姚奎光，趙學峰，樊 星，薛鵬伊，代曉淦

（中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621999）

炸藥在高溫環(huán)境下的響應特性一直是炸藥熱安全性關注的重點。傳統(tǒng)熱安全性試驗比如一維熱爆炸試驗[1-2]、慢烤試驗[3-4]及快烤試驗[5]等，主要關注炸藥的點火延滯時間、點火溫度以及反應烈度等特征行為和參數(shù)，其主要目的是對炸藥材料的熱安全性進行評估及排序，但對炸藥反應烈度主導影響因素和過程機制的清晰認識和深入理解有一定的局限性。炸藥燃燒特性實驗主要關注炸藥燃速-壓力特性，能反映炸藥反應烈度經(jīng)對流燃燒機制轉(zhuǎn)變發(fā)展的潛在傾向，其認識和理解對炸藥事故源頭控制和風險預測具有重大意義[6]。

影響炸藥燃燒特性的因素有內(nèi)因和外因。炸藥化學屬性是決定炸藥燃燒特性的內(nèi)因，其化學成分、性能、配比和包覆工藝、孔隙率等都會明顯影響炸藥燃速，這也正是炸藥配方安全性設計調(diào)控的主要方向。外因主要包括炸藥初始溫度和環(huán)境壓力。因此，炸藥燃燒特性影響因素眾多，全面涉及這些影響因素來認識炸藥的燃燒特性還有待深入，需發(fā)展適用性強、精度高的表征手段。目前，國內(nèi)燃燒特性實驗方法[7-9]主要用于推進劑和煙火劑燃燒特性的宏觀調(diào)控，適用壓力低，不能滿足炸藥燃速測試量級高（約104～105mm/s）、壓力大（GPa 量級）等要求。美國圣地亞（SNL）和勞倫斯利弗莫爾國家試驗室（LLNL）分別建立了復合密閉串列燃燒器[10]和高壓串列燃燒器[11]，其最高工作壓力達到400 MPa 和1 GPa，在煙火劑、推進劑及炸藥燃燒特性研究方面獲得了大量的研究成果[11-15]，但其實驗方法仍然存在不足之處，比如未考慮增壓率、斷絲法精度低（響應時間ms 量級、燃速大于104mm/s，分辨率不足），其研究結(jié)果對炸藥的反應烈度仍然難以做出精準的預測。

本文中在傳統(tǒng)燃燒特性實驗方法的基礎上，建立了密閉空腔燃燒壓力-炸藥耗量法，發(fā)展了中、高壓下炸藥燃燒速率高精度（響應時間μs 量級）測試方法，并以HMX 基PBX-1 炸藥為研究對象，認識PBX-1 炸藥在不同壓力下的燃燒特性，獲得PBX-1 炸藥燃燒速率與壓力的依賴關系，為炸藥反應烈度分析及評估提供基礎。

1 實 驗

1.1 實驗原理

炸藥燃燒特性實驗系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。實驗時，將樣品放入密閉燃燒器中并對樣品不處理或加熱處理（制造熱損傷），然后用點火序列點燃炸藥，同時用測試系統(tǒng)記錄實驗過程中燃燒室瞬時壓力數(shù)據(jù)和炸藥燃燒火焰陣面時間-位置數(shù)據(jù)，獲得不同壓力及初始溫度下炸藥的燃燒速率。根據(jù)所得的實驗數(shù)據(jù)，擬合炸藥燃燒速率和壓力的關系，獲得炸藥在不同初始條件下的燃速-壓力特性。

圖 1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Illustration of experimental system

實驗中，采用kistler 6215 壓力傳感器（量程600 MPa、線性誤差±0.14%、上升時間≤1 μs）對燃燒器內(nèi)壓力變化進行監(jiān)測，用YE5852 型電荷放大器將壓電式傳感器獲得的信號放大，然后用PCI 4732 多通道數(shù)據(jù)采集儀讀取；采用快速響應熱電偶監(jiān)測燃燒火焰陣面時間-位置信號，熱電偶為美國TT-T-36-SLE型微細銅-康銅絲制成的K 型快速響應熱電偶，熱電偶結(jié)頭直徑約120 μm，溫升時間2 μs。實驗時將熱電偶布置在每兩段藥柱之間，當燃燒陣面到達熱電偶接頭時，快速產(chǎn)生一個電壓信號，然后通過放大器將電壓信號放大，再用數(shù)據(jù)采集儀采集。

1.2 實驗裝置

炸藥燃燒特性實驗中密閉燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示，主要由支撐固定件、筒體、密封件、實驗樣品、測試件及超高壓泄壓閥組成，裝置體積約60 cm3，設計壓力為400 MPa。實驗時將樣品、點火序列依次垂直串列放置在燃燒室絕緣塞上，在炸藥的端面以及接觸面之間布置測試信號線，再將燃燒室密封、固定，待測試系統(tǒng)準備好后，用點火序列點火，同時記錄炸藥燃燒火焰陣面時間-位置信號以及燃燒室瞬時壓力信號。

圖 2 密閉燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the structure of closed bomb

1.3 實驗樣品

實驗樣品PBX-1 炸藥為塑料黏結(jié)炸藥，主要成分為95%HMX+5% 黏結(jié)劑，理論密度ρTMD=1.889 g/cm3，未損傷材料密度ρ≈1.860 g/cm3。炸藥尺寸為10 mm×8 mm，共8 段。實驗時，將8 段藥柱串列成一束，在每2 段端面之間布置快速響應熱電偶（120 μm 左右），然后在樣品側(cè)面涂環(huán)氧樹脂，促使炸藥以層流的方式沿著炸藥柱軸線燃燒，樣品的裝配照片如圖3 所示。將點火序列放置在炸藥串頂端，用熱絲點燃點火序列，再點燃實驗樣品。

圖 3 實驗樣品照片F(xiàn)ig. 3 Picture of sample

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 炸藥未損傷狀態(tài)實驗結(jié)果

實驗時，點火信號發(fā)出后開始采集信號，時間零點為采集系統(tǒng)開始采集的時刻。不同壓力下炸藥燃燒火焰陣面位置-時間數(shù)據(jù)曲線如圖4 所示。由圖可知，快速響應熱電偶1#和7#響應時間差為0.445 00 s，即炸藥柱從第2 段燃燒至第7 段總耗時0.445 00 s。其中，1#熱電偶之前有一段炸藥柱和點火序列，火焰陣面達到1#熱電偶時刻為1.006 72 s，到達2#～7#熱電偶時刻分別為1.260 90、1.363 59、1.409 49、1.437 70、1.456 15、1.456 67 s，第2～7 段藥柱的燃燒時間分別為0.254 18、0.102 69、0.045 90、0.028 21、0.018 45、0.000 52 s。每段炸藥柱長度l=8 mm，由v=l/t 可計算出第2～7 段炸藥柱燃燒平均速度分別為31.474、77.904、174.192、283.587、433.604、15 384.615 mm/s。

表1 給出了常溫下PBX-1 炸藥每段藥柱的燃燒時間及對應的平均燃燒速率。由表1 可知，隨著壓力的升高，藥柱2～6 燃燒的時間逐漸變短，炸藥燃燒速率逐漸增加，從～102mm/s 增加到～103mm/s，增加了1 個數(shù)量級。然而，藥柱7 的燃燒時間急劇減小，燃燒速率從～103mm/s 增加至～105mm/s，增加了2 個數(shù)量級，出現(xiàn)不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象。圖5 給出了幾種HMX 含量為95%的PBX 炸藥的燃速-壓力特性[11，13]，從圖中可以看出，對于PBX-9501 和LX-10 炸藥，當壓力超過150 MPa 后燃燒變得非常不穩(wěn)定，某些藥柱燃速能夠增加10 倍甚至100 倍，文獻指出其主要原因是高壓下材料的物理完整性失效，形成高的燃燒比面積促使樣品持續(xù)爆燃。對于PBX-1 炸藥，當壓力超過100 MPa 同樣出現(xiàn)燃速突變現(xiàn)象，其可能的原因是高壓下PBX-1 炸藥物理結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，比如出現(xiàn)裂縫或者縫隙等，火焰進入裂縫或縫隙導致炸藥燃燒比表面積增大，炸藥燃燒速率出現(xiàn)突變。

表 1 常溫下PBX-1 炸藥燃燒時間和燃燒速率數(shù)據(jù)Table 1 Burn time and rate of PBX-1 at ambient temperature

圖 4 不同壓力下燃燒火焰陣面位置-時間數(shù)據(jù)曲線Fig. 4 Flame-front time-of-arrival signals at different pressure

圖 5 幾種HMX 含量為95%的PBX 炸藥的燃速-壓力特性Fig. 5 Burn rate-pressure characteristic for several 95%HMX-based PBXs

2.2 PBX-1 炸藥燃燒速率與壓力關系

實驗中獲得的燃燒速率為每段藥柱的平均燃燒速率，相對應的壓力為每段藥柱燃燒期間密閉燃燒室內(nèi)的平均壓力。將圖4 中相鄰信號線壓力對時間進行積分再除以每段藥柱的燃燒時間，可以得到每段炸藥柱燃燒對應的平均壓力。圖6 給出了PBX-1 炸藥燃燒速率隨壓力變化曲線，當壓力為10.50、28.55、58.00、79.40、99.19 MPa時，PBX-1 炸藥對應的燃燒速率分別為31.474、77.904、174.192、283.587、433.604 mm/s。從圖中可以看出，在100 MPa 壓力范圍內(nèi)，PBX-1 炸藥燃燒速率與壓力基本呈指數(shù)關系。

對于大部分材料，凝聚相炸藥熱傳導燃燒速率可以用穩(wěn)態(tài)燃燒速率公式r=apn[16]來描述，其中r 為熱傳導燃燒速率，a 為燃燒速率常數(shù)，p 為燃燒壓力，n 為壓力指數(shù)。對PBX-1 炸藥燃燒速率與壓力的依賴關系進行了擬合，擬合結(jié)果如下：

圖 6 PBX-1 炸藥燃燒速率隨壓力變化曲線Fig. 6 Burn rate data for PBX-1 at different pressure

式中：燃燒速率常數(shù)a=2.16±0.55 mm·s?1·MPa，壓力指數(shù)n=1.08±0.06。從擬合的結(jié)果中可以看出n＞1，說明PBX-1 炸藥具有較高的壓力指數(shù)，燃燒率對壓力變化更加敏感，當反應氣體產(chǎn)物被約束時會導致炸藥燃燒速率迅速增加。從圖6 中可知，當燃燒壓力超過100 MPa 后，PBX-1 炸藥的燃燒速率突變，嚴重偏離穩(wěn)態(tài)燃燒速率呈現(xiàn)指數(shù)變化關系，此時炸藥燃燒模式發(fā)生轉(zhuǎn)變，不再是穩(wěn)態(tài)的熱傳導燃燒，而是火焰陣面在炸藥縫隙中傳播的對流燃燒模式。

2.3 PBX-1 炸藥燃燒比表面積變化

炸藥出現(xiàn)損傷后，其內(nèi)部可能出現(xiàn)孔洞、裂縫及孔隙率增大等現(xiàn)象，導致炸藥燃燒過程燃燒表面積增加，造成炸藥的燃燒特性發(fā)生巨大變化。不同燃燒模式下，炸藥燃燒表面積存在較大的差異，下式[15]可以量化炸藥燃燒表面積變化（通過計算炸藥燃燒表面積S，以及對熱傳導燃燒表面積S0進行歸一化得到燃燒比表面積，用來表征炸藥燃燒特性，比如熱傳導燃燒或者火焰-蔓延加速等特征）：

式中：S 為燃燒表面積，S0為熱傳導燃燒表面積，p 為燃燒器瞬時壓力，n 為壓力指數(shù)，L 為實驗樣品初始長度，a 為燃燒速率常數(shù)，pf為燃燒器最終壓力，p0為燃燒器初始壓力。

圖7 給出了不同壓力下PBX-1 炸藥燃燒比表面積變化情況。從圖中可以看出，在100 MPa壓力范圍內(nèi)，PBX-1 炸藥燃燒比表面積S/S0≈1，說明PBX-1 炸藥發(fā)生熱傳導燃燒。當壓力超過100 MPa 后，PBX-1 炸藥燃燒比表面積發(fā)生突變，隨著壓力升高，燃燒比表面積逐漸增加，S/S0最大達到170 左右，相對于熱傳導燃燒，PBX-1 炸藥燃燒表面積增加2 個數(shù)量級。此時，炸藥發(fā)生物理破壞，出現(xiàn)裂縫或者縫隙等特征，形成高壓下燃燒面進入炸藥縫隙高速推進的對流燃燒，導致炸藥測量的燃燒速率也增加了2 個數(shù)量級。若燃燒壓力不卸載，PBX-1 炸藥有進一步向高烈度反應轉(zhuǎn)變的趨勢。

圖 7 PBX-1 炸藥燃燒比表面積變化情況Fig. 7 Normalized burning surface area of PBX-1 at different pressures

3 結(jié) 論

（1）建立了密閉空腔燃燒壓力-炸藥耗量實驗方法，發(fā)展了中、高壓下炸藥燃燒速率高精度測試方法，利用密閉燃燒器研究了PBX-1 炸藥在不同壓力下的燃速-壓力特性。

（2）通過測量炸藥燃燒陣面時間-位置數(shù)據(jù)以及瞬時壓力數(shù)據(jù)，獲得了100 MPa 壓力范圍內(nèi)PBX-1炸藥燃燒速率與壓力的關系r=(2.16±0.55)p1.08±0.06，結(jié)果表明PBX-1 炸藥燃燒速率對壓力比較敏感。

（3）當壓力超過100 MPa 后，PBX-1 炸藥燃燒變得不穩(wěn)定，主要原因是高壓下PBX-1 炸藥發(fā)生物理破壞，形成高的燃燒比面積促使炸藥燃燒速率突增，在持續(xù)的高壓下，PBX-1 炸藥有進一步向更高階反應模式轉(zhuǎn)變的趨勢。