约束对DNAN基熔铸炸药点火反应特性的影响

马 腾,董小丽,杨 年,刘静平,罗一民,徐 森,,刘大斌,万 敏

(1.南京理工大学 化学与化工学院,江苏 南京 210094;2.南京理工大学 发射动力研究所,江苏 南京 210094;3.国家民用爆破器材质量监督检测中心,江苏 南京 210094;4.青岛海关技术中心,山东 青岛 266599)

引 言

2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)作为炸药,最早出现于第二次世界大战,DNAN的感度和黏度均显著低于TNT,纯度达到99.8%,是一种替代TNT的高安全性载体炸药[1]。DNAN基熔铸炸药不仅提高了战斗部长期贮存性能和装药工艺性,而且具有良好的安定性,提高了战场上的生存能力[2]。DNAN作为一种新型不敏感熔铸载体,以其为载体的熔铸炸药受到国内外的高度关注[3]。例如美国Picatinny Arsenal公司按照钝感弹药标准研制了以DNAN为熔铸载体的PAX系列新型熔铸炸药[4]。自2005年开始,美国又在“通用低成本不敏感炸药”项目的支持下推出以DNAN为熔铸载体的IMX系列熔铸炸药[5]。对于DNAN基熔铸炸药,目前研究主要重点集中在配方、工艺和能量输出特性方面[1,3,6-7],很少看到关于DNAN基熔铸炸药点火后反应特性方面研究的相关报道。

含能材料在生产、运输和使用过程中对外界刺激存在固有的敏感性,在加热、碎片撞击、火花和摩擦刺激下会导致意外点火。炸药在点火后续反应与炸药性质、约束条件以及点火条件相关,与冲击起爆相比,反应涉及过程复杂,烈度演化走向不确定,最为严重的可导致爆轰反应[8]。1959年A. Macek[9]采用应变计和电离式探针研究了铸装HMX炸药的点火过程,提出了经典的“一维假定”下的波聚合物理模型,认为被点燃的炸药不断产生的应力波在炸药柱中传播,经过一段距离后在炸药内部汇聚成了冲击波,对波阵面前未反应炸药进行冲击起爆,从而发生了燃烧转爆轰(Deflagration to Detonation Transition, DDT),得到在从炸药点火至发生爆轰存在一定长度的诱导距离。在之后的几十年中,国内外研究者对炸药点火后反应进行了研究,并取得了一定的进展[10]。约束条件是影响炸药点火后反应特性的重要影响因素。F. Leuret等[11]研究了不同约束条件下压装高密度炸药的DDT过程。结果表明在强约束条件下才有可能发生燃烧转爆轰现象。代晓淦等[12]研究了10mm和20mm约束条件下对PBX-2炸药DDT过程的影响,结果表明约束条件对诱导爆轰距离有明显影响。

本研究开展了不同约束条件下DNAN基熔铸炸药单端点火试验及爆轰试验,通过设置验证板和冲击波超压传感器,综合判断炸药的反应特性。通过对比点火试验与冲击起爆产生的冲击波超压,基于爆炸相似律估算点火试验中等效反应药量,探究约束条件对DNAN基熔铸炸药反应特性的影响,以期为炸药安全防护措施的设定提供初步的理论基础和数据支撑。

1 实 验

1.1 样 品

DNAN基熔铸炸药由质量分数30%DNAN、40%HMX、30%Al粉组成,试验所需炸药均采用熔铸工艺,即将高能炸药固相颗粒(HMX)加入到熔融态炸药基质(DNAN)中形成悬浮液,铸装到模具中,冷却凝固成型[2]。铸装过程中,通过震动、抽真空等措施控制炸药缺陷,炸药密度为1.872g/cm3。长度1000mm、内径40mm的钢管实际装药量为(2300±10)g。

1.2 试验装置

图1为试验装置示意图。该试验装置主要由钢管、点火系统及端盖组成。试验前,将被测炸药装药熔铸于无缝钢管中,材料为45#钢。钢管一端通过螺帽与点火系统相连,另一端则通过螺帽与端盖相连。为防止端头被冲出导致反应中断,螺纹高度设计为60mm,分别设计了4、10、20、30、40及50mm壁厚的钢管。

图1 试验装置示意图Fig.1 A diagram of the configuration

1.3 试验布局及方法

为了测试爆炸物响应过程中产生的地面反射超压,压力传感器选用美国PCB公司生产的112A系列产品,传感器最大测试量程为3.45MPa,采样频率选取1MHz。由于爆炸中心附近波系反射复杂,通常将超压传感器布置于马赫反射区[13]。超压传感器埋设于防护铁墩中,铁墩上表面与地面平齐,铁墩间隔1m呈直线排布,各中心距爆心分别为2.5、3.5、4.5及5.5m,图2为冲击波超压传感器布置图。

图2 冲击波超压测试传感器布置图Fig.2 Shock wave overpressure test sensor layout scheme

1.4 测试方法

试验样品实物如图3所示,试验装置垂直放置于支撑木架上,木架下方放置8mm厚的45#钢制验证板。装置点火端向上,底端距离验证板20cm,在点火端使用20g黑火药进行点火。为测试DNAN基熔铸炸药点火过程中发生爆轰的药量,设计了相同壁厚下的爆轰试验作为对比,试验中采用雷管(8#工业雷管)与传爆药柱(70g压装钝化RDX)的组合对其进行起爆[14]。

图3 样品实物图Fig.3 The device photo of sample

由上节的图2可知,φ大于74°,所有测点位置均位于马赫反射区域,即各点入射角大于马赫反射的临界角,此时入射压力、反射压力的换算结果见式(1)[15]:

(1)

式中:ΔPi为入射冲击波峰值超压,Pa;ΔPr为马赫反射峰值超压,Pa;φ为测试点与爆心连线方向与地面垂直方向的夹角值。

不同于球形装药,长径比较大的直线装药(L∶D=25∶1)的冲击波阵面柱形地扩张而非球形的扩张。实际上,对于这样的线性装药,常运用一个与通常使用的霍普金森爆炸波相似律不同的相似律。认为超压峰值ΔP是R/(ω/L)1/2的函数,而不是R/ω1/3的函数[16]。超压计算公式如下:

ΔP=a[(ω/L)1/2/R]+b[(ω/L)1/2/R]2+
c[(ω/L)1/2R]3

(2)

式中:ΔP为冲击波超压峰值,Pa;ω为发生爆轰的药量,kg;L为药柱长度,m;R为测压距离,m;a、b、c为根据试验拟合的系数。

2 结果与讨论

2.1 单端点火试验结果及分析

进行了不同约束条件下的单端点火试验,试验后现场结果如图4所示。目前,存在多种燃烧转爆轰试验结果判定方法。通常结合现场冲击波超压、验证板及管体形貌综合评判爆炸物的反应剧烈程度[13, 17-18]。在4mm和10mm钢管壁厚条件下钢管均从点火端发生破裂,验证板均完好未破损,管内炸药均反应完全。分析认为黑火药燃烧和炸药燃烧产生的气压使得钢管前端发生破裂,该约束条件无法满足炸药反应往更剧烈的方向发展,表明DNAN基熔铸炸药仅发生燃烧反应。

图4 点火试验后验证板及管体形貌Fig.4 Morphology of the verification plate and tube body after the single-end ignition experiments

在20、30、40及50mm壁厚条件下,试验后钢管发生轻微膨胀但主体完好,点火端及尾端均发生了断裂且切口平整,内部有明显爆炸痕迹,但底部验证板穿孔不光洁,更多呈现出拉伸撕裂状态,并不是爆轰产生的剪切力所致。综上表明,DNAN基熔铸炸药经黑火药引燃后迅速燃烧,发生爆炸反应并产生巨大声响,但未发生爆轰反应。分析认为,在较强约束条件下,DNAN基熔铸炸药在一端使用点火药引燃后的反应行为是以高温、高压反应产物沿装药缝隙对流,主要的表现形态为炸药表面的层流燃烧及其伴随的结构响应行为,从反应水平来看,炸药中没有形成稳定的冲击波,因此无法实现从冲击到爆轰的转变[8]。

现场在4种强约束条件下点火试验中测试到了强烈的冲击波超压信号,图5为试验测试得到的反射冲击波压力曲线,结果表明随着壁厚的增大,各测点采集到的压力呈上升趋势。强约束条件下,破坏钢管所需的压力越大,有利于药床燃烧产生气体压力的聚集,同时也表明大部分炸药发生了反应。为确认约束条件对本试验的影响,排除环境、测试系统等因素对结果的干扰,本研究在同一试验场地进行了多次重复性试验,对所测的压力数据按式(1)进行入射压力换算,结果如表1所示。

表1 单端点火试验冲击波超压测试结果Table 1 Shock wave overpressure test results of single-end ignition experiments

图5 单端点火试验的反射冲击波压力曲线Fig.5 Reflected shock wave pressure curves of the single-end ignition experiments

2.2 爆轰试验结果分析

为了估算不同壁厚下的DNAN基熔铸炸药点火后等效反应药量,分别进行20、30、40及50mm壁厚条件下的爆轰试验。现场收集到的钢管碎片如图6所示,可以看出4种约束条件的试验中,爆轰产生的高压迅速破坏约束钢管,现场收集到的碎片呈小块,均表现为拉剪混合断裂模式,且碎片表面无明显燃烧痕迹,符合爆轰试验中碎片特征。DNAN基熔铸炸药在雷管和传爆药柱的组合作用下起爆,均发生爆轰反应。

图6 爆轰试验现场收集碎片Fig.6 Fragments collected at the site of the detonation experiment

图7为试验测试得到的反射冲击波压力曲线,经单端点火试验相同数据处理方法处理后,反射冲击波超压峰值及入射冲击波超压峰值如表2所示,可以看出随着测点位置到爆心距离的增大,入射压也随之衰减,超压曲线呈现较好的规律性。

表2 DNAN基熔铸炸药冲击起爆试验冲击波超压测试结果Table 2 Shock wave overpressure test results of shock initiation test

图7 爆轰驱动试验的反射冲击波压力曲线Fig.7 Reflected shock wave pressure curves of shock initiation tests

不同壁厚DNAN基熔铸炸药入射超压拟合曲线如图8所示。在同一位置处、不同壁厚下炸药的冲击波超压基本一致,可以认为壁厚对当前装药尺寸下炸药的能量输出影响较小,其能量释放均达到了理想状态[19]。根据爆炸相似律,对冲击起爆试验的入射超压峰值进行最小二乘拟合,如式(3)～式(6)所示,相关系数R2均在0.99以上。图8的拟合曲线也表明,在本试验选定的测压范围内,直线装药爆炸产生的冲击波超压能较好地满足爆炸相似律:

图8 不同壁厚DNAN基熔铸炸药入射超压拟合曲线Fig.8 Incident overpressure fitting curve of DNAN-based melt-cast explosives under different shell thickness

壁厚为50mm(R2=0.991):

Pm=85.15[(ω/L)1/2/R]+594.21[(ω/L)1/2/R]2-
408.14[(ω/L)1/2/R]3

(3)

壁厚为40mm(R2=0.997):

Pm=-190.56[(ω/L)1/2/R]+1784.73[(ω/L)1/2/R]2-
1578.64[(ω/L)1/2/R]3

(4)

壁厚为30mm(R2=0.999):

Pm=61.49[(ω/L)1/2/R]+472.75[(ω/L)1/2/R]2-
77.11[(ω/L)1/2/R]3

(5)

壁厚为20mm(R2=0.997):

Pm=12.16[(ω/L)1/2/R]+726.09[(ω/L)1/2/R]2-
345.51[(ω/L)1/2/R]3

(6)

在4mm和10mm壁厚条件下炸药在单端点火试验中发生燃烧反应,试验过程中所采集到的压力值非常小,可忽略不计。本研究将单端点火试验中发生爆炸反应的20、30、40及50mm壁厚条件点火试验中采集到的冲击波超压带入相对应壁厚条件冲击波超压拟合公式,换算得到的爆轰药量结果如表3所示,需要注意的是,等效爆炸当量是以裸药球爆炸计算所得,而本试验结果中空气冲击波超压的产生的条件是特定的约束条件下,不能完全等同于等效反应药量,但作为估算其数值的一种方法,具有重要的参考价值。

表3 DNAN基熔铸炸药单端点火试验的等效反应药量Table 3 Equivalent reaction mass of DNAN-based melt-cast explosives in single-end ignition experiments

结果表明约束条件对炸药反应过程的影响很大,DNAN基熔铸炸药发生反应的等效反应药量随着壁厚的增加而增大,当钢管壁厚从20mm增加至50mm时,等效反应药量与原药柱的质量比从23.9%显著增大至78.7%。陈朗等[20]研究表明,约束条件的增强对初始炸药燃烧产生的燃气的限制作用增大,钢管膨胀相对减小,不易产生稀疏波,有利于压力升高并进一步加速燃烧,从而缩短了燃烧过程,压缩药床形成更为剧烈反应的进程,反应更为剧烈。当壁厚为20、30及40mm时,这种促进作用非常明显。随着壁厚的增大,DNAN基熔铸炸药提前发展成爆炸反应,使得参与反应的药量增加。与之相比,当钢管壁厚为40mm和50mm时,爆炸药量相近,等效反应药量与原药柱质量比分别为77.3%和78.7%。分析认为,在40mm壁厚条件下已经达到足够强的约束,继续增大壁厚对燃气的限制能力趋近极限,对反应特性的促进作用影响减小,等效反应药量无法进一步提高。

3 结 论

(1)DNAN基熔铸炸药在一般约束条件下(壁厚≤10mm),在黑火药点火作用下仅发生燃烧反应,在强约束条件下(壁厚20、30、40、50mm)在单端引燃后未发生典型的燃烧转爆轰过程,反应烈度为爆炸。

(2)基于爆炸相似律,通过对比点火试验与爆轰试验产生的冲击波超压,得到DNAN基熔铸炸药发生反应的等效反应药量随约束条件的增强而增大,等效反应药量与原药柱质量比从23.9%依次增大为34.8%、77.3%及78.7%。

(3)在一定范围内增加壁厚,DNAN基熔铸炸药燃烧进程会随之加快,进而向着更为剧烈的反应方向发展,当约束条件足够强时,这种促进作用将不再明显。