長管強約束條件下壓裝PBX 炸藥點火實驗研究*

邱 天，文尚剛，李 濤，胡海波，傅 華，尚海林

（1. 中國科學技術大學近代力學系中國科學院材料力學行為和設計重點實驗室，安徽 合肥 230026；2. 中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621999；3. 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）

炸藥的沖擊起爆是炸藥基體在沖擊波作用下受到絕熱壓縮后大幅升溫，形成的熱點帶動炸藥基體內的反應，反應的熱、力學效應綜合作用形成爆轟波[1]。區別于沖擊起爆的非沖擊點火反應[2]，則是炸藥在加熱、碎片撞擊、火花和摩擦或其他非沖擊波刺激引起基體表面或局部位置初始點火，點火后續反應與炸藥性質、約束條件及點火條件相關，涉及過程多、反應現象復雜，烈度演化走向不確定。對于在較強約束條件的壓裝PBX 炸藥在經歷非沖擊點火后反應是否會從燃燒轉為爆轟 (deflagration to detonation transition，DDT)，仍然是一個非常有爭議的話題。

1959 年，Macek[3]采用應變計和電離式探針研究了鑄裝HMX 炸藥的DDT 過程，并提出了“一維假定”下的波聚合物理模型。Macek 認為被點燃的炸藥在端面上不斷產生的應力波在炸藥柱中傳播，經過一段成長距離之后在炸藥基體內匯聚形成了沖擊波，對波陣面前未反應炸藥進行沖擊起爆，從而發生燃燒轉爆轟，因而在從炸藥點火至發生爆轟的位置存在一定長度的“到爆轟距離”。這一理論被認為是高密度固體炸藥的燃燒轉爆轟的主要機理，Tarver 等[4]對其進行了改進，采用精密和復雜的模型描述了材料的燃燒過程。但與此同時遭到了Jacobs[5]強烈反對，而Asay[2]對于密實炸藥DDT 的介紹中對Macek的觀點評述仍然十分謹慎。

20 世紀80 年代，Bernecker 等[6]和Sandusky 等[7]等對顆粒狀炸藥DDT 過程進行了一系列研究，由Campbell[8]利用設計活塞實驗第一次清楚地闡述了炸藥密度稍高于50%～70%最大理論密度（以下簡稱TMD）的高孔隙率炸藥的DDT 機制，表明在炸藥一端點火后壓縮波形成的“活塞”是引發DDT 的關鍵，反應波陣面的傳播過程基本滿足準一維條件，可以通過在DDT 管壁上不同位置探針導通時間來監測炸藥反應傳播的具體情況，國內外已有一系列實驗對不同的高孔隙率炸藥乃至固體推進劑的反應傳播進行了研究[6-10]。然而，當燃燒波陣面傳播到完全密實區域（100% TMD），因反應產物氣體無法透過密實的炸藥基體傳播，線性的燃燒速率在炸藥密度為90%～100% TMD 時下降至高孔隙率炸藥時的1/20，即從對流燃燒模式變成了層流燃燒模式，在與不斷增強的對流燃燒速度相比之下，這樣的燃燒速度接近于停止[2]。因此對于本身就是接近100% TMD 的壓裝炸藥，如果根據Macek 的波聚合物理模型[3]，在炸藥被點燃的一端以較慢速的層流燃燒進行反應，如果要使得燃燒產物壓力不斷快速增長達到足以使基體中的壓縮波匯聚形成沖擊波，則要求炸藥本身的燃速對壓力足夠敏感，對某些配方的始發藥劑也許可以滿足條件，但對于HMX 基的主裝藥來說是卻是難以實現的[11]。此外，如果要求沖擊波壓力足夠強以至于可以在炸藥中形成沖擊起爆，那么裝藥約束需要足夠高的強度來保證炸藥反應的持續。在黃毅民等[12]、王建等[13-14]和代曉淦等[15]對HMX 基高密度壓裝炸藥的DDT 實驗研究中，都使用了鋼管作為DDT 管，但由于設置的探針孔在管內處于高壓時會引起應力集中，導致實際屈服強度比未打孔的鋼管顯著下降。從反應后的裝置碎片來看，管壁的破壞基本都是沿著探針孔開始撕裂。而黃毅民[12]和王建等[13-14]在結論中認為如果使用更強的約束，密實的壓裝炸藥仍然會發生DDT。

此外，壓裝炸藥點燃后的反應產物氣體無法透過炸藥基體，則會在裝藥約束的結構縫隙中以對流形式傳播，并經一定熱傳導感應時間，誘發下游位置炸藥表面燃燒。認識到這一點，則不能簡單認為探針記錄到的導通信號代表炸藥反應傳播的位置，更不能認定為是炸藥基體內部發生了反應。從Jackson 等[16]對密閉容器中炸藥拼接形成的80 μm 寬的狹縫中進行點火的反應演化過程可知，火焰在裂縫中傳播點燃炸藥表面引起縫隙中壓力增長驅使火焰沿縫隙加速向前傳播，火焰傳播速度最高甚至達到10 km/s，最高峰值壓力達到680 MPa，傳播特征與Leuret 等[17]觀察到在炸藥點火直到發生劇烈反應之前存在的“低速爆轟”十分相似，甚至有可能會因為產物對流及表面燃燒行為傳播速度達到炸藥爆速的水平從而被誤認為“發生了DDT”。在Jackson 等[16]的實驗裝置解體后，仍回收到幾乎完整、僅表面反應的炸藥樣品，這也證實了在炸藥基體內部并沒有發生點火。Jackson 等[16]狹縫中進行點火的實驗的尺度恰好是DDT 管中炸藥與炸藥、炸藥與裝藥約束之間的縫隙特征寬度，反應結果很好地表現了炸藥反應產物氣體無法透過密實的炸藥基體傳播時在縫隙中對流傳播的圖像特征。

文尚剛[18]對裝在透明有機玻璃管中的高密度壓裝HMX 基炸藥柱使用黑火藥進行單端點燃，從回收的實驗裝置碎片以及炸藥樣品特征來看,與Jackson 等[16]的實驗有相似之處，如炸藥樣品基本被完全回收，甚至大部分都保持完整沒有反應痕跡，發生反應的部分也僅有少量熏痕，說明參與反應的炸藥量極少且僅有炸藥表面發生反應。從高速攝影圖像可以看出，在實驗過程中火焰尖端是沿炸藥表面進行傳播的，且具有明顯的非對稱性。這也可以解釋王建等[13-14]的實驗中為什么電探針導通時序出現了混亂，很可能源于火焰及反應產物在炸藥柱和管壁之間的圓柱面縫隙中的不對稱傳播。通過尚海林等[19]的炸藥狹縫點火實驗中的高速攝影圖像及不同位置壓力歷程可以看出，當狹縫中炸藥表面都被點燃后，不同局部位置的反應程度存在區別，壓力增長并非嚴格按照火焰傳播方向依次增長。

種種跡象表明，高密度的固體炸藥在傳統DDT 管及其類似的長管強約束條件下、在一端點火后，Macek 在一維假定下的波聚合物理模型不能很好地解釋其反應行為。而炸藥表面點火產生的高溫高壓產物氣體在裝藥結構的宏觀縫隙中對流傳播引起的炸藥表面燃燒以及壓力增長可能才是反應向劇烈演化的主導機制。

1 實驗裝置和測試系統

為了研究固體壓裝炸藥在長管厚壁柱殼約束條件下一端點火后的真實反應演化過程，探究在更強的約束條件下，密實壓裝炸藥PBX-A 是否會發生DDT。本文中設計了在特定的裝藥及約束條件下用電點火頭加黑火藥的方式對以HMX 為基的密實壓裝炸藥PBX-A 進行單端引燃點火實驗（以下簡稱點火實驗）。

實驗裝置如圖1 所示，鋼柱殼管材為45 鋼，內徑20 mm、外徑60 mm，裝置總長度600 mm。在管壁上不設置探針孔以保持結構完整對稱，避免高壓下應力集中在結構弱環處造成裝置提前解體，保證腔體內炸藥不被意外中斷反應；端頭外加厚重壓蓋，防止端頭被沖出導致反應中斷；外端壓蓋和管壁連接處設置厚度漸進的圓臺，防止管壁膨脹后在接觸位置造成剪切破裂，同樣是為了防止反應提前終止。實驗使用的密實低孔隙率壓裝炸藥PBX-A 含有95%HMX，密度1.860 g/cm3（理論密度為1.889 g/cm3）。裝填的藥柱總長度440 mm，由多個藥柱拼接而成，藥柱與管壁之間存在的裝配縫隙約70～120 μm。點火藥小粒黑火藥質量大約1.75 g，點火系統響應時間約4 ms。

在點火實驗中將使用PDV 測速儀、數字式高速相機、應變測試儀以及空氣沖擊波超壓傳感器對實驗過程進行監測。實驗測試系統如圖2 所示：數字式高速相機用于拍攝記錄反應過程圖像；PDV 測速儀用于監測實驗裝置不同位置的殼體膨脹速度歷程；應變測試系統用于監測實驗裝置不同位置的形變。延時同步機用于觸發實驗裝置點火、時間間隔記錄儀和數字示波器。

圖 1 實驗裝置Fig. 1 Experimental set-up

圖 2 測試系統示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the testing system

圖 3 點火實驗PDV 探針及應變片測點位置(單位：mm)Fig. 3 Measuring points position of PDV probes and strain gauges in initiation reaction(unit: mm)

點火實驗中PDV 探針及應變片的測點位置如圖3 所示，均以點火座與炸藥交界面為基準點（0 mm 處）。其中PDV 探針2～7 號測點分別垂直于管壁，測量管壁徑向的運動情況；探針1、8 號測點垂直于裝置尾端蓋平面，測量裝置尾端蓋處的軸向運動情況。整體測試系統布局如圖4所示。

為比較炸藥在點火引燃條件下與直接起爆條件下的實驗現象及對應過程物理狀態的區別，在爆轟標定實驗中以雷管代替引燃點火裝置，直接起爆實驗裝置中的炸藥，使用轉鏡式分幅相機及PDV 測速儀進行監測。PDV 探針的測點位置如圖5 所示。

圖 4 實驗系統布局示意圖Fig. 4 Diagram of experimental system

圖 5 爆轟標定實驗PDV 探針測點位置（單位： mm）Fig. 5 Measuring points position of PDV probes in detonation reaction (unit: mm)

2 實驗結果

兩次實驗的典型高速攝影圖像如圖6 所示。點火實驗中的3 張圖片的拍攝時刻自上而下分別為8.23、8.30、8.32 ms。爆轟標定實驗中因轉鏡式高速相機啟動時間存在漂移，無法確定拍攝的具體時刻。在爆轟標定實驗中炸藥反應產物驅動柱殼破片向外飛散，炸藥反應沿著起爆方向以爆速穩定傳播，總反應時間約60 μs；而在點火實驗中，在點火信號發出后8.22 ms（即點火藥點火后約4 ms）時首次在近點火端出現明顯火光，同時在下游位置出現管壁膨脹凸起，且凸起形狀在周向上并不均勻。在8.26、8.27 ms時分別可見兩處裂紋生成，8.29 ms 時管壁出現另一處火光，8.40 ms 后火光覆蓋整個裝置，表明炸藥總反應時間約4 ms，遠遠大于爆轟標定實驗中炸藥反應時間。

兩次實驗中通過PDV 測得實驗裝置各處的運動速度歷程曲線如圖7 所示。在爆轟標定實驗中，徑向測點位置膨脹最高速度大于400 m/s，波形有明顯爆轟波陣面傳播形成的von Neuman 尖峰特征。而在點火實驗中，從反應的時間歷程上來看，管壁上開始出現膨脹變形的時刻是點火信號發出后8.14 ms，隨后數百微秒的時間里整個裝置管壁數個位置發生膨脹變形乃至破裂，裝置解體。殼體管壁上沿軸向各測點運動啟動順序為2-3-5-4-6-7，反映出實驗裝置中各個位置的炸藥發生劇烈反應起始的時間和位置呈現隨機性，而非爆轟或燃燒轉爆轟過程中反應陣面一維傳播的特征。從速度脈沖波形來看，在管壁破裂前各測點位置的脈沖前沿長達幾十至百微秒，且各處測點的速度曲線斜率接近，可以視為管內各測點位置壓力水平相近，根據加速度估算管壁破裂前內部最大壓力約為1 108 MPa。

圖 6 實驗過程典型圖像Fig. 6 Typical experimental photographs

圖 7 PDV 測得實驗裝置各處的運動速度歷程Fig. 7 Velocity profiles measured by PDV

點火實驗中管壁不同位置處應變曲線如圖8 所示，可知管壁不同位置應變片測得的變形發生時間與PDV 測得的管壁膨脹變形發生時間基本一致。

點火實驗測得的空氣沖擊波超壓結果如圖9 所示，在距離裝置中心1.5 m 處的兩個空氣沖擊波超壓傳感器，分別在點火后9.87、10.1 ms測得空氣沖擊波峰值壓力分別為0.135、0.163 MPa，換算得等效TNT 當量390 g，表明大部分炸藥發生了反應。需要注意的是，等效TNT 當量是以裸藥球爆炸計算所得，而本文實驗結果中空氣沖擊波超壓產生的條件是在特定的約束條件下，因此不能簡單與TNT 當量做比較，僅作為參考數據。

圖 8 點火實驗應變片測試結果Fig. 8 Hoop strain measurements of initiation reaction

兩次實驗回收的實驗裝置碎片如圖10 所示。爆轟加載形成的碎片較小、呈細長條狀。尺寸、形狀分布較均勻。點火實驗回收碎片與爆轟加載形成的碎片相比，尺寸明顯更大，形狀、尺寸分布不均勻；部分碎片內表面有更明顯的燃燒痕跡，沒有爆轟加載形成的層裂痕跡；并沒有出現典型DDT 過程形成的從點火端到遠端的碎片從大到小的演化特征。

圖 9 點火實驗反應后遠區測得的空氣沖擊波超壓曲線Fig. 9 Air blast overpressure profiles of initiation reaction

圖 10 回收的實驗裝置碎片Fig. 10 Fragments in recovery experiments

3 分析與討論

3.1 點火實驗系統的反應動作時序梳理

控制臺輸出點火信號為時間零點。結合應變片信號、高速攝影、PDV 信號，扣除點火系統的作用時間約4 ms，至8.14 ms 管壁開始變形膨脹。等容腔壓力增長的時間約4 ms，此時管內等效壓力小于管壁箍縮屈服限。

應變片信號顯示8.15 ms 時測點近點火端測點位置已達最大變形，但由于破口在管壁靠近背景板一側，無法確定宏觀裂口出現的具體時間。至8.22 ms 火光出現，管壁塑性形變至首次破裂時間最長不超過70 μs，炸藥發生強反應（爆燃或爆炸）的時間與位置具有不確定性。

3.2 長管強約束條件下炸藥點火的反應機制探究

從實驗結果來看，即便是在增強厚壁長管約束條件下，對于單端引燃的密實壓裝炸藥仍然沒有發生DDT。從實驗裝置管壁膨脹變形直至解體之前的劇烈反應情況下，裝置內的反應壓力水平僅僅達到1 GPa 左右的量級，且壓力脈沖增長前沿長達數十至百微秒，無法在炸藥基體中形成沖擊波，因此無法實現從沖擊到爆轟的轉變，與Macek 在一維假定下的波聚合物理模型不符。

此外，從以往一些的壓裝炸藥DDT 實驗結果中出現的電離電探針導通時序混亂的情況反映出在單端引燃的DDT 管實驗中，炸藥表面點火產生的高溫高壓產物氣體在裝藥結構的宏觀縫隙中對流傳播引起的炸藥表面燃燒以及壓力增長在反應演化方面扮演了重要的角色。結合文尚剛[18]和Shang 等[19]的實驗圖像，本文中單端引燃實驗中管壁膨脹啟動時序的隨機性，實驗裝置膨脹破裂前的反應壓力水平和壓力增長歷程，以及回收的實驗裝置內表面上的燒蝕痕跡，體現了約束中的炸藥實際反應過程是炸藥表面點火后先期反應高溫高壓產物氣體會以對流形式在炸藥與柱殼壁面間縫隙中傳播，誘發下游位置炸藥表面燃燒；持續燃燒的反應產物使縫隙中的壓力持續增長，而表面燃燒加速產生高溫高壓氣體并進一步向周圍傳播，不斷形成正反饋；當壓力水平引起炸藥比表面積快速增長，炸藥的反應速度急劇加快引起壓力水平的劇烈增長直至超過約束屈服極限，最終導致約束解體。因此對于約束條件下的密實炸藥，表面點火后高溫、高壓反應產物氣體以對流形式在炸藥與柱殼壁面間縫隙中傳播過程才是影響反應演化的主導機制。

4 結 論

通過本文實驗結果及結合文獻分析，得到以下主要結論：

（1）壓裝炸藥PBX-A 在長管強約束條件下單端引燃后未發生典型的燃燒轉爆轟現象，反應烈度為爆燃或爆炸級。從反應壓力增長歷程反映出炸藥基體內沒有形成沖擊波，因而無法實現從沖擊到爆轟的轉變；

（2）炸藥表面點火后先期反應高溫高壓產物氣體會以對流形式在炸藥與柱殼壁面間縫隙中傳播，誘發相鄰位置炸藥表面燃燒與反應的進一步傳播，這一過程是約束條件下的密實炸藥點火反應演化的主導機制。