炸藥安全性研究，一方面，是基于炸藥生產(chǎn)過程和彈藥勤務操作安全需求，關(guān)注各類意外刺激條件下引發(fā)持續(xù)反應點火的下限門檻條件；另一方面，是針對事故最大風險預測及對事故反應烈度增長敏感因素認知、源頭控制需求，關(guān)注炸藥中因摩擦、局域變形溫升或火燒引發(fā)的低烈度燃燒等級反應點火起始后，受哪些因素主導，經(jīng)由何種機制和過程，可能轉(zhuǎn)化為高烈度等級反應(High Explosive Violent Reaction，HEVR)乃至爆轟。對事故點火及烈度演化過程物理機制的解讀，應重點將事故演化過程中如下因素和環(huán)節(jié)納入關(guān)注范圍：

其一，炸藥力學性能及事故載荷作用早期炸藥的變形、斷裂。固相含量較高的炸藥，尤其是壓裝高聚物粘結(jié)炸藥(Polymer Bonded Explosive， PBX)的脆性特征突出，應變水平<1%時就可能發(fā)生斷裂。無論針對材料性能測試的準靜態(tài)抗壓、抗拉強度試驗，動態(tài)霍普金森桿、泰勒柱試驗，還是針對炸藥安全性的落錘試驗、滑道試驗、Susan試驗、Steven試驗，以及烤燃(Cook-off)、燃燒轉(zhuǎn)爆轟(Deflagration to Detonation Transition, DDT)實驗，忽略伴隨試驗加載和事故刺激過程中應力集中、應力波傳播瞬間發(fā)生的非均勻變形和損傷、斷裂，把炸藥當作延性連續(xù)介質(zhì)，且假定事故化學反應隨加載應力波在炸藥基體中傳播的模型概念和數(shù)值模擬，注定會遺漏對誘發(fā)點火反應和烈度增長主導機制的捕捉(圖1)(傅華，李克武，李濤，等. 私人通訊)。外部作用能量的空間非均勻性沉積、斷裂，可使得在加載應力幅度遠低于典型沖擊起爆下限閾值(數(shù)萬大氣壓)條件下形成新表面、局域燃燒點火，并誘發(fā)后續(xù)高烈度反應。例如，Susan試驗中因試件變形、破碎在數(shù)十米每秒、數(shù)十兆帕就劇烈反應的炸藥，若保護設計得當，在高速侵徹實驗中就能夠承受高達數(shù)百米每秒、數(shù)百兆帕的嚴酷過載條件而保持安定。因此，對炸藥事故安全性機理的解讀，必須基于對炸藥力學行為的正確認知。

圖1壓裝PBX在Hopkinson桿實驗加載過程中的低應變損傷、斷裂非均勻狀態(tài)演化模擬計算圖像

其二，炸藥燃燒速率特性。若炸藥的層流燃燒速率對壓力不敏感，則縫隙中炸藥表面燃燒引發(fā)的壓力增長(Crack Pressurization)傾向?qū)⒉坏湫?，炸藥斷裂、炸?殼體間隙中傳熱燃燒(Conductive Burnning)向?qū)α魅紵?Convective Burnning)的轉(zhuǎn)化難以形成，通向炸藥HEVR的基本通道就被阻斷。鈍感高能炸藥(Insensitive High Explosive, IHE)，如TATB基PBX的燃速對炸藥配方中粘結(jié)劑種類和比例不敏感，其即便被密封在金屬殼體中燃燒，到數(shù)千大氣壓下層流燃燒速度僅增加數(shù)十倍，達到數(shù)毫米每秒的水平，對應的縫隙燃燒也觀測不到對流燃燒表現(xiàn)。對于非IHE類炸藥如奧克托今(HMX)基的PBX，炸藥基體層流燃燒速度在0.1 MPa的大氣壓環(huán)境下通常為數(shù)毫米每秒，在壓力上升到1.01×103MPa水平時會提升達數(shù)千倍，達到數(shù)十米每秒！粘結(jié)劑性能、配比和包覆工藝，孔隙率及溫升、相變，都會明顯影響炸藥燃速(Glascoe E A.A comparison of deflagration rates at elevated pressures and temperatures with thermal explosions.Shock Compression of Condensed Matter, American Physical Society, 2011)，這也正是配方安全性設計調(diào)控的空間。炸藥燃速-壓力特性是彈藥安全性的關(guān)鍵內(nèi)因，其反映了反應烈度經(jīng)對流燃燒機制提升的潛在傾向，殼體和炸藥基體約束(在燃燒速率足夠高時，因慣性力效應，基體自身同樣能發(fā)揮邊界作用)僅是輔助外因。

其三，燃燒產(chǎn)物驅(qū)動炸藥基體中裂紋的自持傳播。若燃燒速率對壓力敏感，燃燒陣面一旦進入炸藥斷裂或炸藥-殼體間隙，就會迅速形成對流燃燒，其在寬度約100 μm間隙中的典型演化過程是：點火初期以約10 m·s-1傳播的表觀燃燒陣面速度，會因間隙內(nèi)氣體擁塞、壓力急劇增長而瞬間躍升到1000 m·s-1以上(Asay B W. Shock Wave Science and Technology Reference Library Vol.5, Non-shock Initiation of Explosives.Springer, 2010, ISBN 978-3-540-87952-7)。其直接后果是間隙中僅數(shù)十兆帕的氣壓，就足以驅(qū)動炸藥基體中裂紋高速擴展，自持傳播、分叉擴展(圖2)，燃燒比表面積劇增，使炸藥整體反應烈度瞬時飆升！這種氣體動力學機制主控的間隙表面燃燒傳播(區(qū)別于基體層流燃燒)與斷裂行為的耦合所引發(fā)的烈度增長的進一步發(fā)展，取決于其能否在炸藥基體中快速形成萬大氣壓以上壓力波及對應的炸藥基體內(nèi)反應，進而演化成爆轟波。否則，極少量炸藥在表面燃燒的產(chǎn)物壓力，可能使殼體破裂解體，表面反應燃速將因氣壓陡降而減慢甚至終止，形成碰撞實驗及烤燃實驗中常見的部分炸藥反應爆燃后的塊狀炸藥殘留，而其內(nèi)部并未發(fā)生反應。

圖2撞擊條件下炸藥裂隙中點火形成和燃燒產(chǎn)物氣體引發(fā)炸藥基體中裂紋自持傳播的數(shù)值模擬圖像

(王文強，于繼東，尚海林，等.撞擊條件下炸藥熱點形成和燃燒的數(shù)值模擬研究.中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點實驗室基金總結(jié)報告，2012)

就目前的研究認識，要通過精密物理建模和數(shù)值模擬，量化預測炸藥的安全性行為還遠不現(xiàn)實( Asay B W. Shock Wave Science and Technology Reference Library Vol.5, Non-shock Initiation of Explosives.Springer, 2010, ISBN 978-3-540-87952-7)，但對事故反應烈度主導性影響因素和過程機理的認識，有助于我們正確解讀各類紛繁復雜的炸藥安全性行為表現(xiàn)。建立相應的實驗方法量化測量炸藥力學、燃速參數(shù)，表征主控炸藥事故烈度升級的對流燃燒行為特征，能幫助我們直接從炸藥內(nèi)在屬性出發(fā)，更有依據(jù)地判斷不同配方或貯存期限的炸藥及其裝藥系統(tǒng)的相對事故風險，為從配方選擇源頭控制、間接評估庫存性能變化對安全性影響提供有價值的參照信息。

胡海波1,2, 郭應文1, 傅 華1, 李濤1, 尚海林1, 李金河1, 文尚剛2, 喻 虹3

1. 中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理重點實驗室， 四川 綿陽 621999

2. 中國工程物理研究院化工材料研究所安全彈藥中心， 四川 綿陽 621999

3. 北京應用物理與計算數(shù)學研究所， 北京100086

e-mail: huhaibo@caep.cn

中國工程物理研究院科學技術(shù)發(fā)展基金(2014A0201008)

國家自然科學基金(11272294、11272296)

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