高壓下PBX-1 炸藥的燃速-壓力特性*

姚奎光，趙學(xué)峰，樊 星，薛鵬伊，代曉淦

（中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽(yáng) 621999）

炸藥在高溫環(huán)境下的響應(yīng)特性一直是炸藥熱安全性關(guān)注的重點(diǎn)。傳統(tǒng)熱安全性試驗(yàn)比如一維熱爆炸試驗(yàn)[1-2]、慢烤試驗(yàn)[3-4]及快烤試驗(yàn)[5]等，主要關(guān)注炸藥的點(diǎn)火延滯時(shí)間、點(diǎn)火溫度以及反應(yīng)烈度等特征行為和參數(shù)，其主要目的是對(duì)炸藥材料的熱安全性進(jìn)行評(píng)估及排序，但對(duì)炸藥反應(yīng)烈度主導(dǎo)影響因素和過(guò)程機(jī)制的清晰認(rèn)識(shí)和深入理解有一定的局限性。炸藥燃燒特性實(shí)驗(yàn)主要關(guān)注炸藥燃速-壓力特性，能反映炸藥反應(yīng)烈度經(jīng)對(duì)流燃燒機(jī)制轉(zhuǎn)變發(fā)展的潛在傾向，其認(rèn)識(shí)和理解對(duì)炸藥事故源頭控制和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)具有重大意義[6]。

影響炸藥燃燒特性的因素有內(nèi)因和外因。炸藥化學(xué)屬性是決定炸藥燃燒特性的內(nèi)因，其化學(xué)成分、性能、配比和包覆工藝、孔隙率等都會(huì)明顯影響炸藥燃速，這也正是炸藥配方安全性設(shè)計(jì)調(diào)控的主要方向。外因主要包括炸藥初始溫度和環(huán)境壓力。因此，炸藥燃燒特性影響因素眾多，全面涉及這些影響因素來(lái)認(rèn)識(shí)炸藥的燃燒特性還有待深入，需發(fā)展適用性強(qiáng)、精度高的表征手段。目前，國(guó)內(nèi)燃燒特性實(shí)驗(yàn)方法[7-9]主要用于推進(jìn)劑和煙火劑燃燒特性的宏觀調(diào)控，適用壓力低，不能滿足炸藥燃速測(cè)試量級(jí)高（約104～105mm/s）、壓力大（GPa 量級(jí)）等要求。美國(guó)圣地亞（SNL）和勞倫斯利弗莫爾國(guó)家試驗(yàn)室（LLNL）分別建立了復(fù)合密閉串列燃燒器[10]和高壓串列燃燒器[11]，其最高工作壓力達(dá)到400 MPa 和1 GPa，在煙火劑、推進(jìn)劑及炸藥燃燒特性研究方面獲得了大量的研究成果[11-15]，但其實(shí)驗(yàn)方法仍然存在不足之處，比如未考慮增壓率、斷絲法精度低（響應(yīng)時(shí)間ms 量級(jí)、燃速大于104mm/s，分辨率不足），其研究結(jié)果對(duì)炸藥的反應(yīng)烈度仍然難以做出精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)。

本文中在傳統(tǒng)燃燒特性實(shí)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，建立了密閉空腔燃燒壓力-炸藥耗量法，發(fā)展了中、高壓下炸藥燃燒速率高精度（響應(yīng)時(shí)間μs 量級(jí)）測(cè)試方法，并以HMX 基PBX-1 炸藥為研究對(duì)象，認(rèn)識(shí)PBX-1 炸藥在不同壓力下的燃燒特性，獲得PBX-1 炸藥燃燒速率與壓力的依賴關(guān)系，為炸藥反應(yīng)烈度分析及評(píng)估提供基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

炸藥燃燒特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將樣品放入密閉燃燒器中并對(duì)樣品不處理或加熱處理（制造熱損傷），然后用點(diǎn)火序列點(diǎn)燃炸藥，同時(shí)用測(cè)試系統(tǒng)記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中燃燒室瞬時(shí)壓力數(shù)據(jù)和炸藥燃燒火焰陣面時(shí)間-位置數(shù)據(jù)，獲得不同壓力及初始溫度下炸藥的燃燒速率。根據(jù)所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合炸藥燃燒速率和壓力的關(guān)系，獲得炸藥在不同初始條件下的燃速-壓力特性。

圖 1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Illustration of experimental system

實(shí)驗(yàn)中，采用kistler 6215 壓力傳感器（量程600 MPa、線性誤差±0.14%、上升時(shí)間≤1 μs）對(duì)燃燒器內(nèi)壓力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用YE5852 型電荷放大器將壓電式傳感器獲得的信號(hào)放大，然后用PCI 4732 多通道數(shù)據(jù)采集儀讀取；采用快速響應(yīng)熱電偶監(jiān)測(cè)燃燒火焰陣面時(shí)間-位置信號(hào)，熱電偶為美國(guó)TT-T-36-SLE型微細(xì)銅-康銅絲制成的K 型快速響應(yīng)熱電偶，熱電偶結(jié)頭直徑約120 μm，溫升時(shí)間2 μs。實(shí)驗(yàn)時(shí)將熱電偶布置在每?jī)啥嗡幹g，當(dāng)燃燒陣面到達(dá)熱電偶接頭時(shí)，快速產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)，然后通過(guò)放大器將電壓信號(hào)放大，再用數(shù)據(jù)采集儀采集。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

炸藥燃燒特性實(shí)驗(yàn)中密閉燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示，主要由支撐固定件、筒體、密封件、實(shí)驗(yàn)樣品、測(cè)試件及超高壓泄壓閥組成，裝置體積約60 cm3，設(shè)計(jì)壓力為400 MPa。實(shí)驗(yàn)時(shí)將樣品、點(diǎn)火序列依次垂直串列放置在燃燒室絕緣塞上，在炸藥的端面以及接觸面之間布置測(cè)試信號(hào)線，再將燃燒室密封、固定，待測(cè)試系統(tǒng)準(zhǔn)備好后，用點(diǎn)火序列點(diǎn)火，同時(shí)記錄炸藥燃燒火焰陣面時(shí)間-位置信號(hào)以及燃燒室瞬時(shí)壓力信號(hào)。

圖 2 密閉燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the structure of closed bomb

1.3 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品PBX-1 炸藥為塑料黏結(jié)炸藥，主要成分為95%HMX+5% 黏結(jié)劑，理論密度ρTMD=1.889 g/cm3，未損傷材料密度ρ≈1.860 g/cm3。炸藥尺寸為10 mm×8 mm，共8 段。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將8 段藥柱串列成一束，在每2 段端面之間布置快速響應(yīng)熱電偶（120 μm 左右），然后在樣品側(cè)面涂環(huán)氧樹脂，促使炸藥以層流的方式沿著炸藥柱軸線燃燒，樣品的裝配照片如圖3 所示。將點(diǎn)火序列放置在炸藥串頂端，用熱絲點(diǎn)燃點(diǎn)火序列，再點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)樣品。

圖 3 實(shí)驗(yàn)樣品照片F(xiàn)ig. 3 Picture of sample

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 炸藥未損傷狀態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)時(shí)，點(diǎn)火信號(hào)發(fā)出后開始采集信號(hào)，時(shí)間零點(diǎn)為采集系統(tǒng)開始采集的時(shí)刻。不同壓力下炸藥燃燒火焰陣面位置-時(shí)間數(shù)據(jù)曲線如圖4 所示。由圖可知，快速響應(yīng)熱電偶1#和7#響應(yīng)時(shí)間差為0.445 00 s，即炸藥柱從第2 段燃燒至第7 段總耗時(shí)0.445 00 s。其中，1#熱電偶之前有一段炸藥柱和點(diǎn)火序列，火焰陣面達(dá)到1#熱電偶時(shí)刻為1.006 72 s，到達(dá)2#～7#熱電偶時(shí)刻分別為1.260 90、1.363 59、1.409 49、1.437 70、1.456 15、1.456 67 s，第2～7 段藥柱的燃燒時(shí)間分別為0.254 18、0.102 69、0.045 90、0.028 21、0.018 45、0.000 52 s。每段炸藥柱長(zhǎng)度l=8 mm，由v=l/t 可計(jì)算出第2～7 段炸藥柱燃燒平均速度分別為31.474、77.904、174.192、283.587、433.604、15 384.615 mm/s。

表1 給出了常溫下PBX-1 炸藥每段藥柱的燃燒時(shí)間及對(duì)應(yīng)的平均燃燒速率。由表1 可知，隨著壓力的升高，藥柱2～6 燃燒的時(shí)間逐漸變短，炸藥燃燒速率逐漸增加，從～102mm/s 增加到～103mm/s，增加了1 個(gè)數(shù)量級(jí)。然而，藥柱7 的燃燒時(shí)間急劇減小，燃燒速率從～103mm/s 增加至～105mm/s，增加了2 個(gè)數(shù)量級(jí)，出現(xiàn)不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象。圖5 給出了幾種HMX 含量為95%的PBX 炸藥的燃速-壓力特性[11，13]，從圖中可以看出，對(duì)于PBX-9501 和LX-10 炸藥，當(dāng)壓力超過(guò)150 MPa 后燃燒變得非常不穩(wěn)定，某些藥柱燃速能夠增加10 倍甚至100 倍，文獻(xiàn)指出其主要原因是高壓下材料的物理完整性失效，形成高的燃燒比面積促使樣品持續(xù)爆燃。對(duì)于PBX-1 炸藥，當(dāng)壓力超過(guò)100 MPa 同樣出現(xiàn)燃速突變現(xiàn)象，其可能的原因是高壓下PBX-1 炸藥物理結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，比如出現(xiàn)裂縫或者縫隙等，火焰進(jìn)入裂縫或縫隙導(dǎo)致炸藥燃燒比表面積增大，炸藥燃燒速率出現(xiàn)突變。

表 1 常溫下PBX-1 炸藥燃燒時(shí)間和燃燒速率數(shù)據(jù)Table 1 Burn time and rate of PBX-1 at ambient temperature

圖 4 不同壓力下燃燒火焰陣面位置-時(shí)間數(shù)據(jù)曲線Fig. 4 Flame-front time-of-arrival signals at different pressure

圖 5 幾種HMX 含量為95%的PBX 炸藥的燃速-壓力特性Fig. 5 Burn rate-pressure characteristic for several 95%HMX-based PBXs

2.2 PBX-1 炸藥燃燒速率與壓力關(guān)系

實(shí)驗(yàn)中獲得的燃燒速率為每段藥柱的平均燃燒速率，相對(duì)應(yīng)的壓力為每段藥柱燃燒期間密閉燃燒室內(nèi)的平均壓力。將圖4 中相鄰信號(hào)線壓力對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分再除以每段藥柱的燃燒時(shí)間，可以得到每段炸藥柱燃燒對(duì)應(yīng)的平均壓力。圖6 給出了PBX-1 炸藥燃燒速率隨壓力變化曲線，當(dāng)壓力為10.50、28.55、58.00、79.40、99.19 MPa時(shí)，PBX-1 炸藥對(duì)應(yīng)的燃燒速率分別為31.474、77.904、174.192、283.587、433.604 mm/s。從圖中可以看出，在100 MPa 壓力范圍內(nèi)，PBX-1 炸藥燃燒速率與壓力基本呈指數(shù)關(guān)系。

對(duì)于大部分材料，凝聚相炸藥熱傳導(dǎo)燃燒速率可以用穩(wěn)態(tài)燃燒速率公式r=apn[16]來(lái)描述，其中r 為熱傳導(dǎo)燃燒速率，a 為燃燒速率常數(shù)，p 為燃燒壓力，n 為壓力指數(shù)。對(duì)PBX-1 炸藥燃燒速率與壓力的依賴關(guān)系進(jìn)行了擬合，擬合結(jié)果如下：

圖 6 PBX-1 炸藥燃燒速率隨壓力變化曲線Fig. 6 Burn rate data for PBX-1 at different pressure

式中：燃燒速率常數(shù)a=2.16±0.55 mm·s?1·MPa，壓力指數(shù)n=1.08±0.06。從擬合的結(jié)果中可以看出n＞1，說(shuō)明PBX-1 炸藥具有較高的壓力指數(shù)，燃燒率對(duì)壓力變化更加敏感，當(dāng)反應(yīng)氣體產(chǎn)物被約束時(shí)會(huì)導(dǎo)致炸藥燃燒速率迅速增加。從圖6 中可知，當(dāng)燃燒壓力超過(guò)100 MPa 后，PBX-1 炸藥的燃燒速率突變，嚴(yán)重偏離穩(wěn)態(tài)燃燒速率呈現(xiàn)指數(shù)變化關(guān)系，此時(shí)炸藥燃燒模式發(fā)生轉(zhuǎn)變，不再是穩(wěn)態(tài)的熱傳導(dǎo)燃燒，而是火焰陣面在炸藥縫隙中傳播的對(duì)流燃燒模式。

2.3 PBX-1 炸藥燃燒比表面積變化

炸藥出現(xiàn)損傷后，其內(nèi)部可能出現(xiàn)孔洞、裂縫及孔隙率增大等現(xiàn)象，導(dǎo)致炸藥燃燒過(guò)程燃燒表面積增加，造成炸藥的燃燒特性發(fā)生巨大變化。不同燃燒模式下，炸藥燃燒表面積存在較大的差異，下式[15]可以量化炸藥燃燒表面積變化（通過(guò)計(jì)算炸藥燃燒表面積S，以及對(duì)熱傳導(dǎo)燃燒表面積S0進(jìn)行歸一化得到燃燒比表面積，用來(lái)表征炸藥燃燒特性，比如熱傳導(dǎo)燃燒或者火焰-蔓延加速等特征）：

式中：S 為燃燒表面積，S0為熱傳導(dǎo)燃燒表面積，p 為燃燒器瞬時(shí)壓力，n 為壓力指數(shù)，L 為實(shí)驗(yàn)樣品初始長(zhǎng)度，a 為燃燒速率常數(shù)，pf為燃燒器最終壓力，p0為燃燒器初始?jí)毫Α?/p>

圖7 給出了不同壓力下PBX-1 炸藥燃燒比表面積變化情況。從圖中可以看出，在100 MPa壓力范圍內(nèi)，PBX-1 炸藥燃燒比表面積S/S0≈1，說(shuō)明PBX-1 炸藥發(fā)生熱傳導(dǎo)燃燒。當(dāng)壓力超過(guò)100 MPa 后，PBX-1 炸藥燃燒比表面積發(fā)生突變，隨著壓力升高，燃燒比表面積逐漸增加，S/S0最大達(dá)到170 左右，相對(duì)于熱傳導(dǎo)燃燒，PBX-1 炸藥燃燒表面積增加2 個(gè)數(shù)量級(jí)。此時(shí)，炸藥發(fā)生物理破壞，出現(xiàn)裂縫或者縫隙等特征，形成高壓下燃燒面進(jìn)入炸藥縫隙高速推進(jìn)的對(duì)流燃燒，導(dǎo)致炸藥測(cè)量的燃燒速率也增加了2 個(gè)數(shù)量級(jí)。若燃燒壓力不卸載，PBX-1 炸藥有進(jìn)一步向高烈度反應(yīng)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。

圖 7 PBX-1 炸藥燃燒比表面積變化情況Fig. 7 Normalized burning surface area of PBX-1 at different pressures

3 結(jié) 論

（1）建立了密閉空腔燃燒壓力-炸藥耗量實(shí)驗(yàn)方法，發(fā)展了中、高壓下炸藥燃燒速率高精度測(cè)試方法，利用密閉燃燒器研究了PBX-1 炸藥在不同壓力下的燃速-壓力特性。

（2）通過(guò)測(cè)量炸藥燃燒陣面時(shí)間-位置數(shù)據(jù)以及瞬時(shí)壓力數(shù)據(jù)，獲得了100 MPa 壓力范圍內(nèi)PBX-1炸藥燃燒速率與壓力的關(guān)系r=(2.16±0.55)p1.08±0.06，結(jié)果表明PBX-1 炸藥燃燒速率對(duì)壓力比較敏感。

（3）當(dāng)壓力超過(guò)100 MPa 后，PBX-1 炸藥燃燒變得不穩(wěn)定，主要原因是高壓下PBX-1 炸藥發(fā)生物理破壞，形成高的燃燒比面積促使炸藥燃燒速率突增，在持續(xù)的高壓下，PBX-1 炸藥有進(jìn)一步向更高階反應(yīng)模式轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。