HMX顆粒炸藥低速撞擊點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)研究＊

吳艷青，黃風(fēng)雷，艾德友

（北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

炸藥材料敏感性是炸藥能否實(shí)用的關(guān)鍵性能之一，工程領(lǐng)域常用落錘實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)炸藥低速撞擊作用下的感度［1－2］。在落錘撞擊實(shí)驗(yàn)中，主要根據(jù)爆光、爆音、爆煙、爆痕、爆炸分解生成物來判斷爆與不爆［3］，并不區(qū)分燃燒或爆炸反應(yīng)的劇烈程度。實(shí)際上，即使感度實(shí)驗(yàn)中h50相同的兩種炸藥，受撞擊作用后，反應(yīng)的劇烈程度也會(huì)不同［4－5］。當(dāng)炸藥受到落錘低速撞擊后，局部形成的熱點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致緩慢或劇烈燃燒，甚至引起爆炸［6－9］。因此，要準(zhǔn)確評(píng)判炸藥材料的敏感性，就需要觀測熱點(diǎn)形成、熱點(diǎn)長大、熱點(diǎn)點(diǎn)火、燃燒或爆炸的整個(gè)過程。

對(duì)落錘儀進(jìn)行改造來研究炸藥試樣的點(diǎn)火機(jī)理，最著名的是英國劍橋大學(xué)的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室改造的落錘儀［10－11］。代曉淦等［12］通過改造落錘儀獲取了炸藥受撞擊作用過程的各項(xiàng)數(shù)據(jù)；胡慶賢等［13］通過在落錘儀上安裝加速度測試系統(tǒng)獲取了落錘撞擊期間的加速度變化和撞擊持續(xù)時(shí)間等，這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都具有很重要的參考價(jià)值。

本文中，參考卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)裝置［14］，對(duì)傳統(tǒng)的立式落錘儀上的落錘和撞擊底座進(jìn)行改造，增加光路系統(tǒng)，利用高速攝影儀，拍攝HMX顆粒炸藥試樣受落錘撞擊過程的變況圖像，該裝置還可聯(lián)接壓力傳感器。在對(duì)實(shí)時(shí)拍攝的圖像進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，分析落錘高度和炸藥顆粒松散度對(duì)炸藥撞擊響應(yīng)過程的影響規(guī)律。

1 落錘撞擊加載實(shí)驗(yàn)

根據(jù)落錘儀上配備的傳統(tǒng)落錘整體尺寸，在落錘和底座內(nèi)加工一些孔，以便放置鋼化玻璃擊柱和鏡面。改造后的落錘光路原理示意圖如圖1所示。炸藥的材料為如圖2所示的H M X顆粒，顆粒尺寸約6 0 0～9 0 0μm。落錘撞擊試樣瞬間，由光源發(fā)出的光線經(jīng)過落錘中的鏡子反射，透過鋼化玻璃上擊柱－試樣－鋼化玻璃下?lián)糁M(jìn)行傳播，隨后經(jīng)過撞擊裝置中的鏡面反射，由微光高速數(shù)字成像系統(tǒng)記錄試樣受落錘撞擊后的響應(yīng)過程。

圖1 落錘加載裝置及光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram showing the drop－weight loading and optical measurement system

圖2 HMX顆粒炸藥初始形貌Fig.2 Initial morphology of HMX granular explosive

2 落錘撞擊顆粒炸藥結(jié)果

2.1 落錘下落高度的影響

高速攝影儀拍攝頻率取為105s－1，圖3、4分別取質(zhì)量為32.0、31.5 mg的HMX顆粒炸藥，當(dāng)落錘下落高度分別設(shè)定為15、18 cm時(shí)受撞擊的變化過程圖像，顆粒擺放保持為單層相互接觸但無堆積。圖3中，當(dāng)落錘下落高度為15 cm時(shí)，沒有發(fā)生點(diǎn)火。690μs時(shí)，試樣右下側(cè)邊界處發(fā)生少量噴射，710μs時(shí)發(fā)生大量噴射。試樣中心處透光性也大幅度提高，但面積擴(kuò)展并未有太大變化。伴隨著試樣右下角噴射強(qiáng)度的減弱，在1 060μs時(shí)，左上側(cè)又發(fā)生了少量噴射，試樣受撞擊加載的過程持續(xù)了1 140μs。

由圖3可知，落錘下落高度為15 cm的撞擊并沒有導(dǎo)致HMX顆粒炸藥點(diǎn)火和起爆，主要在邊界處發(fā)生了2次很明顯的噴射。噴射現(xiàn)象是局部產(chǎn)生液相一個(gè)很好的證明，圖3（c）之前大部分時(shí)間內(nèi)（510μs），顆粒炸藥主要經(jīng)歷塑性變形和壓實(shí)擴(kuò)展，圖3（i）為最后殘留的壓實(shí)狀態(tài)炸藥。

圖3 落錘下落高度為15 cm時(shí)32.0 mg的HMX顆粒炸藥受撞擊的響應(yīng)過程Fig.3 Selected high－speed photographic frames for H MX particles（with the mass of 32.0 mg）in response to a drop－weight impact with the falling height of 15 cm

圖4記錄了落錘下落高度為18 cm的炸藥響應(yīng)過程。圖4（b）～（d）為塑性擴(kuò)展階段，持續(xù)520μs；圖4（e）～（f）為點(diǎn)火前的透光性明顯增強(qiáng)階段，圖4（f）（即630μs時(shí)刻）中發(fā)生了點(diǎn)火，640μs時(shí)刻熱點(diǎn)聚合，發(fā)生劇烈燃燒；從660μs后火焰開始熄滅。由圖4可知，在落錘下落高度為18 cm情況下經(jīng)歷了520μs的塑性變形擴(kuò)展－透光性增強(qiáng)－點(diǎn)火－快速燃燒－燃燒熄滅－殘留物重新堆積，仍有較多殘留物。

2.2 顆粒初始松散度的影響

圖5～6比較了相同落錘高度（18 cm），不同初始松散度對(duì)炸藥撞擊變形—— 點(diǎn)火/燃燒演化過程的影響。松散度定義為初始平鋪面積與質(zhì)量之比，該值越大，顆粒擺放越分散。

圖5為31.7 mg的HMX顆粒炸藥受落錘撞擊變化過程圖像，試樣平鋪面積90.91 mm2，松散度為2.87 mm2/mg。圖5（a）～（c）為塑性擴(kuò)展階段，持續(xù)時(shí)間為410μs；圖5（c）～（h）為透光性明顯增強(qiáng)階段，該階段持續(xù)時(shí)間為310μs；從圖5（e）（即510μs時(shí)刻）開始，試樣下部區(qū)域發(fā)生噴射，圖5（i）～（q）為試樣點(diǎn)火燃燒階段，有3個(gè)點(diǎn)火位置產(chǎn)生，第1個(gè)位置點(diǎn)火時(shí)刻為720μs，第2個(gè)點(diǎn)火位置發(fā)生時(shí)刻為730μs，第3個(gè)點(diǎn)火位置發(fā)生時(shí)刻為750μs。這是由于第1個(gè)位置發(fā)生點(diǎn)火后，未能傳播燃燒，隨后又出現(xiàn)第2、3個(gè)點(diǎn)火位置，圖5（m）～（q）發(fā)生點(diǎn)火點(diǎn)聚合，隨后燃燒傳播，持續(xù)時(shí)間為50μs。

圖5 落錘下落高度為18 cm、松散度為2.87 mm2/mg時(shí)31.7 mg的HMX顆粒炸藥受落錘撞擊變化過程圖像Fig.5 Selected high－speed photographic frames showing the responses of a layer of HMX particles with the total mass of 31.7 mg and the incompactness degree of 2.87 mm2/mg，subjected to a 18 cm drop height impact

圖6為31.5 mg HMX受落錘撞擊變化過程圖像，試樣平鋪面積81.79 mm2，松散度2.60 mm2/mg。圖6（b）～（d）為塑性擴(kuò)展階段，持續(xù)時(shí)間為470μs，圖6（e）～（g）為透光性明顯增強(qiáng)階段，持續(xù)時(shí)間為290μs，圖6（h）～（l）為點(diǎn)火燃燒階段，持續(xù)時(shí)間為50μs，圖6（h）中出現(xiàn)2個(gè)點(diǎn)火位置，圖6（m）～（n）過程中，由部分透光發(fā)展到完全不透光。此實(shí)驗(yàn)中主要經(jīng)歷了470μs塑性變形擴(kuò)展，290μs透光性增強(qiáng)階段，760～800μs時(shí)間內(nèi)的點(diǎn)火聚合及快速燃燒過程。

圖6 落錘下落高度為18 cm、松散度為2.60 mm2/mg時(shí)31.5 mg的HMX顆粒炸藥受落錘撞擊變化過程圖像Fig.6 Selected high－speed photographic frames showing the responses of a layer of HMX particles with the total mass of 31.5mg and the incompactness degree of 2.60 mm2/mg，subjected to a 18 cm drop height impact

2.3 對(duì)比分析

為便于分析對(duì)比，將落錘撞擊高度為15、18和30 cm的實(shí)驗(yàn)分別標(biāo)號(hào)為實(shí)驗(yàn)1、2、3，顆粒松散度為2.87、2.60、1.54 mm2/mg的標(biāo)號(hào)為實(shí)驗(yàn)4、5、6。表1為落錘撞擊高度不同的3次實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析，表2為落錘高度相同、松散度不同的3次實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比分析。表中m為試樣質(zhì)量，A為試樣平鋪面積，v為顆粒松散程度，h為落錘撞擊高度，tp為塑性擴(kuò)展持續(xù)時(shí)間，tt為透光時(shí) 間，tj，0為 噴 射開始時(shí)間，ti，0為點(diǎn)火初始時(shí)刻，ti為點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間。在表1的3個(gè)實(shí)驗(yàn)中，試樣質(zhì)量均接近30 mg，其中實(shí)驗(yàn)1只發(fā)生噴射現(xiàn)象，而實(shí)驗(yàn)2、3均發(fā)生點(diǎn)火燃燒現(xiàn)象，而不發(fā)生噴射。落錘撞擊高度較高時(shí)，炸藥更容易發(fā)生點(diǎn)火現(xiàn)象，以上3組不同落錘撞擊高度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更直觀生動(dòng)地揭示了落錘高度對(duì)炸藥變形－點(diǎn)火－燃燒或爆炸的影響。表2中，實(shí)驗(yàn)4的松散程度最大，先后產(chǎn)生3個(gè)點(diǎn)火位置；實(shí)驗(yàn)5同時(shí)產(chǎn)生2個(gè)點(diǎn)火位置；實(shí)驗(yàn)6松散程度最低，僅出現(xiàn)1個(gè)點(diǎn)火位置。說明顆粒擺放越松散，越容易產(chǎn)生熱點(diǎn)，點(diǎn)火位置越多，實(shí)驗(yàn)發(fā)生點(diǎn)火燃燒的機(jī)會(huì)就越大。其中，從實(shí)驗(yàn)4中（見圖5）還發(fā)現(xiàn)，在試樣下部區(qū)域還發(fā)生了噴射現(xiàn)象，大部分區(qū)域發(fā)生了由點(diǎn)火導(dǎo)致的燃燒，但是發(fā)生噴射的區(qū)域未參與后發(fā)生的點(diǎn)火燃燒過程。

圖7為不同落錘撞擊高度的3次實(shí)驗(yàn)中圖像面積隨時(shí)間變化曲線。其中實(shí)驗(yàn)1的曲線中2次較為劇烈的面積變化對(duì)應(yīng)于出現(xiàn)的2次噴射現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)3中面積發(fā)生突變處為點(diǎn)火－燃燒發(fā)生的時(shí)刻。圖8為不同松散度的試樣圖像面積變化曲線。實(shí)驗(yàn)4曲線中的第1個(gè)劇烈變化是由試樣右下部發(fā)生部分噴射引起的，第2個(gè)劇烈變化則是由于發(fā)生了點(diǎn)火燃燒現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)5和6的曲線劇烈變化時(shí)刻均為試樣點(diǎn)火燃燒的時(shí)刻。

表1 試樣變形點(diǎn)火－響應(yīng)受落錘撞擊高度的影響Table 1 Effects of drop height on impact responses of HMX granular explosives

表2 試樣變形－點(diǎn)火響應(yīng)受松散度的影響Table 2 Effects of incompactness degrees on impact responses of HMX granular explosives

圖7 不同落錘撞擊高度的試樣圖像面積變化曲線Fig.7 Radial expansion area change of HMX granular explosives impacted by drop weights with different falling heights

圖8 不同松散度的試樣圖像面積變化曲線Fig.8 Radial expansion area change of HMX granular explosives with different incompactness degrees

3 結(jié) 論

利用改造的落錘和底座裝置，結(jié)合高速攝影儀，實(shí)時(shí)拍攝了顆粒炸藥受落錘撞擊后的響應(yīng)。研究了落錘撞擊高度、試樣松散程度對(duì)撞擊點(diǎn)火響應(yīng)的影響，能夠清晰觀測到顆粒炸藥受撞擊后的主要過程：塑性擴(kuò)展、透光性增強(qiáng)、點(diǎn)火及燃燒階段。當(dāng)然，每次實(shí)驗(yàn)并非均經(jīng)歷所有的階段。結(jié)果表明，其他條件相同的情況下，落錘高度越高，更容易發(fā)生點(diǎn)火燃燒現(xiàn)象，落錘高度低，易于發(fā)生噴射現(xiàn)象。

試樣初始擺放松散程度也會(huì)影響炸藥變形過程及燃燒反應(yīng)劇烈程度。當(dāng)試樣堆放較為密集時(shí)，塑性變形階段較長，而松散度大的試樣塑性擴(kuò)展時(shí)間越短，也越容易形成多個(gè)點(diǎn)火位置，點(diǎn)火位置越多，熱點(diǎn)聚合導(dǎo)致燃燒的機(jī)會(huì)就越大。但是如果過于松散，顆粒間不存在相互作用，劇烈燃燒現(xiàn)象較難出現(xiàn)。

［1］Balzer J E，Proud W G，Walley S M，et al.High－speed photographic study of the drop－weight impact response of RDX－DOS mixtures［J］.Combustion and Flame，2003，135（4）：547－555.

［2］Buntain G A.Decomposition of energetic materials on the drop－weight－impact machine［C］∥Proceedings of the 9th Symposium （International）on Detonation.Portland，Oregon，United States，1989：1037－1043.

［3］于占龍，吳曉青.炸藥撞擊感度試驗(yàn)的研究［J］.安徽化工，2003，29（2）：20－22.YU Zhan－long，WU Xiao－qing.Study on the explosive impact sensitivity［J］.Anhui Chemical Engineering，2003，29（2）：20－22.

［4］Rice B M，Hare J J.A quantum mechanical investigation of the relation between impact sensitivity and the charge distribution in energetic molecules［J］.The Journal of Physical Chemistry：A，2002，106（9）：1770－1783.

［5］Keshavarz M H，Jaafari M.Investigation of the various structure parameters for predicting impact sensitivity of energetic molecules via artificial neural network［J］.Propellants，Explosives，Pyrotechnics，2006，31（3）：216－225.

［6］Partom Y.A threshold criterion for impact ignition［C］∥Proceeding of the 12th Symposium （International）on Detonation.San Diego，California，United States，2002：244－248.

［7］Bourne N K，F(xiàn)ield J E.Bubble collapse and the initiation of explosion［J］.Proceedings of the Royal Society of London A：Mathematical and Physical Sciences，1991，435（1894）：423－435.

［8］Peterson P D，Avilucea G R，Bishop R L，et al.Individual contributions of friction and impact on non－shock initiation of high explosives［C］∥Elert M，F(xiàn)urnish M D，et al.Shock Compression of Condensed Matter.United State：American Institute of Physics，2007：983－986.

［9］Joshi V S.Recent developments in shear ignition of explosives using hybrid drop weight－h(huán)opkinson bar apparatus［C］∥Elert M，F(xiàn)urnish M D，et al.Shock Compression of Condensed Matter.United State：American Institute of Physics，2007：945－950.

［10］Balzer J E，F(xiàn)ield J E，Gifford M J，et al.High－speed photographic study of the drop－weight impact response of ultrafine and conventional PETN and RDX［J］.Combustion and Flame，2002，130（4）：298－306.

［11］Heavens S N，F(xiàn)ield J E.The ignition of a thin layer of explosive by impact［J］.Proceedings of the Royal Society of London A：Mathematical and Physical Sciences，1974，338（1612）：77－93.

［12］代曉淦，向永，申春迎，等.大藥片落錘撞擊感度研究［J］.爆炸與沖擊，2006，26（4）：381－384.DAI Xiao－gan，XIANG Yong，SHEN Chun－ying，et al.Study of drop hammer impact sensitivity for big－bill explosives［J］.Explosion and Shock Waves，2006，26（4）：381－384.

［13］胡慶賢，呂子劍.落錘撞擊加速度的測試及討論［J］.含能材料，1999，7（4）：176－179.HU Qing－xian，LüZi－jian.Determination of impact acceleration in drop weight test［J］.Chinese Journal of Energetic Materials，1999，7（4）：176－179.

［14］Swallowe G M，F(xiàn)ield J E.The ignition of a thin layer of explosive by impact；the effect of polymer particles［J］.Proceedings of the Royal Society of London A：Mathematical and Physical Sciences，1982，379（1777）：389－408.

［15］張小寧，徐更光，徐軍培，等.超細(xì) HMX和 RDX撞擊感度的研究［J］.火炸藥學(xué)報(bào)，1999，22（1）：33－36.ZHANG Xiao－ning，XU Geng－guang，XU Jun－pei，et al.A study about impact sensitivity of ultrafine HMX and RDX［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，1999，22（1）：33－36.

［16］汪波，劉玉存，李敏.HMX粒度對(duì)其撞擊感度的影響研究［J］.華北工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，26（1）：35－37.WANG Bo，LIU Yu－cun，LI Min.Study on the influence of particle size on the impact sensitivity of HMX［J］.Journal of North China Institute of Technology，2005，26（1）：35－37.

［17］王作山，鄭敏，劉玉存.HMX粒度對(duì)H MX/F2641沖擊波起爆感度的影響研究［J］.華北工學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，20（2）：171－173.WANG Zuo－shan，ZHENG Min，LIU Yu－cun.Study on the influence of HMX particle size on the Shock wave initiation sensitivity of HMX/F2641［J］.Journal of North China Institute of Technology，1999，20（2）：171－173.