高压下PBX-1 炸药的燃速-压力特性*

2020-04-09姚奎光赵学峰薛鹏伊代晓淦

爆炸与冲击 2020年1期

姚奎光，赵学峰，樊星，薛鹏伊，代晓淦

（中国工程物理研究院化工材料研究所，四川绵阳 621999）

炸药在高温环境下的响应特性一直是炸药热安全性关注的重点。传统热安全性试验比如一维热爆炸试验[1-2]、慢烤试验[3-4]及快烤试验[5]等，主要关注炸药的点火延滞时间、点火温度以及反应烈度等特征行为和参数，其主要目的是对炸药材料的热安全性进行评估及排序，但对炸药反应烈度主导影响因素和过程机制的清晰认识和深入理解有一定的局限性。炸药燃烧特性实验主要关注炸药燃速-压力特性，能反映炸药反应烈度经对流燃烧机制转变发展的潜在倾向，其认识和理解对炸药事故源头控制和风险预测具有重大意义[6]。

影响炸药燃烧特性的因素有内因和外因。炸药化学属性是决定炸药燃烧特性的内因，其化学成分、性能、配比和包覆工艺、孔隙率等都会明显影响炸药燃速，这也正是炸药配方安全性设计调控的主要方向。外因主要包括炸药初始温度和环境压力。因此，炸药燃烧特性影响因素众多，全面涉及这些影响因素来认识炸药的燃烧特性还有待深入，需发展适用性强、精度高的表征手段。目前，国内燃烧特性实验方法[7-9]主要用于推进剂和烟火剂燃烧特性的宏观调控，适用压力低，不能满足炸药燃速测试量级高（约104～105mm/s）、压力大（GPa 量级）等要求。美国圣地亚（SNL）和劳伦斯利弗莫尔国家试验室（LLNL）分别建立了复合密闭串列燃烧器[10]和高压串列燃烧器[11]，其最高工作压力达到400 MPa 和1 GPa，在烟火剂、推进剂及炸药燃烧特性研究方面获得了大量的研究成果[11-15]，但其实验方法仍然存在不足之处，比如未考虑增压率、断丝法精度低（响应时间ms 量级、燃速大于104mm/s，分辨率不足），其研究结果对炸药的反应烈度仍然难以做出精准的预测。

本文中在传统燃烧特性实验方法的基础上，建立了密闭空腔燃烧压力-炸药耗量法，发展了中、高压下炸药燃烧速率高精度（响应时间µs 量级）测试方法，并以HMX 基PBX-1 炸药为研究对象，认识PBX-1 炸药在不同压力下的燃烧特性，获得PBX-1 炸药燃烧速率与压力的依赖关系，为炸药反应烈度分析及评估提供基础。

1 实验

1.1 实验原理

炸药燃烧特性实验系统示意图如图1 所示。实验时，将样品放入密闭燃烧器中并对样品不处理或加热处理（制造热损伤），然后用点火序列点燃炸药，同时用测试系统记录实验过程中燃烧室瞬时压力数据和炸药燃烧火焰阵面时间-位置数据，获得不同压力及初始温度下炸药的燃烧速率。根据所得的实验数据，拟合炸药燃烧速率和压力的关系，获得炸药在不同初始条件下的燃速-压力特性。

图 1 实验系统示意图Fig. 1 Illustration of experimental system

实验中，采用kistler 6215 压力传感器（量程600 MPa、线性误差±0.14%、上升时间≤1 µs）对燃烧器内压力变化进行监测，用YE5852 型电荷放大器将压电式传感器获得的信号放大，然后用PCI 4732 多通道数据采集仪读取；采用快速响应热电偶监测燃烧火焰阵面时间-位置信号，热电偶为美国TT-T-36-SLE型微细铜-康铜丝制成的K 型快速响应热电偶，热电偶结头直径约120 µm，温升时间2 µs。实验时将热电偶布置在每两段药柱之间，当燃烧阵面到达热电偶接头时，快速产生一个电压信号，然后通过放大器将电压信号放大，再用数据采集仪采集。

1.2 实验装置

炸药燃烧特性实验中密闭燃烧器结构示意图如图2 所示，主要由支撑固定件、筒体、密封件、实验样品、测试件及超高压泄压阀组成，装置体积约60 cm3，设计压力为400 MPa。实验时将样品、点火序列依次垂直串列放置在燃烧室绝缘塞上，在炸药的端面以及接触面之间布置测试信号线，再将燃烧室密封、固定，待测试系统准备好后，用点火序列点火，同时记录炸药燃烧火焰阵面时间-位置信号以及燃烧室瞬时压力信号。

图 2 密闭燃烧器结构示意图Fig. 2 Schematic diagram of the structure of closed bomb

1.3 实验样品

实验样品PBX-1 炸药为塑料黏结炸药，主要成分为95%HMX+5% 黏结剂，理论密度ρTMD=1.889 g/cm3，未损伤材料密度ρ≈1.860 g/cm3。炸药尺寸为10 mm×8 mm，共8 段。实验时，将8 段药柱串列成一束，在每2 段端面之间布置快速响应热电偶（120 µm 左右），然后在样品侧面涂环氧树脂，促使炸药以层流的方式沿着炸药柱轴线燃烧，样品的装配照片如图3 所示。将点火序列放置在炸药串顶端，用热丝点燃点火序列，再点燃实验样品。

图 3 实验样品照片Fig. 3 Picture of sample

2 实验结果及讨论

2.1 炸药未损伤状态实验结果

实验时，点火信号发出后开始采集信号，时间零点为采集系统开始采集的时刻。不同压力下炸药燃烧火焰阵面位置-时间数据曲线如图4 所示。由图可知，快速响应热电偶1#和7#响应时间差为0.445 00 s，即炸药柱从第2 段燃烧至第7 段总耗时0.445 00 s。其中，1#热电偶之前有一段炸药柱和点火序列，火焰阵面达到1#热电偶时刻为1.006 72 s，到达2#～7#热电偶时刻分别为1.260 90、1.363 59、1.409 49、1.437 70、1.456 15、1.456 67 s，第2～7 段药柱的燃烧时间分别为0.254 18、0.102 69、0.045 90、0.028 21、0.018 45、0.000 52 s。每段炸药柱长度l=8 mm，由v=l/t 可计算出第2～7 段炸药柱燃烧平均速度分别为31.474、77.904、174.192、283.587、433.604、15 384.615 mm/s。

表1 给出了常温下PBX-1 炸药每段药柱的燃烧时间及对应的平均燃烧速率。由表1 可知，随着压力的升高，药柱2～6 燃烧的时间逐渐变短，炸药燃烧速率逐渐增加，从～102mm/s 增加到～103mm/s，增加了1 个数量级。然而，药柱7 的燃烧时间急剧减小，燃烧速率从～103mm/s 增加至～105mm/s，增加了2 个数量级，出现不稳定燃烧现象。图5 给出了几种HMX 含量为95%的PBX 炸药的燃速-压力特性[11，13]，从图中可以看出，对于PBX-9501 和LX-10 炸药，当压力超过150 MPa 后燃烧变得非常不稳定，某些药柱燃速能够增加10 倍甚至100 倍，文献指出其主要原因是高压下材料的物理完整性失效，形成高的燃烧比面积促使样品持续爆燃。对于PBX-1 炸药，当压力超过100 MPa 同样出现燃速突变现象，其可能的原因是高压下PBX-1 炸药物理结构发生破坏，比如出现裂缝或者缝隙等，火焰进入裂缝或缝隙导致炸药燃烧比表面积增大，炸药燃烧速率出现突变。

表 1 常温下PBX-1 炸药燃烧时间和燃烧速率数据Table 1 Burn time and rate of PBX-1 at ambient temperature

图 4 不同压力下燃烧火焰阵面位置-时间数据曲线Fig. 4 Flame-front time-of-arrival signals at different pressure

图 5 几种HMX 含量为95%的PBX 炸药的燃速-压力特性Fig. 5 Burn rate-pressure characteristic for several 95%HMX-based PBXs

2.2 PBX-1 炸药燃烧速率与压力关系

实验中获得的燃烧速率为每段药柱的平均燃烧速率，相对应的压力为每段药柱燃烧期间密闭燃烧室内的平均压力。将图4 中相邻信号线压力对时间进行积分再除以每段药柱的燃烧时间，可以得到每段炸药柱燃烧对应的平均压力。图6 给出了PBX-1 炸药燃烧速率随压力变化曲线，当压力为10.50、28.55、58.00、79.40、99.19 MPa时，PBX-1 炸药对应的燃烧速率分别为31.474、77.904、174.192、283.587、433.604 mm/s。从图中可以看出，在100 MPa 压力范围内，PBX-1 炸药燃烧速率与压力基本呈指数关系。

对于大部分材料，凝聚相炸药热传导燃烧速率可以用稳态燃烧速率公式r=apn[16]来描述，其中r 为热传导燃烧速率，a 为燃烧速率常数，p 为燃烧压力，n 为压力指数。对PBX-1 炸药燃烧速率与压力的依赖关系进行了拟合，拟合结果如下：

图 6 PBX-1 炸药燃烧速率随压力变化曲线Fig. 6 Burn rate data for PBX-1 at different pressure

式中：燃烧速率常数a=2.16±0.55 mm·s−1·MPa，压力指数n=1.08±0.06。从拟合的结果中可以看出n＞1，说明PBX-1 炸药具有较高的压力指数，燃烧率对压力变化更加敏感，当反应气体产物被约束时会导致炸药燃烧速率迅速增加。从图6 中可知，当燃烧压力超过100 MPa 后，PBX-1 炸药的燃烧速率突变，严重偏离稳态燃烧速率呈现指数变化关系，此时炸药燃烧模式发生转变，不再是稳态的热传导燃烧，而是火焰阵面在炸药缝隙中传播的对流燃烧模式。

2.3 PBX-1 炸药燃烧比表面积变化

炸药出现损伤后，其内部可能出现孔洞、裂缝及孔隙率增大等现象，导致炸药燃烧过程燃烧表面积增加，造成炸药的燃烧特性发生巨大变化。不同燃烧模式下，炸药燃烧表面积存在较大的差异，下式[15]可以量化炸药燃烧表面积变化（通过计算炸药燃烧表面积S，以及对热传导燃烧表面积S0进行归一化得到燃烧比表面积，用来表征炸药燃烧特性，比如热传导燃烧或者火焰-蔓延加速等特征）：

式中：S 为燃烧表面积，S0为热传导燃烧表面积，p 为燃烧器瞬时压力，n 为压力指数，L 为实验样品初始长度，a 为燃烧速率常数，pf为燃烧器最终压力，p0为燃烧器初始压力。

图7 给出了不同压力下PBX-1 炸药燃烧比表面积变化情况。从图中可以看出，在100 MPa压力范围内，PBX-1 炸药燃烧比表面积S/S0≈1，说明PBX-1 炸药发生热传导燃烧。当压力超过100 MPa 后，PBX-1 炸药燃烧比表面积发生突变，随着压力升高，燃烧比表面积逐渐增加，S/S0最大达到170 左右，相对于热传导燃烧，PBX-1 炸药燃烧表面积增加2 个数量级。此时，炸药发生物理破坏，出现裂缝或者缝隙等特征，形成高压下燃烧面进入炸药缝隙高速推进的对流燃烧，导致炸药测量的燃烧速率也增加了2 个数量级。若燃烧压力不卸载，PBX-1 炸药有进一步向高烈度反应转变的趋势。