不同机械约束下压装PBX炸药反应演化行为

2022-08-27姚奎光王淑娟樊星聂少云王翔代晓淦

兵工学报 2022年8期

姚奎光，王淑娟，樊星，聂少云，王翔，代晓淦

(中国工程物理研究院化工材料研究所，四川绵阳 621999)

0 引言

炸药是武器装备的重要能源，也是军事安全中的重大潜在危险源，其安全性是武器系统非常关心的问题，也一直是含能材料领域中的重要研究方向。炸药非冲击点火后可能发生燃烧、爆燃、爆炸甚至爆轰反应，其反应演化是一个涉及结构响应、断裂与炸药化学反应耦合的多物理、多阶段复杂过程，其影响因素主要包括：炸药化学物理性质、惯性及机械约束、初始点火方式及点火位置等，国内外研究学者针对这些影响因素及相关机制开展了大量研究。

文献[9-11]对HMX基LX-04、LX-11、LX-10、PBX9501等炸药的燃烧特能进行了研究，发现粘结剂含量较高(≥15%)的LX-04和LX-11炸药在 500 MPa 压力范围内燃烧平稳，但粘结含量较低(≤10%)的LX-10和PBX9501炸药在压力超过150 MPa后燃烧变得非常不稳定，推断高压下炸药基体断裂形成高的燃烧比面积促使样品燃速陡增，姚奎光等对HMX含量95%PBX炸药燃烧特性研究也发现类似现象，表明炸药化学性质对其反应特性影响较大。Dickson等在机械约束烤燃实验中采用高速摄影技术观测到炸药点火后形成多条裂纹，认为裂纹增加了反应面积，导致反应烈度的增加。Berghout等对有机械和热损伤PBX9501炸药反应特性的研究发现，由机械损伤造成不同尺寸的裂纹和孔隙导致炸药燃烧转变机制发生了变化。Smilowitz等采用质子照相技术直接观测了炸药点火后的炸药裂纹对流燃烧过程，获得了炸药热传导及对流燃烧阵面传播和点火后炸药消耗的物理图像，验证了炸药热爆炸反应早期压力增加导致宏观裂纹形成、高温产物对流点火以及炸药层流消耗等反应机制。Holmes等针对PBX9501炸药开展了球形质量装药中心点火试验，研究发现机械约束装药的反应烈度比未约束装药高，低烈度反应主要由燃烧产物气体驱动的炸药自身形成动态破裂所主导，大质量分数炸药参与燃烧反应之前裂纹的扩展速度足够快，以致压力释放和反应熄灭，在压力增长和释放竞争关系中后者占主导作用。

为深入认识装药反应演化过程的影响因素及其影响机制，本文基于炸药化学物理性质、机械约束及点火方式等因素，设计了一种机械约束装药点火实验装置，在炸药柱底端机械约束较强的位置点火，采用多种诊断手段对HMX基压装PBX炸药的反应演化行为进行了研究分析，认识了炸药非冲击点火后反应烈度的转变过程，为今后认识不同因素对装药反应烈度的影响规律以及筛选炸药配方提供新的方法支撑。

1 实验方法和实验方案

1.1 实验方法

实验装置示意图如图1所示，由腔体、可调节约束器、点火器及圆柱形炸药组成。腔体内安装炸药样品，二者壁面之间存在0.05～0.10 mm的间隙，用于模拟装药结构的装配间隙。腔体上端安装约束器，其内径小于炸药样品直径，当反应高压冲破约束片时在轴线方向仍能约束炸药样品，以模拟炸药基体约束对反应演化行为的影响。腔体底部预留10 mm×10 mm中心孔，孔中填充约0.6 g黑火药，采用点火器点燃黑火药，黑火药产生的高温燃烧产物点燃炸药样品，样品在炸药基体约束及装置机械约束下进行反应演化。图1中PDV为激光干涉仪。

图1 机械约束装药点火实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of mechanically confined charrge ignition experimental device

实验装置腔体尺寸为90 mm×115 mm，内半径=25 mm，外半径=45 mm，底部壁厚=25 mm，材料为Q235钢，屈服强度=235 MPa，抗拉强度=370 MPa；约束片尺寸为M55 mm×50 mm，半径=27.5 mm，螺纹数=11，螺距=4 mm，材料为316L不锈钢，屈服强度=205 MPa，抗拉强度=520 MPa。腔体在高压下破坏主要有底部冲塞破坏、侧面拉伸破坏及螺纹剪切破坏3种形式，可用下列公式进行估算：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：为冲塞破坏强度(MPa)；为拉伸破坏强度(MPa)；为螺纹剪切破坏强度(MPa)；为剪切强度(MPa)；为安全系数，一般静载条件下，取值范围为12～25；取值范围为05～07。

将腔体和约束器参数代入(1)式～(4)式，可得=220 MPa，=195 MPa，=227 MPa。因此，整个装置的约束强度由约束器的设计压力决定，本文中约束器采用定制的爆破片，其设计压力分别为 2 MPa 和50 MPa。

实验采取无预留空腔状态下点火器加黑火药点火方式，模拟装药非冲击点火后在炸药紧邻位置产生数MPa压力的高温气体点火条件。为了消除点火过高压力对炸药造成损伤(裂纹)，控制点火腔体积和黑火药药量，实验前首先采用与炸药尺寸一致的有机玻璃开展了点火试验，压力传感器监测到点火后高温产物气体最高压力约为5 MPa，远小于炸药抗压强度，因此点火条件不会对炸药造成损伤。

1.2 实验样品

实验试样为HMX基高聚物粘结炸药PBX-1和PBX-2，两种脆性压装炸药各组分含量相同，但粘结剂类别不同，各组分的质量分数分别为HMX 87%、TATB 7%、钝感剂1.8%、粘结剂4.2%，其理论最大密度为1.874 g/cm，实际密度为1.845 g/cm，尺寸为50 mm×50 mm，质量约 181 g。两种炸药力学强度存在差异，环境温度下PBX-1和PBX-2炸药实测抗压强度分别为40.55 MPa和48.74 MPa。

1.3 实验测试

实验测量项目包括：采用PDV和测速探头，对约束器底部壳体的运动历程进行测量；采用冲击波超压测试系统(2个美国PCB公司产冲击波超压传感器、YE6600电荷放大器以及泰克示波器组成)，在距离装置中心2 m位置处，对炸药反应产生的空气冲击波超压进行测量；采用QSY8105高量程压力传感器，固定在腔体底端(见图1)，对腔体内炸药反应压力进行测量。实验中，采用约束片动作触发探针，探针导通信号触发同步机，同步机同时触发PDV、冲击波超压及压力测试系统。

2 实验结果和分析

2.1 实验结果

2.1.1 2 MPa机械约束结果

2 MPa机械约束下PBX-1和PBX-2装药内部压力及约束片速度历程如图2所示。从压力历程曲线可以看出，PBX-1和PBX-2装药分别经历0.902 ms、0.858 ms后压力达到第1个波峰，峰值压力分别为91.4 MPa和108.9 MPa，此时约束片未膨胀变形，表明炸药基体约束作用造成压力持续升高。随后，PBX-1和PBX-2装药分别经历大约0.045 ms和0.029 ms后约束片速度达到最大值，分别为 71.7 m/s 和67.9 m/s，约束器破裂，但装置内部压力并没有迅速释放降低，表明炸药基体约束仍然起作用。

图2 2 MPa机械约束不同装药内部压力及约束片速度历程Fig.2 Profiles of pressure in steel case and velocity of confinement disc for different charges under 2 MPa mechanical confinement

图3给出了2 MPa机械约束下PBX-1和PBX-2装药反应冲击波超压信号，PBX-1和PBX-2炸药反应后2 m处空气冲击波超压平均峰值分别为 19.1 kPa 和11.2 kPa，估算2 MPa机械约束下PBX-1和PBX-2炸药反应TNT当量分别为22.3 g和7.20 g，约裸药爆轰总当量分别为9.5%和3.1%。

图3 2 m处空气冲击波超压波形Fig.3 Air blast overpressure waveform measured at 2 m

图4给出了PBX-1和PBX-2装药反应回收的剩余残骸。腔体内回收到大量细碎炸药，特征尺寸从粉末状亚毫米级到块状厘米级，其中PBX-1炸药大多数表面有燃烧的痕迹，并且在实验装置附近几米内回收到尺寸较大的炸药块，部分炸药块表面有燃烧的痕迹。

图4 炸药回收剩余残骸Fig.4 Recovered fragments of PBXs

2.1.2 50 MPa机械约束结果

50 MPa机械约束下PBX-1和PBX-2装药内部压力及约束片速度历程如图5所示。由图5中压力曲线可知，压力变化大致可以分为两个阶段：阶段Ⅰ压力随时间变化基本呈线性关系，PBX-1和PBX-2装药内部压力上升时间分别约0.88 ms和0.87 ms，压力峰值分别约112.7 MPa和189.0 MPa；阶段Ⅱ压力随时间变化较快，PBX-1和PBX-2装药内部压力大约分别经历86 μs和100 μs快速增长到1 GPa量级。约束器壳体速度变化趋势与压力相似，在Ⅰ阶段约束片速度保持在10 m/s以内变化。装药反应进入阶段Ⅱ后，PBX-1和PBX-2装药的约束器壳体大约分别经历0.16 ms和0.12 ms后，速度达到524 m/s和414 m/s，然而对应时刻装药内部压力为545 MPa和314 MPa，机械约束已经失效，PBX-1和PBX-2装药在炸药基体惯性约束下还分别经历大约80 μs和14 μs的反应演化，压力增长达到甚至超过50%。

图5 50 MPa机械约束不同装药内部压力及约束片速度历程Fig.5 Profiles of pressure in steel case and velocity of confinement disc for different charges under 50 MPa mechanical confinement

图6给出了50 MPa机械约束下PBX-1和PBX-2装药反应冲击波超压信号，PBX-1和PBX-2炸药反应后2 m处空气冲击波超压平均峰值分别为 39.3 kPa 和39.7 kPa，估算50 MPa机械约束下PBX-1和PBX-2炸药反应TNT当量为86.4 g和87.9 g，约裸药爆轰总当量的36.9%和37.6%。

图6 50 MPa机械约束测得的空气冲击波超压波形Fig.6 Air blast overpressure waveform measured under 50 MPa mechanical confinement

图7给出了50 MPa机械约束下PBX-1和PBX-2装药实验装置残骸。从图7中可以看出，PBX-1装药装置侧面、底部和顶部均发生破裂，其中侧面形成尺寸不同的小碎块，特征尺寸10～30 mm，底部出现裂纹，与侧面连接处全被剪切破坏，装置顶部约束片形成破片，其螺纹连接部位发生严重变形，未回收到炸药残骸。PBX-2装药装置残骸与PBX-1装药类似，差别在于装置侧面破片较大，底部未出现破裂现象。

图7 50 MPa机械约束下实验装置残骸Fig.7 Recovered fragments of experimental device under 50 MPa mechanical confinement

2.2 实验结果分析及讨论

2.2.1 炸药力学性能对反应演化行为的影响

本文实验点火产生的产物不会引起炸药基体断裂，炸药被点燃后基体开始以热传导燃烧模式进行层流消耗，同时也作为约束边界引起装药反应压力升高，反过来高压产物压缩炸药基体，当压力达到一定临界值后可能会引发炸药断裂，炸药反应机制发生转变，典型的特征是炸药燃烧表面积增大，导致增压速率剧增，压力曲线出现拐弯现象。

50 MPa机械约束实验结果表明，PBX-1和PBX-2装药内部压力曲线出现上述典型特征(见图5)。在阶段Ⅰ，压力曲线随时间变化基本呈线性关系，装药反应增压率基本保持恒定，表明炸药燃烧表面积变化不大，炸药以热传导燃烧模式在炸药外表面燃烧；阶段Ⅱ装药增压速率剧增，表明炸药燃耗率剧增，炸药燃烧表面积增大，炸药出现断裂，燃烧阵面进入这些裂缝中(图4中PBX-1炸药残骸表面出现燃烧痕迹)，炸药反应机制发生转变，形成拆解燃烧。阶段Ⅰ和阶段Ⅱ压力曲线之间有一个明显的转折点，为炸药反应机制转变的临界压力，50 MPa机械约束下PBX-1和PBX-2装药反应转变的临界压力大约分别为112.7 MPa和189 MPa，PBX-1和PBX-2炸药化学组成基本一致，相对于PBX-1炸药，PBX-2炸药抗压强度提升约20%，反应转变的临界压力提升了大约67.7%。因此，炸药力学性能在装药反应烈度演化进程中扮演重要角色，其决定了炸药断裂条件，为装药反应烈度增长提供了有利途径。

2.2.2 机械约束对反应演化行为的影响

表1给出了不同机械约束下装药反应实验结果。2 MPa机械约束下，PBX-1和PBX-2装药反应最高压力在百兆帕量级，产生破片速度在几十米量级，装药反应烈度为爆燃。实验回收到不同碎化程度炸药残骸，表明炸药基体在反应演化过程中形成了网状裂纹，其中PBX-1大部分残药表面有褐色痕迹，表明高压燃烧产物进入了裂纹且引发炸药新表面反应的对流燃烧机制，同时裂纹也为燃烧产物逃逸提供通道，促进机械约束薄弱位置压力升高而发生结构解体泄压，导致炸药反应熄灭，装药烈度表现水平不高。然而，在50 MPa机械约束下，PBX-1和PBX-2装药在百微秒甚至几十微秒压力增长至吉帕量级，破片最高速度达到500 m/s，装药发生爆炸反应，并且机械约束失效后，装药反应压力增长超过50%，造成反应演化后期烈度的增长。

表1 不同机械约束下实验结果对比

实验结果表明，机械约束是影响装药反应烈度非常重要的因素。约束作用下反应压力驱动炸药断裂、燃烧比表面积增加，燃烧产物进入裂纹形成对流燃烧，引发当地反应压力急剧升高，反过来进一步使炸药断裂、分叉及破碎，形成表面积巨大的裂纹网络，又为对流燃烧提供更多的通道和表面积，这种正反馈机制是引发高密度压装炸药发生高烈度反应的直接原因，但需要装药约束强度为其创造条件。

本文还进一步验证了Holmes等的研究结论，并且呈现了炸药配方微调导致反应演化行为的差异，实验方法对炸药配方筛选具有良好的适用性。为了进一步认识装药反应演化影响因素及机制，在后期的研究中将开展炸药化学物理性质、炸药损伤状态(少许微裂纹、破碎等)、点火方式(装药机械约束弱处)等因素对装药反应演化行为的影响，以模拟不同装药类型、结构及状态下装药事故反应演化行为，为武器装药安全性研究提供支撑。