壓裝密實(shí)炸藥裝藥非沖擊點(diǎn)火反應(yīng)傳播與烈度演化實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展*

胡海波，傅 華，李 濤，尚海林，文尚剛

（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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621999）

1 概 述

本文中關(guān)注的問題對(duì)象，是典型事故載荷作用條件下，以低孔隙率壓裝PBX 為代表的密實(shí)炸藥在特定裝藥約束結(jié)構(gòu)中的非沖擊點(diǎn)火反應(yīng)傳播和演化行為。所謂非沖擊點(diǎn)火[1]，泛指除高速碎片撞擊和射流侵徹之外，各類不經(jīng)由沖擊波直接引發(fā)爆轟的炸藥反應(yīng)行為起始，其不存在固定演化模式和定常狀態(tài)特征，是典型事故反應(yīng)研究中可觀測(cè)的顯性狀態(tài)突變起點(diǎn)。作為對(duì)事故反應(yīng)基本認(rèn)識(shí)進(jìn)展的概要說明，本文暫避開炸藥非沖擊點(diǎn)火反應(yīng)起源這個(gè)專門的問題，集中討論裝藥結(jié)構(gòu)中炸藥在以某種非沖擊方式點(diǎn)火后，以炸藥表面層流燃燒、產(chǎn)物沿縫隙流動(dòng)及裝藥結(jié)構(gòu)變形響應(yīng)耦合為特征機(jī)制的炸藥事故反應(yīng)傳播、烈度演化的基本規(guī)律[2]。

基于對(duì)非沖擊點(diǎn)火反應(yīng)主導(dǎo)機(jī)制的認(rèn)識(shí)，重新審視了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理念，有針對(duì)性地改進(jìn)診斷方法，通過實(shí)驗(yàn)取得了更詳實(shí)展現(xiàn)對(duì)象過程本來面目的觀測(cè)結(jié)果。相關(guān)實(shí)驗(yàn)中裝藥縫隙為殼體與炸藥的機(jī)加公差間隙，均未采用膠粘或封堵。作為代表案例，將介紹壓裝PBX 炸藥件之間的間隙中，燃燒產(chǎn)物對(duì)流傳播和烈度演化的物理行為特征[3]；對(duì)毫米級(jí)薄壁柱殼弱約束下，分段藥柱在一端燃燒點(diǎn)火后的反應(yīng)傳播、烈度演化，呈現(xiàn)整體爆燃的行為機(jī)理進(jìn)行了解讀闡釋[4-5]；對(duì)傳統(tǒng)DDT 實(shí)驗(yàn)中20 mm 厚壁、大長(zhǎng)度鋼質(zhì)柱殼約束下，壓裝PBX 分段藥柱爆炸級(jí)事故反應(yīng)演化及爆燃轉(zhuǎn)爆轟的機(jī)理可行性，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了澄清[6]；細(xì)致跟蹤了20 mm 中等壁厚鋼球形殼約束下，密實(shí)炸藥球在從中心燃燒點(diǎn)火后，反應(yīng)產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)裂紋傳播、多級(jí)分叉演化過程及晚期烈度的陡增表現(xiàn)[7]；分析了一端開放的50 mm 大壁厚鋼柱殼在可自由滑動(dòng)活塞質(zhì)量慣性約束下，從表面引燃的炸藥柱模擬事故反應(yīng)呈現(xiàn)典型爆炸表現(xiàn)的成因[8]；重點(diǎn)討論了在有限強(qiáng)度約束條件下，經(jīng)歷猛烈撞擊預(yù)破碎，或事故反應(yīng)過程中高壓驅(qū)動(dòng)下快速動(dòng)態(tài)變形、破碎炸藥的反應(yīng)行為特征[9]，其可造成高超壓、高速碎片飛散的劇烈爆炸，但反應(yīng)機(jī)理不能簡(jiǎn)單歸類于因沖擊波引發(fā)的爆轟。試圖通過準(zhǔn)確解讀這些實(shí)驗(yàn)紛繁復(fù)雜的事故反應(yīng)表象后所蘊(yùn)含的物理規(guī)律，進(jìn)一步澄清國內(nèi)外同行長(zhǎng)期以來在炸藥事故反應(yīng)行為機(jī)制解讀和模型描述中的基本概念誤區(qū)[10-14]。

2 炸藥事故反應(yīng)基本模式及其相互關(guān)聯(lián)

對(duì)以壓裝PBX 為代表的密實(shí)炸藥，其作為含能材料可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的最基本形式不外乎以下三種[15]：

（1）分解反應(yīng)，其涵蓋老化及溫升條件下炸藥基體中各部位炸藥晶體的持續(xù)緩慢分解，不存在反應(yīng)波陣面，各部位炸藥反應(yīng)速率取決于當(dāng)?shù)販囟龋ǔ＝柚惣~斯律表征；

（2）燃燒反應(yīng)，指熱傳導(dǎo)機(jī)制主導(dǎo)、以亞聲速向炸藥基體中傳播并轉(zhuǎn)化為氣態(tài)產(chǎn)物的反應(yīng)陣面，故稱熱傳導(dǎo)燃燒、層流燃燒，高壓下的層流燃燒反應(yīng)也被稱為爆燃，其燃速即反應(yīng)陣面?zhèn)鞑ニ俣戎饕蕾嚥嚸嫔系姆磻?yīng)產(chǎn)物壓力[16-17]，而氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物壓力主要取決于其周邊結(jié)構(gòu)的約束狀態(tài)；

（3）爆轟，由高強(qiáng)度沖擊波引導(dǎo)、在炸藥基體中以超聲速傳播的化學(xué)反應(yīng)，炸藥在跨越波陣面瞬間被壓縮并完成反應(yīng)，高壓反應(yīng)產(chǎn)物以亞聲速逆向膨脹飛散，爆轟定常傳播的速度和壓力與結(jié)構(gòu)約束原則上無關(guān)，僅取決于炸藥基體密度[18]。

在安全性研究中，無波陣面形態(tài)的慢速分解反應(yīng)被歸類為事故點(diǎn)火前反應(yīng)，其生成的微量氣態(tài)產(chǎn)物以分散形態(tài)留存在炸藥基體微孔洞中，除引發(fā)溫升、體脹外尚未匯聚形成宏觀狀態(tài)分區(qū)效應(yīng)。與分解反應(yīng)劃界的關(guān)鍵狀態(tài)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即所謂事故點(diǎn)火被定義為炸藥特定部位因事故作用產(chǎn)生的極高溫度狀態(tài)，宏觀上開始爆發(fā)性產(chǎn)生大量氣態(tài)產(chǎn)物[19-20]，使反應(yīng)進(jìn)入有波陣面的燃燒，形成與炸藥基體狀態(tài)不同的氣態(tài)產(chǎn)物高溫區(qū)域的變化。從嚴(yán)格意義上講，由沖擊波作用引發(fā)的爆轟自然也可以歸入此定義，但其屬于極端事故刺激下，吉帕級(jí)高強(qiáng)度沖擊波作用、微秒級(jí)特征時(shí)間瞬時(shí)響應(yīng)點(diǎn)火的特別案例；大多數(shù)事故條件下（如持續(xù)升溫至特定幅值后溫度突變爆發(fā)或劇烈撞擊條件下因局域化能量沉積生成極端高溫狀態(tài)）的非沖擊點(diǎn)火，專指引發(fā)炸藥層流燃燒，但不直接形成爆轟的其他類別點(diǎn)火方式，其對(duì)應(yīng)的響應(yīng)也與微秒級(jí)時(shí)程特征的事故加載局域應(yīng)力無綁定關(guān)系，除對(duì)極度敏感的始發(fā)藥外，這類事故初始階段反應(yīng)所產(chǎn)生的應(yīng)力波在各種主炸藥，尤其是典型PBX 炸藥中，不足以快速引發(fā)爆轟，事故反應(yīng)呈現(xiàn)與結(jié)構(gòu)響應(yīng)行為和炸藥變形、破壞相關(guān)的多階段反應(yīng)接續(xù)演化特征，故被稱為非瞬時(shí)反應(yīng)。對(duì)低孔隙率密實(shí)炸藥而言，在排除了燃燒陣面滲透進(jìn)入炸藥基體中微介觀孔隙的經(jīng)典定義下的對(duì)流燃燒后，其非沖擊點(diǎn)火基本反應(yīng)模式只可能是表面層流燃燒，具體涉及燃燒波陣面向炸藥基體中推進(jìn)燃耗，以及氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物在密閉條件下的成壓和流動(dòng)遷移。這是系統(tǒng)解讀低孔隙率密實(shí)炸藥非沖擊點(diǎn)火反應(yīng)行為特性的基本源頭要素。在炸藥事故反應(yīng)形成和發(fā)展過程中，上述三種基本反應(yīng)模式間的相互轉(zhuǎn)化是所有研究者所關(guān)注和討論的基本內(nèi)容。

需特別提醒注意的是，蘇聯(lián)、俄羅斯同行關(guān)于炸藥層流燃燒、對(duì)流燃燒、低速爆轟、爆轟四種基本反應(yīng)形式的定義及其相互關(guān)系闡釋，尤其是其涉及對(duì)流燃燒、似爆轟的爆炸、低速爆轟、爆炸轉(zhuǎn)化等基本術(shù)語表述[21]，源于相關(guān)學(xué)者早期對(duì)凝聚相多孔炸藥反應(yīng)行為特征的現(xiàn)象學(xué)概括[22]，若引鑒來概括所有種類炸藥反應(yīng)行為，容易引起對(duì)這幾種反應(yīng)型式注定會(huì)遞次轉(zhuǎn)化引發(fā)爆炸和爆轟的誤導(dǎo)，偏離原書作者的本義。長(zhǎng)期以來，蘇聯(lián)、俄羅斯同行關(guān)于炸藥層流燃燒的研究非常系統(tǒng)、深入[16]，但關(guān)聯(lián)至密實(shí)炸藥裝藥結(jié)構(gòu)中的事故反應(yīng)演化機(jī)理解讀[23-24]仍不完全到位。

此外，需要提醒注意應(yīng)加以區(qū)別的是，在炸藥安全性研究領(lǐng)域，描述炸藥基本反應(yīng)行為的術(shù)語，如燃燒、爆燃、爆轟[19-20]，與彈藥事故反應(yīng)烈度評(píng)價(jià)的術(shù)語，如燃燒、爆燃、爆炸、爆轟[25]的外在形式相同。前者針對(duì)作為含能材料的炸藥，用于描述特征反應(yīng)事件在反應(yīng)陣面上的瞬時(shí)進(jìn)程狀態(tài)，對(duì)應(yīng)特定反應(yīng)速率物理-數(shù)學(xué)模型；后者針對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)，是對(duì)作為彈藥的炸藥裝藥系統(tǒng)反應(yīng)過程特征及整體后果的概括描述，側(cè)重表征后果輸出即毀傷效應(yīng)分級(jí)。

本文中的討論主體上側(cè)重從事故反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)演化行為跟蹤和對(duì)應(yīng)過程物理-數(shù)學(xué)模型描述的角度來展開，此時(shí)使用的相關(guān)術(shù)語原則上屬于第一類定義；但在涉及討論事故反應(yīng)烈度內(nèi)容時(shí)，自然應(yīng)用第二類定義的烈度分級(jí)概念。在美國LANL、LLNL 和SNL 三大實(shí)驗(yàn)室，對(duì)第二類定義中爆燃以上烈度的反應(yīng)又被統(tǒng)稱為劇烈反應(yīng)，包含前面分級(jí)中爆炸及爆轟，其中爆炸涵蓋從微量炸藥反應(yīng)、不形成顯著超壓和危險(xiǎn)碎片的有限烈度反應(yīng)以外的各類相對(duì)劇烈反應(yīng)，到定常爆轟，狀態(tài)跨度極大，通常還有系列細(xì)化分等，如輕度爆炸、劇烈爆炸等，但無嚴(yán)格的量化判別標(biāo)準(zhǔn)。

從本質(zhì)上講，不同形態(tài)的爆炸只不過是炸藥層流燃燒反應(yīng)，因炸藥基體在事故載荷下預(yù)破碎或在反應(yīng)過程中動(dòng)態(tài)破碎，形成網(wǎng)狀裂紋使燃燒面積劇增，在結(jié)構(gòu)和慣性約束下達(dá)到數(shù)百兆帕、甚至吉帕級(jí)水平的高壓，進(jìn)入快速、高燃耗率反應(yīng)狀態(tài)，所呈現(xiàn)的綜合效應(yīng)表現(xiàn)。這里所謂爆炸，并非炸藥事故反應(yīng)的基本形式，其沒有嚴(yán)格的學(xué)術(shù)概念定義[26]，也沒有相對(duì)固定的反應(yīng)速率模型形式。在日常口語中，爆炸一詞還被用來泛指一切大量產(chǎn)氣、可形成結(jié)構(gòu)破壞、拋擲的劇烈過程，包含事故反應(yīng)烈度分級(jí)中的爆炸和爆轟，以及槍彈發(fā)射時(shí)發(fā)射藥在膛內(nèi)的受控燃燒[18,26]。

從非沖擊點(diǎn)火事故反應(yīng)并非沖擊波引導(dǎo)的爆轟反應(yīng)的共性看，無論是溫升烤燃，還是撞擊點(diǎn)火，裝藥結(jié)構(gòu)中事故反應(yīng)的物理過程特征及反應(yīng)行為演化描述的控制方程和物理-數(shù)學(xué)模型機(jī)理完全一致，基本落腳到炸藥燃燒區(qū)表面層流燃燒行為描述，以及高溫高壓產(chǎn)物在結(jié)構(gòu)間隙、炸藥基體裂紋中的輸運(yùn)和熱傳導(dǎo)問題的模型描述上。其從根本上區(qū)別于描述爆轟反應(yīng)點(diǎn)火、傳播和驅(qū)動(dòng)效應(yīng)的模型，無法從爆轟模型修正、派生，也不存在因具體事故類型和點(diǎn)火起源歷程特征而建立不同模型體系的需求。所不同的，僅僅是求解控制方程時(shí)，炸藥的初、邊界條件有所不同，如炸藥基體經(jīng)歷了特定歷程烤燃的溫度分布（炸藥基體力學(xué)性能、孔隙率會(huì)因此產(chǎn)生對(duì)應(yīng)變化）或撞擊產(chǎn)生的斷裂等。在此大前提下，典型裝藥結(jié)構(gòu)中的事故反應(yīng)傳播和演化，被納入與密實(shí)炸藥具體部位燃燒、斷裂發(fā)展及裝藥結(jié)構(gòu)變形響應(yīng)的進(jìn)程中來考慮。

3 對(duì)炸藥非沖擊點(diǎn)火反應(yīng)的基本認(rèn)識(shí)

在安全性研究起步關(guān)注的裝藥系統(tǒng)是否點(diǎn)火及如何點(diǎn)火的第一類基本問題外，本文中討論的基本視線將聚焦在炸藥非沖擊點(diǎn)火事件發(fā)生后，裝藥結(jié)構(gòu)約束以及炸藥基體質(zhì)量慣性約束狀態(tài)下，事故反應(yīng)傳播及事故反應(yīng)烈度演化問題上。其所涉及的幾方面的最基本物理行為機(jī)制，在早期的安全性實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象解讀和物理建模中普遍被忽略，潛意識(shí)地被借用于爆轟沖擊點(diǎn)火的概念和模型（認(rèn)定反應(yīng)主要發(fā)生在基體中，而不是亞音速層流燃燒波陣面上），或僅為方便數(shù)學(xué)處理而引入的假定前提（如忽略間隙和裂紋演化，忽略間隙中氣態(tài)區(qū)高溫與基體低溫的反差），而使得真實(shí)過程圖像得不到正確解讀和對(duì)應(yīng)描述。因?yàn)槁┑袅苏鎸?shí)的主導(dǎo)機(jī)制和敏感因素，眾多學(xué)者的物理-數(shù)學(xué)建模嘗試思路與實(shí)際物理過程背道而馳，所依托的相關(guān)實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)也多經(jīng)不起推敲，許多研究課題多年努力無功而返，甚至形成誤導(dǎo)[10-14]。在以層流燃燒為核心關(guān)注點(diǎn)的固體推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)設(shè)計(jì)和安全性研究中，這些前提屬于常識(shí)[27-28]，其在炸藥安全性研究領(lǐng)域曾被提出探討[29-31]，但始終未得到深入研究、形成共識(shí)[32]，未明確將其作為根本區(qū)別于爆轟行為的另外一類基本作用機(jī)制，嘗試建立獨(dú)立的模型框架體系。作為后續(xù)討論的基本出發(fā)點(diǎn)，也是化爆安全性問題研究物理-數(shù)學(xué)建模的基本立足點(diǎn)，本文中將幾個(gè)方面相互耦合并存的物理機(jī)制前提重新梳理加以表述[2]，其適應(yīng)于始發(fā)藥外絕大多數(shù)主炸藥類型的低孔隙率密實(shí)炸藥，尤其是PBX 主炸藥的安全性問題分析：

（1）低幅值應(yīng)力波，尤其是因燃燒引發(fā)或經(jīng)歷裝藥結(jié)構(gòu)調(diào)制到達(dá)炸藥的碰撞事故載荷前沿增長(zhǎng)緩慢，無法引發(fā)密實(shí)炸藥基體中化學(xué)反應(yīng)。即事故載荷無法激活炸藥基體中微孔洞作為基本起源熱點(diǎn)（典型PBX 主炸藥沖擊起爆熱點(diǎn)激活點(diǎn)火條件：～GPa、＜μs）。碰撞類事故點(diǎn)火不可能由僅引發(fā)炸藥基體幾攝氏度、幾十?dāng)z氏度平均溫升的應(yīng)力波本身引發(fā)，而必須借助事故載荷在裝藥結(jié)構(gòu)中特定部位上非均勻能量沉積（結(jié)構(gòu)穿刺、縫隙擠壓，破碎、粉化及再壓實(shí)，達(dá)到數(shù)百甚至上千度瞬時(shí)溫升）而引發(fā)。

（2）典型非沖擊點(diǎn)火類事故載荷所引發(fā)的燃燒反應(yīng)通常只會(huì)在炸藥的表面進(jìn)行。即便最初的點(diǎn)火發(fā)生在炸藥內(nèi)部，如慢烤過程中炸藥內(nèi)部相對(duì)高溫區(qū)中，因小幅度溫度漲落或其他種類炸藥成分夾雜造成的個(gè)別部位率先溫升失控點(diǎn)火爆發(fā)，會(huì)因該點(diǎn)火起源點(diǎn)氣態(tài)產(chǎn)物大量生成，引發(fā)高壓使炸藥基體斷裂，而轉(zhuǎn)化為炸藥縫隙表面燃燒。此外，密實(shí)炸藥中初始孔隙率極低，高壓下還將進(jìn)一步預(yù)壓縮變密實(shí)，通常在粉體炸藥或高孔隙率炸藥中典型的微介觀孔隙對(duì)流燃燒基本不會(huì)發(fā)生，更難形成主導(dǎo)機(jī)制。在密實(shí)炸藥安全性研究中，所簡(jiǎn)稱的對(duì)流燃燒，嚴(yán)格講是指裝藥宏觀間隙和裂紋中反應(yīng)產(chǎn)物的長(zhǎng)程流動(dòng)物質(zhì)流動(dòng)及其后續(xù)燃燒、結(jié)構(gòu)響應(yīng)行為，應(yīng)始終牢記其與傳統(tǒng)對(duì)流燃燒定義的概念差別。對(duì)應(yīng)不同壓力，炸藥表面層流燃燒有其對(duì)應(yīng)尺度特征的波陣面結(jié)構(gòu)，來維持能量釋放和向反應(yīng)區(qū)的反饋。常壓下燃燒區(qū)典型層狀結(jié)構(gòu)為數(shù)毫米，高壓下降到亞毫米。為維系其準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)自持反應(yīng)特征結(jié)構(gòu)，微尺度縫隙中燃燒反應(yīng)注定只能在高壓下進(jìn)行。約束結(jié)構(gòu)破裂引發(fā)的急劇壓力下降，會(huì)使高壓下小尺度縫隙中燃燒波陣面結(jié)構(gòu)失穩(wěn)熄滅，這是爆燃類事故反應(yīng)中部分反應(yīng)的炸藥碎塊能夠被回收的原因。這類碎塊表面會(huì)留有燃燒反應(yīng)痕跡，而基體中保持無反應(yīng)狀態(tài)。

（3）裝藥結(jié)構(gòu)中氣態(tài)產(chǎn)物的生成和流動(dòng)是裝藥結(jié)構(gòu)事故響應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力。從點(diǎn)火瞬間起，就開始有大量氣態(tài)高溫產(chǎn)物（＞2 000 K）快速生成，其所占據(jù)的體積將遠(yuǎn)大于反應(yīng)前對(duì)應(yīng)的固相部分體積。事故反應(yīng)氣態(tài)高溫產(chǎn)物在密閉裝藥結(jié)構(gòu)中形成的壓力和流動(dòng)去向，是主導(dǎo)任何一個(gè)裝藥系統(tǒng)事故反應(yīng)演化的動(dòng)力學(xué)因素。在化學(xué)反應(yīng)無法借助應(yīng)力波壓縮機(jī)制傳播的前提下，氣態(tài)高溫產(chǎn)物在裝藥結(jié)構(gòu)間隙、炸藥縫隙中的流動(dòng)，即宏觀結(jié)構(gòu)中的對(duì)流，是燃燒反應(yīng)快捷傳播的基本方式。炸藥基體燃耗層流燃速通常僅在1 mm/s 量級(jí)，但沿縫隙傳播的產(chǎn)物對(duì)流速度可達(dá)到超聲速，甚至超過爆速！

（4）反應(yīng)壓力驅(qū)動(dòng)的炸藥基體變形、斷裂及燃燒表面積增長(zhǎng)。氣態(tài)高溫產(chǎn)物進(jìn)入結(jié)構(gòu)間隙或炸藥基體中裂紋，在縫隙壁面被引燃后的炸藥表面燃燒過程中，因反應(yīng)產(chǎn)物無法從大長(zhǎng)度的狹小縫隙快速流出導(dǎo)致?lián)砣l(fā)高壓使燃速提升；同時(shí)，急劇增長(zhǎng)的壓力將造成炸藥基體快速變形、破裂，不斷分叉形成枝狀裂紋，經(jīng)高溫產(chǎn)物對(duì)流火焰進(jìn)入、引燃后變成新增燃燒反應(yīng)表面。裂紋中燃燒產(chǎn)物高壓驅(qū)動(dòng)的基體裂紋擴(kuò)展速度極高，可達(dá)～103m/s！若受試炸藥脆性特征典型，在有限變形下就呈現(xiàn)斷裂、分叉、破碎，快速形成比表面積巨大的裂紋網(wǎng)絡(luò)，將加劇烈度增長(zhǎng)正反饋趨勢(shì)。反之，若炸藥斷裂發(fā)展不顯著，則反應(yīng)一定不劇烈。前一類行為多涉及低粘接劑組分的壓裝PBX 或熔鑄類炸藥，且相近配方比例的炸藥會(huì)因斷裂特性而呈現(xiàn)明顯差別；后一類反應(yīng)烈度溫和的行為則是高粘接劑組分的大多數(shù)熱固型PBX 炸藥的典型表現(xiàn)。

（5）炸藥層流燃燒速率特性影響。低黏結(jié)劑比分PBX 炸藥燃速對(duì)壓力相對(duì)較敏感，典型壓裝PBX 常壓下燃速不高于1 mm/s，即便到1 GPa 量級(jí)壓力段，燃速也僅能達(dá)到1 m/s 量級(jí)水平，遠(yuǎn)低于數(shù)公里每秒的爆速。在毫秒級(jí)特征事故反應(yīng)時(shí)段內(nèi)，其對(duì)應(yīng)的炸藥燃耗僅在微米至毫米量級(jí)。脆性炸藥的事故反應(yīng)中通常會(huì)伴隨大規(guī)模裂紋的產(chǎn)生，使得參與燃燒的表面積增加，反應(yīng)加速趨勢(shì)會(huì)隨縫隙的參與和反應(yīng)縫隙中壓力的上升而加劇。在快速形成極度碎化裂紋網(wǎng)絡(luò)并在其中形成高壓的條件下，由其巨大的反應(yīng)表面積折合至（對(duì)應(yīng)爆轟反應(yīng)截面的）裝藥初始截面積上的等效燃速會(huì)變得十分驚人。這是典型壓裝PBX 炸藥借助燃速極低的亞音速層流燃燒事故反應(yīng)就能夠造成劇烈爆炸反應(yīng)的直接原因。同時(shí)，取決于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和慣性約束能力，高壓反應(yīng)持續(xù)時(shí)間可能足夠長(zhǎng)，這可為表面燃燒的炸藥碎塊盡可能的份額地完成反應(yīng)創(chuàng)造條件。相對(duì)而言，粘接劑比分較多的熱固炸藥（～10%）燃速對(duì)壓力不甚敏感，且炸藥斷裂隨變形的發(fā)展通常不嚴(yán)重，事故反應(yīng)烈度增長(zhǎng)通常會(huì)受到結(jié)構(gòu)解體強(qiáng)度限制，對(duì)應(yīng)表現(xiàn)出較低的整體反應(yīng)烈度。

（6）事故反應(yīng)裝藥結(jié)構(gòu)中溫度分布狀態(tài)特征。非沖擊點(diǎn)火事故反應(yīng)過程中，應(yīng)力波作用所引發(fā)的溫升可忽略，基體溫度基本保持起始前溫度狀態(tài)，但炸藥燃燒波陣面及結(jié)構(gòu)縫隙、裂紋中氣態(tài)產(chǎn)物中的溫度極高，通常＞2 000 K。這種溫度分區(qū)以炸藥表面熱傳導(dǎo)燃燒波陣面劃界，高溫產(chǎn)物氣體會(huì)因壓差沿縫隙流動(dòng)，形成包覆炸藥碎塊燃燒的高溫氣體連通網(wǎng)絡(luò)。這里所謂熱傳導(dǎo)燃燒，僅指燃燒波陣面結(jié)構(gòu)內(nèi)，燃燒反應(yīng)高溫原則上無法通過熱傳導(dǎo)機(jī)制進(jìn)入燃燒陣面前的炸藥固相基體中，所以，事故反應(yīng)過程中，總是保持固冷、氣熱的兩極化溫度分區(qū)。在各類安全性實(shí)驗(yàn)中回收的殘藥碎塊上，通常看到的表面燒蝕、拋擲碰撞新斷面上炸藥無反應(yīng)并存的特征，這正是這種溫度分區(qū)作用的直接表現(xiàn)。

（7）裝藥結(jié)構(gòu)在事故反應(yīng)壓力驅(qū)動(dòng)下的變形響應(yīng)。典型裝藥結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限，且存在連接弱環(huán)，數(shù)十至數(shù)百兆帕、以毫秒級(jí)特征時(shí)間持續(xù)的內(nèi)部壓力，足以造成結(jié)構(gòu)從薄弱環(huán)節(jié)解體。這是非沖擊點(diǎn)火事故反應(yīng)進(jìn)程中，在燃速特性外，制約烈度增長(zhǎng)的最基本負(fù)反饋因素。若此前正在燃燒的炸藥來不及完成反應(yīng)，炸藥表面的燃燒會(huì)因陡然降壓而熄滅。但若炸藥燃速對(duì)壓力敏感、炸藥基體脆性典型而使得斷裂演化嚴(yán)重，在一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，甚至僅在炸藥基體自身慣性約束下，事故反應(yīng)烈度仍有可能在足夠短的時(shí)間內(nèi)躥升，使得結(jié)構(gòu)解體前，相當(dāng)部分炸藥完成反應(yīng)而形成劇烈爆炸。接下來的問題，便是這類劇烈反應(yīng)能否在裝藥中及時(shí)形成沖擊波引發(fā)爆轟SDT。從典型事故反應(yīng)毫秒級(jí)特征反應(yīng)加速行為看，形成陡前沿、高強(qiáng)度沖擊波的可能性不大。在炸藥極度碎化、極高燃燒表面積條件下，對(duì)較大尺度裝藥，生成沖擊波轉(zhuǎn)爆轟的風(fēng)險(xiǎn)尚不能從理論上徹底排除。但高強(qiáng)度沖擊波形成之前的事故載荷作用和事故反應(yīng)過程注定會(huì)與結(jié)構(gòu)變形耦合，結(jié)構(gòu)響應(yīng)相關(guān)的特定對(duì)象在事故反應(yīng)驅(qū)動(dòng)下的壓縮效應(yīng)評(píng)估，不能以最終是否可能轉(zhuǎn)爆轟作為唯一評(píng)判依據(jù)，應(yīng)具體考慮烈度演化過程中的壓力增長(zhǎng)歷程與對(duì)象結(jié)構(gòu)變形的耦合。

此外，從事故反應(yīng)演化過程發(fā)展的整體時(shí)空尺度看，密實(shí)炸藥事故反應(yīng)演化的主導(dǎo)機(jī)制雖明確，但因涉及炸藥裂紋復(fù)雜結(jié)構(gòu)中流固耦合，對(duì)應(yīng)多物理、多過程反應(yīng)演化走向的非線性特征極端典型。前述基本前提和影響因素會(huì)以不同形式相互關(guān)聯(lián)，影響事故反應(yīng)烈度演化走向和整體反應(yīng)釋能。其中，受試高能炸藥的燃速特性是這種走向敏感性的基本影響因素，除其與原則上不會(huì)導(dǎo)致劇烈反應(yīng)的鈍感炸藥基炸藥燃速的差別外，組分類似的不同高能炸藥配方之間因炸藥燃速性能差別，所對(duì)應(yīng)的事故反應(yīng)行為表現(xiàn)可能相去甚遠(yuǎn)。其間會(huì)自動(dòng)涉及到與力學(xué)性能和斷裂行為特性耦合，而炸藥變形和斷裂行為特性又顯著依賴于結(jié)構(gòu)約束形狀和圍壓狀態(tài)，如此這般形成相互耦合，反應(yīng)烈度演化與全系統(tǒng)狀態(tài)形成多重關(guān)聯(lián)。炸藥縫隙中反應(yīng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)變形的制約因素，在低壓段主要取決于來自于外部結(jié)構(gòu)約束的應(yīng)力，但在高壓高應(yīng)變率段，炸藥自身質(zhì)量的慣性約束，也會(huì)成為主導(dǎo)因素。事故反應(yīng)不存在特征波陣面和固定傳播模式，事故載荷強(qiáng)弱和初始階段反應(yīng)狀態(tài)并不完全決定其后續(xù)發(fā)展走向，對(duì)給定裝藥系統(tǒng)通常存在某種形式的事故反應(yīng)特征行為。

我們注意到，非沖擊點(diǎn)火反應(yīng)事件通常呈分區(qū)異步形態(tài)，在裝藥內(nèi)部各部位并行發(fā)展：反應(yīng)較緩慢時(shí)，各部位狀態(tài)可通過應(yīng)力波或縫隙對(duì)流作用相互感知、影響、協(xié)調(diào)；在局域反應(yīng)劇烈時(shí)，個(gè)別部位的快速壓力增長(zhǎng)、變形破碎和產(chǎn)物流動(dòng)或無法傳遞關(guān)聯(lián)至裝藥結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)區(qū)部位。對(duì)有一定尺度的裝藥結(jié)構(gòu)，個(gè)別局部率先一步發(fā)展起來、有一定偶發(fā)性質(zhì)的瞬時(shí)高烈度局域反應(yīng)，如大尺度裝藥慢烤過程中單點(diǎn)爆發(fā)引發(fā)的局部反應(yīng)高壓，不一定會(huì)發(fā)展成全域性事件，卻可通過造成局部結(jié)構(gòu)破裂而主導(dǎo)整體事故反應(yīng)烈度特征。

基于上述基本認(rèn)識(shí)，來反觀早期國內(nèi)外同行在安全性研究和反應(yīng)行為解讀、建模中的系列假定，如借用SDT 過程點(diǎn)火增長(zhǎng)模型調(diào)參數(shù)，將炸藥反應(yīng)與壓力、溫度綁定，假定炸藥基體內(nèi)部處處均存在反應(yīng)、各部位按不同進(jìn)程比例完成反應(yīng)的流行套路；在建模背景分析中考慮炸藥基體的損傷、斷裂，在模型體系生成時(shí)，最終僅將斷裂歸入本構(gòu)模型的強(qiáng)度修正上考慮，整體上忽略炸藥在裝藥結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的宏觀斷裂，將炸藥基體作為無斷裂連續(xù)介質(zhì)處理來避開宏觀斷裂問題的業(yè)內(nèi)通行做法；在算法處理中，將殼體內(nèi)壁與炸藥外界面綁定，使炸藥形狀類似氣體一樣與殼體內(nèi)腔綁定的隱含操作；將僅適于疏松炸藥的對(duì)流燃燒概念直接引入密實(shí)炸藥事故反應(yīng)進(jìn)程模型，借助壓力閾值啟動(dòng)所謂對(duì)流燃燒機(jī)制的生硬模型組合；經(jīng)典燃燒轉(zhuǎn)變爆轟DDT 實(shí)驗(yàn)中，借用粉體炸藥DDT 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及概念，將密實(shí)炸藥與殼體間隙中對(duì)流火焰?zhèn)鞑ヒl(fā)的電離探針導(dǎo)通或光纖探針發(fā)光信號(hào)視為密實(shí)炸藥基體或固體推進(jìn)劑中反應(yīng)波陣面?zhèn)鞑ニ俣龋魂P(guān)注實(shí)驗(yàn)中回收試件形態(tài)，結(jié)合應(yīng)變、速度時(shí)間歷程測(cè)試反復(fù)暴露出來的不自洽問題線索，去反思、求證這種假想的基體中波陣面是否真正存在的通行做法，迄今在國內(nèi)外同行中仍十分流行[10-14,29-30]。凡此種種，看似不經(jīng)意的小前提改變，卻都嚴(yán)重違背以科學(xué)為基礎(chǔ)的精密物理實(shí)驗(yàn)的基本要義。這類基本認(rèn)知的偏離，實(shí)質(zhì)性耽誤了炸藥安全性領(lǐng)域研究工作的深入。

我們注意到，在固體推進(jìn)劑事故機(jī)制早期研究中，上述物理機(jī)制圖像一開始就被作為問題研究的基本出發(fā)點(diǎn)[27-28]。在炸藥安全性研究領(lǐng)域，諸多研究團(tuán)隊(duì)的思維方式，因受爆轟問題研究長(zhǎng)期傳統(tǒng)方法影響，不斷試圖從已有爆轟、流體動(dòng)力學(xué)模型框架做修正，來建立涵蓋炸藥安全性問題的單一理論體系框架。盡管在同行圈中曾存在不同看法和激烈爭(zhēng)議，但這類觀點(diǎn)卻長(zhǎng)期沒有得到重視而被淹沒[31]。所幸的是，在近期炸藥化爆安全性研究進(jìn)程中，以LANL 安全性研究團(tuán)隊(duì)為代表的部分同行通過一系列的精密診斷的現(xiàn)象再發(fā)現(xiàn)[33-36]，使化爆安全性研究的核心關(guān)注點(diǎn)重新回到燃燒裂紋這類主導(dǎo)機(jī)制和敏感因素的研究上，同時(shí)，對(duì)通過物理-數(shù)學(xué)建模實(shí)現(xiàn)事故反應(yīng)行為模擬的前景有了更清醒認(rèn)識(shí)。中物院化爆安全性研究團(tuán)隊(duì)密切關(guān)注同行研究認(rèn)識(shí)進(jìn)展，在近些年所開展的系列實(shí)驗(yàn)，能為前述作為基本前提闡述的事故反應(yīng)主導(dǎo)機(jī)制和敏感因素認(rèn)識(shí)提供系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)佐證。

4 實(shí)驗(yàn)進(jìn)展案例

下面簡(jiǎn)要介紹本團(tuán)隊(duì)近年在化爆安全性實(shí)驗(yàn)研究方面的相關(guān)進(jìn)展結(jié)果和認(rèn)識(shí)啟發(fā)。該系列分解模擬實(shí)驗(yàn)主要圍繞事故反應(yīng)演化行為機(jī)制觀測(cè)，為記錄非沖擊點(diǎn)火反應(yīng)表面燃燒、間隙中產(chǎn)物對(duì)流和結(jié)構(gòu)響應(yīng)行為表現(xiàn)，有針對(duì)性地進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)裝置和診斷項(xiàng)目設(shè)計(jì)。這些實(shí)驗(yàn)中除個(gè)別采用直接撞擊模擬事故點(diǎn)火外，統(tǒng)一采取無預(yù)留空腔條件下電點(diǎn)火頭加1～2 g 黑火藥在裝藥的特定位置人為點(diǎn)火。類似點(diǎn)火系統(tǒng)能在緊鄰的炸藥端面上產(chǎn)生100 MPa 左右的高溫氣體點(diǎn)火條件。

4.1 炸藥間隙中反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)流及表面燃燒反應(yīng)行為特性[3]

不同強(qiáng)度盒狀金屬結(jié)構(gòu)約束下，一端引燃后0.1～0.2 mm 的炸藥縫隙中燃燒產(chǎn)物對(duì)流過程無法以激波管中突躍波陣面方式傳播，沿100 mm 長(zhǎng)的縫隙上早期階段壓力分布呈現(xiàn)緩坡狀逐漸上升趨勢(shì)，經(jīng)數(shù)毫秒持續(xù)結(jié)構(gòu)腔體內(nèi)壓力增長(zhǎng)達(dá)到數(shù)兆帕，各測(cè)點(diǎn)間壓力漸趨平衡；隨起始端炸藥表面燃燒起始，縫隙中對(duì)流火焰?zhèn)鞑ニ俣葟膩喴羲僮兊匠羲伲舱ㄋ幙p隙表面，此時(shí)縫隙中壓力呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)；其后，縫隙表面炸藥經(jīng)數(shù)百微秒延遲被對(duì)流高溫產(chǎn)物引燃，呈現(xiàn)二次火光爆發(fā)；此后，壓力從先期階段的較慢增長(zhǎng)后迅速躥升，且因狹縫變寬、聯(lián)通，沿炸藥縫隙長(zhǎng)度方向各測(cè)點(diǎn)壓力基本持平，快速同步上升；壓力躥升造成約束結(jié)構(gòu)變形、解體，其后各測(cè)點(diǎn)壓力接近同步迅速下降（見圖1）。隨外部結(jié)構(gòu)約束強(qiáng)度增加，炸藥從一端燃燒點(diǎn)火到整體結(jié)構(gòu)解體的響應(yīng)時(shí)間從～15 ms 降至～5 ms，最大壓力峰值呈現(xiàn)從～50 MPa到～300 MPa 數(shù)倍變化；全部反應(yīng)過程中，參與反應(yīng)的炸藥份額僅數(shù)百分點(diǎn)。該組實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)了密實(shí)炸藥在密閉結(jié)構(gòu)內(nèi)，先期燃燒反應(yīng)高壓產(chǎn)物氣體沿炸藥結(jié)構(gòu)縫隙傳播和反應(yīng)烈度增長(zhǎng)的特征物理圖像，縫隙中產(chǎn)物對(duì)流、裂縫表面燃燒點(diǎn)火和反應(yīng)烈度劇烈增長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)變形解體時(shí)序關(guān)系清楚，回收殘藥試樣也證明炸藥基體未參與反應(yīng)。作為對(duì)比的透明有機(jī)玻璃管約束下炸藥與殼壁間隙中對(duì)流火焰?zhèn)鞑?shí)驗(yàn)表明，間隙中火焰?zhèn)鞑ゲ⒉粚?duì)應(yīng)炸藥基體中假想的“爆燃波陣面”，除起始端部分炸藥反應(yīng)、碎裂外，回收到的炸藥柱基本完整，因被火焰包覆時(shí)間偏短，大多只有淺色熏痕[37]（見圖2）。

圖 1 從一端引燃的中強(qiáng)約束下炸藥裂縫中氣態(tài)產(chǎn)物流動(dòng)、表面燃燒演化過程Fig. 1 Convective gaseous products flow along explosive slot and surface combust evolution in middle strength confinement

圖 2 炸藥與有機(jī)玻璃柱殼間的縫隙中的產(chǎn)物流動(dòng)情況及實(shí)驗(yàn)后的殘藥狀態(tài)Fig. 2 Convective products flow along seam between HE charges and PMMA tube wall,and explosive residual

4.2 薄壁金屬柱殼裝藥的爆燃行為[4-5]

裝藥一端引燃后，其結(jié)構(gòu)響應(yīng)變形時(shí)間大幅晚于應(yīng)力波傳播時(shí)間；借助產(chǎn)物間隙對(duì)流，引發(fā)分段炸藥柱表面燃燒；柱殼膨脹過程中，燃燒的炸藥柱仍處在原位基本保持初始直徑，炸藥柱端面因燃燒產(chǎn)氣相互小幅度分離，部分炸藥柱局部破裂，反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入引發(fā)燃燒開裂；柱殼軸向長(zhǎng)度隨反應(yīng)進(jìn)程先伸長(zhǎng)后縮短；殼體徑向膨脹平均速度僅1～10 m/s 量級(jí)，加速度趨近于零，說明反應(yīng)過程中內(nèi)腔反應(yīng)壓力始終與殼體約束強(qiáng)度大致保持平衡，即炸藥表面燃燒維持在30～50 MPa 準(zhǔn)等壓狀態(tài)，直至殼體破裂卸壓使反應(yīng)終止；從破裂柱殼溢出的反應(yīng)產(chǎn)物膨脹速度略低于1 km/s；大量破碎炸藥散落在附近，部分炸藥柱接近完整殘留，超壓等效反應(yīng)份額僅百分點(diǎn)水平，呈現(xiàn)輕度爆燃特征（見圖3）。這組實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了縫隙對(duì)流、炸藥表面燃燒過程中，炸藥基體中并無所謂反應(yīng)波陣面?zhèn)鞑ィ徊煌贒DT 管中粉體炸藥行為，密實(shí)炸藥柱直徑并不會(huì)因內(nèi)部反應(yīng)而伴隨柱殼膨脹同步變形，而是在表面燃燒過程中輕微減小。

圖 3 薄壁柱殼約束下炸藥柱的爆燃反應(yīng)行為演化Fig. 3 Deflagration evolution in thin wall tube confinement

早期針對(duì)弱約束金屬柱殼中壓裝PBX 的DDT 實(shí)驗(yàn)[38]顯示，大多數(shù)藥柱外形相對(duì)完整殘留，部分藥柱表面有燒蝕，反應(yīng)并未進(jìn)入炸藥基體內(nèi)部（見圖4）。這一關(guān)鍵細(xì)節(jié)是數(shù)值模擬建模和校驗(yàn)的最基本證據(jù)，絕不能被無視、忽略[13]。應(yīng)反思壁面上電離探針或光纖探針觀測(cè)到的信號(hào)是否對(duì)應(yīng)假想的炸藥基體中的反應(yīng)陣面，并仔細(xì)結(jié)合柱殼變形、膨脹及壓力測(cè)試數(shù)據(jù)的時(shí)序、幅值，來解讀炸藥事故反應(yīng)傳播及烈度增長(zhǎng)的真實(shí)過程物理圖像。

圖 4 殼壁帶測(cè)試開孔的薄壁柱殼約束炸藥爆燃反應(yīng)后的典型殘藥狀態(tài)Fig. 4 Typical explosive residual after experiment in thin wall tube confinement with diagnostic drills in tube wall

4.3 厚壁金屬柱殼裝藥模擬事故反應(yīng)表現(xiàn)[6]

實(shí)驗(yàn)記錄顯示在點(diǎn)火頭動(dòng)作后，炸藥非沖擊點(diǎn)火反應(yīng)發(fā)展至厚壁柱殼斷裂的多階段響應(yīng)行為共持續(xù)7～8 ms（而爆轟～50 μs）：在起點(diǎn)段燃燒壓力驅(qū)動(dòng)下，分段炸藥柱表面經(jīng)1 ms 量級(jí)特征時(shí)間的間隙對(duì)流火焰?zhèn)鞑c(diǎn)火和感應(yīng)點(diǎn)火，進(jìn)入上、下游同時(shí)進(jìn)行的藥柱表面包覆燃燒階段；炸藥柱表面被引燃后，在壓力增長(zhǎng)達(dá)到裝置設(shè)計(jì)所選取的柱殼環(huán)向箍縮屈服應(yīng)力前，持續(xù)燃燒了數(shù)毫秒；在壓力超過柱殼屈服極限后，柱殼開始膨脹變形，但各測(cè)點(diǎn)膨脹起始順序呈現(xiàn)出與點(diǎn)火端起上、下游無關(guān)的隨機(jī)狀態(tài)；對(duì)兩種HMX 基壓裝PBX 殼體膨脹直至柱殼斷裂，分別經(jīng)～200 μs 和～300 μs 才被緩慢加速到～150 m/s 和～200 m/s，無爆轟驅(qū)動(dòng)的沖擊波前沿起跳特征，且上、下游各測(cè)點(diǎn)斜率，即柱殼加速度相互間很接近、且基本保持常數(shù)，對(duì)應(yīng)每微秒的速度增量?jī)H～0.5 m/s、～1 m/s，扣除柱殼環(huán)向應(yīng)力后按加速度折算的壓力為～0.6 GPa 和～1.2 GPa，可認(rèn)定柱殼斷裂前，炸藥事故反應(yīng)在對(duì)應(yīng)幅值的準(zhǔn)定常壓力下進(jìn)行，而在爆轟標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，厚壁柱殼被瞬間加速至～400 m/s，再被爆轟產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)緩慢加速，爆壓～39 GPa；超壓等效反應(yīng)份額30%～40%，殘藥極少，斷口上有未反應(yīng)炸藥涂覆痕跡，整體反應(yīng)烈度屬中輕度爆炸。采用20、460 mm 兩種藥柱長(zhǎng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果顯示，反應(yīng)烈度與藥柱長(zhǎng)度無明顯關(guān)聯(lián)。早期的系列厚壁DDT 管實(shí)驗(yàn)中[38-40]，借助壁面探針反應(yīng)前沿速度測(cè)量結(jié)果或個(gè)別壓力計(jì)數(shù)據(jù)，聲稱觀測(cè)到低速爆轟、DDT 轉(zhuǎn)化行為、測(cè)量出受試炸藥在DDT 轉(zhuǎn)化特征距離的研究結(jié)論所依托的基本證據(jù)需要重新解讀、認(rèn)識(shí)。

圖 5 厚壁柱殼約束大長(zhǎng)度DDT 管炸藥反應(yīng)歷程特征和柱殼斷裂狀態(tài)Fig. 5 Non-shock initiation reaction evolution in thick wall confinement experiment and tube wall fracture

4.4 厚壁球殼約束裝藥中心非沖擊點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)觀測(cè)[7]

圖 6 點(diǎn)火頭從帶窗厚壁約束壓裝炸藥中心點(diǎn)火后炸藥球外表裂紋演化早期過程圖像Fig. 6 The crack evolution at the early half after center ignition (20 mm steel wall with PMMA window)

圖 7 點(diǎn)火頭從帶窗20 mm 厚壁約束壓裝炸藥中心點(diǎn)火后殼體速度及約束結(jié)構(gòu)中壓力增長(zhǎng)歷程Fig. 7 The pressure and velocity profiles inside confinement of 20 mm steel wall with PMMA window

圖 8 點(diǎn)火頭從帶窗厚壁約束壓裝炸藥中心點(diǎn)火后，約束結(jié)構(gòu)中炸藥裂紋及反應(yīng)演化進(jìn)程示意圖Fig. 8 The crack evolution and reaction growth after center combustion ignition (20 mm steel wall with PMMA window)

4.5 自由活塞柱強(qiáng)慣性約束藥柱模擬事故反應(yīng)表現(xiàn)[8]

一端開口、帶自由活塞的50 mm 厚壁柱殼設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度為零，但活塞柱總質(zhì)量數(shù)倍于柱殼厚度對(duì)應(yīng)的質(zhì)量。受試藥柱一端表面被引燃后，腔體內(nèi)的自由狀態(tài)活塞在數(shù)百微秒內(nèi)被100 MPa 的產(chǎn)物壓力驅(qū)動(dòng)移動(dòng)數(shù)毫米，反應(yīng)壓力快速躥升至2～3 GPa 水平，驅(qū)動(dòng)鋼質(zhì)柱殼壁膨脹斷裂；從柱殼變形和活塞運(yùn)動(dòng)加速度陡變特征評(píng)估，反應(yīng)晚期藥柱可能產(chǎn)生了碎裂，引發(fā)可燃表面積增長(zhǎng)；實(shí)驗(yàn)后，裝置近區(qū)未找到殘藥，但厚壁柱殼斷裂面上未反應(yīng)炸藥涂覆痕跡明顯；采用相對(duì)低感的壓裝PBX 炸藥也呈現(xiàn)出爆炸事件特征。

4.6 相對(duì)弱約束下事故撞擊預(yù)碎化炸藥事故反應(yīng)表現(xiàn)

在數(shù)毫米厚的鋼殼約束栓塞試驗(yàn)[41]、厚炸藥樣品Steven 試驗(yàn)[9]中，炸藥反應(yīng)超壓等效反應(yīng)百分比隨撞擊速度增加變大，可超過等效全額爆炸當(dāng)量的一半，甚至接近、超過滿當(dāng)量。測(cè)得的典型點(diǎn)火延遲時(shí)間為數(shù)百微秒，反應(yīng)持續(xù)時(shí)間在百微秒水平，反應(yīng)壓力通常在數(shù)百兆帕。薄殼體栓塞實(shí)驗(yàn)及Susan 試驗(yàn)中，炸藥在反應(yīng)點(diǎn)火前的預(yù)破碎是高烈度表現(xiàn)的直接誘因（見圖9）。對(duì)厚炸藥樣品Steven 試驗(yàn)，一旦點(diǎn)火便呈現(xiàn)高烈度響應(yīng)的表現(xiàn)，則更可能與事故反應(yīng)驅(qū)動(dòng)的炸藥基體斷裂相關(guān)；相比之下，薄炸藥樣品Steven 試驗(yàn)的放能份額隨加載速度略有增長(zhǎng)，但總體份額始終較低（見圖10）。更大尺度的實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到壓力數(shù)百M(fèi)Pa、持續(xù)時(shí)間近10 ms 的反應(yīng)事件，超壓等效反應(yīng)比例＞2/3，則可能與基體嚴(yán)重破碎和持續(xù)反應(yīng)過程中大多數(shù)碎裂表面點(diǎn)火燃燒相關(guān)。在這個(gè)過程中，結(jié)構(gòu)約束未能夠扮演反應(yīng)烈度限幅主導(dǎo)角色。在Susan 試驗(yàn)研究中，觀測(cè)到炸藥的點(diǎn)火發(fā)生在脆性藥柱在碰撞后大幅變形、破碎后狀態(tài)下[42]。

圖 9 典型壓裝炸藥在碰撞類事故載荷作用下的變形、破碎特征[42-43]Fig. 9 Character of deformation and fragmentation of typical pressed explosive under impact loading[42-43]

圖 10 不同厚度樣品炸藥在Steven 試驗(yàn)中的反應(yīng)放能特征差別[9]Fig. 10 The difference of energy release behavior of explosive in Steven test with varied thickness[9]

5 討 論

前述相關(guān)實(shí)驗(yàn)中取得的主要認(rèn)識(shí)進(jìn)展進(jìn)一步歸納如下：

（1）金屬結(jié)構(gòu)約束下的密實(shí)炸藥裝藥非沖擊點(diǎn)火反應(yīng)，本質(zhì)上是限制在炸藥表面上進(jìn)行的亞音速層流燃燒，其反應(yīng)速度亦稱燃耗、基體回退速度主要取決于反應(yīng)產(chǎn)物壓力；此時(shí)，高壓產(chǎn)物氣體在裝藥結(jié)構(gòu)或炸藥基體縫隙中的對(duì)流（氣態(tài)產(chǎn)物快速遷移、輸運(yùn)）扮演了最關(guān)鍵角色，早期反應(yīng)部位的高溫產(chǎn)物氣體在宏觀結(jié)構(gòu)中的對(duì)流，是引發(fā)其他部位炸藥燃燒的基本機(jī)制途徑，上游產(chǎn)物熱焰通過縫隙到達(dá)新的縫隙表面后，經(jīng)特定弛豫時(shí)間，可使該部位炸藥表面升溫燃燒，當(dāng)然也可能因熱傳導(dǎo)降溫熄滅；結(jié)構(gòu)間隙、炸藥縫隙中的這種反應(yīng)傳播也被簡(jiǎn)稱為對(duì)流燃燒，其涉及宏觀結(jié)構(gòu)中反應(yīng)產(chǎn)物長(zhǎng)程流動(dòng)和炸藥表面燃燒兩個(gè)階段，應(yīng)注意其不同于早期同行針對(duì)多孔或粉體炸藥定義的微孔隙中的對(duì)流燃燒，密實(shí)炸藥的可透過性原則上可忽略不計(jì)；

（2）典型裝藥結(jié)構(gòu)中的非沖擊點(diǎn)火事故反應(yīng)相對(duì)于事故刺激作用過程而言，是一種非瞬時(shí)反應(yīng)，嚴(yán)格意義上，其是一個(gè)涉及結(jié)構(gòu)響應(yīng)、斷裂與炸藥化學(xué)反應(yīng)耦合的多物理、多階段、多部位的反應(yīng)過程；事故點(diǎn)火后的烈度增長(zhǎng)需經(jīng)歷涉及初始燃燒反應(yīng)通過縫隙或炸藥裂紋傳播、燃面擴(kuò)展的低壓燃燒特征階段。對(duì)典型的密實(shí)炸藥，通常會(huì)因結(jié)構(gòu)的變形和過早解體而使事故反應(yīng)烈度被限制在僅少量炸藥反應(yīng)弱驅(qū)動(dòng)輸出的爆燃水平，其相應(yīng)的毀傷效應(yīng)極其有限；非沖擊點(diǎn)火反應(yīng)演化過程中，劇烈反應(yīng)的生成注定與非鈍感炸藥的強(qiáng)約束狀態(tài)，以及炸藥基體在點(diǎn)火前預(yù)破碎或反應(yīng)過程驅(qū)動(dòng)的炸藥基體動(dòng)態(tài)破碎有關(guān)聯(lián)；

（3）炸藥表面亞音速燃燒形成的應(yīng)力波因幅值和前沿寬度限制，無法直接激發(fā)炸藥內(nèi)部微介觀熱點(diǎn)形成點(diǎn)火，所以，假定密實(shí)炸藥基體內(nèi)存在分布式點(diǎn)火、按比例緩慢反應(yīng)增長(zhǎng)的相關(guān)模型缺乏源頭概念立足依據(jù)；對(duì)典型主炸藥而言，表面燃燒引發(fā)的應(yīng)力波的壓力增長(zhǎng)因燃速限制，很難在炸藥基體中形成強(qiáng)沖擊波和急劇體積壓縮，引發(fā)類似粉體炸藥中的DDT。通過近期開展的系列厚壁、大長(zhǎng)度DDT 管實(shí)驗(yàn)的詳實(shí)證據(jù)，糾正了早期實(shí)驗(yàn)中因基本現(xiàn)象解讀錯(cuò)誤，對(duì)相關(guān)PBX 形成DDT 轉(zhuǎn)化的誤判；

（4）因事故碰撞嚴(yán)重預(yù)破壞或因非沖擊點(diǎn)火反應(yīng)進(jìn)程中高壓驅(qū)動(dòng)引發(fā)的炸藥破碎，可在相對(duì)較弱的約束條件下表現(xiàn)出極為劇烈的爆炸表現(xiàn)。這種超大比表面積的反應(yīng)形態(tài)，從遠(yuǎn)區(qū)超壓看非常類似爆轟，甚至可能給出高于對(duì)應(yīng)炸藥完全爆轟的超壓當(dāng)量，碎片速度也較高，但不能據(jù)此認(rèn)定事故反應(yīng)過程轉(zhuǎn)入了爆轟。在這種反應(yīng)進(jìn)程中，劇烈變形的裝藥結(jié)構(gòu)中，反應(yīng)區(qū)原位壓力可能遠(yuǎn)低于爆轟壓力，但反應(yīng)持續(xù)時(shí)間極長(zhǎng)，多為毫秒級(jí)特征，使得相當(dāng)部分細(xì)碎炸藥來得及完成反應(yīng)，形成大量氣態(tài)產(chǎn)物驅(qū)動(dòng)殼體飛散和高水平超壓。對(duì)這種區(qū)別于一維厚壁構(gòu)型DDT 過程機(jī)制、被部分同行稱為延期爆轟，即XDT 的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，值得從真實(shí)過程演化細(xì)節(jié)上重新再審視，落實(shí)同行對(duì)其發(fā)生爆轟的判定是基于外在效應(yīng)似然，還是符合對(duì)密實(shí)炸藥爆轟定義的實(shí)證數(shù)據(jù)。

6 結(jié) 論

通過對(duì)炸藥非沖擊點(diǎn)火事故反應(yīng)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)診斷結(jié)果的分析解讀，明確了非沖擊點(diǎn)火反應(yīng)主導(dǎo)機(jī)制是炸藥表面層流燃燒與氣態(tài)燃燒產(chǎn)物的縫隙對(duì)流，而非炸藥基體中的反應(yīng)在主導(dǎo)。從本質(zhì)上講，炸藥非沖擊點(diǎn)火事故反應(yīng)屬于層流燃燒，但發(fā)生在極端復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中，基體中反應(yīng)裂紋演化、產(chǎn)物對(duì)流和結(jié)構(gòu)變形、破壞，使反應(yīng)烈度轉(zhuǎn)變變得極度復(fù)雜。這一基本認(rèn)識(shí)是炸藥事故反應(yīng)行為解讀、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬物理-數(shù)學(xué)模型建模、數(shù)值模擬校驗(yàn)的基本出發(fā)點(diǎn)。