姜夕博，饒國寧，徐森，姚淼，馬安鵬，彭金華

(南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇南京210094)

退役單基藥的沖擊起爆特性*

姜夕博，饒國寧，徐森，姚淼，馬安鵬，彭金華

(南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇南京210094)

為了研究退役單基藥的沖擊起爆特性，參照GJB772A-97中卡片式隔板法實驗方法，分別開展了退役單基藥的連續(xù)爆速實驗、沖擊波感度實驗及錳銅壓力計實驗，觀測了其沖擊起爆的爆轟建立過程，得到了臨界隔板值以及臨界起爆壓力。在連續(xù)爆速實驗中，隔板厚度為50 mm時，觀察到了退役單基藥反應(yīng)沖擊波不斷增長的過程，并在90mm處轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z;在沖擊波感度以及錳銅壓力計實驗中，測得其臨界隔板厚度為50～52 mm，臨界起爆壓力為1.35～1.49 GPa。對退役單基藥的沖擊起爆過程進行了數(shù)值模擬，結(jié)合三種實驗的實驗結(jié)果，標(biāo)定了其點火增長模型反應(yīng)速率方程參數(shù)。

爆炸力學(xué);沖擊起爆;連續(xù)爆速;退役單基藥;沖擊波感度;反應(yīng)速率方程

退役單基藥是指過期失效的或被淘汰的用于槍炮發(fā)射能源的火藥，對它再利用不僅可以減少儲存和處理費用，還能夠帶來一定的經(jīng)濟效益。對退役單基藥的再利用方面，起初是將它粉碎后，制成粉狀乳化炸藥、粉狀炸藥和漿狀炸藥［1-4］，部分已經(jīng)投入生產(chǎn)。近年來，粉碎后用于制備煙花用無煙發(fā)射藥，也取得了巨大的研究成果［5-7］。然而，由于退役單基藥經(jīng)長期儲存后，安定劑含量降低，發(fā)生自燃甚至爆炸的可能性增加，隨著再利用的不斷開展，其安全性也成為急需解決的問題。如2000年日本愛知縣的爆炸事故(79人傷亡、888間房屋損壞)，原因是部分退役發(fā)射藥發(fā)生反應(yīng)、產(chǎn)生沖擊波，最終導(dǎo)致了整體的殉爆。退役單基藥的沖擊起爆問題是使用安全性研究的重要方面，也是退役單基藥實際的引爆、傳爆序列等相關(guān)技術(shù)方面研究的基礎(chǔ)。然而，目前對其安全性方面的研究還處于初級階段，而沖擊起爆特性方面的研究尚未開展。

沖擊起爆過程的研究主要包括臨界起爆閾值及相應(yīng)判據(jù)、爆轟建立過程和化學(xué)反應(yīng)速率方程［8］。為了系統(tǒng)研究退役單基藥的沖擊起爆特性，本文中，分別在這3個方面進行研究:利用連續(xù)爆速的方法對退役單基藥的爆轟建立過程進行探索性研究，通過測量爆速的連續(xù)變化過程，觀察其反應(yīng)沖擊波的成長過程;在臨界起爆閾值方面，通過沖擊波感度實驗以及錳銅壓力傳感器測定退役單基藥的臨界隔板值及臨界起爆壓力;最后，結(jié)合連續(xù)爆速及臨界起爆壓力的實驗結(jié)果，利用數(shù)值模擬方法標(biāo)定退役單基藥的點火增長模型反應(yīng)速率方程參數(shù)。擬通過對退役單基藥的沖擊起爆過程的研究，了解其起爆性能和安全性能，為合理利用退役單基藥提供參考。

1 沖擊起爆實驗

隔板實驗是測定炸藥沖擊起爆特性的典型方法，廣泛應(yīng)用于炸藥沖擊起爆的研究中［9-11］。本文中參照GJB 772A-97《炸藥試驗方法》中的卡片式隔板法的實驗裝置，分別開展了連續(xù)爆速實驗、沖擊波感度實驗及錳銅壓力計實驗，研究退役單基藥沖擊起爆過程。除連續(xù)爆速實驗由于探針長度的需要，將鋼管長度加長至600 mm，其余實驗材料及尺寸完全相同。

粉碎后退役單基藥為黃色粉狀纖維，粒度范圍106～180μm，其中:w(硝化纖維素)=95%～97%，w(二苯胺)=1%～2%，w(揮發(fā)性成分)=2.3%～4.1%，而在硝化纖維素中w(氮)=12.75%～12.97%。

1.1 連續(xù)爆速實驗

研究爆轟建立過程的基本手段為楔形炸藥實驗，但楔形炸藥試樣加工困難，實驗數(shù)據(jù)較難捕捉，而且實驗費用昂貴。因此，本文中利用連續(xù)爆速方法，通過測量爆速的連續(xù)變化過程，得到反應(yīng)沖擊波在退役單基藥中的運動跡線，其中轉(zhuǎn)折點即為轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z之處。連續(xù)爆速測試系統(tǒng)的測試原理［12］為:隨著爆轟波陣面向前推進，連續(xù)速度探針長度逐漸縮短，利用瞬態(tài)數(shù)據(jù)記錄儀采集探針的電壓隨時間變化曲線d v/d t，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的處理，轉(zhuǎn)化為探針長度隨時間的變化曲線d L/d t，通過L-t曲線的斜率變化直接讀取爆速連續(xù)變化的情況。

連續(xù)爆速實驗裝置如圖1所示。實驗前，在試樣的試件殼體中縱向插入連續(xù)速度探針，通過導(dǎo)向裝置保證探針與炸藥軸向平行。退役單基藥人工散狀裝填于長600 mm的鋼管中，平均裝藥密度為0.76 g/cm3，試樣間的密度極差為0.03 g/cm3。通過改變有機玻璃隔板的厚度，控制加載到退役單基藥的沖擊波強度，直至明顯觀察到爆轟建立過程為止。連續(xù)爆速測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備為加拿大MREL公司的HANDITRAPⅡ型。連續(xù)速度探針由鍍絕緣層的電阻絲和細銅管組成，速度探針的電阻絲長度900 mm、電阻360.9Ω/m，細銅管直徑1.5 mm，爆轟波陣面上的等離子現(xiàn)象能夠保證探針的電阻絲與細銅管間的導(dǎo)通，保障電壓隨時間變化的數(shù)據(jù)信號的記錄。

圖1 連續(xù)爆速實驗裝置示意圖Fig.1 Sketchmap of experimental device for continuous detonation velocity

1.2 沖擊波感度實驗

為了確定退役單基藥的臨界隔板厚度，參照GJB 772A 97中卡片式隔板法進行沖擊波感度實驗，實驗裝置如圖2所示。

采用8號工業(yè)電雷管起爆，主發(fā)藥柱為直徑40 mm、密度1.60 g/cm3的鈍化黑索今(RDX);隔板為直徑40 mm的有機玻璃;被發(fā)藥柱為退役單基藥，散狀裝填于45鋼管中，裝藥方式及裝藥密度與連續(xù)爆速實驗相同，鋼管外徑32 mm、內(nèi)徑25 mm、長76 mm;見證板為Q235鋼板，尺寸為100 mm× 100 mm×6 mm。實驗后，通過觀察見證板上的變形或破壞情況，判斷退役單基藥的反應(yīng)情況。

圖2 沖擊波感度實驗裝置示意圖Fig.2 Sketchmap of experimental device for shock wave sensitivity

圖3 臨界起爆壓力實驗裝置示意圖Fig.3 Sketchmap of experimental device for critical initiation pressure

1.3 臨界起爆壓力實驗

臨界隔板值對應(yīng)主發(fā)藥柱產(chǎn)生的沖擊波經(jīng)隔板衰減后的輸入沖擊波壓力，即為沖擊波臨界起爆壓力。因此，只需要測出鈍化黑索今藥柱產(chǎn)生的沖擊波在有機玻璃隔板中的衰減規(guī)律，就可將沖擊波感度實驗測得的臨界隔板厚度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的壓力［13］，即可得到退役單基藥的臨界起爆壓力。采用這種方法，同時可以避免退役單基藥發(fā)生反應(yīng)對測量結(jié)果產(chǎn)生的影響［14-15］。

采用錳銅壓力傳感器測定沖擊波經(jīng)不同厚度有機玻璃隔板衰減后的壓力，實驗裝置如圖3所示。實驗各部件的材料、尺寸，完全按照GJB 772A-97要求制作。

測試采用的H型錳銅壓力傳感器，在高壓作用下電阻的溫度系數(shù)可以忽略，受壓后電阻的變化反應(yīng)為電壓的變化［16］。根據(jù)錳銅壓力計的標(biāo)定公式，就可以將電壓的變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的沖擊波壓力。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 連續(xù)爆速實驗

圖4為有機玻璃隔板厚度為30和50 mm時連續(xù)爆速探針的連續(xù)爆速曲線，從圖中可以清晰觀察到，不同強度沖擊加載下退役單基藥的爆轟建立過程。

圖4(a)的曲線比較平滑，而圖4(b)的在前半部分有較多的干擾波形。這是由于

隔板較薄時，入射沖擊載荷較高，退役單基藥的爆轟較完全，爆轟波陣面上的等離子體濃度較高，電阻絲與細銅管的導(dǎo)通性好。而隔板較厚時，入射沖擊載荷較低，前半部分退役單基藥爆轟不完全，爆轟波陣面上的等離子體濃度較低，電阻絲與細銅管導(dǎo)通性較差，導(dǎo)致探針上的電壓降突然增大，這在連續(xù)爆速測量中不可避免。

圖4 退役單基藥的連續(xù)爆速曲線Fig.4 Curves of continuous detonation velocity for expired single-base propellant

由圖4(a)可以看出，退役單基藥的爆速在9μs(28mm)之前為3218.4 m/s，之后爆速雖然有一定的變化，但基本穩(wěn)定在3 600～3 800 m/s。由錳銅壓力計的實驗結(jié)果可知，30 mm厚有機玻璃隔板對應(yīng)的入射沖擊波壓力為4.03 GPa。這說明，當(dāng)較強的沖擊波進入試樣后，瞬時引發(fā)了大部分試樣的化學(xué)反應(yīng)，并且在隨后的傳播過程中持續(xù)增長，在28 mm處反應(yīng)沖擊波最終成長為爆轟波，即此種情況下退役單基藥的爆轟成長距離為約28 mm。

由圖4(b)可以看出，退役單基藥的爆速呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，也即隨著沖擊波的傳播，化學(xué)反應(yīng)逐漸增強:初始階段8μs前，爆速2 681.4 m/s為入射沖擊波速度;之后的5μs，速度略降至2 333.3 m/s，這是沖擊波在試樣中衰減的結(jié)果，表明退役單基藥發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，只是參與反應(yīng)的試樣量較少，反應(yīng)釋放的能量不足以提供沖擊波衰減所需的能量，導(dǎo)致反應(yīng)沖擊波速度有一定的下降;13μs后，爆速迅速上升至3 283.6 m/s，證明隨著反應(yīng)沖擊波的傳播，激起越來越多的反應(yīng)核，它們的釋能直接推動了反應(yīng)沖擊波的增長，使爆速增加;35μs(90 mm)后，4段爆速基本穩(wěn)定在3 650～3 850 m/s，證明反應(yīng)沖擊波不斷增長，并在35μs時轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z。35μs之前的階段為反應(yīng)沖擊波的增長階段，之后的階段為穩(wěn)定爆轟階段，退役單基藥的爆轟成長距離為約90 mm。實驗結(jié)束后，現(xiàn)場沒有發(fā)現(xiàn)實驗的殘留物，證明600 mm長的鋼管已經(jīng)被撕裂成碎片，由此也可以判斷出此時退役單基藥已經(jīng)達到穩(wěn)定爆轟。

2.2 沖擊波感度實驗

共進行了4發(fā)退役單基藥的沖擊波感度實驗，通過觀察見證板的破裂情況，判斷試樣是否發(fā)生爆轟。實際上，試樣與見證板相互作用的過程中，相當(dāng)一部分能量轉(zhuǎn)換為見證板變形與破壞所需的能量。所以，觀察見證板的破裂情況，對認(rèn)識退役單基藥與見證板的相互作用情況及判斷實驗結(jié)果非常重要。回收的見證板照片如圖5所示，實驗結(jié)果見表1。

由圖5可知，隔板厚度為48 mm時，隔板中心被穿出直徑約35 mm的孔，從孔背面的局部放大圖可以看出，穿孔的邊緣部分呈不規(guī)則形狀向后翻起，其間的裂口是由爆轟波直接作用的強大沖擊力撕裂所致。隔板厚度為50 mm時，穿孔邊緣的形狀與前者基本相同，但是穿孔直徑略小，而且回收到很多長度20～50 mm不等的條形鋼片，這可能是鋼管變形破壞后留下的。通過這些現(xiàn)象可以定性判斷，50 mm隔板厚度時試樣與見證板和鋼管的作用程度，小于隔板厚度為48 mm時的。隔板厚度為52 mm時，隔板中心呈鍋底狀向下凹陷約30 mm，但是未被撕裂，可見此時試樣與見證板作用的能量小于前兩種情況。而隔板厚度54 mm時，見證板完好無損，且現(xiàn)場沒有回收到殘藥，證明退役單基藥在隔板厚度52 mm時發(fā)生了向爆轟的轉(zhuǎn)變，在54 mm時只發(fā)生了燃燒反應(yīng)。雖然沖擊波感度的實驗數(shù)量有限，但由于實驗前對隔板厚度進行了理論預(yù)估，使不同的反應(yīng)情況都有實驗驗證。因此，通過這些實驗，能夠近似判斷退役單基藥的臨界隔板厚度在50～52 mm。

圖5 見證板破裂情況Fig.5 Rupture condition of witness board

表1 沖擊波感度實驗結(jié)果Table 1 Experimen tal results of shock wave sensitivity

2.3 臨界壓力閾值實驗

有機玻璃隔板厚度從0～40 mm，每隔5 mm測試一次，示波器采集到的典型波形見圖6。隔板厚為0、5、10、15、20、25、30、35和40 mm，對應(yīng)的沖擊波壓力分別為17.97、12.67、8.39、7.00、5.66、5. 28、4.03、3.20和2.61 GPa。

沖擊波壓力在密實介質(zhì)中的衰減符合指數(shù)形衰減規(guī)律［17］:

由上述沖擊波壓力數(shù)據(jù)，可得:k=18.20 GPa，α=0.05 mm-1。將退役單基藥的臨界隔板厚度代入式(1)中，可以得到其臨界起爆壓力在1.35～1.49 GPa。

圖6 典型波形示意圖Fig.6 Typicalwaveform

3 數(shù)值模擬

對含能材料沖擊起爆過程的研究，重點之一是確定其反應(yīng)速率方程參數(shù)，它決定了含能材料起爆過程的行為和特征［18-19］。但是由于炸藥反應(yīng)過程復(fù)雜，難于用嚴(yán)格的化學(xué)化學(xué)動力學(xué)描述，反應(yīng)速率方程的有關(guān)系數(shù)基本上依靠擬合實驗數(shù)據(jù)得出。所以，運用顯示動力學(xué)有限元程序AUTODYN軟件，對退役單基藥的沖擊起爆過程進行數(shù)值模擬研究。按照連續(xù)爆速實驗?zāi)Ｐ?，建立了二維軸對稱計算模型，采用中心點起爆方式起爆主發(fā)藥柱，網(wǎng)格尺寸為1 mm×1 mm。

目前，用于描述炸藥爆轟過程的反應(yīng)速率方程形式較多，應(yīng)用較廣泛的是點火增長模型。本文中結(jié)合爆轟建立過程及臨界起爆壓力實驗結(jié)果，利用數(shù)值模擬方法近似標(biāo)定退役單基藥點火增長模型的反應(yīng)速率方程參數(shù)。

點火增長模型的反應(yīng)速率方程為［20］:

式中:λ為炸藥的反應(yīng)度;t為反應(yīng)時間，μs;ρ為密度，ρ0為初始密度，g/cm3;p為壓力，100 GPa;I、G1、G2、a、b、c、d、e、g、x、y、z為12個可調(diào)系數(shù)。上式為三項式點火增長模型，第一項描述熱點的形成及點火階段，在此階段部分炸藥在沖擊壓縮下點火;第二項描述熱點反應(yīng)成長的燃燒階段，與爆燃過程類似;第三項描述熱點的開始連結(jié)，未反應(yīng)炸藥的快速分解引起向爆轟的快速轉(zhuǎn)變。

數(shù)值模擬計算中，先輸入一組待擬合的點火增長模型參數(shù)進行計算，將計算所得的爆轟建立過程與實驗結(jié)果進行對比。如果計算結(jié)果與實驗結(jié)果不相符，則重新調(diào)整模型參數(shù)，直到計算結(jié)果與實驗結(jié)果一致。再利用此時的點火增長模型參數(shù)計算臨界起爆閾值，直到計算得到的爆轟建立過程和臨界起爆閾值均與實驗結(jié)果基本吻合。認(rèn)為此時的點火增長模型反應(yīng)速率方程參數(shù)能夠近似描述退役單基藥的沖擊起爆過程。

圖7為有機玻璃隔板厚度為50 mm時，模擬得到的L-t曲線與實驗測量結(jié)果的對比。由圖可見，計算得到的L-t曲線與實驗測得的曲線基本吻合。

圖7 連續(xù)爆速曲線的實驗和數(shù)值模擬結(jié)果Fig.7 Experimental and calculated results of continuous detonation velocity

退役單基藥的臨界起爆壓力在1.35～1.49 GPa，即1.49 GPa壓力起爆時，能夠成長為爆轟，而1.35 GPa壓力時，不能成長為爆轟。圖8為入射沖擊波壓力為1.49和1.35 GPa時，退役單基藥中不同位置處的壓力曲線。在試樣中心軸向每隔10 mm設(shè)置6個測試點，h為測試點距隔板距離。

由圖8可以看出，入射沖擊波壓力為1.49 GPa時，壓力逐漸增大，而入射沖擊波壓力為1.35 GPa時，沖擊波壓力逐漸衰減，也與實驗結(jié)果相符。這說明，擬合得到的點火增長反應(yīng)速率方程參數(shù)能夠較好地描述退役單基藥沖擊起爆過程，相應(yīng)標(biāo)定的點火增長模型反應(yīng)速率方程參數(shù)分別為:I=100，b= 0.667，a=0，x=4，G1=50，c=0.667，d=0.9，y=1，G2=40，e=0.3，g=1，z=2，λig，max=0，λG1，max=0.5，λG2，min=0.5。

圖8 退役單基藥的壓力曲線Fig.8 Pressure curves of expired single-base propellant

4 結(jié)論

采用連續(xù)爆速實驗、沖擊波感度實驗、錳銅壓力計實驗及數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)研究了退役單基藥的沖擊起爆特性，并得到了以下結(jié)論:

(1)利用連續(xù)爆速方法對退役單基藥的爆轟建立過程進行了探索性研究，在隔板厚度為50 mm時，能夠清晰地觀察到爆速的增長過程，且此時退役單基藥的爆轟成長距離為90 mm;

(2)沖擊波感度實驗中，分析見證板的破裂情況，在隔板厚度為48和50 mm時，退役單基藥爆轟完全，在隔板厚度為52 mm時，發(fā)生向爆轟的轉(zhuǎn)變過程，在隔板厚度54 mm時，只發(fā)生了燃燒反應(yīng)，證明退役單基藥臨界隔板厚度為50～52 mm;

(3)利用錳銅壓力計實驗確定了退役單基藥的臨界起爆壓力為1.35～1.49 GPa;

(4)利用數(shù)值模擬方法，結(jié)合以上實驗結(jié)果，標(biāo)定了退役單基藥點火增長模型反映速率方程參數(shù)。

對退役單基藥沖擊起爆過程的研究，可為可靠起爆和避免在意外沖擊作用下發(fā)生爆炸提供參考，同時可為起爆、傳爆序列設(shè)計及數(shù)值模擬研究提供參考。

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［20］張寶坪，張慶明，黃風(fēng)雷.爆轟物理學(xué)［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，1997.

Shock initiation characteristics of expired single-base propellants*

Jiang Xi-bo，Rao Guo-ning，Xu Sen，Yao Miao，Ma An-peng，Peng Jin-hua
(School of Chemical Engineering，Nanjing University of Science＆Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China)

The continuous detonation velocity test，the shock wave sensitivity test and the critical initiation pressure testwere developed，respectively，with reference to the GJB772A-97 card gap test.Based on the above tests，the detonation establishment process in the expired single-base propellantwas investigated，and the critical gap thickness and the critical initiation pressure were obtained.In the continuous detonation velocity test，the building-up process of the reactive shock wave was observed at the PMMA gap thickness of 50 mm and itdeveloped into a normal detonation at the PMMA gap thickness of90mm.The critical gap thicknesswas 50-52 mm obtained from the shock wave sensitivity test.And the critical initiation pressure was1.35-1.49 GPa obtained from the critical initiation pressure test.According to the above tests，the numerical simulations were conducted to calibrate the parameters of the reactive rate equation in the ignition-and-growth model for the expired single-base propellant.

mechanics of explosion;shock initiation;continuous detonation velocity;expired single-base propellant;shock wave sensitivity;reaction rate equation

Rao Guo-ning，raoguoning@foxmail.com

O381國標(biāo)學(xué)科代碼:1303510

A

1001-1455(2014)01-0099-07

(責(zé)任編輯 丁峰)

2012-08-20;

2012-12-05

姜夕博(1985—)，女，博士研究生。

*Received 20 August2012;Revised 5 December 2012