馬 騰,董小麗,楊 年,劉靜平,羅一民,徐 森,,劉大斌,萬 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)射動力研究所,江蘇 南京 210094;3.國家民用爆破器材質(zhì)量監(jiān)督檢測中心,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內(nèi)外的高度關(guān)注[3]。例如美國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年開始,美國又在“通用低成本不敏感炸藥”項目的支持下推出以DNAN為熔鑄載體的IMX系列熔鑄炸藥[5]。對于DNAN基熔鑄炸藥,目前研究主要重點集中在配方、工藝和能量輸出特性方面[1,3,6-7],很少看到關(guān)于DNAN基熔鑄炸藥點火后反應(yīng)特性方面研究的相關(guān)報道。

含能材料在生產(chǎn)、運輸和使用過程中對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導(dǎo)致意外點火。炸藥在點火后續(xù)反應(yīng)與炸藥性質(zhì)、約束條件以及點火條件相關(guān),與沖擊起爆相比,反應(yīng)涉及過程復(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)變計和電離式探針研究了鑄裝HMX炸藥的點火過程,提出了經(jīng)典的“一維假定”下的波聚合物理模型,認(rèn)為被點燃的炸藥不斷產(chǎn)生的應(yīng)力波在炸藥柱中傳播,經(jīng)過一段距離后在炸藥內(nèi)部匯聚成了沖擊波,對波陣面前未反應(yīng)炸藥進(jìn)行沖擊起爆,從而發(fā)生了燃燒轉(zhuǎn)爆轟(Deflagration to Detonation Transition, DDT),得到在從炸藥點火至發(fā)生爆轟存在一定長度的誘導(dǎo)距離。在之后的幾十年中,國內(nèi)外研究者對炸藥點火后反應(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過程。結(jié)果表明在強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PBX-2炸藥DDT過程的影響,結(jié)果表明約束條件對誘導(dǎo)爆轟距離有明顯影響。

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

1 實 驗

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]。鑄裝過程中,通過震動、抽真空等措施控制炸藥缺陷,炸藥密度為1.872g/cm3。長度1000mm、內(nèi)徑40mm的鋼管實際裝藥量為(2300±10)g。

1.2 試驗裝置

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

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 A diagram of the configuration

1.3 試驗布局及方法

為了測試爆炸物響應(yīng)過程中產(chǎn)生的地面反射超壓,壓力傳感器選用美國PCB公司生產(chǎn)的112A系列產(chǎn)品,傳感器最大測試量程為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)于防護鐵墩中,鐵墩上表面與地面平齊,鐵墩間隔1m呈直線排布,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 沖擊波超壓測試傳感器布置圖Fig.2 Shock wave overpressure test sensor layout scheme

1.4 測試方法

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

圖3 樣品實物圖Fig.3 The device photo of sample

由上節(jié)的圖2可知,φ大于74°,所有測點位置均位于馬赫反射區(qū)域,即各點入射角大于馬赫反射的臨界角,此時入射壓力、反射壓力的換算結(jié)果見式(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為測試點與爆心連線方向與地面垂直方向的夾角值。

不同于球形裝藥,長徑比較大的直線裝藥(L∶D=25∶1)的沖擊波陣面柱形地擴張而非球形的擴張。實際上,對于這樣的線性裝藥,常運用一個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為藥柱長度,m;R為測壓距離,m;a、b、c為根據(jù)試驗擬合的系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 單端點火試驗結(jié)果及分析

進(jìn)行了不同約束條件下的單端點火試驗,試驗后現(xiàn)場結(jié)果如圖4所示。目前,存在多種燃燒轉(zhuǎn)爆轟試驗結(jié)果判定方法。通常結(jié)合現(xiàn)場沖擊波超壓、驗證板及管體形貌綜合評判爆炸物的反應(yīng)劇烈程度[13, 17-18]。在4mm和10mm鋼管壁厚條件下鋼管均從點火端發(fā)生破裂,驗證板均完好未破損,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,該約束條件無法滿足炸藥反應(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 點火試驗后驗證板及管體形貌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,試驗后鋼管發(fā)生輕微膨脹但主體完好,點火端及尾端均發(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,在較強約束條件下,DNAN基熔鑄炸藥在一端使用點火藥引燃后的反應(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)水平來看,炸藥中沒有形成穩(wěn)定的沖擊波,因此無法實現(xiàn)從沖擊到爆轟的轉(zhuǎn)變[8]。

現(xiàn)場在4種強約束條件下點火試驗中測試到了強烈的沖擊波超壓信號,圖5為試驗測試得到的反射沖擊波壓力曲線,結(jié)果表明隨著壁厚的增大,各測點采集到的壓力呈上升趨勢。強約束條件下,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,同時也表明大部分炸藥發(fā)生了反應(yīng)。為確認(rèn)約束條件對本試驗的影響,排除環(huán)境、測試系統(tǒng)等因素對結(jié)果的干擾,本研究在同一試驗場地進(jìn)行了多次重復(fù)性試驗,對所測的壓力數(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 單端點火試驗沖擊波超壓測試結(jié)果Table 1 Shock wave overpressure test results of single-end ignition experiments

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

2.2 爆轟試驗結(jié)果分析

為了估算不同壁厚下的DNAN基熔鑄炸藥點火后等效反應(yīng)藥量,分別進(jìn)行20、30、40及50mm壁厚條件下的爆轟試驗。現(xiàn)場收集到的鋼管碎片如圖6所示,可以看出4種約束條件的試驗中,爆轟產(chǎn)生的高壓迅速破壞約束鋼管,現(xiàn)場收集到的碎片呈小塊,均表現(xiàn)為拉剪混合斷裂模式,且碎片表面無明顯燃燒痕跡,符合爆轟試驗中碎片特征。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 爆轟試驗現(xiàn)場收集碎片F(xiàn)ig.6 Fragments collected at the site of the detonation experiment

圖7為試驗測試得到的反射沖擊波壓力曲線,經(jīng)單端點火試驗相同數(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,可以看出隨著測點位置到爆心距離的增大,入射壓也隨之衰減,超壓曲線呈現(xiàn)較好的規(guī)律性。

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

圖7 爆轟驅(qū)動試驗的反射沖擊波壓力曲線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,對沖擊起爆試驗的入射超壓峰值進(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的擬合曲線也表明,在本試驗選定的測壓范圍內(nèi),直線裝藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓能較好地滿足爆炸相似律:

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火試驗中發(fā)生燃燒反應(yīng),試驗過程中所采集到的壓力值非常小,可忽略不計。本研究將單端點火試驗中發(fā)生爆炸反應(yīng)的20、30、40及50mm壁厚條件點火試驗中采集到的沖擊波超壓帶入相對應(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算所得,而本試驗結(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,具有重要的參考價值。

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

結(jié)果表明約束條件對炸藥反應(yīng)過程的影響很大,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,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,約束條件的增強對初始炸藥燃燒產(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,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,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)到足夠強的約束,繼續(xù)增大壁厚對燃?xì)獾南拗颇芰吔鼧O限,對反應(yīng)特性的促進(jìn)作用影響減小,等效反應(yīng)藥量無法進(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),在黑火藥點火作用下僅發(fā)生燃燒反應(yīng),在強約束條件下(壁厚20、30、40、50mm)在單端引燃后未發(fā)生典型的燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程,反應(yīng)烈度為爆炸。

(2)基于爆炸相似律,通過對比點火試驗與爆轟試驗產(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)約束條件足夠強時,這種促進(jìn)作用將不再明顯。