水噴霧對NC-NG雙基火藥燃燒的抑制作用

司振寬　李權威　杜宇軒

[關鍵詞]雙基火藥；水噴霧；燃燒抑制：火炸藥燃燒機理

[分類號] TQ560.7；TJ55

0引言

作為武器發射、推進、毀傷等的動力與能源，火炸藥是各類武器共同需求的技術和產品，更是國防安全的重要保障。然而作為一種亞穩態的物質體系，在一定的能量刺激下，火炸藥能夠獨立地進行化學反應并輸出能量。這使得火炸藥在制造、運輸、儲存和使用等過程中燃爆事故頻發。為遏制火炸藥燃燒、爆炸事故的發生，減少事故帶來的生命財產損失，保障火炸藥領域發展的安全性，亟需展開火炸藥火災的滅火抑爆技術研究。

在燃燒理論的基礎之上，滅火技術各式各樣，其中滅火劑技術適用較為廣泛。根據《小量火藥、炸藥及其制品危險性建筑設計安全規范》等要求，水系統滅火仍然是火炸藥行業滅火抑爆的主要技術手段。水的滅火機制主要有冷卻作用、窒息作用、乳化作用、沖擊作用等。為滿足不同火災類型的需求，人們通過改變水的物理化學性質來提高滅火效率，逐漸演化出強化水、潤濕水、乳化水、超細水霧等滅火技術。然而關于水系滅火劑對火炸藥的滅火抑爆技術研究較為罕見。學者們設計出針對火炸藥及其他爆炸物的雨淋滅火系統。程山等從理論層面分析認為，水及水系滅火劑是固體推進劑火災較為理想的滅火劑。Thomas研究證實，水噴霧可以增加固體炸藥太安（PETN）在同一混合物中直接引爆所需的最低能量。Adiga等發現，超細液滴的表面積與體積之比及汽化時間尺度可以很好地用于沖擊能量的吸收。學者們認為，水霧蒸發潛熱吸收是抑制有限空間內爆炸的主要機制。Ananth等通過模擬細水霧對密閉空間內黑索今（RDX）爆炸的影響，證明蒸發潛熱是水滴在激波前沿附近吸收能量的主要機制。Jiba等發現，細水霧可以延遲半封閉爆破室中PE4炸藥（基于RDX的高爆炸藥）爆炸后沖擊波的到達時間并減弱峰值超壓。Kong等發現，細水霧對密閉空間的梯恩梯（TNT）爆炸起到緩解作用。Schunck等發現，炸藥在水霧中爆炸時，水霧可以大大降低初始超壓和最大沖量。然而，對于水噴霧針對火炸藥燃燒抑制技術的應用研究還遠遠不足。

NC-NG雙基火藥以無煙藥而聞名于世，適用于槍炮與火箭。它的主要成分為硝化棉（NC）和硝化甘油（NG）。本文中，以小尺寸NC-NG雙基火藥藥柱為研究對象，通過改變水噴霧的壓力大小及藥柱燃燒的傳播方向，對雙基火藥進行燃燒滅火實驗。通過實驗獲取不同壓力下水噴霧的速度、流量和霧化角，對比不同條件下NC-NG雙基火藥的燃燒時間、燃燒面溫度、火焰溫度。對滅火后的液體收集，進行紅外光譜分析，初步探究水噴霧對NC-NG雙基火藥燃燒的抑制規律及滅火機理，為今后針對含能材料火災燃燒的滅火技術提供思路與方向。

1實驗部分

1.1實驗藥品

NC-NG雙基火藥藥柱：長4 cm，底面直徑5mm，質量1.33g。

1.2實驗系統及裝置

實驗系統主要由燃燒室、輸水系統及測試系統組成，如圖1、圖2所示。

輸水系統主要由高壓氮氣氣瓶、儲水罐、輸水管路、噴頭組成。采用高壓氮氣調節水壓。輸水管道內徑為10 mm，實心錐形水霧噴頭的孔徑為2 mm。噴頭位于燃燒平臺上方50 cm。

測試系統主要由溫度采集系統及圖像采集系統組成。在燃燒室正前方搭設高速攝影儀，用于NC-NG雙基火藥燃燒過程及水噴霧滅火過程的圖像采集；利用K型鎧裝熱電偶測量燃燒面及火焰溫度，HS-30B型熱通量儀測量火焰的熱通量。然后，通過數據采集箱將溫度及熱通量數據傳輸至計算機。

1.3實驗設計

實驗主要分為3個部分：

1）NC-NG雙基火藥的自由燃燒實驗：

2）雙基火藥水平放置時水壓為0.15、0.30、0.45 MPa和0.60 MPa條件下的水噴霧滅火實驗：

3）雙基火藥豎直放置時水壓為0.15、0.30、0.45 MPa和0.60 MPa條件下的水噴霧滅火實驗。

在噴頭的正下方將藥柱固定于燃燒平臺之上，調試高速攝影儀與溫度采集系統至最佳工作狀態：然后，將水噴霧壓力依次調節至預定值；藥品擺放完成后，等待點火。引燃火藥后，迅速將電磁閥通電，釋放噴霧，直至火焰熄滅，保存實驗數據。調整藥柱的擺放方式，然后依次施加不同壓力的水噴霧進行滅火實驗。滅火實驗結束后，收集滅火后的溶液并做紅外光譜分析。

2結果與討論

2.1水噴霧霧化特性測試

分別在0.15、0.30、0.45 MPa和0.60 MPa的水壓條件下對水噴霧進行無滅火噴水測試，獲取水霧的霧化角、流速和最大作用范圍。

表1給出了不同水壓條件下的水霧霧化特性。隨著水壓的增大，水霧的霧化角、流速及單位時間內的流量呈現逐漸增大的趨勢。所以，水霧的作用面積隨著水壓的增大而呈現增大趨勢。

2.2自由燃燒實驗

圖3給出了NC-NG雙基火藥自由燃燒的全過程。火藥被引燃，發生劇烈的氧化還原反應，放出大量的熱量，產生強烈的光輻射，形成火焰，并在2.00s內迅速膨脹變大，呈現V或W型。火焰明亮且外圍呈現棕紅色，隨后維持穩定；隨著雙基火藥的逐漸燃燒耗盡，火焰變小、亮度降低，最終在13.15 s熄滅。火藥的平均質量燃速約為0.101g/s。

2.3滅火實驗

表2給出了不同滅火條件下的實驗結果。由表2可以看出：滅火實驗組NC-NG雙基火藥的平均質量燃速均低于自由燃燒條件的平均質量燃速。這是因為，水噴霧與高溫火焰接觸，吸收大量熱量用于自身蒸發、汽化，降低火焰溫度，并且高速水滴穿透火焰到達藥柱燃燒面的固相反應區，浸濕藥柱未燃部位，再次通過蒸發、汽化對藥柱持續冷卻降溫，從而減少藥柱固相反應區向預熱區的熱量傳遞，降低藥柱預熱區及固相反應區的物理及化學反應速率，最終達到抑制雙基火藥燃燒分解的目的。通過對比平均質量燃燒速率發現：水噴霧壓力越大，NC-NG雙基火藥的平均質量燃速越小。

經分析，有以下3點原因：

1）增大壓力可以提高水霧沿火焰軸線方向的霧動量，從而提高切割及穿透火焰的能力；

2）增大壓力可以增大霧化角，提高水噴霧的覆蓋范圍，加快燃燒區域的冷卻降溫，提高滅火效率；

3）增大壓力還會使高速水噴霧帶動周圍的空氣快速流動，對火焰的吹熄作用更加明顯。

對比藥柱豎直燃燒與水平燃燒的滅火效果發現：藥柱沿水平方向燃燒時，水噴霧滅火效果更好；藥柱豎直燃燒時，水噴霧的滅火效果不佳，甚至滅火失敗。可能是因為藥柱豎直燃燒時，水霧呈發散狀態，液滴之間存在空隙，并且藥柱自身截面積較小，滅火劑與火焰作用效率降低。所以，在利用水噴霧對NC-NG雙基火藥進行滅火時，可以調整噴射角度，使盡可能多的水噴霧與火焰作用，從而提高滅火效率。

2.4滅火劑與火焰作用過程

圖4記錄了水壓為0.60 MPa、藥品水平放置的滅火過程。噴嘴出水時刻為1.00s，每組照片的間隔時間為1.00s，圖4中顯示：水噴霧到達火焰之前，經標定，火焰高度約為7.2cm，火焰亮度較強，且在豎直方向上波動穩定；釋放噴霧之后，火焰在水噴霧的壓力及切割作用下，火焰形狀受到壓制而發生擾動，并迅速變小，火焰高度縮短至2.5 cm左右；同時水噴霧不斷地進入火焰內部，對火焰及燃燒面進行冷卻降溫，火焰亮度迅速降低。隨著滅火時間的增加，火焰形狀逐漸變小、亮度變暗，直至熄滅。

2.5溫度及熱通量變化分析

在藥柱自由燃燒及水壓0.15、0.30、0.45 MPa和0.60 MPa條件下，對水平放置藥品的實驗組進行分析，如圖5～圖7所示。自由燃燒條件下，火焰溫度在9s內迅速升高至最大值1040.9℃，燃燒面溫度達到最大值943.1℃，火焰的熱通量也達到221.5W／m²的最大值。此過程中，火焰溫度的最大上升速率為252.7℃／s，燃面溫度的最大上升速率為283.3℃／s，火焰及燃面溫度穩定一段時間后逐漸下降，直至最終燃燒殆盡、火焰熄滅。而當雙基火藥水平放置被引燃后，釋放水噴霧進行滅火，火焰、燃面溫度及火焰熱通量上升速率瞬間降低，然后短暫的緩慢升溫之后，溫度開始迅速降低，最終除水壓為0.15MPa的實驗組外，火焰均被熄滅。由圖8和圖9可以看出，隨著水壓的增大，火焰及燃燒面的升溫速率明顯降低，且火焰及燃面的最高溫度同樣低于自由燃燒的最高溫度。

因為水噴霧滅火劑作用于NC-NG雙基火藥燃燒火焰時，燃燒產生的大量熱量被水霧吸收，用于水霧的蒸發與汽化，火焰溫度迅速降低，火焰的大量熱量不能持續地傳遞至燃燒面，燃燒面處的熱分解反應受到抑制，進而阻礙分解反應過程中大量熱量的產生，最終導致燃燒反應的終止。如表1所示，增大水壓時，水噴霧的流速、流量增大，霧化角也增大，相同時間內有更多的滅火劑與火源作用，火焰及燃面的最高溫度均隨著水壓的增大而減小，在滅火劑的作用之下，火焰及燃面的最大升溫速率同樣隨著水壓的增大而減小。所以，在一定壓力范圍之內，水壓越大，水噴霧對NC-NG雙基火藥的滅火效果越好。

2.6熄火面樣貌特征

圖10為NC-NG雙基火藥熄火面的形貌特征。熄火面表層黏附一層蜂窩狀的黑色固體，主要成分為碳，為NC-NG雙基火藥燃燒過程的中間產物。由于滅火劑的冷卻降溫作用，導致碳無法繼續反應生成CO或CO₂氣體而滯留于熄火面，然后分解過程產生大量的氣體從覆蓋在燃燒面的碳層溢出，最終導致熄火面呈現多孔形狀。另外，還有部分原因可能是分解產生的大量NO₂氣體被滅火劑吸收消耗，之后分解反應受到抑制，使得放熱量大大減少，最終導致大量的碳殘留于熄火面。

2.7滅火后的溶液紅外光譜分析

收集部分滅火后的溶液發現，溶液顏色明顯不同于清水，反而呈現為淡黃色。圖11是水噴霧滅火后溶液的紅外光譜圖。在波數為1390 cm^-1和858cm^-1出現特征峰，該特征峰正是NO₃^-的紅外吸收特征峰。分析原因可能是：滅火過程中，NC-NG雙基火藥的固相反應區分解產生的中間產物是NO₂，除參與燃燒反應之外，一部分溶于水中，使殘液呈現淡黃色，還有一部分與H₂O發生化學反應，生成硝酸和NO氣體。由于NO₂是NC-NG雙基火藥燃燒的關鍵中間產物，并在NC-NG雙基火藥燃燒波的嘶嘶區參與反應，放出大量熱量。當NO₂被滅火劑消耗掉后，后續燃燒反應受阻，最終導致燃燒反應中斷，達到滅火效果。

3結論

以NC-NG固體雙基火藥為研究對象，將火藥平鋪于燃燒平臺，模擬火災由點到面的發展過程。通過分析熱電偶溫度、熱通量數據及高速攝影圖像之間的聯系，結合雙基火藥的燃燒模型、燃燒機理，得出以下結論：

1）水噴霧可以通過冷卻降溫、火焰切割、潤濕3個方面對NC-NG雙基火藥的燃燒起到較好的抑制作用。并且，水噴霧壓力越大，對NC-NG雙基火藥藥柱的滅火效果越好。

2）調整水噴霧噴頭的方向.可以使水噴霧最大限度地與NC-NG雙基火藥火焰作用，從而提高滅火效率。

3）結合NC-NG雙基火藥的燃燒機理模型，從滅火后溶液的紅外光譜分析推測得到：在NC-NG雙基火藥的滅火過程中，水噴霧可以通過化學反應消耗NC-NG雙基火藥燃燒過程的中間產物NO₂，進而在一定程度上抑制NC-NG雙基火藥的燃燒，最終實現滅火。