陈晓明，赵 瑛，宋长文，刘来东，张 衡

（西安近代化学研究所，陕西 西安 710065）

引 言

发射药的能量较高，在生产和运输过程中，易受到摩擦、静电、热等刺激而发生燃烧，甚至转为爆轰，造成严重的环境破坏和人员伤害［1］。同时，为提高身管武器弹丸初速，增加弹丸有效射程，发射药装药密度大大提高，由此带来了发射安全性问题，尤其在底部点火的装药中，发生膛胀甚至膛炸事故。研究发射药燃烧转爆轰过程及其规律性，判断发射药生产和贮运过程中的危险等级，对相应安全措施的有效设置、保护生命及财产安全有重要意义［2］。

从20世纪60年代开始国外开始对火炸药DDT过程进行系统性研究［3－5］，国内也进行了大量研究［6－8］，但主要集中在炸药和高能推进剂方面，对发射药的相关研究较少。

本研究对典型单、双、三基发射药进行了燃烧转爆轰（DDT）试验，分析了典型发射药燃烧转爆轰特性及影响因素。

1 实 验

1.1 发射药样品

选取典型单、双、三基作为发射药试验样品，在同一品种发射药中选取不同药型尺寸进行对比试验。实验时，发射药样品自然堆满试样管中，由于发射药的自身密度不同，所以各自的装填密度不同。发射药样品配方见表1。

表1 发射药配方Table 1 Formulations of gun propellants

1.2 实验方法

本试验参考联合国危险等级试验系列5的DDT试验方法。将被测试样装入内径为40mm、长1 200mm的无缝钢管（试样管）中，两端用螺帽封闭，螺纹高度为32mm，为研究约束条件的影响，壁厚有4mm和9mm两种。试验时，发射药装满钢管内，在一端用电点火头点燃黑火药进行点火。见证板为长1020mm、宽80mm、厚8mm的铝板。试验以见证板和钢管的破坏程度作为燃烧转爆轰的判据。试验装置示意图见图1。

图1 燃烧转爆轰装置示意图Fig.1 Schematic diagram of deflagration to detonation transition device

2 结果与分析

2.1 试验结果

对同一个配方发射药进行了不同药型以及不同约束的燃烧转爆轰试验，结果见表2和图2。

表2 发射药DDT试验结果Table 2 DDT test results of gun propellant

燃烧转爆轰试验中，燃烧和爆轰所产生的压力和温度完全不同。火药燃烧高压气体的最高温度为2500～3600K，爆轰气体温度最高可达5000K。根据钢管尺寸进行力学计算，在DDT试验中，钢管耐压压力约为1～2GPa，而传感器测得的爆轰压力峰值为22.3GPa，爆轰的初始压力远远大于其稳定爆轰的压力，属于超压爆轰，其反应区极薄，反应时间不超过100ns，由于信号幅度超过示波器设置的量程，实际压力值应远大于此［9］。所以，在燃烧转爆轰试验中，发生爆轰段的钢管内壁与爆轰物质直接接触，受到超压与高温气体的冲蚀，出现与药粒大小一致的凹坑，而在未爆轰段或未发生爆轰反应的钢管，虽然钢管受到高压气体作用而发生不同程度的破坏，但其内壁表面状态没有变化，该现象成为判断是否发生爆轰的判据。由于超压反应区极薄，压力随距离而迅速衰减，所以外围的见证板在燃烧转爆轰试验中，虽发生不同程度的变形，但对爆燃与爆轰的判断，则缺乏明显的判据。

2.2 发射药燃烧转爆轰的影响因素

由表2可看出，发射药的药型尺寸对燃烧转爆轰有较大影响。在球形、6／7和17／19药型的三基发射药燃烧转爆轰试验中，在4mm钢管的弱约束条件下，只有较小的球形药发生了燃烧转爆轰；在9mm钢管的强约束条件下，球形和6／7药型发射药发生了燃烧转爆轰，而较大尺寸的17／19发射药未发生爆轰。说明发射药燃烧转爆轰的能力随药型尺寸的减小而增强。

图2 燃烧转爆轰试验前后试样钢管状态ig.2 Tube of detonation before and after deflagration to detonation transition

在单、双、三基发射药燃烧转爆轰试验中，同样的6／7药型尺寸和约束条件（9mm）下，单基药未发生爆轰，双基发射药、叠氮发射药以及三基发射药均发生了爆轰。说明添加高能组分、提高发射药能量会使发射药燃烧转爆轰的能力增强。

在6／7药型的双基药、叠氮药以及三基药的燃烧转爆轰试验中，三者在弱约束的4mm钢管中未发生燃烧转爆轰，而在9mm钢管的强约束条件下发生爆轰。说明约束条件对试验结果有影响，约束条件增强易于燃烧转爆轰的发生。

2.3 发射药燃烧转爆轰过程分析

发射药的燃烧转爆轰可分为两个阶段，即燃烧转冲击波（DST）和冲击转爆轰（SDT），DST阶段也称为燃烧转爆轰诱导期，这在燃烧转爆轰试验后钢管内壁状态可以得到验证，见图3。

图3 燃烧转爆轰不同阶段的钢管内壁状态Fig.3 The state of tube inner wall of different phases in DDT

发射药发生燃烧转爆轰的影响因素与这两个阶段均密切相关。在燃烧转爆轰诱导期，即DST阶段，发射药燃烧并形成足够强度的冲击波。这与发射药燃气生成速率与约束强度有关。在冲击波转爆轰阶段（SDT），发射药床受到冲击波作用而发生爆轰，这与发射药的冲击波感度有关，冲击波感度大的发射药易发生燃烧转爆轰，如发射药组分中加入能量更高的材料（包括NG、DA或RDX等）后，发射药的冲击波感度增加［10］，易受到冲击波作用而发生爆轰，其在燃烧转爆轰试验中，更容易发生燃烧转爆轰。同时试验可知，药型尺寸相对较小的发射药容易产生爆轰。这是因为发射药药型尺寸小，燃气生成速率快，压力上升速率更快，在相同的约束条件下，易产生更大的压力波。同时，药型尺寸小的发射药，其装填密度较大，冲击波感度较大［10］。

约束越强，越容易发生燃烧转爆轰。这是因为，约束越强，钢管破坏所需的压力越大，能够使药床燃烧产生更大的燃气压力，形成更强的冲击波，更易诱发药床的爆轰。当约束强度不够大时，爆轰管在发射药燃烧过程中，在高压气体的作用下发生破坏，难以形成足够强度的冲击波，不能发生燃烧转爆轰。

3 结 论

（1）药型尺寸对发射药的燃烧转爆轰有较大影响，药型尺寸减小，装药燃气速率增大，同时发射药的冲击波感度增大，越容易发生燃烧转爆轰。

（2）加入能量更高的组分（如硝化甘油、叠氮硝胺、RDX等）后，发射药的冲击波感度增大，可增强发射药的燃烧转爆轰能力。

（3）发射药的燃烧转爆轰过程受约束条件的影响较大，在强约束条件下，能生产更强的冲击波，容易发生燃烧转爆轰。

［1］ 李海军，姬志忝，杨虎林.对火、化工领域用静电安全技术的探讨［J］.国防技术基础，2009（4）：50－53.

［2］ 俞统昌，王晓峰，王建灵.火炸药危险等级分级程序分析［J］.火炸药学报，2006，29（1）：10－13.YU Tong－chang，WANG Xiao－feng，WANG Jian－ling.Hazard classification procedures for explosive and propellant［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，2006，29（1）：10－14.

［3］ Velicky R W，Voigt H W，Nicolaides S.A holisticapp－roach directed toward controlling in bore explosions with composition B ［C］／／19th Int Ann Conf of ICT.Karlsruhe：ICT，1988.

［4］ Leuret F，CHaisse F，Presles H N，et al.Experimental study of the low velocity detonation regime during the detflagration to deonation transition in a high density explosive［C］／／llst（Int）on Detonation.Snowmass：NSWC，1998.

［5］ Verbeek R，Steen A van eler，Jong E de.The influence of parameter variations on the deflagration to detonation transition［C］／／10th Syonp（Int）on Detonation［C］.Boston MS：NSWC，1993：685.

［6］ 董树南，王世英，朱晋生，等.含ACP改性双基推进剂的燃烧转爆轰实验研究［J］.火炸药学报，2007，30（2）：17－20.DONG Shu－nan，WANG Shi－ying，ZHU Jin－sheng，et a1.The experimental study on deflagration－to－detonation transition in modified double－base propellant with ACP［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，2007，30（2）：17－20.

［7］ 文尚刚，王胜强，黄文斌，等.密度对压装B炸药燃烧转爆轰性能的影响［J］.火炸药学报，2006，29（5）：5－8.WEN Shang－gang，WANG Sheng－qiang，HUANG Wen－bin，et a1.The effect of density in composition B on deflagration－detonation－transition behavior［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，2006，29（5）：5－8.

［8］ 秦能，廖林泉，金朋刚，等.几种典型固体推进剂的燃烧转爆轰实验研究［J］.含能材料，2010，33（4）：86－89.QIN Neng，LIAO Lin－quan，JIN Peng－gang ，et a1.Experimental study on deflagration－to－detonation transition of several typical solid propellants［J］.Chinese Journal of Energetic Materials，2010，33（4）：86－89.

［9］ 张泰华，白以龙，王世英.多孔和铸装高能推进剂的燃烧转爆轰［J］.爆炸与冲击，2000，20（4）：296－301.

［10］陈晓明，金鹏刚，张衡，等.发射药冲击波感度的试验研究［J］.含能材料，2011，19（6）：689－692.CHEN Xiao－ming，JIN Peng－gang，ZHANG Heng，et a1.Explorative study on shock wave response of gun propellant［J］.Chinese Journal of Energetic Materials，2011，19（6）：689－692.