強約束球形裝藥反應裂紋傳播和反應烈度表征實驗*

李 濤，胡海波，尚海林，傅 華，文尚剛，喻 虹

（1. 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；2. 中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621999；3. 北京應用物理與計算數學研究所，北京 100089）

在經典的沖擊波起爆過程中，能量傳遞是通過炸藥塊體中沖擊波傳播來實現的，沖擊波陣面上誘發的熱點反應則是化學能釋放的主要形式，快速傳播的沖擊波和熱點反應在空間和時間上高度一致，使得高能量密度的炸藥轉換為反應產物后可產生極高的壓力。相比之下，結構裝藥非沖擊點火反應的演化機制完全不一樣，存在早期緩慢的層流燃燒和中后期炸藥塊體間隙或內部裂紋的對流燃燒過程[1-3]。所謂的對流燃燒，即氣體產物先在裂紋中快速流動傳輸，再經過一定熱誘導延遲時間后引發裂紋表面的熱傳導燃燒。由于炸藥裂紋中反應產物的擁塞，在逐漸增加的反應壓力作用下炸藥塊體會產生更多的裂紋，為燃燒提供更多的表面積，大面積燃燒反應產物造成的壓力急劇增加是高烈度反應產生的根本原因。

歷史上，在各類非沖擊點火實驗[4-5]中觀察到大量炸藥劇烈反應的現象。由于大部分實驗僅依賴于表象觀測或遠區超壓測量，使得研究者們對此類劇烈反應機制過程認識不清，還經常錯誤引用經典的爆轟術語對其進行描述。隨著研究的深入，人們不斷觀測到炸藥非沖擊點火反應過程中對流燃燒的證據[6]。最近，美國的研究者們通過烤燃實驗高速攝影[7]和質子輻射照相[8]直接觀測，進一步確認了對流燃燒裂紋傳播對于反應演化的重要性。為了能進一步認識結構裝藥非沖擊點火反應向高烈度轉變的過程，本文中專門設計了一種新型球形裝藥中心點火實驗裝置，采用了多種診斷方式對非沖擊點火反應的三維擴展演化過程進行了研究分析。實驗中，采用確保反應可持續的人為點火方式進行加載，同時盡可能控制約束狀態，避免因裝藥反應卸壓漏氣導致火焰提前熄滅，影響對關心過程的研究。

1 實驗裝置

本文中設計的強約束球形裝藥實驗裝置如圖1～2 所示，分為帶窗口和全鋼結構兩種。帶透明窗口裝置用于對炸藥響應的直接觀測，由固定基座、透明窗口、套筒、約束環、阻擋塊和球形裝藥組成，總體尺寸為300 mm×170 mm，全鋼結構中將透明窗口改為更強約束的鋼半球殼，總體尺寸為230 mm×150 mm。其中，球形裝藥材料是以HMX 為基的脆性壓裝PBX 炸藥（HMX 含量為95%），密度為1.86 g/cm3，由兩個直徑為110 mm 半球粘結而成，一個半球預留了直徑6 mm 的通孔；窗口為有機玻璃，徑向特征厚度為40 mm，鋼半球的徑向特征厚度為20 mm；套筒為兩半式卡槽鋼結構，保證裝置的軸向約束，鋼約束環用于保證裝置的徑向約束，阻擋塊的目的是減少引線孔的氣體排出量。裝置中除了透明窗口外，其他所有結構材料都為45 鋼。實驗中，在球形裝藥預留中心孔中進行中心點火，裝填的黑火藥質量約為1 g。

實驗的測試項目包括：高速攝影采用數字化高速相機，在未加照明的條件下對帶窗口裝置球殼裝藥裂紋燃燒擴展及其反應發光圖像進行拍攝，在全鋼結構中則對殼體破裂反應發光圖像進行拍攝；采用了3 個測速探頭和1 套自行研制的激光干涉儀，測量距離為50 mm，對球形炸藥表面和約束結構殼體運動進行測量；采用2 個PCB 公司的高量程壓力傳感器，在固定基座或鋼半球底端（見圖1～2），對球殼裝藥反應壓力進行了測量；采用2 個PCB 公司超壓傳感器，距離裝置中心1.5 m，對裝藥反應造成的空氣沖擊波超壓進行了測量。

圖 1 帶窗口強約束球形裝藥實驗裝置及其測試布局示意圖Fig. 1 Schematic representation of experimental setup and diagnostic arrangement of spherical charge under strong confinement with optical window

圖 2 全鋼結構強約束球形裝藥實驗裝置及其測試布局示意圖Fig. 2 Schematic representation of experimental setup and diagnostic arrangement of spherical charge under full steel confinement without optical window

2 實驗結果及分析

帶窗口實驗裝置中心點火后，高速攝影拍攝的帶窗口實驗裝置整個反應裂紋擴展演化過程如圖3所示。高速攝影圖像的時序定義為點火頭激發為零時，此時黑火藥開始點火燃燒。

根據高速攝影圖像分析，中心點火后球形裝藥的反應演化過程大致可以分為4 個階段：

階段Ⅰ為初始反應發展過程，此時點火已經發生，但由于炸藥塊體不透明，視場中仍然是一片黑暗，持續時間為0.678 ms。

階段Ⅱ為裂紋傳播到達殼壁界面以及后續擴展過程，持續時間約0.13 ms，觀察到裂紋反應發光現象：開始，4 條裂紋基本呈近似對稱方式從藥球赤道附近向極點方向傳播，該過程約32 μs；隨后，在距極點一定位置處的緯線方向出現裂紋環向發展并貫通的現象，該過程約40 μs；最后，徑向裂紋和環向裂紋逐漸變寬，直到發光火焰包覆球形炸藥表面，該過程持續約60 μs。4 條對稱裂紋細節演化過程如圖4 所示，這種沿初始預制孔擴展的裂紋應與球形結構和外部約束條件密切相關。

觀察患者呼吸機相關性肺炎的發生率,若通氣治療48h后符合:①X線胸片示新的或進行性肺浸潤;②發熱;③外周血白細胞計數>20.0×109/L或C反應蛋白>8mg/L;④氣道分泌物細菌培養陽性。基礎條件為X線胸片所示改變,若另外3條中2條符合,即可診斷患者患有呼吸機相關性肺炎[4]。

階段Ⅲ為劇烈爆炸過程，在球形裝藥范圍的視場中呈現出一片強烈的白光，持續時間約60 μs。

圖 3 帶窗口實驗裝置反應裂紋完整演化過程高速攝影圖像（幅頻18 000 s?1）Fig. 3 High-speed photos of full evolution process of reactive crack system in the experiment with PMMA window (frame rate of 18 000 s?1)

圖 4 反應裂紋擴展演化早期階段II 高速攝影圖像（幅頻18 000 s?1）Fig. 4 High-speed photos of the crack propagation at the early half of stage II (frame rate of 18 000 s?1)

階段Ⅳ為有機玻璃窗口變形破裂過程，可觀察到有機玻璃破碎和后續反應發光現象，直到反應熄滅。

在全鋼結構下殼體破裂與反應發光圖像如圖5 所示，雖然無法觀察到前期對流燃燒裂紋擴展過程，但可以觀察到后期壓力測試孔破壞、反應產物噴出、殼體大面積破裂以及反應發光現象，大致對應于帶窗口實驗的階段Ⅳ。

圖 5 全鋼結構實驗裝置殼體破裂反應發光過程高速攝影圖像（幅頻18 000 s?1）Fig. 5 High-speed photos of full evolution process of case rupture and reaction illumination in the experiment with steel shell (frame rate of 18 000 s?1)

圖 6 帶窗口實驗裝置殼體速度和內部壓力歷程Fig. 6 Pressure inside confinement and velocity profiles in experiment with window

在全鋼結構實驗中，壓力傳感器和PDV 測速記錄到早期階段反應演化的信息，如圖7 所示。壓力和速度維持在一個較低的幅值，即在100 μs 時間內壓力小于200 MPa，隨后出現一個快速的反應爆發。階段Ⅲ中在20～40 μs 時間內壓力超過1 GPa，殼體膨脹速度約500 m/s。

圖 7 全鋼結構實驗裝置殼體速度和內部壓力歷程Fig. 7 Velocity profiles and pressure inside confinement without window

圖8 給出了全鋼結構實驗中回收的固定基座碎片。可以看出，固定基座容腔邊緣斷裂成大塊，基座中間帶壓力傳感器測試孔和點火頭引線孔處碎裂成小塊，特征尺寸約20～40 mm。

圖9 給出了帶窗口的超壓傳感器測得的空氣沖擊波超壓信號，峰值為135 kPa。根據標準自由場爆轟超壓計算公式[9]（1）和（2），估算得到的TNT 當量為354 g，約為裸藥球爆轟總當量的21%。

式中：?P 為空氣沖擊波超壓，MPa；W 為TNT 當量，kg；r 為距爆心的距離，m。

在全鋼結構中，2 個超壓傳感器測得的峰值為122 kPa 和117 kPa，對應估算得到的TNT 當量為307 g和289 g，平均值約為300 g，約為裸藥球爆轟總當量的18%。

圖 8 全鋼結構實驗回收殼體碎塊殘骸Fig. 8 Recovery fragments of full steel confinement in second experiment

圖 9 帶窗口和全鋼結構實驗中測得的空氣沖擊波超壓波形Fig. 9 The air blast overpressure measured in the experiment with and without window

3 討 論

本文中實驗關注的焦點是脆性炸藥中反應產物壓力驅動下的裂紋擴展與烈度增長過程，對此將進行以下分析討論。

在給定約束下，1 g 黑火藥的燃燒會引發點火預留孔產生裂紋，炸藥損傷斷裂特性將強烈依賴于結構約束的環向應力。點火系統的氣體產物在早期裂紋形成和擴展傳播階段可能扮演重要角色，這是因為氣體對流后裂紋表面熱傳導燃燒具有一個誘導時間，即點火系統和炸藥反應產物高溫加熱到點燃的時間。對于新形成的裂紋表面，點火反應是在對流物質到達后經過數十微秒或是更長的數百微秒時間延遲后才發生的[2,10]。在高速攝影中看到的裂紋發光現象并不意味著裂紋表面已經點燃，而可能是熱的發光氣體產物先進入裂紋[10]。最后的反應快速爆發是在發光完全覆蓋整個外表面一定時間后才發生的。

在中心點火后的反應演化過程中，烈度增長最敏感的因素是反應燃燒表面積的增加速度[11-12]。炸藥塊體在最終爆發的一段時間前，可能存在一個災變式的破碎過程，由此引發足夠多的裂紋表面積參與最后的反應（見圖10）。當不發生裂紋或破碎時，類似于經典厚壁DDT 管實驗一樣[13]，最后階段在殼體破裂前反應給出吉帕級的壓力特征。

圖 10 約束裝藥內部反應裂紋的早期和后期演化圖像Fig. 10 The early and late stage evolution of reactive cracks inside explosive bulk under confinement

強約束為反應烈度增長到劇烈反應創造了條件，特別是炸藥反應裂紋驅動的塊體破碎，但是約束殼體強度限制了最后階段反應烈度的進一步增長。經典的DDT 概念[14]不能考慮為強約束壓裝PBX 炸藥非沖擊點火反應演化的主導機制，即使是在后期約束殼體破裂前的劇烈反應演化過程。

傳統的實驗大多采用遠區超壓測量結果來評定反應的劇烈程度，但由于大面積燃燒的劇烈反應和穩態超音速傳播的爆轟反應，最終都表現為高壓氣體做功產生空氣沖擊波的爆炸現象，使得僅從超壓數據無法區分兩類過程的差別。同時，由于殼體結構還會消耗能量，由超壓推算的相對反應釋能數據很難作為不同反應比較的直接依據，如本文實驗中估算的相對釋能僅為20%左右。而最能表征反應烈度的還是結構裝藥反應的壓力和驅動殼體的膨脹速度，根據本文的測試結果可知，高烈度反應壓力可達1 GPa 量級，殼體速度最高可達500 m/s，上升時間僅在10 μs 量級，這明顯區別于典型更高烈度的爆轟反應。

4 結 論

為了能進一步認識結構裝藥非沖擊點火反應向高烈度轉變的過程，本文中專門設計了一種新型強約束球形裝藥中心點火實驗。初始激發的是非沖擊點火的方式，采用電點火頭和1 g 左右黑火藥。

實驗結果表明：點火系統的氣體產物是早期裂紋形成的起因；中期燃燒裂紋傳播受結構約束影響，對于烈度的增長起著重要作用，具體體現為4 條裂紋由經線傳播轉為環向貫通，隨后擴展到整個藥球；最后的劇烈反應造成強烈發光，烈度增長的敏感因素應該是大面積破損造成的燃燒表面積快速激增。

本文實驗的高烈度反應只形成約20%相對釋能輸出，但實驗采用反應壓力和殼體膨脹速度對反應烈度進行了更合理的量化表征。實驗測得的壓力在1 GPa 量級，殼體膨脹速度最大可達到500 m/s，波形上升時間在10 μs 量級，這與穩態超音速傳播的爆轟反應呈現明顯的差別。