李 濤，胡海波，尚海林，傅 華，文尚剛，喻 虹

（1. 中國(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621999；2. 中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽(yáng) 621999；3. 北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所，北京 100089）

在經(jīng)典的沖擊波起爆過(guò)程中，能量傳遞是通過(guò)炸藥塊體中沖擊波傳播來(lái)實(shí)現(xiàn)的，沖擊波陣面上誘發(fā)的熱點(diǎn)反應(yīng)則是化學(xué)能釋放的主要形式，快速傳播的沖擊波和熱點(diǎn)反應(yīng)在空間和時(shí)間上高度一致，使得高能量密度的炸藥轉(zhuǎn)換為反應(yīng)產(chǎn)物后可產(chǎn)生極高的壓力。相比之下，結(jié)構(gòu)裝藥非沖擊點(diǎn)火反應(yīng)的演化機(jī)制完全不一樣，存在早期緩慢的層流燃燒和中后期炸藥塊體間隙或內(nèi)部裂紋的對(duì)流燃燒過(guò)程[1-3]。所謂的對(duì)流燃燒，即氣體產(chǎn)物先在裂紋中快速流動(dòng)傳輸，再經(jīng)過(guò)一定熱誘導(dǎo)延遲時(shí)間后引發(fā)裂紋表面的熱傳導(dǎo)燃燒。由于炸藥裂紋中反應(yīng)產(chǎn)物的擁塞，在逐漸增加的反應(yīng)壓力作用下炸藥塊體會(huì)產(chǎn)生更多的裂紋，為燃燒提供更多的表面積，大面積燃燒反應(yīng)產(chǎn)物造成的壓力急劇增加是高烈度反應(yīng)產(chǎn)生的根本原因。

歷史上，在各類(lèi)非沖擊點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)[4-5]中觀察到大量炸藥劇烈反應(yīng)的現(xiàn)象。由于大部分實(shí)驗(yàn)僅依賴(lài)于表象觀測(cè)或遠(yuǎn)區(qū)超壓測(cè)量，使得研究者們對(duì)此類(lèi)劇烈反應(yīng)機(jī)制過(guò)程認(rèn)識(shí)不清，還經(jīng)常錯(cuò)誤引用經(jīng)典的爆轟術(shù)語(yǔ)對(duì)其進(jìn)行描述。隨著研究的深入，人們不斷觀測(cè)到炸藥非沖擊點(diǎn)火反應(yīng)過(guò)程中對(duì)流燃燒的證據(jù)[6]。最近，美國(guó)的研究者們通過(guò)烤燃實(shí)驗(yàn)高速攝影[7]和質(zhì)子輻射照相[8]直接觀測(cè)，進(jìn)一步確認(rèn)了對(duì)流燃燒裂紋傳播對(duì)于反應(yīng)演化的重要性。為了能進(jìn)一步認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)裝藥非沖擊點(diǎn)火反應(yīng)向高烈度轉(zhuǎn)變的過(guò)程，本文中專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一種新型球形裝藥中心點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)裝置，采用了多種診斷方式對(duì)非沖擊點(diǎn)火反應(yīng)的三維擴(kuò)展演化過(guò)程進(jìn)行了研究分析。實(shí)驗(yàn)中，采用確保反應(yīng)可持續(xù)的人為點(diǎn)火方式進(jìn)行加載，同時(shí)盡可能控制約束狀態(tài)，避免因裝藥反應(yīng)卸壓漏氣導(dǎo)致火焰提前熄滅，影響對(duì)關(guān)心過(guò)程的研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

本文中設(shè)計(jì)的強(qiáng)約束球形裝藥實(shí)驗(yàn)裝置如圖1～2 所示，分為帶窗口和全鋼結(jié)構(gòu)兩種。帶透明窗口裝置用于對(duì)炸藥響應(yīng)的直接觀測(cè)，由固定基座、透明窗口、套筒、約束環(huán)、阻擋塊和球形裝藥組成，總體尺寸為300 mm×170 mm，全鋼結(jié)構(gòu)中將透明窗口改為更強(qiáng)約束的鋼半球殼，總體尺寸為230 mm×150 mm。其中，球形裝藥材料是以HMX 為基的脆性壓裝PBX 炸藥（HMX 含量為95%），密度為1.86 g/cm3，由兩個(gè)直徑為110 mm 半球粘結(jié)而成，一個(gè)半球預(yù)留了直徑6 mm 的通孔；窗口為有機(jī)玻璃，徑向特征厚度為40 mm，鋼半球的徑向特征厚度為20 mm；套筒為兩半式卡槽鋼結(jié)構(gòu)，保證裝置的軸向約束，鋼約束環(huán)用于保證裝置的徑向約束，阻擋塊的目的是減少引線(xiàn)孔的氣體排出量。裝置中除了透明窗口外，其他所有結(jié)構(gòu)材料都為45 鋼。實(shí)驗(yàn)中，在球形裝藥預(yù)留中心孔中進(jìn)行中心點(diǎn)火，裝填的黑火藥質(zhì)量約為1 g。

實(shí)驗(yàn)的測(cè)試項(xiàng)目包括：高速攝影采用數(shù)字化高速相機(jī)，在未加照明的條件下對(duì)帶窗口裝置球殼裝藥裂紋燃燒擴(kuò)展及其反應(yīng)發(fā)光圖像進(jìn)行拍攝，在全鋼結(jié)構(gòu)中則對(duì)殼體破裂反應(yīng)發(fā)光圖像進(jìn)行拍攝；采用了3 個(gè)測(cè)速探頭和1 套自行研制的激光干涉儀，測(cè)量距離為50 mm，對(duì)球形炸藥表面和約束結(jié)構(gòu)殼體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量；采用2 個(gè)PCB 公司的高量程壓力傳感器，在固定基座或鋼半球底端（見(jiàn)圖1～2），對(duì)球殼裝藥反應(yīng)壓力進(jìn)行了測(cè)量；采用2 個(gè)PCB 公司超壓傳感器，距離裝置中心1.5 m，對(duì)裝藥反應(yīng)造成的空氣沖擊波超壓進(jìn)行了測(cè)量。

圖 1 帶窗口強(qiáng)約束球形裝藥實(shí)驗(yàn)裝置及其測(cè)試布局示意圖Fig. 1 Schematic representation of experimental setup and diagnostic arrangement of spherical charge under strong confinement with optical window

圖 2 全鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)約束球形裝藥實(shí)驗(yàn)裝置及其測(cè)試布局示意圖Fig. 2 Schematic representation of experimental setup and diagnostic arrangement of spherical charge under full steel confinement without optical window

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

帶窗口實(shí)驗(yàn)裝置中心點(diǎn)火后，高速攝影拍攝的帶窗口實(shí)驗(yàn)裝置整個(gè)反應(yīng)裂紋擴(kuò)展演化過(guò)程如圖3所示。高速攝影圖像的時(shí)序定義為點(diǎn)火頭激發(fā)為零時(shí)，此時(shí)黑火藥開(kāi)始點(diǎn)火燃燒。

根據(jù)高速攝影圖像分析，中心點(diǎn)火后球形裝藥的反應(yīng)演化過(guò)程大致可以分為4 個(gè)階段：

階段Ⅰ為初始反應(yīng)發(fā)展過(guò)程，此時(shí)點(diǎn)火已經(jīng)發(fā)生，但由于炸藥塊體不透明，視場(chǎng)中仍然是一片黑暗，持續(xù)時(shí)間為0.678 ms。

階段Ⅱ?yàn)榱鸭y傳播到達(dá)殼壁界面以及后續(xù)擴(kuò)展過(guò)程，持續(xù)時(shí)間約0.13 ms，觀察到裂紋反應(yīng)發(fā)光現(xiàn)象：開(kāi)始，4 條裂紋基本呈近似對(duì)稱(chēng)方式從藥球赤道附近向極點(diǎn)方向傳播，該過(guò)程約32 μs；隨后，在距極點(diǎn)一定位置處的緯線(xiàn)方向出現(xiàn)裂紋環(huán)向發(fā)展并貫通的現(xiàn)象，該過(guò)程約40 μs；最后，徑向裂紋和環(huán)向裂紋逐漸變寬，直到發(fā)光火焰包覆球形炸藥表面，該過(guò)程持續(xù)約60 μs。4 條對(duì)稱(chēng)裂紋細(xì)節(jié)演化過(guò)程如圖4 所示，這種沿初始預(yù)制孔擴(kuò)展的裂紋應(yīng)與球形結(jié)構(gòu)和外部約束條件密切相關(guān)。

觀察患者呼吸機(jī)相關(guān)性肺炎的發(fā)生率,若通氣治療48h后符合:①X線(xiàn)胸片示新的或進(jìn)行性肺浸潤(rùn);②發(fā)熱;③外周血白細(xì)胞計(jì)數(shù)>20.0×109/L或C反應(yīng)蛋白>8mg/L;④氣道分泌物細(xì)菌培養(yǎng)陽(yáng)性。基礎(chǔ)條件為X線(xiàn)胸片所示改變,若另外3條中2條符合,即可診斷患者患有呼吸機(jī)相關(guān)性肺炎[4]。

階段Ⅲ為劇烈爆炸過(guò)程，在球形裝藥范圍的視場(chǎng)中呈現(xiàn)出一片強(qiáng)烈的白光，持續(xù)時(shí)間約60 μs。

圖 3 帶窗口實(shí)驗(yàn)裝置反應(yīng)裂紋完整演化過(guò)程高速攝影圖像（幅頻18 000 s?1）Fig. 3 High-speed photos of full evolution process of reactive crack system in the experiment with PMMA window (frame rate of 18 000 s?1)

圖 4 反應(yīng)裂紋擴(kuò)展演化早期階段II 高速攝影圖像（幅頻18 000 s?1）Fig. 4 High-speed photos of the crack propagation at the early half of stage II (frame rate of 18 000 s?1)

階段Ⅳ為有機(jī)玻璃窗口變形破裂過(guò)程，可觀察到有機(jī)玻璃破碎和后續(xù)反應(yīng)發(fā)光現(xiàn)象，直到反應(yīng)熄滅。

在全鋼結(jié)構(gòu)下殼體破裂與反應(yīng)發(fā)光圖像如圖5 所示，雖然無(wú)法觀察到前期對(duì)流燃燒裂紋擴(kuò)展過(guò)程，但可以觀察到后期壓力測(cè)試孔破壞、反應(yīng)產(chǎn)物噴出、殼體大面積破裂以及反應(yīng)發(fā)光現(xiàn)象，大致對(duì)應(yīng)于帶窗口實(shí)驗(yàn)的階段Ⅳ。

圖 5 全鋼結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置殼體破裂反應(yīng)發(fā)光過(guò)程高速攝影圖像（幅頻18 000 s?1）Fig. 5 High-speed photos of full evolution process of case rupture and reaction illumination in the experiment with steel shell (frame rate of 18 000 s?1)

圖 6 帶窗口實(shí)驗(yàn)裝置殼體速度和內(nèi)部壓力歷程Fig. 6 Pressure inside confinement and velocity profiles in experiment with window

在全鋼結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中，壓力傳感器和PDV 測(cè)速記錄到早期階段反應(yīng)演化的信息，如圖7 所示。壓力和速度維持在一個(gè)較低的幅值，即在100 μs 時(shí)間內(nèi)壓力小于200 MPa，隨后出現(xiàn)一個(gè)快速的反應(yīng)爆發(fā)。階段Ⅲ中在20～40 μs 時(shí)間內(nèi)壓力超過(guò)1 GPa，殼體膨脹速度約500 m/s。

圖 7 全鋼結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置殼體速度和內(nèi)部壓力歷程Fig. 7 Velocity profiles and pressure inside confinement without window

圖8 給出了全鋼結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中回收的固定基座碎片。可以看出，固定基座容腔邊緣斷裂成大塊，基座中間帶壓力傳感器測(cè)試孔和點(diǎn)火頭引線(xiàn)孔處碎裂成小塊，特征尺寸約20～40 mm。

圖9 給出了帶窗口的超壓傳感器測(cè)得的空氣沖擊波超壓信號(hào)，峰值為135 kPa。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)自由場(chǎng)爆轟超壓計(jì)算公式[9]（1）和（2），估算得到的TNT 當(dāng)量為354 g，約為裸藥球爆轟總當(dāng)量的21%。

式中：?P 為空氣沖擊波超壓，MPa；W 為T(mén)NT 當(dāng)量，kg；r 為距爆心的距離，m。

在全鋼結(jié)構(gòu)中，2 個(gè)超壓傳感器測(cè)得的峰值為122 kPa 和117 kPa，對(duì)應(yīng)估算得到的TNT 當(dāng)量為307 g和289 g，平均值約為300 g，約為裸藥球爆轟總當(dāng)量的18%。

圖 8 全鋼結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)回收殼體碎塊殘骸Fig. 8 Recovery fragments of full steel confinement in second experiment

圖 9 帶窗口和全鋼結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的空氣沖擊波超壓波形Fig. 9 The air blast overpressure measured in the experiment with and without window

3 討 論

本文中實(shí)驗(yàn)關(guān)注的焦點(diǎn)是脆性炸藥中反應(yīng)產(chǎn)物壓力驅(qū)動(dòng)下的裂紋擴(kuò)展與烈度增長(zhǎng)過(guò)程，對(duì)此將進(jìn)行以下分析討論。

在給定約束下，1 g 黑火藥的燃燒會(huì)引發(fā)點(diǎn)火預(yù)留孔產(chǎn)生裂紋，炸藥損傷斷裂特性將強(qiáng)烈依賴(lài)于結(jié)構(gòu)約束的環(huán)向應(yīng)力。點(diǎn)火系統(tǒng)的氣體產(chǎn)物在早期裂紋形成和擴(kuò)展傳播階段可能扮演重要角色，這是因?yàn)闅怏w對(duì)流后裂紋表面熱傳導(dǎo)燃燒具有一個(gè)誘導(dǎo)時(shí)間，即點(diǎn)火系統(tǒng)和炸藥反應(yīng)產(chǎn)物高溫加熱到點(diǎn)燃的時(shí)間。對(duì)于新形成的裂紋表面，點(diǎn)火反應(yīng)是在對(duì)流物質(zhì)到達(dá)后經(jīng)過(guò)數(shù)十微秒或是更長(zhǎng)的數(shù)百微秒時(shí)間延遲后才發(fā)生的[2,10]。在高速攝影中看到的裂紋發(fā)光現(xiàn)象并不意味著裂紋表面已經(jīng)點(diǎn)燃，而可能是熱的發(fā)光氣體產(chǎn)物先進(jìn)入裂紋[10]。最后的反應(yīng)快速爆發(fā)是在發(fā)光完全覆蓋整個(gè)外表面一定時(shí)間后才發(fā)生的。

在中心點(diǎn)火后的反應(yīng)演化過(guò)程中，烈度增長(zhǎng)最敏感的因素是反應(yīng)燃燒表面積的增加速度[11-12]。炸藥塊體在最終爆發(fā)的一段時(shí)間前，可能存在一個(gè)災(zāi)變式的破碎過(guò)程，由此引發(fā)足夠多的裂紋表面積參與最后的反應(yīng)（見(jiàn)圖10）。當(dāng)不發(fā)生裂紋或破碎時(shí)，類(lèi)似于經(jīng)典厚壁DDT 管實(shí)驗(yàn)一樣[13]，最后階段在殼體破裂前反應(yīng)給出吉帕級(jí)的壓力特征。

圖 10 約束裝藥內(nèi)部反應(yīng)裂紋的早期和后期演化圖像Fig. 10 The early and late stage evolution of reactive cracks inside explosive bulk under confinement

強(qiáng)約束為反應(yīng)烈度增長(zhǎng)到劇烈反應(yīng)創(chuàng)造了條件，特別是炸藥反應(yīng)裂紋驅(qū)動(dòng)的塊體破碎，但是約束殼體強(qiáng)度限制了最后階段反應(yīng)烈度的進(jìn)一步增長(zhǎng)。經(jīng)典的DDT 概念[14]不能考慮為強(qiáng)約束壓裝PBX 炸藥非沖擊點(diǎn)火反應(yīng)演化的主導(dǎo)機(jī)制，即使是在后期約束殼體破裂前的劇烈反應(yīng)演化過(guò)程。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)大多采用遠(yuǎn)區(qū)超壓測(cè)量結(jié)果來(lái)評(píng)定反應(yīng)的劇烈程度，但由于大面積燃燒的劇烈反應(yīng)和穩(wěn)態(tài)超音速傳播的爆轟反應(yīng)，最終都表現(xiàn)為高壓氣體做功產(chǎn)生空氣沖擊波的爆炸現(xiàn)象，使得僅從超壓數(shù)據(jù)無(wú)法區(qū)分兩類(lèi)過(guò)程的差別。同時(shí)，由于殼體結(jié)構(gòu)還會(huì)消耗能量，由超壓推算的相對(duì)反應(yīng)釋能數(shù)據(jù)很難作為不同反應(yīng)比較的直接依據(jù)，如本文實(shí)驗(yàn)中估算的相對(duì)釋能僅為20%左右。而最能表征反應(yīng)烈度的還是結(jié)構(gòu)裝藥反應(yīng)的壓力和驅(qū)動(dòng)殼體的膨脹速度，根據(jù)本文的測(cè)試結(jié)果可知，高烈度反應(yīng)壓力可達(dá)1 GPa 量級(jí)，殼體速度最高可達(dá)500 m/s，上升時(shí)間僅在10 μs 量級(jí)，這明顯區(qū)別于典型更高烈度的爆轟反應(yīng)。

4 結(jié) 論

為了能進(jìn)一步認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)裝藥非沖擊點(diǎn)火反應(yīng)向高烈度轉(zhuǎn)變的過(guò)程，本文中專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一種新型強(qiáng)約束球形裝藥中心點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。初始激發(fā)的是非沖擊點(diǎn)火的方式，采用電點(diǎn)火頭和1 g 左右黑火藥。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：點(diǎn)火系統(tǒng)的氣體產(chǎn)物是早期裂紋形成的起因；中期燃燒裂紋傳播受結(jié)構(gòu)約束影響，對(duì)于烈度的增長(zhǎng)起著重要作用，具體體現(xiàn)為4 條裂紋由經(jīng)線(xiàn)傳播轉(zhuǎn)為環(huán)向貫通，隨后擴(kuò)展到整個(gè)藥球；最后的劇烈反應(yīng)造成強(qiáng)烈發(fā)光，烈度增長(zhǎng)的敏感因素應(yīng)該是大面積破損造成的燃燒表面積快速激增。

本文實(shí)驗(yàn)的高烈度反應(yīng)只形成約20%相對(duì)釋能輸出，但實(shí)驗(yàn)采用反應(yīng)壓力和殼體膨脹速度對(duì)反應(yīng)烈度進(jìn)行了更合理的量化表征。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的壓力在1 GPa 量級(jí)，殼體膨脹速度最大可達(dá)到500 m/s，波形上升時(shí)間在10 μs 量級(jí)，這與穩(wěn)態(tài)超音速傳播的爆轟反應(yīng)呈現(xiàn)明顯的差別。