含添加劑水霧抑滅單基藥火焰的小尺度實驗研究

［摘 要］ 為探究含不同性質添加劑的水霧對單基火藥燃燒抑滅性能的影響，在自主搭建的火藥燃燒及滅火平臺上開展純水霧與含Na2SO3、FeCl2、K2CO3、KHCO3添加劑的水霧對單基火藥燃燒抑滅性能的對比實驗，研究滅火過程中溫度、輻射熱流、火焰形態等的變化。結果表明：含還原性（Na2SO3、FeCl2）和非還原性（K2CO3、KHCO3）添加劑的水霧抑滅性能明顯優于純水霧，滅火時間更短。含非還原性添加劑的水霧在低濃度下抑滅效果較差，當添加質量分數提升至3%以上時，抑滅效果顯著提升；含還原性添加劑水霧對單基藥的抑滅性能在各添加劑濃度下均優于含非還原性添加劑的水霧，且隨著添加劑濃度的增大，抑滅性能表現出飽和性。

［關鍵詞］ 單基火藥；水霧；抑滅性能；滅火機理

［分類號］ TQ560.7

Small-Scale Experimental Study on the Suppression of Single Base Propellant Flames by Water Mist Containing Additives

DU Yuxuan①，SI Zhenkuan①②，WANG Shuai③，YANG Manjiang③，LI Quanwei①

①School of Chemistry and Chemical Engineering， Nanjing University of Science and Technology （Jiangsu Nanjing， 210094）

②Servo Technology Institute of China Aerospace Science and Industury Corporation （Jiangsu Nanjing， 210006）

③China Ship Development and Design Center （Hubei Wuhan， 430064）

［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］

In order to investigate the influence of additives with different properties on the fire suppression perfor-mance of water mist on single base propellant， a comparative experiment of single base propellant combustion and suppression was conducted on a self-built platform. It compared the performance of pure water mist and water mist containing Na2SO3， FeCl2， K2CO3 and KHCO3 additives in suppressing the combustion of single base propellants. Changes in tempe-rature， radiant heat flux， and flame morphology during the fire suppression process were studied. The results show that the fire suppression performances of water mist containing reducing additives （Na2SO3， FeCl2） or non-reducing additives （K2CO3， KHCO3） are significantly better than that of pure water mist， with shorter extinguishing time. The performances of water mist containing non-reducing additives in suppressing single base propellant fires is poor at low concentrations. When the mass fraction of non-reducing additives rises above 3%， the fire extinguishing ability is significantly improved. The fire suppression performances of water mist containing reducing additive are superior to that of water mist containing non-reducing additive at all concentrations. In addition， as the increase of the concentration of reducing additive， the fire suppression performance is saturated.

［KEYWORDS］ single base propellant; water mist; fire suppression performance; fire extinguishing mechanism

0 引言

含能材料是各類武器火力系統完成彈丸發射、實現火箭和導彈運載的動力源［1］。同時，它也是重要的軍民通用產品（工業炸藥及民用爆破器材等），為國民經濟建設和發展提供支持，在現在和可預見的未來，仍然不可替代［2］。然而，由于自身包含氧化劑和還原劑，含能材料在一定的外界能量作用下，能夠短時間內發生劇烈的燃燒甚至爆炸，在設計、試驗、制備、生產、運輸、儲存、使用和銷毀等各個階段，都存在著極高的燃燒、爆炸風險。

早在20世紀80年代，美國政府就開始改進含能材料行業的消防系統。美國Tyndall空軍基地的的研究人員研究出應用于火炸藥企業的超高速噴水滅火系統（AFPDS）［3-4］以及它的改進版——爆炸點火滅火系統（BIDS）［5］。Fike公司對AFPDS和BIDS系統進行了評估，通過不同的煙火藥劑和推進劑的測試結果可以看出，AFPDS與BIDS滅火系統可以有效地抑制火災的發生［6］。法國國營火炸藥公司SNPE的大規模研究表明，360 kg的水墻能有效抑制100 kg的Iremite 4000炸藥燃燒爆炸引起的火災［7］。

程山等［8］分析了固體推進劑的組成、燃燒特性和用于安全滅火的滅火劑的可行性，認為最適合抑制固體推進劑火災的滅火劑為水系滅火劑。陳戰斌［9］自行搭建了固體推進劑火災熄滅實驗平臺，研究了水在不同釋放條件下對雙基藥燃燒的滅火效果；結果表明：噴頭類型、噴射壓力等因素對撲滅推進劑火焰起著至關重要的作用。司振寬等［10］研究了水霧對雙基火藥燃燒的抑制作用，對雙基藥施加不同壓力的水霧進行滅火實驗，并對實驗后的殘余液體進行紅外光譜分析。

衛欣欣等［11］在實驗中使用水霧抑制黏塑性炸藥PBXN-5燃燒；結果表明：水霧對PBXN-5的燃燒有很好的抑制效果。Willauer等［7］研究了細水霧對50磅（22.7 kg）當量的TNT和Destex在室內爆炸產生的超壓的影響。

上述普通的純水滅火系統僅發揮了物理作用，滅火效率較低，存在一定的局限性。因此，使用含有添加劑的水來抑滅火焰逐漸成為了滅火領域的研究熱點。

20世紀60年代，研究人員開始探索通過在水中加入可溶性添加劑來提高水的滅火性能。Kida［12］研究發現，在水中加入堿金屬鹽對固體火和油池火的抑制和滅火的效率有顯著提升。此后，Chow等［13］研究發現，含NaCl添加劑的水霧作用于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的燃燒表面時，NaCl可能參與了滅火反應。張天巍［14］使用改進的杯式燃燒器對含6種鉀鹽添加劑細水霧的最小滅火濃度進行實驗測試，與純水霧實驗的結果進行了比較，證明含鉀鹽添加劑的細水霧具有化學滅火效能。這些含添加劑水霧的滅火性能研究結果均來源于常規火災的場景，但對于含能材料火災的適用性及滅火性能的影響鮮有研究。

發射藥是一類比較典型的含能材料，常用作身管類武器的發射動力［15］。其中，又以單基藥的應用最為悠久和廣泛［16］。為此，特以七孔單基藥柱作為研究對象，利用自行搭建的小尺度滅火實驗平臺，研究添加劑類型及含量對水霧抑制單基藥火焰的影響，并結合火藥燃燒理論推測影響機制，以期為含能材料滅火技術提供理論和數據支撐。

1 實驗過程

1.1 實驗裝置

滅火實驗在封閉的鐵制集裝箱內進行，實驗平臺自行搭建。實驗系統如圖1所示。

采用便攜式細水霧滅火系統，熱電偶、熱流計與數據采集系統相連，用于測量實驗過程中的溫度和輻射熱通量數據。采用WRNK-191型（K型）鎧裝熱電偶，相鄰間距為1.5 cm；采用HS-30B型輻射熱流傳感器，距藥柱10 cm；采用FASTCAM Mini UX50型高速攝像機，架設在實驗臺正前方，距離藥柱0.3 m，用于火藥燃燒及滅火過程的圖像采集。此外，為防止空氣流通對實驗結果造成影響，實驗時關閉集裝箱門。

1.2 實驗材料及設計

選擇圓柱形七孔單基火藥：截面直徑8 mm，長16 mm，質量約為1.3 g。根據已有研究成果［17-20］，選取了4種預期滅火效果較好的金屬鹽添加劑，分別為：K2CO3和KHCO3（非還原性）、Na2SO3和

FeCl2（還原性）。添加劑在去離子水溶液中的質量分數分別取1%、 2%、 3%、 4%和5%，以此來制備水霧。

在實驗間進行純水霧及上述含添加劑的水霧滅火實驗：將藥柱對準水霧噴頭的正下方，固定于燃燒平臺上，調試高速攝影系統和數據采集系統到待機狀態。對火藥進行點火后，迅速釋放水霧，觀察燃燒平臺無火焰后，關閉噴頭。

2 結果和分析

2.1 滅火時間

圖2展示了含不同添加劑的水霧對應的滅火時間與添加劑含量的關系。

由圖2可知，對于非還原性添加劑：使用質量分數為1%和2%的KHCO3水霧對單基藥火焰進行滅火時，滅火均失敗；使用質量分數為1%和2% 的K2CO3水霧對單基藥進行滅火時，滅火時間分別為11.4 s和10.0 s（均大于無添加劑水霧的滅火時間），滅火效能不佳。這可能是由于：一方面，鉀鹽的存在會影響純水內部的傳熱，使純水蒸發速率減慢，從而減緩純水相變吸熱速率［21］;同時，在純水中加入可溶性無機鹽，還會降低水的飽和蒸氣壓［22］，同樣會減弱其相變吸熱速率。另一方面，鉀鹽的添加又有助于發揮對火焰的化學抑制作用，這兩者之間存在一定的矛盾，在添加劑濃度較低時，化學抑制作用的增強尚不足以抵消相變吸熱速率減緩的影響。但隨著添加劑質量分數的不斷增加，這兩方面作用的強弱關系發生反轉；此后，含KHCO3與K2CO3水霧的滅火效果均優于純水霧。這可能是因

為當含添加劑的水霧被釋放進入火焰區后，液滴能夠迅速蒸發，鉀鹽脫水析出，并在高溫火焰和水蒸氣的活化作用下生成滅火活性組分KOH［14］，該過程會使水霧的化學滅火作用顯著增強，進而抑制單基藥的繼續燃燒。當使用KHCO3作為添加劑時，除上述反應外，KHCO3還能產生CO2，稀釋燃燒區的氧氣，雖然火藥自身含有氧化劑，CO2的窒息作用有限，但一定程度上也能起到抑制火焰的作用。當使用K2CO3添加劑時，隨著K2CO3濃度的增加，相應的滅火時間呈現出先減小、后增大的趨勢，這說明在一定的濃度范圍內，K2CO3的化學滅火作用顯著增強，當質量分數為4%時，滅火時間最短，滅火性能最佳。因此，可推測K2CO3在質量分數3%～ 5%之間存在一個最佳濃度。

對于還原性添加劑：由圖2可知，Na2SO3和FeCl2在各濃度條件下的滅火時間均遠小于純水霧的滅火時間；并且，還原性添加劑的總體滅火效果優于非還原性添加劑。據推測，這可能是由于含有還原性添加劑的水霧進入燃燒區后，單基藥凝聚相反應區分解的中間產物NO2與還原性的Na2SO3和FeCl2發生如下的氧化還原反應［23］：

NO2+Na2SO3N2+Na2SO4；（1）

Fe2++NO2+H+Fe3++NO+H2O。（2）

由此可見，一部分NO2被還原性物質吸收，從而無法參與到嘶嘶區的分解反應中（嘶嘶區的熱量釋放占燃燒釋放熱量的40%［24-25］），進而一定程度上抑制了單基藥的燃燒。此外，在滅火過程中，水霧本身對火焰具有壓制、切割作用，可以破壞火藥的燃燒波結構，且水霧與高溫火焰接觸后會發生相變，吸收燃燒區域的大量熱量，降低火焰溫度和燃燒面的熱分解速率，從而與化學作用共同抑制燃燒。當使用含Na2SO3和FeCl2添加劑的水霧滅火時，滅火能力均隨著添加劑濃度的增加而增強，且對單基藥燃燒的抑制能力明顯強于K2CO3和KHCO3。但值得注意的是：當Na2SO3的質量分數高于3%時，滅火效率隨添加劑濃度的增加提高甚微，這說明含Na2SO3添加劑的水霧存在一個極限滅火濃度。

2.2 滅火動態過程

為了探究滅火過程中的火焰特性，使用高速攝像機對滅火過程進行了拍攝。對于非還原性添加劑，以K2CO3為例，

圖3展示了單基藥在含質量分數2%的K2CO3水霧作用下的火焰形態變化。火藥

被引燃后，迅速發展，火焰膨脹變大；在2.41 s時，釋放含質量分數2%的K2CO3水霧，可以看到

火焰立即受到強烈擾動，穩定燃燒狀態被打破；3.70 s時，火焰已經被切割和壓制，火焰高度降低將近一半；持續施加水霧，使水霧進入火焰中心及燃面，約7.00 s后，火焰高度被壓制在2 cm以下，但仍未熄滅；火焰燃燒越來越不穩定，7.00～11.50 s時間段內火焰持續波動;在10.30 s時，可以明顯觀察到燃

面處的火焰被割裂成兩瓣，燃面近乎裸露;11.50 s

后，火焰進入迅速衰滅階段;12.00 s時，明火消失，灼熱的燃面仍在進行著氧化還原反應;12.31 s時，徹底熄滅。

對于還原性添加劑，以Na2SO3為例，圖4展示了單基藥在含質量分數2%的Na2SO3水霧作用下的火焰形態變化。火藥被引燃后，迅速膨脹，發出強烈的火焰;在3.92 s時，釋放含2%（質量分數）Na2SO3的水霧進行滅火，火焰瞬間受到水霧的壓制和撕裂。隨著水霧持續地被施加到火焰區，對火焰進行了有效抑制，火焰體積明顯變小，不穩定性也增大；與此同時，Na2SO3在高溫下分解吸熱，降低燃燒區溫度，對單基藥火焰起到一定降溫作用；火焰變弱后，含Na2SO3的水霧更容易穿過火焰區到達燃燒面，Na2SO3與凝聚相反應區分解產生的NO2發生反應，導致部分NO2氣體無法進入嘶嘶區與其他中間產物繼續反應，從而減小了嘶嘶區的放熱量（嘶嘶區放熱量減少會導致不足以維持固相預熱區和表面反應區的穩定狀態）；7.61 s時，火焰完全熄滅。

對比圖3和圖4可知：當含質量分數為2%的K2CO3水霧被釋放后，單基藥火焰受到一定程度的壓制，形態出現明顯變化，但并未迅速熄滅，在釋放水霧后的前7.00 s內，火焰的面積沒有明顯縮小，且滅火過程持續約10.00 s；而當含質量分數為2%的Na2SO3水霧被釋放時，火焰被迅速約束，面積在約1.00 s后大幅度縮小，僅用3.40 s就完成滅火，滅火時間比前者縮短66%。這充分表明：當質量分數為2%時，Na2SO3對單基藥燃燒的化學抑制程度明顯大于K2CO3。結合圖2的數據可以得出，相比于含非還原性添加劑的水霧，含還原性添加劑的水霧抑制單基藥的燃燒有更加顯著的優勢。

2.3 熱電偶溫度變化

為了對比含不同種類添加劑的水霧對單基藥燃燒的抑制作用，用K型鎧裝熱電偶實時測量并記錄了實驗過程中的火焰溫度。如圖1所示，熱電偶從上到下依次編號為1#、 2#、 3#。圖5分別是自由燃燒、純水霧、含質量分數3%的K2CO3（非還原性添加劑）和3%Na2SO3（還原性添加劑）水霧抑滅火焰過程中的熱電偶溫度測試曲線。

如圖5（a）所示，自由燃燒條件下，距燃面最近的3#熱電偶的溫度在11 s之內迅速升高至最大值989.9 ℃，并持續燃燒約6 s，直至藥柱燃盡后熄滅。

如圖5（b）所示，使用純水霧滅火時，水霧對單基藥火焰溫度的升高有著比較明顯的抑制作用，按照熱電偶序號由大到小排序，對應的最高溫度分別為439.4、 175.3、 113.0 ℃。

如圖5（c）所示，使用含質量分數3%的K2CO3水霧滅火時，熱電偶在4 s時刻對應的最高溫度分別為230.1、 91.6、 81.3 ℃，比純水霧滅火時降低了47.6%、 47.7%、 28.1%，且在4 s后完成滅火，迅速降至室溫。

如圖5（d）所示使用含質量分數為3%的Na2SO3水霧滅火時，在6 s時刻熱電偶對應的最高溫度分別為120.2、 86.0、 61.3 ℃，比使用純水霧滅火時降低了72.6%、 50.9%、 45.8%，比使用含質量分數為3%的K2CO3水霧滅火時降低了47.8%、 6.1%、 24.6%。

對比圖5（b）～ 圖5（d）可以看出，使用含有不同添加劑的水霧滅火時，熱電偶溫度達到峰值后降溫的趨勢明顯不同。含添加劑的水霧滅火時，高溫持續時間比純水霧滅火時大幅縮短，表明單基藥火焰在含添加劑的水霧作用下是很快被撲滅的，這也印證了添加劑對單基藥燃燒抑制的有效性。

通過上述分析可以得出，3種水霧的火焰抑滅性能從強到弱排序為：含質量分數3%Na2SO3的水霧、含質量分數3%K2CO3的水霧、純水霧。由此可以推斷出，在3%質量分數下，含還原性添加劑的水霧滅火性能顯著優于含非還原性添加劑的水霧。

2.4 輻射熱流變化

滅火過程中，火焰輻射熱流的變化是表征滅火效果的指標之一。因此，在實驗過程中用熱流計測量并記錄了火焰的熱通量。

如圖6（a）所示，單基藥自由燃燒狀態下的火焰熱通量曲線與溫度曲線的趨勢一致。火藥被點燃后，熱通量迅速增大，在溫度達到最高時，火焰最大熱通量也達最大值794.7 W/m2；

隨后，隨著火焰的熄滅，熱通量也逐漸降低。當純水霧作用于單基藥時，最大熱通量為480.0 W/m2。

如圖6（b）所示：當含質量分數1%K2CO3的水霧作用于單基藥火焰時，火焰最大熱通量達845.3 W/m2，說明低濃度的K2CO3對單基藥火焰抑制效果不佳；隨著K2CO3濃度的增加，火焰熱通量大幅降低，含質量分數4%K2CO3的水霧作用于單基藥時，火焰最大熱通量僅為164.7 W/m2，說明水霧中K2CO3濃度的增加對抑制單基藥燃燒的能力有較大提升，這與2.1中滅火時間所反映的抑滅性能趨勢是一致的。

如圖6（c）所示，當含質量分數1%～ 5%Na2SO3的水霧作用于單基藥火焰時，火焰最大熱通量均低于300 W/m2，說明含Na2SO3的水霧抑滅性能明顯優于純水霧和含K2CO3的水霧。當含質量分數5%Na2SO3的水霧作用于單基藥火焰時，火焰最大熱通量僅為100.6 W/m2，說明在該條件下單基藥熱分解和燃燒受到了強烈的抑制，此時火焰對藥柱凝聚相反應區的熱反饋非常有限。

由上述分析可知，從火焰最大熱通量角度比較各種水霧的抑滅性能，由強到弱排序：含Na2SO3的水霧、含K2CO3的水霧、純水霧。因此可以推斷，還原性添加劑的抑滅性能優于非還原性添加劑。

2.5 降溫速率對比

為了對比不同添加條件下水霧對單基藥火焰降溫的差異，對最貼近火焰的測點的溫度變化速率進行提取，定義為降溫速率，具體計算方式：

Dt=Tt′-Ttt-t′ 。（3）

式中：Dt為時間片t之內的溫度下降速率;t′和t分別為該時間片的起始時刻和結束時刻；Tt′和Tt分別為t′ 和t時刻的溫度；在計算時，t-t′=1 s。

圖7為含不同添加劑的水霧滅火時火焰的降溫速率變化。當含質量分數3%K2CO3的水霧作用于火焰時，瞬時最大降溫速率達到-52.55 ℃/s，此時火

焰熄滅；而在使用含低濃度K2CO3的水霧時，由于其滅火能力較弱、時間較長，火焰最大降溫速率

所對應的時刻延后。使用含Na2SO3的水霧滅火時，1%、 2%、 3%和4%質量分數作用下，火焰溫度急速下降，最大降溫速率分別達-77.35、-47.80、-37.55 ℃/s和-61.75 ℃/s；而5%質量分數下，降溫速率僅為-3.70 ℃/s，這是實驗時滅火過程中滅火迅速，燃燒時間短暫導致的。

對比圖7（a）和圖7（b），含K2CO3水霧滅火的平均最大降溫速率為-42.90 ℃/s，而含Na2SO3水霧滅火的平均最大降溫速率為-56.11 ℃/s，比含K2CO3水霧作用下提高了30.79%。結合2.1中滅火時間可以發現，含還原性添加劑Na2SO3的水霧對單基藥燃燒的抑制作用明顯優于含非還原性添加劑K2CO3的水霧。

3 結論

通過開展含添加劑水霧抑滅單基藥火焰的小尺度實驗，從火焰溫度、火焰形態、輻射熱流、降溫速率等方面，分析了水霧對單基藥火焰的抑滅特性。實

驗結果表明，不同種類的添加劑在不同程度上提高了水霧對單基藥火焰的抑滅能力，得到的結論如下：

1）K2CO3、KHCO3、Na2SO3、FeCl2 4種金屬鹽添加劑均可提高水霧對單基藥火焰的抑滅性能。含不同類型添加劑的水霧抑制單基藥火焰的能力由高到低排序為：含還原性添加劑的水霧、含非還原性添加劑的水霧、純水霧。

2）含非還原性添加劑的水霧在低添加劑濃度下抑滅單基藥火焰的性能較差。當添加劑質量分數大于3%，抑滅效果顯著提升，且含K2CO3的水霧在質量分數為3%～ 5%內存在最佳滅火濃度。

3）使用Na2SO3和FeCl2作為添加劑時，水霧對單基藥火焰抑滅性能的提升具有飽和性，在質量分數大于3%以后，隨著添加劑濃度的增加，抑滅性能不再顯著提升。

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收稿日期：2023-07-13

第一作者：杜宇軒（1997—），男，碩士，主要從事含能材料火災消防技術研究。E-mail：dyx9810@163.com

通信作者：李權威（1983—），男，副教授，主要從事含能材料火災防治原理及技術等方面的研究。E-mail：liqw83@163.com