阻燃介質在炸藥驅動燃料分散中的應用*

王永旭，解立峰，賈曉亮，張 瑩，李 斌

（1. 南京理工大學化工學院，江蘇 南京 210094；2. 遼寧錦華機電有限公司，遼寧 葫蘆島 125000）

燃料空氣炸藥（fuel air explosive, FAE），作為一種不同于普通炸藥的爆炸能源，是以高揮發性的可燃液體、高能金屬粉與空氣以一定的比例混合形成的一種可爆炸性混合物[1]。FAE 發生的是體積爆轟，其作用范圍大、持續時間長、總沖量大[2-4]。由于燃料空氣炸藥不同的毀傷模式及不容小覷的威力，學者對FAE 的出現普遍重視，成為了國內外研究的熱點[5-6]。

FAE 云霧的形成方法主要是通過中心分散裝藥爆炸驅動燃料分散，最終形成燃料云霧，拋撒對象為低沸點液體或高能金屬粉[7-9]。燃料爆炸拋撒形成的云霧的尺寸及濃度分布很大程度上決定了FAE 的毀傷范圍和爆轟性能。關于爆炸拋撒，主要研究燃料拋撒的過程以及形成云霧的機理，主要關注云霧的形狀、尺寸和擴散速度等特征參數，拋撒裝置參數如殼體材質、結構和比藥量等對云霧狀態影響[10-12]。由于燃料本身的特性，燃料容易被中心分散藥爆炸產生的高溫產物引燃，發生云霧竄火。為了防止發生竄火，Sedgwick[13]、Aley[14]采用了在中心分散藥兩端填充木塞、橡膠及鋼片等的方法。肖紹清[15-16]發明了T 形裝藥結構和復合中心分散藥，可以有效抑制云霧竄火。但是采用這些方法仍不能完全抑制爆炸拋撒過程中的云霧竄火問題。

ABC 超細干粉滅火劑具有突出的滅火效率，因其巨大的比表面積，滅火效率是普通干粉滅火劑效能的6～10 倍[17]。同時ABC 超細干粉滅火劑的粒徑小，流動性好，有良好抗復燃性、彌散性和電絕緣性。鑒于ABC 超細干粉滅火劑具有良好的滅火性能，為了解決燃料在爆炸拋撒過程中的竄火問題，本文中提出在中心分散藥外部填充以ABC 超細干粉滅火劑為主體的阻燃介質。通過高速錄像和紅外熱成像儀觀察阻燃介質對爆炸瞬間產生的高溫及火球的抑制情況。

1 試 驗

1.1 試驗布置

中心裝藥結構如圖1 所示，中心分散藥為TNT 炸藥，質量7.85 g，尺寸 ? 20 mm×17 mm，試驗使用6 個。把中心分散藥外部填充的阻燃介質分為3 個部分：在分散藥上部的稱為頂部阻燃介質，與分散藥齊平的稱為側面阻燃介質，分散藥下面的稱為底部阻燃介質。內殼和外殼均為PVC 材料，長度為200 mm，利用不同直徑的中心管內殼改變阻燃介質的側面厚度。底部阻燃介質與雷管齊平。外殼為模擬云爆彈體的殼體，內外殼體中間不添加燃料。在底部用8#雷管起爆中心分散藥，通過高速錄像和紅外熱成像儀觀測中心分散裝藥爆炸后阻燃介質對爆炸火球溫度及火焰的抑制情況，通過改變側面和頂部阻燃介質厚度，研究阻燃介質對爆炸火球溫度及火焰的抑制效果，得到阻燃介質的最佳用量。

圖 1 中心管結構示意圖Fig. 1 Central tube structure diagram

圖 2 試驗示意圖Fig. 2 Experimental diagram

1.2 試驗設備

采用高速錄像和紅外熱成像儀記錄整個試驗過程，高速相機的型號為Fastcam Mini UX100，拍攝速度為2 000 s?1，像素1 280×1 024；紅外熱成像儀型號為ROTRIC A615，拍攝速度為30 s?1，像素640×480。試驗布置如圖2 所示，中心管懸掛在空中高度為1 m,在底部起爆中心分散藥。高速錄像儀和紅外熱成像儀布置在距離爆心25 m 處。

2 試驗結果與分析

2.1 側面阻燃介質對火球的抑制效果

中心分散藥放置在中心管中間，試驗時先做空白試驗，不填充任何阻燃介質。然后進行側面阻燃介質厚度為9 mm 的試驗，底部阻燃介質與雷管齊平，頂部裝滿阻燃介質。通過高速錄像和紅外熱成像觀察中心分散藥爆炸場溫度和火焰情況，根據試驗結果采用升降法進行下一步試驗，得到最佳的側面阻燃介質厚度。側面阻燃介質的填充厚度通過內管直徑改變。試驗內管直徑和阻燃介質側面厚度如表1 所示。

表 1 內管直徑和側面阻燃介質厚度Table 1 Inner tube diameter and side flame retardant medium thickness

通過高速錄像，可以觀測到中心分散藥的整個爆炸過程，無阻燃介質和側面阻燃介質厚度為5 mm的分散藥爆炸過程對比如圖3 所示。從圖3 中可以看出：在未填充阻燃介質的情況下，中心藥在被雷管起爆后，產生巨大火球；填充阻燃介質后，火球基本消失。說明填充阻燃介質對抑制中心分散藥爆炸的火焰有非常好的效果。圖4 給出了起爆后2 ms，在填充不同側面厚度阻燃介質的情況下，中心分散藥爆炸的高速圖片。隨著厚度的增加，爆炸產生的火球逐漸減小。在厚度為5.0 mm 時，火焰完全消失，在下端也沒有看見火光出現，說明阻燃介質完全將爆炸產生的火焰抑制。

圖 3 不同填充條件下的高速圖像對比Fig. 3 High-speed video pictures under different filling conditions

圖 4 不同側面阻燃介質厚度下的高速圖片Fig. 4 High-speed pictures for different side flame retardant medium thicknesses

通過高速錄像可以觀察阻燃介質對中心分散藥爆炸火焰的抑制情況；通過紅外熱成像儀，則可以觀察阻燃介質對中心分散藥爆炸火球溫度的抑制情況。對未填充阻燃介質、填充3.0 mm 阻燃介質的中心分散藥爆炸產生的火球表面溫度進行分析，不同時刻的紅外圖片如圖5 所示。

圖 5 不同時刻的紅外圖片Fig. 5 Infrared pictures at different moments

中心分散藥爆炸后，填充不同厚度的側面阻燃介質的情況下，火球表面最高溫度隨時間變化關系曲線如圖6 所示，火球表面溫度測試結果如表2 所示。在未填充阻燃介質時，中心分散藥爆炸火球產生的最高溫度為1 355.4 ℃，添加阻燃介質后溫度降低90%以上。對于FAE，常用的液體燃料有環氧丙烷、石油醚和乙醚等，其燃點在150～300 ℃之間，溫度高于150 ℃時，就可能將燃料點燃。所以將火球表面最高溫度大于150 ℃的時間稱為高溫持續時間。從表2 中可以看出，當添加阻燃介質后，最高溫度為124.1 ℃，這表明阻燃介質對中心分散藥爆炸場的溫度有良好的抑制作用。對33 ms 時火球表面的溫度進行分析，其表面溫度分布如圖7 所示。

圖 6 火球表面最高溫度隨時間的變化曲線Fig. 6 The highest surface temperature of the fireball vs. time

表 2 火球表面溫度測試結果Table 2 Fireball surface temperature test results

從圖7 可以看出，無阻燃介質時，整個火球表面溫度都超過200 ℃，最高溫度在1 500 ℃以上，前面提到常用液體燃料的燃點在150～300 ℃之間，在這個溫度下燃料容易被點燃發生竄火。而有阻燃介質時，火球表面溫度分布不超過100 ℃，阻燃介質對中心分散藥爆炸產生的溫度抑制明顯。通過高速錄像和紅外熱成像的結果可知，通過填充阻燃介質，可以有效抑制中心分散藥爆炸產生的高溫和火球，從而可以有效防止燃料在爆炸拋撒過程中發生竄火。

圖 7 火球表面溫度及其對應直線溫度變化曲線Fig. 7 Surface temperature distribution and temperature change with the corresponding plot lines

2.2 頂部阻燃介質對火球的抑制效果

在確定側面最佳厚度為5.0 mm 后，改變頂部阻燃介質厚度，尋找最佳的阻燃介質用量。圖8 給出了起爆后2 ms，不同頂部阻燃介質厚度情況下中心分散藥爆炸時的高速圖片。從圖8 中可以明顯看出，在側面阻燃介質（5.0 mm）存在的情況下，爆炸火球得到了較好的抑制，隨著阻燃介質厚度的增大，完全看不到爆炸產生的火球。圖9 給出了頂部阻燃介質不同厚度情況下爆炸火球表面溫度隨時間的變化關系曲線及對應爆炸火球產生的最高溫度，從圖9 可以看出，火球表面最高溫度隨著厚度增大而降低，0～20 mm 前降低幅度較快，20 mm 以后降幅變緩。認為20 mm 是最佳的頂部阻燃介質厚度。當側面阻燃介質的厚度為5.0 mm，頂部阻燃介質的厚度為20 mm 時，火球表面的最高溫度為79.2 ℃，低于150 ℃，以環氧丙烷、石油醚和乙醚等體為液相組分的燃料在爆炸拋撒過程中不會發生竄火現象。

圖 8 不同頂部阻燃介質厚度的高速圖片Fig. 8 High-speed pictures for different top flame retardant medium thicknesses

圖 9 火球最高溫度隨時間的變化曲線及對應的最高溫度Fig. 9 The highest temperature of the fireball vs. time and the corresponding maximum temperature

2.3 驗證試驗

為了驗證阻燃介質對中心分散藥的溫度場抑制作用，設計了驗證試驗。殼體為 ? 90 mm×200 mm 的PVC 筒體，中心管內徑為30 mm。其結構如圖10 所示。中心分散藥和上面試驗質量一致，按照上述最佳試驗結果，在中心管中側面填充5.0 mm 厚的阻燃介質，頂部填充20 mm 厚阻燃介質。殼體內裝填的燃料為乙醚和鋁粉組成的固液混合物，質量為1 kg。中心分散藥與裝填燃料質量的比值（簡稱比藥量）為4.7%。分別在未填充阻燃介質和填充阻燃介質的情況下進行燃料拋撒試驗，利用高速錄像記錄整個過程，試驗結果如圖11 所示。

圖 10 燃料拋撒結構示意圖Fig. 10 Schematic diagram of fuel dispersal structure

圖 11 驗證試驗高速圖片Fig. 11 High-speed pictures in verification experiment

從圖11 可以看出，在未填充阻燃介質的情況下，FAE 燃料被中心分散藥的爆炸火球引燃，發生竄火。對于上述中心分散藥裝藥結構，當比藥量為1.1%～1.5%時，云霧的竄火率為100%。比藥量不大于0.98%時，竄火率高達50%[15]。這極大限制了FAE 的發展，因為在更大的燃料填充質量情況下，需要更高的驅動能量才能將燃料拋撒到合適的云霧尺寸。中心分散藥質量與拋撒燃料質量的比值決定了驅動能量的大小。比藥量值越高（但同時會增加云霧發生竄火的風險），驅動能量越大，形成的云霧尺寸也就越大。在本次試驗中比藥量超過4%，但云霧仍未發生竄火(重復3 次)，說明在中心分散藥外部填充阻燃介質是一種防止云霧竄火非常有效的辦法，同時可以有效提高FAE 的驅動能量。

2.4 機理分析

云霧發生竄火現象需要滿足兩個必要條件：一是燃料與空氣形成的混合物在爆炸極限范圍內；二是爆炸性混合物內存在點火源。當燃料分散至可燃濃度范圍時，中心分散藥爆炸產生的高溫產物作為火源將燃料點燃發生自持燃燒乃至爆燃，從而發生云霧竄火現象。白春華等[1]提出了云霧竄火模型，如圖12 所示。起爆中心分散藥后，爆炸沖擊波會推動燃料向外運動，在云霧中間會形成一個空腔，里面主要是爆轟產物。云霧區與爆轟產物區存在一個“公共區”。此“公共區”由分散藥爆轟產物、空氣和燃料組成，竄火主要發生在該區域內，然后向云霧區發展。對于燃料空氣炸藥來說，爆炸拋撒的目的就是形成可燃、可爆的云霧濃度。因此，只有抑制中心分散藥爆炸產生的高溫和火球，使其低于燃料云霧的最小點火能量，才能防止燃料在拋撒過程中發生竄火。

圖 12 云霧竄火模型[1]Fig. 12 Cloud premature-combustion model[1]

阻燃介質的主體為ABC 超細干粉滅火劑。當在中心分散藥外部填充阻燃介質后，ABC 超細干粉滅火劑的物理、化學雙重滅火機理能有效防止云霧竄火。在物理上，滅火劑位于中心分散藥和燃料之間，超細干粉滅火劑的粒徑小，流動性好，可以有效隔絕爆轟產物與燃料接觸，同時也可以阻斷燃燒所需的氧氣；在化學方面，ABC 干粉滅火劑的主要滅火組分為磷酸二氫銨(NH4H2PO4)。NH4H2PO4的吸熱分解化學式為：

NH4H2PO4粉末在200～400 ℃時快速分解形成氨氣（NH3）和磷酸（H3PO4），超過400 ℃時，H3PO4進一步分解成偏磷酸(HPO3)和水(H2O)，最后生成五氧化二磷(P2O5)[18]。爆炸火球的最高溫度超過1 000 ℃，在此高溫的作用下，NH4H2PO4粉末會迅速分解吸收了大量的熱量，使爆炸火球的溫度迅速降低，爆轟產物的溫度低于燃料的最小點火溫度。同時滅火劑與火焰反應產生的大量玻璃狀物質存在于“公共區”內形成一層隔離層，進一步確保燃料不會被引燃。

3 結 論

為了解決燃料在分散過程中的竄火問題，以中心分散藥為研究對象，引入以干粉滅火劑為主體的阻燃介質，開展了阻燃介質阻燃效果模擬試驗及實際燃料裝藥效果驗證試驗，得到結論如下：（1）對于FAE 的中心分散裝藥，在填充阻燃介質的情況下，可以有效抑制爆炸產生的高溫和火焰，從而降低云霧發生竄火的風險；（2）在阻燃介質側面厚度為5.0 mm，頂部厚度為20 mm 時，中心分散藥與燃料的質量比超過4%，乙醚-鋁粉燃料在拋撒過程中不發生竄火。