兩個時刻圖像確定燃燒波的傳播速度。根據(jù)燃燒區(qū)域的像素數(shù)目,分別計算這兩個時刻的燃燒區(qū)面積和等效半徑:

則平均燃燒速度為:

圖9 兩個時刻燃燒區(qū)面積變化Fig.9 Burning area change from 366.67μs to 373.33μs

圖10所示為10個緊密排列的HMX顆粒受落錘撞擊后的響應過程,落錘下落高度為15 cm,高速攝影儀拍攝頻率為1.5×105s-1。試樣受落錘撞擊后點火燃燒的響應過程持續(xù)926.67μs。試樣顆粒的破碎、變形擴展持續(xù)526.67μs。由于破碎物的相互作用產生了3處明顯點火區(qū),多個熱點區(qū)引發(fā)整體燃燒且相互連通,并迅速發(fā)展為劇烈燃燒反應,傳播至幾乎整個破碎試樣。

圖10 單層(10顆)H MX顆粒受撞擊后的點火燃燒圖像,落錘下落高度為15 cmFig.10 Selected photographic frames for ten HMX particles in response to a drop-weight impact with 15 cm

圖11中實際長度與圖像中長度的比例系數(shù)為0.459,533.33μs和540.00μs兩個時刻的燃燒圖像面積和等效圓半徑分別為:

利用燃燒面積等效圓半徑的變化量,計算得到平均燃燒速度為:

圖11 兩個時刻燃燒區(qū)面積變化Fig.11 Burning area change from 533.33μs to 540μs

2.4 兩種材料的對比

從高速攝影圖像可以看到,RDX樣品中點火發(fā)生在樣品部分熔化后,液相的出現(xiàn)使得圖像中亮度增加,樣品回收后也有流動的痕跡。點火后由于氣相產物生成而使得液相濺射。相比而言,HMX顆粒在點火前則沒有發(fā)生明顯的熔化現(xiàn)象,點火后由于局部氣相產物的壓力,使得破碎固相材料發(fā)生飛濺。RDX和HMX顆粒受低速撞擊中點火機制并不相同,RDX顆粒是在液相中點火,而HMX則在固相中點火,因此,RDX和HMX點火后的燃燒傳播介質有所不同?；鹧?zhèn)鞑ニ俣瓤勺鳛槿紵A段反應劇烈程度的度量,見表1。

表1 火焰?zhèn)鞑ニ俣萒able 1 Propagation velocity of combustion flame

3 結 論

研究炸藥在機械刺激下點火燃燒的條件及機理,評價炸藥的安全性能具有重要的理論意義及應用價值。本文中設計改造了落錘儀的下落部分和基底擊柱部分,在落錘和擊柱內增加光路,高速攝影選取1.5×105s-1的拍攝頻率,實現(xiàn)了單個及多個炸藥顆粒在落錘撞擊下整個響應過程的觀測記錄。實驗觀測發(fā)現(xiàn),在點火前RDX大部分熔化為液相,而HMX則是在固相內部發(fā)生點火。以15 cm的落高撞擊單個/多個RDX、HMX顆粒,圖像處理獲得173.9、235.4、93.0、308.9 m/s的燃燒波傳播速度,顆粒破碎后相互作用及熱點區(qū)聚合,均會促進隨后的燃燒反應。實驗結果給予我們更重要的啟發(fā)是:炸藥材料的撞擊敏感性不能僅用“爆”和“不爆”來評價,而應該提取力化學響應過程中的特征量,才能對炸藥的敏感性有全面的認識。后面將發(fā)展更合理的定量表征參數(shù)。

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Ignition and burning mechanisms of RDX/HMX particles subjected to drop-weight impact

Wu Yanqing1,Bao Xiaowei1,Wang Mingyang1,Huang Fenglei1,Zhang Zhu2
(1.Key Laboratory of Explosion Science and Technology,Beijing Institute of Technology,Beijing100081,China; 2.Applied Science College,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan030024,Shan Xi,China)

The mechanical and chemical response of explosives under low velocity impact is the basis for the evaluation of their sensitivity.The drop-weight impact apparatus equipped with the optical photography was used to achieve a frequency of 150 thousand seconds of real time observation.It was capable of distinguishing the samples of"Go"or"no Go"and observing such characteristics of deformation,crushing and breakage,jetting,ignition and combustion evolution,of RDX and HMX particles under low velocity impact.The selected photographic frames show that ignition occurred in the partially melted RDX phase.But for the HMX particles,ignition mainly occurred in the solid phase. A violent jetting phenomenon often occurs before the reaction of combustion.The occurrence of jetting primarily results from the energy released by gaseous products,which push the pulverized or melted explosives splash.The response characteristics of single and multiple granular explosives were compared.Because of the interaction of the hot spots broken,the combustion reaction of the particles is more intense than that of the single particles.The size ratio of the image to the actual length can be used to estimate combustion wave propagation velocity in each case,which is very suitable for characterizing the intensity of the macro-combustion reaction.

combustion;drop-weight impact;RDX/HMX;granular explosives;ignition;high-speed photography

O381國標學科代碼:13035

:A

10.11883/1001-1455(2017)02-0339-08

(責任編輯 張凌云)

2015-09-10;

:2016-01-21

國家自然科學基金項目(11572045);國防基礎科研計劃項目(B1520132004);山西省青年科學研究基金項目(2015021021)

吳艷青(1974— ),女,博士,教授,博士生導師,wuyqing@bit.edu.cn。