邱 天，文尚剛，李 濤，胡海波，傅 華，尚海林

（1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計重點實驗室，安徽 合肥 230026；2. 中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621999；3. 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實驗室，四川 綿陽 621999）

炸藥的沖擊起爆是炸藥基體在沖擊波作用下受到絕熱壓縮后大幅升溫，形成的熱點帶動炸藥基體內(nèi)的反應(yīng)，反應(yīng)的熱、力學(xué)效應(yīng)綜合作用形成爆轟波[1]。區(qū)別于沖擊起爆的非沖擊點火反應(yīng)[2]，則是炸藥在加熱、碎片撞擊、火花和摩擦或其他非沖擊波刺激引起基體表面或局部位置初始點火，點火后續(xù)反應(yīng)與炸藥性質(zhì)、約束條件及點火條件相關(guān)，涉及過程多、反應(yīng)現(xiàn)象復(fù)雜，烈度演化走向不確定。對于在較強(qiáng)約束條件的壓裝PBX 炸藥在經(jīng)歷非沖擊點火后反應(yīng)是否會從燃燒轉(zhuǎn)為爆轟 (deflagration to detonation transition，DDT)，仍然是一個非常有爭議的話題。

1959 年，Macek[3]采用應(yīng)變計和電離式探針研究了鑄裝HMX 炸藥的DDT 過程，并提出了“一維假定”下的波聚合物理模型。Macek 認(rèn)為被點燃的炸藥在端面上不斷產(chǎn)生的應(yīng)力波在炸藥柱中傳播，經(jīng)過一段成長距離之后在炸藥基體內(nèi)匯聚形成了沖擊波，對波陣面前未反應(yīng)炸藥進(jìn)行沖擊起爆，從而發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟，因而在從炸藥點火至發(fā)生爆轟的位置存在一定長度的“到爆轟距離”。這一理論被認(rèn)為是高密度固體炸藥的燃燒轉(zhuǎn)爆轟的主要機(jī)理，Tarver 等[4]對其進(jìn)行了改進(jìn)，采用精密和復(fù)雜的模型描述了材料的燃燒過程。但與此同時遭到了Jacobs[5]強(qiáng)烈反對，而Asay[2]對于密實炸藥DDT 的介紹中對Macek的觀點評述仍然十分謹(jǐn)慎。

20 世紀(jì)80 年代，Bernecker 等[6]和Sandusky 等[7]等對顆粒狀炸藥DDT 過程進(jìn)行了一系列研究，由Campbell[8]利用設(shè)計活塞實驗第一次清楚地闡述了炸藥密度稍高于50%～70%最大理論密度（以下簡稱TMD）的高孔隙率炸藥的DDT 機(jī)制，表明在炸藥一端點火后壓縮波形成的“活塞”是引發(fā)DDT 的關(guān)鍵，反應(yīng)波陣面的傳播過程基本滿足準(zhǔn)一維條件，可以通過在DDT 管壁上不同位置探針導(dǎo)通時間來監(jiān)測炸藥反應(yīng)傳播的具體情況，國內(nèi)外已有一系列實驗對不同的高孔隙率炸藥乃至固體推進(jìn)劑的反應(yīng)傳播進(jìn)行了研究[6-10]。然而，當(dāng)燃燒波陣面?zhèn)鞑サ酵耆軐崊^(qū)域（100% TMD），因反應(yīng)產(chǎn)物氣體無法透過密實的炸藥基體傳播，線性的燃燒速率在炸藥密度為90%～100% TMD 時下降至高孔隙率炸藥時的1/20，即從對流燃燒模式變成了層流燃燒模式，在與不斷增強(qiáng)的對流燃燒速度相比之下，這樣的燃燒速度接近于停止[2]。因此對于本身就是接近100% TMD 的壓裝炸藥，如果根據(jù)Macek 的波聚合物理模型[3]，在炸藥被點燃的一端以較慢速的層流燃燒進(jìn)行反應(yīng)，如果要使得燃燒產(chǎn)物壓力不斷快速增長達(dá)到足以使基體中的壓縮波匯聚形成沖擊波，則要求炸藥本身的燃速對壓力足夠敏感，對某些配方的始發(fā)藥劑也許可以滿足條件，但對于HMX 基的主裝藥來說是卻是難以實現(xiàn)的[11]。此外，如果要求沖擊波壓力足夠強(qiáng)以至于可以在炸藥中形成沖擊起爆，那么裝藥約束需要足夠高的強(qiáng)度來保證炸藥反應(yīng)的持續(xù)。在黃毅民等[12]、王建等[13-14]和代曉淦等[15]對HMX 基高密度壓裝炸藥的DDT 實驗研究中，都使用了鋼管作為DDT 管，但由于設(shè)置的探針孔在管內(nèi)處于高壓時會引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致實際屈服強(qiáng)度比未打孔的鋼管顯著下降。從反應(yīng)后的裝置碎片來看，管壁的破壞基本都是沿著探針孔開始撕裂。而黃毅民[12]和王建等[13-14]在結(jié)論中認(rèn)為如果使用更強(qiáng)的約束，密實的壓裝炸藥仍然會發(fā)生DDT。

此外，壓裝炸藥點燃后的反應(yīng)產(chǎn)物氣體無法透過炸藥基體，則會在裝藥約束的結(jié)構(gòu)縫隙中以對流形式傳播，并經(jīng)一定熱傳導(dǎo)感應(yīng)時間，誘發(fā)下游位置炸藥表面燃燒。認(rèn)識到這一點，則不能簡單認(rèn)為探針記錄到的導(dǎo)通信號代表炸藥反應(yīng)傳播的位置，更不能認(rèn)定為是炸藥基體內(nèi)部發(fā)生了反應(yīng)。從Jackson 等[16]對密閉容器中炸藥拼接形成的80 μm 寬的狹縫中進(jìn)行點火的反應(yīng)演化過程可知，火焰在裂縫中傳播點燃炸藥表面引起縫隙中壓力增長驅(qū)使火焰沿縫隙加速向前傳播，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸罡呱踔吝_(dá)到10 km/s，最高峰值壓力達(dá)到680 MPa，傳播特征與Leuret 等[17]觀察到在炸藥點火直到發(fā)生劇烈反應(yīng)之前存在的“低速爆轟”十分相似，甚至有可能會因為產(chǎn)物對流及表面燃燒行為傳播速度達(dá)到炸藥爆速的水平從而被誤認(rèn)為“發(fā)生了DDT”。在Jackson 等[16]的實驗裝置解體后，仍回收到幾乎完整、僅表面反應(yīng)的炸藥樣品，這也證實了在炸藥基體內(nèi)部并沒有發(fā)生點火。Jackson 等[16]狹縫中進(jìn)行點火的實驗的尺度恰好是DDT 管中炸藥與炸藥、炸藥與裝藥約束之間的縫隙特征寬度，反應(yīng)結(jié)果很好地表現(xiàn)了炸藥反應(yīng)產(chǎn)物氣體無法透過密實的炸藥基體傳播時在縫隙中對流傳播的圖像特征。

文尚剛[18]對裝在透明有機(jī)玻璃管中的高密度壓裝HMX 基炸藥柱使用黑火藥進(jìn)行單端點燃，從回收的實驗裝置碎片以及炸藥樣品特征來看,與Jackson 等[16]的實驗有相似之處，如炸藥樣品基本被完全回收，甚至大部分都保持完整沒有反應(yīng)痕跡，發(fā)生反應(yīng)的部分也僅有少量熏痕，說明參與反應(yīng)的炸藥量極少且僅有炸藥表面發(fā)生反應(yīng)。從高速攝影圖像可以看出，在實驗過程中火焰尖端是沿炸藥表面進(jìn)行傳播的，且具有明顯的非對稱性。這也可以解釋王建等[13-14]的實驗中為什么電探針導(dǎo)通時序出現(xiàn)了混亂，很可能源于火焰及反應(yīng)產(chǎn)物在炸藥柱和管壁之間的圓柱面縫隙中的不對稱傳播。通過尚海林等[19]的炸藥狹縫點火實驗中的高速攝影圖像及不同位置壓力歷程可以看出，當(dāng)狹縫中炸藥表面都被點燃后，不同局部位置的反應(yīng)程度存在區(qū)別，壓力增長并非嚴(yán)格按照火焰?zhèn)鞑シ较蛞来卧鲩L。

種種跡象表明，高密度的固體炸藥在傳統(tǒng)DDT 管及其類似的長管強(qiáng)約束條件下、在一端點火后，Macek 在一維假定下的波聚合物理模型不能很好地解釋其反應(yīng)行為。而炸藥表面點火產(chǎn)生的高溫高壓產(chǎn)物氣體在裝藥結(jié)構(gòu)的宏觀縫隙中對流傳播引起的炸藥表面燃燒以及壓力增長可能才是反應(yīng)向劇烈演化的主導(dǎo)機(jī)制。

1 實驗裝置和測試系統(tǒng)

為了研究固體壓裝炸藥在長管厚壁柱殼約束條件下一端點火后的真實反應(yīng)演化過程，探究在更強(qiáng)的約束條件下，密實壓裝炸藥PBX-A 是否會發(fā)生DDT。本文中設(shè)計了在特定的裝藥及約束條件下用電點火頭加黑火藥的方式對以HMX 為基的密實壓裝炸藥PBX-A 進(jìn)行單端引燃點火實驗（以下簡稱點火實驗）。

實驗裝置如圖1 所示，鋼柱殼管材為45 鋼，內(nèi)徑20 mm、外徑60 mm，裝置總長度600 mm。在管壁上不設(shè)置探針孔以保持結(jié)構(gòu)完整對稱，避免高壓下應(yīng)力集中在結(jié)構(gòu)弱環(huán)處造成裝置提前解體，保證腔體內(nèi)炸藥不被意外中斷反應(yīng)；端頭外加厚重壓蓋，防止端頭被沖出導(dǎo)致反應(yīng)中斷；外端壓蓋和管壁連接處設(shè)置厚度漸進(jìn)的圓臺，防止管壁膨脹后在接觸位置造成剪切破裂，同樣是為了防止反應(yīng)提前終止。實驗使用的密實低孔隙率壓裝炸藥PBX-A 含有95%HMX，密度1.860 g/cm3（理論密度為1.889 g/cm3）。裝填的藥柱總長度440 mm，由多個藥柱拼接而成，藥柱與管壁之間存在的裝配縫隙約70～120 μm。點火藥小粒黑火藥質(zhì)量大約1.75 g，點火系統(tǒng)響應(yīng)時間約4 ms。

在點火實驗中將使用PDV 測速儀、數(shù)字式高速相機(jī)、應(yīng)變測試儀以及空氣沖擊波超壓傳感器對實驗過程進(jìn)行監(jiān)測。實驗測試系統(tǒng)如圖2 所示：數(shù)字式高速相機(jī)用于拍攝記錄反應(yīng)過程圖像；PDV 測速儀用于監(jiān)測實驗裝置不同位置的殼體膨脹速度歷程；應(yīng)變測試系統(tǒng)用于監(jiān)測實驗裝置不同位置的形變。延時同步機(jī)用于觸發(fā)實驗裝置點火、時間間隔記錄儀和數(shù)字示波器。

圖 1 實驗裝置Fig. 1 Experimental set-up

圖 2 測試系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the testing system

圖 3 點火實驗PDV 探針及應(yīng)變片測點位置(單位：mm)Fig. 3 Measuring points position of PDV probes and strain gauges in initiation reaction(unit: mm)

點火實驗中PDV 探針及應(yīng)變片的測點位置如圖3 所示，均以點火座與炸藥交界面為基準(zhǔn)點（0 mm 處）。其中PDV 探針2～7 號測點分別垂直于管壁，測量管壁徑向的運(yùn)動情況；探針1、8 號測點垂直于裝置尾端蓋平面，測量裝置尾端蓋處的軸向運(yùn)動情況。整體測試系統(tǒng)布局如圖4所示。

為比較炸藥在點火引燃條件下與直接起爆條件下的實驗現(xiàn)象及對應(yīng)過程物理狀態(tài)的區(qū)別，在爆轟標(biāo)定實驗中以雷管代替引燃點火裝置，直接起爆實驗裝置中的炸藥，使用轉(zhuǎn)鏡式分幅相機(jī)及PDV 測速儀進(jìn)行監(jiān)測。PDV 探針的測點位置如圖5 所示。

圖 4 實驗系統(tǒng)布局示意圖Fig. 4 Diagram of experimental system

圖 5 爆轟標(biāo)定實驗PDV 探針測點位置（單位： mm）Fig. 5 Measuring points position of PDV probes in detonation reaction (unit: mm)

2 實驗結(jié)果

兩次實驗的典型高速攝影圖像如圖6 所示。點火實驗中的3 張圖片的拍攝時刻自上而下分別為8.23、8.30、8.32 ms。爆轟標(biāo)定實驗中因轉(zhuǎn)鏡式高速相機(jī)啟動時間存在漂移，無法確定拍攝的具體時刻。在爆轟標(biāo)定實驗中炸藥反應(yīng)產(chǎn)物驅(qū)動柱殼破片向外飛散，炸藥反應(yīng)沿著起爆方向以爆速穩(wěn)定傳播，總反應(yīng)時間約60 μs；而在點火實驗中，在點火信號發(fā)出后8.22 ms（即點火藥點火后約4 ms）時首次在近點火端出現(xiàn)明顯火光，同時在下游位置出現(xiàn)管壁膨脹凸起，且凸起形狀在周向上并不均勻。在8.26、8.27 ms時分別可見兩處裂紋生成，8.29 ms 時管壁出現(xiàn)另一處火光，8.40 ms 后火光覆蓋整個裝置，表明炸藥總反應(yīng)時間約4 ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于爆轟標(biāo)定實驗中炸藥反應(yīng)時間。

兩次實驗中通過PDV 測得實驗裝置各處的運(yùn)動速度歷程曲線如圖7 所示。在爆轟標(biāo)定實驗中，徑向測點位置膨脹最高速度大于400 m/s，波形有明顯爆轟波陣面?zhèn)鞑バ纬傻膙on Neuman 尖峰特征。而在點火實驗中，從反應(yīng)的時間歷程上來看，管壁上開始出現(xiàn)膨脹變形的時刻是點火信號發(fā)出后8.14 ms，隨后數(shù)百微秒的時間里整個裝置管壁數(shù)個位置發(fā)生膨脹變形乃至破裂，裝置解體。殼體管壁上沿軸向各測點運(yùn)動啟動順序為2-3-5-4-6-7，反映出實驗裝置中各個位置的炸藥發(fā)生劇烈反應(yīng)起始的時間和位置呈現(xiàn)隨機(jī)性，而非爆轟或燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程中反應(yīng)陣面一維傳播的特征。從速度脈沖波形來看，在管壁破裂前各測點位置的脈沖前沿長達(dá)幾十至百微秒，且各處測點的速度曲線斜率接近，可以視為管內(nèi)各測點位置壓力水平相近，根據(jù)加速度估算管壁破裂前內(nèi)部最大壓力約為1 108 MPa。

圖 6 實驗過程典型圖像Fig. 6 Typical experimental photographs

圖 7 PDV 測得實驗裝置各處的運(yùn)動速度歷程Fig. 7 Velocity profiles measured by PDV

點火實驗中管壁不同位置處應(yīng)變曲線如圖8 所示，可知管壁不同位置應(yīng)變片測得的變形發(fā)生時間與PDV 測得的管壁膨脹變形發(fā)生時間基本一致。

點火實驗測得的空氣沖擊波超壓結(jié)果如圖9 所示，在距離裝置中心1.5 m 處的兩個空氣沖擊波超壓傳感器，分別在點火后9.87、10.1 ms測得空氣沖擊波峰值壓力分別為0.135、0.163 MPa，換算得等效TNT 當(dāng)量390 g，表明大部分炸藥發(fā)生了反應(yīng)。需要注意的是，等效TNT 當(dāng)量是以裸藥球爆炸計算所得，而本文實驗結(jié)果中空氣沖擊波超壓產(chǎn)生的條件是在特定的約束條件下，因此不能簡單與TNT 當(dāng)量做比較，僅作為參考數(shù)據(jù)。

圖 8 點火實驗應(yīng)變片測試結(jié)果Fig. 8 Hoop strain measurements of initiation reaction

兩次實驗回收的實驗裝置碎片如圖10 所示。爆轟加載形成的碎片較小、呈細(xì)長條狀。尺寸、形狀分布較均勻。點火實驗回收碎片與爆轟加載形成的碎片相比，尺寸明顯更大，形狀、尺寸分布不均勻；部分碎片內(nèi)表面有更明顯的燃燒痕跡，沒有爆轟加載形成的層裂痕跡；并沒有出現(xiàn)典型DDT 過程形成的從點火端到遠(yuǎn)端的碎片從大到小的演化特征。

圖 9 點火實驗反應(yīng)后遠(yuǎn)區(qū)測得的空氣沖擊波超壓曲線Fig. 9 Air blast overpressure profiles of initiation reaction

圖 10 回收的實驗裝置碎片F(xiàn)ig. 10 Fragments in recovery experiments

3 分析與討論

3.1 點火實驗系統(tǒng)的反應(yīng)動作時序梳理

控制臺輸出點火信號為時間零點。結(jié)合應(yīng)變片信號、高速攝影、PDV 信號，扣除點火系統(tǒng)的作用時間約4 ms，至8.14 ms 管壁開始變形膨脹。等容腔壓力增長的時間約4 ms，此時管內(nèi)等效壓力小于管壁箍縮屈服限。

應(yīng)變片信號顯示8.15 ms 時測點近點火端測點位置已達(dá)最大變形，但由于破口在管壁靠近背景板一側(cè)，無法確定宏觀裂口出現(xiàn)的具體時間。至8.22 ms 火光出現(xiàn)，管壁塑性形變至首次破裂時間最長不超過70 μs，炸藥發(fā)生強(qiáng)反應(yīng)（爆燃或爆炸）的時間與位置具有不確定性。

3.2 長管強(qiáng)約束條件下炸藥點火的反應(yīng)機(jī)制探究

從實驗結(jié)果來看，即便是在增強(qiáng)厚壁長管約束條件下，對于單端引燃的密實壓裝炸藥仍然沒有發(fā)生DDT。從實驗裝置管壁膨脹變形直至解體之前的劇烈反應(yīng)情況下，裝置內(nèi)的反應(yīng)壓力水平僅僅達(dá)到1 GPa 左右的量級，且壓力脈沖增長前沿長達(dá)數(shù)十至百微秒，無法在炸藥基體中形成沖擊波，因此無法實現(xiàn)從沖擊到爆轟的轉(zhuǎn)變，與Macek 在一維假定下的波聚合物理模型不符。

此外，從以往一些的壓裝炸藥DDT 實驗結(jié)果中出現(xiàn)的電離電探針導(dǎo)通時序混亂的情況反映出在單端引燃的DDT 管實驗中，炸藥表面點火產(chǎn)生的高溫高壓產(chǎn)物氣體在裝藥結(jié)構(gòu)的宏觀縫隙中對流傳播引起的炸藥表面燃燒以及壓力增長在反應(yīng)演化方面扮演了重要的角色。結(jié)合文尚剛[18]和Shang 等[19]的實驗圖像，本文中單端引燃實驗中管壁膨脹啟動時序的隨機(jī)性，實驗裝置膨脹破裂前的反應(yīng)壓力水平和壓力增長歷程，以及回收的實驗裝置內(nèi)表面上的燒蝕痕跡，體現(xiàn)了約束中的炸藥實際反應(yīng)過程是炸藥表面點火后先期反應(yīng)高溫高壓產(chǎn)物氣體會以對流形式在炸藥與柱殼壁面間縫隙中傳播，誘發(fā)下游位置炸藥表面燃燒；持續(xù)燃燒的反應(yīng)產(chǎn)物使縫隙中的壓力持續(xù)增長，而表面燃燒加速產(chǎn)生高溫高壓氣體并進(jìn)一步向周圍傳播，不斷形成正反饋；當(dāng)壓力水平引起炸藥比表面積快速增長，炸藥的反應(yīng)速度急劇加快引起壓力水平的劇烈增長直至超過約束屈服極限，最終導(dǎo)致約束解體。因此對于約束條件下的密實炸藥，表面點火后高溫、高壓反應(yīng)產(chǎn)物氣體以對流形式在炸藥與柱殼壁面間縫隙中傳播過程才是影響反應(yīng)演化的主導(dǎo)機(jī)制。

4 結(jié) 論

通過本文實驗結(jié)果及結(jié)合文獻(xiàn)分析，得到以下主要結(jié)論：

（1）壓裝炸藥PBX-A 在長管強(qiáng)約束條件下單端引燃后未發(fā)生典型的燃燒轉(zhuǎn)爆轟現(xiàn)象，反應(yīng)烈度為爆燃或爆炸級。從反應(yīng)壓力增長歷程反映出炸藥基體內(nèi)沒有形成沖擊波，因而無法實現(xiàn)從沖擊到爆轟的轉(zhuǎn)變；

（2）炸藥表面點火后先期反應(yīng)高溫高壓產(chǎn)物氣體會以對流形式在炸藥與柱殼壁面間縫隙中傳播，誘發(fā)相鄰位置炸藥表面燃燒與反應(yīng)的進(jìn)一步傳播，這一過程是約束條件下的密實炸藥點火反應(yīng)演化的主導(dǎo)機(jī)制。