亢澎霖，李小東，劉文杰，孫彥濤，關(guān)云飛，馬智剛，趙子文

（中北大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，山西 太原 030051）

發(fā)射藥是身管武器發(fā)射彈丸的能量來源，武器系統(tǒng)的發(fā)射威力與發(fā)射藥燃燒性能直接相關(guān)。固體發(fā)射藥的燃燒反應(yīng)程度取決于諸多因素，如發(fā)射藥的形狀、點火壓力、發(fā)射藥中高能物質(zhì)的百分比、易燃物質(zhì)的燃燒感度、調(diào)節(jié)燃燒速率的附加化學(xué)物質(zhì)、氧化劑用量的占比等。發(fā)射藥的燃燒過程相對復(fù)雜，但是已有較為完整的數(shù)學(xué)模型。

詳細(xì)的模型不僅可以計算發(fā)射藥的熱分解和后續(xù)反應(yīng)，還可以計算表面條件和整個燃燒波結(jié)構(gòu)[1]。Amberkar 等[2]用高速攝影測量了圓形發(fā)射藥的線性燃速，將實驗測得的燃燒速率應(yīng)用于爆燃速率定律中，得到了可用于性能預(yù)測和模擬發(fā)射藥應(yīng)用的模擬參數(shù)。王艷平等[3]采用構(gòu)建物理數(shù)學(xué)模型和實驗驗證的方法，首次提出發(fā)射藥燃燒熱輻射柱體理論模型。廖靜林等[4]采用絕熱的定壓近似計算法，對多種發(fā)射藥的火焰燃燒溫度進(jìn)行計算。高金明等[5]基于修正的當(dāng)量系數(shù)計算方法和測量，得到的不同爆心距離處沖擊波超壓時程曲線，確定了兩種高能發(fā)射藥超壓和比沖量TNT 當(dāng)量系數(shù)。其他學(xué)者還研究了發(fā)射藥的配方及工藝對燃燒性能的影響[6-12]。而點火是發(fā)射藥燃燒的起始條件，選取高效的點火方式顯得尤為重要。張鄒鄒等[13]對NC 體系發(fā)射藥進(jìn)行烤燃點火。Kakami 等[14]研究了激光能量、不同發(fā)射藥組分和點火條件對發(fā)射藥點火性能的影響。等離子點火具有點火穩(wěn)定、點火延遲時間短等優(yōu)點[15-18]，張江波等[19]搭建了金屬絲電爆炸點火試驗平臺，采用不同直徑的銅絲、鈦絲對硝胺發(fā)射藥進(jìn)行了電爆炸點火試驗，結(jié)果表明金屬絲電爆炸等離子體對硝胺發(fā)射藥的點火過程符合五階段點火機(jī)理。Koleczko 等[20]對JA2 發(fā)射藥進(jìn)行了低能量點火試驗，結(jié)果表明等離子體可以影響發(fā)射藥的點火與燃燒，等離子電弧輻射與發(fā)射藥起到相互促進(jìn)作用。

對于常規(guī)點火，可通過控制點火藥量以提升發(fā)射藥的燃燒性能，陳偉等[21]研究了點火藥量與爆炸能量輸出的關(guān)系，結(jié)果表明隨著點火藥量的增加，戰(zhàn)斗部燃燒轉(zhuǎn)爆轟越快。晁李金等[22]以硝化棉為點火藥，研究點火壓力的改變對發(fā)射藥燃燒性能的影響。趙寶明等[23]針對發(fā)射藥的配方，對點火藥進(jìn)行了篩選。陳曉明等[24]研究了約束條件對發(fā)射藥燃燒轉(zhuǎn)爆轟特性的影響規(guī)律，但是還未見點火能量對發(fā)射藥燃燒爆炸特性的研究報道。本文以單基發(fā)射藥為例，研究不同點火能量對發(fā)射藥點火后的燃燒爆炸特的影響，通過分析鑒定板及約束鋼筒內(nèi)壁燒蝕痕跡，得到不同點火能量條件對發(fā)射藥燃燒爆炸特性的影響規(guī)律，以期對發(fā)射藥反應(yīng)程度表征的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、發(fā)射藥點火設(shè)計、裝藥設(shè)計等提供支撐。

1 實驗裝置及方法

以單基發(fā)射藥作為實驗樣品，其主要成分為硝化棉（94.0%～96.0%），單節(jié)藥柱直徑為6.2 mm、高度約為14.4 mm。實驗時選取端面較平的整藥柱，單列排放于約束鋼筒內(nèi)。單基發(fā)射藥燃燒爆炸試驗系統(tǒng)如圖1 所示，主要包括防爆箱、點火系統(tǒng)、發(fā)射藥燃燒爆炸試驗裝置。防爆箱尺寸為：150.0 cm×33.0 cm×32.0 cm，壁厚1.0 cm?？紤]到實驗安全性，實驗進(jìn)行時將發(fā)射藥燃燒爆炸裝置放入防爆箱內(nèi)。點火系統(tǒng)由直流電源、點火線和點火頭組成，用于對推進(jìn)劑進(jìn)行點火。實驗在直徑為32.0 mm、壁厚為12.0 mm、長1200.0 mm 的304 鋼制約束套筒內(nèi)進(jìn)行，實驗裝置如圖2 所示。在鋼筒側(cè)面開單排小孔，孔徑為2.2 mm，孔間距為50.0 mm，鋼筒兩端用法蘭及端蓋封閉，法蘭及端蓋直徑為100.0 mm、厚10.0 mm，螺栓直徑為10.0 mm。裝配時將鋼筒側(cè)面小孔垂直對正鋁制鑒定板，鑒定板長1180.0 mm，寬80.0 mm，厚8.0 mm。鑒定板下方用寬60.0 mm 膠帶纏繞固定厚25.0 mm 泡沫塊使其與鋼筒緊密接觸。

圖1 單基發(fā)射藥燃燒爆炸實驗系統(tǒng)Fig.1 Combustion and explosion experiment system of single-base propellant

圖2 單基發(fā)射藥燃燒爆炸裝置Fig.2 Single-base propellant combustion and explosion device

本實驗選用A1-30G 型號鐵鉻合金電熱絲制作點火具，圈徑2.5 mm，阻值1.97 Ω。以一節(jié)藥柱為軸，用稱量紙制作紙筒，藥柱襯底倒入黑火藥。如圖3 所示，電熱絲接導(dǎo)線置入黑火藥包上部，并與黑火藥充分接觸，使用12 V 直流電源點火，電熱絲發(fā)熱發(fā)光時間約為1.0 s，能夠有效點燃黑火藥。黑火藥燃燒爆炸釋放熱量引燃單基發(fā)射藥。黑火藥燃燒熱為2.89 kJ/g[25]，為研究點火能量對單基發(fā)射藥燃燒爆炸特性的影響，在4.0、5.0、8.0、20.0 kJ 點火能量條件下，各進(jìn)行一次點火，黑火藥包裝藥質(zhì)量及長度見表1。以鋁制鑒定板的燒蝕痕跡、約束鋼筒內(nèi)壁燒蝕痕跡作為發(fā)射藥燃燒爆炸反應(yīng)劇烈程度的判據(jù)。

表1 不同點火能量條件下黑火藥裝藥質(zhì)量及長度Table 1 Quality and length of black powder charge under different ignition energy conditions

圖3 黑火藥包及點火具Fig.3 Black powder bag and ignition device

2 結(jié)果與討論

2.1 鑒定板燒蝕痕跡分析

2.1.1 鑒定板燒蝕直徑分析

對單基發(fā)射藥在不同點火能量條件下進(jìn)行燃燒爆炸實驗，使用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測量鑒定板燒蝕直徑，結(jié)果見圖4。鑒定板左側(cè)為黑火藥點火端，依次到右側(cè)末端共23 個燒蝕痕跡。受膠帶固定鑒定板與泡沫塊纏繞裝配的影響，距點火端第4、19 個小孔正對于膠帶上方，導(dǎo)致燒蝕痕跡附著在固定膠帶上。對比不同位置處燒蝕痕跡直徑，隨著反應(yīng)距離的增大，燒蝕痕跡直徑不斷減小。燒蝕痕跡形成原因是，單基發(fā)射藥在燃燒反應(yīng)過程中釋放大量高溫高壓氣體，伴隨未完全反應(yīng)的含碳固體產(chǎn)物及粘結(jié)劑的固體產(chǎn)物沖擊作用于鋁制鑒定板上。因此，形成燒蝕痕跡直徑大小主要由發(fā)射藥燃燒反應(yīng)是否完全，以及燃燒反應(yīng)釋放高溫高壓氣體的沖擊作用范圍共同決定。

圖4 單基發(fā)射藥燃燒爆炸鑒定板燒蝕痕跡直徑Fig.4 Diameters of ablation traces on the combustion and explosion witness plate of the single-base propellant

測量鑒定板燒蝕痕跡直徑見圖5。從圖5(a)可知：5.0 cm 處對應(yīng)黑火藥包所在位置，不在分析范圍內(nèi)。當(dāng)點火能量為4.0 kJ 時，隨著鑒定板距離的增大，發(fā)射藥對應(yīng)每個點位的燒蝕直徑總體呈減小趨勢。在20.0 cm 處燒蝕痕跡附著膠帶固定面，在發(fā)射藥反應(yīng)初期膠帶對火焰產(chǎn)生了阻隔作用，造成燒蝕痕跡直徑略小，此位置處不在考慮范圍內(nèi)。當(dāng)距離小于60.0 cm 時，燒蝕直徑變化較小，達(dá)到65.0 cm 處直徑驟降，之后燒蝕直徑均處于較小范圍，在75.0 cm 處直徑最小。距約束鋼筒點火端105.0～120.0 cm 處為發(fā)射藥反應(yīng)末端，對應(yīng)鑒定板105.0～115.0 cm 處3 個燒蝕痕跡，反應(yīng)末端燒蝕痕跡直徑平均值為6.47 mm。這是由于發(fā)射藥反應(yīng)劇烈程度發(fā)生了變化，在距離小于60.0 cm 時約束鋼筒內(nèi)發(fā)射藥反應(yīng)劇烈程度較小，反應(yīng)距離達(dá)到65.0 cm 時發(fā)射藥反應(yīng)劇烈程度迅速增強，在75.0 cm 處反應(yīng)劇烈程度最強。

圖5 不同點火能量條件下燒蝕痕跡直徑曲線Fig.5 Ablation trace diameter curves under different ignition energy conditions

由圖5(b)可知，點火能量為5.0 kJ 時，隨著鑒定板距離的增大，發(fā)射藥燒蝕直徑變化與點火能量為4.0 kJ 時相似，總體呈下降趨勢。20.0 cm 處燒蝕痕跡附著膠帶固定面。當(dāng)距離小于50.0 cm 時，隨著鑒定板距離的增大燒蝕直徑略有減小，在50.0～65.0 cm 距離范圍內(nèi)，燒蝕直徑迅速減小，距離達(dá)到70.0 cm 后燒蝕直徑變化較小處于較低水平，在95.0 cm 處燒蝕直徑最小。反應(yīng)末端燒蝕痕跡平均值為5.43 mm。分析其原因，在距離小于50.0 cm 時約束鋼筒內(nèi)發(fā)射藥反應(yīng)劇烈程度較小，在50.0～65.0 cm 距離范圍內(nèi)，隨距離的增大反應(yīng)劇烈程度增強，70.0 cm 后發(fā)射藥反應(yīng)處于更為劇烈狀態(tài)。

從圖5(c)可知，隨著點火能量的進(jìn)一步增大，燒蝕痕跡直徑隨鑒定板距離的變化趨勢更加明顯，即距點火端距離增大發(fā)射藥燒蝕痕跡直徑不斷減小。點火能量為8.0 kJ 時，點火藥增多，10.0 cm 處燒蝕痕跡為黑火藥造成，15.0 cm 處燒蝕痕跡附著在膠帶固定面。鑒定板位于25.0 cm 處燒蝕直徑最大，到30.0～35.0 cm 處燒蝕痕跡直徑迅速減小。當(dāng)距離為25.0 cm 時，直徑為14.0 mm；距離為70.0、80.0、105.0 cm 時，燒蝕痕跡直徑分別為8.0、6.0 和5.0 mm。反應(yīng)末端燒蝕痕跡平均值為5.30 mm。

由圖5(d)可知，繼續(xù)增大點火能量至20.0 kJ 時，鑒定板點火端處燒蝕痕跡直徑較大。這是由于點火能量較大，需要黑火藥6.91 g，即在約束鋼筒內(nèi)黑火藥包長26.37 cm。因此，前5 個燒蝕痕跡為黑火藥燃燒爆炸造成，不在分析范圍之內(nèi)。鑒定板在距離為90.0～95.0 cm 位置處燒蝕痕跡直徑迅速減小，在105.0 cm 處燒蝕痕跡直徑僅為3.0 mm。反應(yīng)末端燒蝕痕跡平均值為4.73 mm。

單基發(fā)射藥燃燒爆炸響應(yīng)程度決定燒蝕直徑大小，發(fā)射藥燃燒爆炸釋放大量氣體，高溫高壓氣體通過小孔形成湍流[26]，湍流擴(kuò)散角決定燒蝕痕跡的大小，其計算方法為[27]：

式中：α 為湍流擴(kuò)散角，a為湍流強度。湍流強度與湍流流速直接相關(guān)：

式中：E(v)為對應(yīng)流速的期望，為脈動流速的均方根。脈動流速是湍流瞬時流速與其時間平均值之差。由于發(fā)射藥燃燒爆炸過程瞬間完成，因此湍流過程中湍流流速與脈動流速差距較小，可看成一個定值。為了分析湍流強度與湍流流速的關(guān)系，對式(2)變形，得到：

式中：D(v)為對應(yīng)流速的方差。

從式(3)可知，湍流強度與流速的期望呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與流速的方差呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)反應(yīng)劇烈程度較小時，反應(yīng)速度較慢，單位時間內(nèi)反應(yīng)釋放的氣體較少，持續(xù)時間較長，此時流速期望較小，方差較大，因此湍流強度較大。隨著反應(yīng)劇烈程度的增加，反應(yīng)速度增大，單位時間內(nèi)釋放大量氣體，且持續(xù)時間縮短，此時流速期望增大，方差減小，因此湍流強度減小。

綜上所述，約束鋼筒內(nèi)發(fā)射藥反應(yīng)越劇烈，湍流流速越大，湍流強度就越小，擴(kuò)散角α 越小，燒蝕直徑越小。不同反應(yīng)劇烈程度湍流擴(kuò)散角對比見圖6。從圖6 可知，發(fā)射藥反應(yīng)劇烈程度較低，湍流擴(kuò)散角變大，燒蝕痕跡直徑較大；發(fā)射藥反應(yīng)劇烈程度增大，湍流擴(kuò)散角變小，燒蝕痕跡直徑較小。因此黑火藥點燃發(fā)射藥反應(yīng)初期劇烈程度較小，隨著反應(yīng)距離的增加發(fā)射藥反應(yīng)劇烈程度增大。對比圖5 中不同點火能量末端燒蝕痕跡直徑平均值，能夠判斷隨著點火能量的增大，發(fā)射藥末端反應(yīng)劇烈程度總體呈增大趨勢。

圖6 單基發(fā)射藥不同反應(yīng)劇烈程度湍流擴(kuò)散角對比Fig.6 Comparison of turbulent flow spread angle of single-base propellant with different reaction intensity

2.1.2 鑒定板燒蝕顏色分析

對比鑒定板不同位置處燒蝕痕跡顏色深度，使用軟件Adobe Photoshop 2020 采集中心位置點RGB 值，RGB 和值較小時顏色較深，和值較大時顏色較淺。不同距離處燒蝕痕跡的的RGB 和值見圖7。從圖7 可知，隨著鑒定板距離的增大RGB 和值先減小后增大，即燒蝕痕跡顏色先變深后變淺。燒蝕痕跡顏色的變化與發(fā)射藥燃燒爆炸反應(yīng)劇烈程度和藥柱反應(yīng)是否完全有關(guān)。不同點火能量條件下燒蝕痕跡RGB 和值曲線見圖8。

圖7 單基發(fā)射藥燃燒爆炸鑒定板燒蝕痕跡RGB 和值Fig.7 RGB summation of the ablation traces on the witness plate by the combustion of the single-base propellant

圖8 不同點火能量條件下燒蝕痕跡RGB 和值曲線Fig.8 RGB summation curves of ablation traces under different ignition energy conditions

從圖8(a)可知，在點火能量為4.0 kJ 時，鑒定板點火端燒蝕痕跡RGB 和值較大，燒蝕顏色較淺。隨著鑒定板距離的增大，RGB 和值呈減小趨勢，在60.0 cm 處RGB 和值達(dá)到最小，隨后RGB 和值略微增大，在75.0 cm 處，RGB 和值呈減小趨勢。在5.0 cm 位置處點為黑火藥燒蝕作用造成的，可排除該位置與其他位置的顏色對比。由于點火初期參與反應(yīng)的發(fā)射藥較少，反應(yīng)較慢，因此釋放的固體產(chǎn)物較少，燒蝕痕跡顏色較淺；隨著約束鋼筒內(nèi)反應(yīng)距離的增加，參與反應(yīng)的發(fā)射藥增多，反應(yīng)劇烈程度變大，反應(yīng)速度加快，但反應(yīng)不完全，因此釋放的黑色固體產(chǎn)物增多，燒蝕痕跡顏色加深；當(dāng)反應(yīng)距離進(jìn)一步增大時，發(fā)射藥參與反應(yīng)比重進(jìn)一步增大，反應(yīng)速度進(jìn)一步加快，反應(yīng)變完全，釋放的固體產(chǎn)物減少，燒蝕痕跡顏色變淺。

從圖8(b)和圖8(c)可知，在點火能量為5.0、8.0 kJ 時，隨著距離的增大，燒蝕痕跡RGB 和值曲線總體呈先減小后增大的趨勢，燒蝕顏色先變深后變淺。由于黑火藥裝藥需要一定空間，排除該位置與發(fā)射藥位置的顏色對比。點火強度較小，點火位置處發(fā)射藥反應(yīng)不完全，反應(yīng)劇烈程度較小，固體產(chǎn)物較少；隨著距離的增大更多發(fā)射藥參與反應(yīng)，反應(yīng)劇烈程度變大，但反應(yīng)仍不完全，導(dǎo)致固體產(chǎn)物附著在鑒定板上導(dǎo)致顏色加深；在點火能量為5.0、8.0 kJ 時，分別在60.0、30.0 cm 處燒蝕痕跡最深，隨后上升明顯。這是由于點火能量增大，發(fā)射藥反應(yīng)成長距離減小。反應(yīng)距離的進(jìn)一步增大導(dǎo)致反應(yīng)劇烈程度進(jìn)一步增強，此時反應(yīng)較為完全，固體產(chǎn)物變少，因此燒蝕痕跡顏色變淺。

從圖8(d)可知，點火能量為20.0 kJ 時，不考慮鑒定板5.0～20.0 cm 處黑火藥燃燒造成燒蝕痕跡的條件下，RGB 和值隨距離增大略有減小后迅速上升，在105.0 cm 處達(dá)到最大值244，燒蝕顏色最淺。分析發(fā)射藥反應(yīng)劇烈程度變化表明：由于點火能量較大，在反應(yīng)最初階段反應(yīng)劇烈程度較強，但此時發(fā)射藥反應(yīng)不完全，鋁制鑒定板燒蝕痕跡顏色較深；隨著距離的增大，反應(yīng)劇烈程度進(jìn)一步增強，反應(yīng)完全，固體產(chǎn)物減少直至幾乎消失，此時燒蝕痕跡顏色變淺。從圖9 中觀察鑒定板末端燒蝕痕跡，能夠很明顯地看出該位置處發(fā)射藥反應(yīng)作用于鋁制鑒定板形成了明顯凹坑，此時反應(yīng)劇烈程度較大，發(fā)射藥達(dá)到爆燃。

圖9 20 kJ 點火能量對單基發(fā)射藥燃燒爆炸鑒定板實驗結(jié)果Fig.9 Test results of 20 kJ ignition energy on combustion and explosion witness plate of single base-propellant

綜合分析鑒定板燒蝕痕跡直徑及痕跡顏色發(fā)現(xiàn)，在4.0、5.0 和8.0 kJ 點火能量條件下，點火發(fā)生后發(fā)射藥發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)不完全且反應(yīng)速率較慢；在經(jīng)歷一定距離成長后，反應(yīng)劇烈程度迅速增加，反應(yīng)速度加快，但此時反應(yīng)依然不完全，反應(yīng)釋放出大量固體產(chǎn)物，此時燒蝕痕跡顏色最深。隨著發(fā)射藥點火能量的增大，反應(yīng)劇烈程度較弱到反應(yīng)劇烈程度迅速增強的成長距離不斷減小。由于不同點火能量條件下，黑火藥包裝藥長度不同，將燒蝕痕跡顏色最深處與黑火藥包長度做差，可知4.0、5.0 和8.0 kJ 對應(yīng)的成長距離分別為54.66、53.95 和19.38 cm。隨著反應(yīng)距離的增大，反應(yīng)劇烈程度增強，直至約束鋼筒末端。在20.0 kJ 點火能量強度下，發(fā)射藥點火后反應(yīng)劇烈程度較強，跳過反應(yīng)成長階段；隨著距離的增大，反應(yīng)劇烈程度依然不斷增強，在90.0 cm 處反應(yīng)快速增強，對比相應(yīng)位置的燒蝕痕跡RGB和值，能夠判斷此處位置發(fā)射藥由不完全反應(yīng)變?yōu)橥耆磻?yīng)，反應(yīng)劇烈程度進(jìn)入新的階段，發(fā)射藥發(fā)生爆燃反應(yīng)。

2.2 約束鋼筒內(nèi)部分析

2.2.1 約束鋼筒內(nèi)壁痕跡分析

將約束鋼筒先縱向分割，再沿軸線方向剖開，觀察管內(nèi)壁爆炸痕跡，見圖10。圖中點火位置在鋼筒左側(cè)，能夠較為明顯地看出左側(cè)管內(nèi)壁顏色較淺，中間位置顏色較深，鋼筒末端顏色較淺。分析其原因，在點火初期反應(yīng)不完全，參與反應(yīng)發(fā)射藥較少，反應(yīng)速度較慢，釋放黑色固體較少；反應(yīng)距離增大，參與反應(yīng)發(fā)射藥增多，發(fā)射藥反應(yīng)劇烈程度增大，反應(yīng)速度加快，但反應(yīng)不完全，釋放黑色固體較多；末端顏色較淺，反應(yīng)更加劇烈，反應(yīng)完全，釋放黑色固體減少。該現(xiàn)象規(guī)律與2.1.2 節(jié)得出的結(jié)論相互印證。同時對反應(yīng)劇烈程度進(jìn)行分析，圖10 中給出了發(fā)射藥斷面痕跡，分析痕跡產(chǎn)生的原因，由于單節(jié)發(fā)射藥長度有限，因此單節(jié)發(fā)射藥對鋼筒內(nèi)壁作用與兩節(jié)發(fā)射藥藥柱中間界面位置處對鋼筒內(nèi)壁的作用存在較大差異。當(dāng)反應(yīng)劇烈程度較弱時，這種差異不明顯，隨著反應(yīng)劇烈程度的增加，作用差異在約束鋼筒內(nèi)壁留下斷面痕跡，如圖10 所示。

圖10 約束鋼筒內(nèi)壁燃燒痕跡Fig.10 Trace of the combustion wall in confined steel cylinder

不同點火能量條件下，鋼筒內(nèi)壁斷面痕跡初始位置統(tǒng)計結(jié)果見表2。當(dāng)點火能量較小時，斷面出現(xiàn)位置距離鋼筒點火端510.0～560.0 mm；當(dāng)點火能量為20.0 kJ 時，斷面出現(xiàn)位置距離減小，與鋼筒點火端距離465.0 mm。由于黑火藥裝藥長度不同，根據(jù)表1 計算斷面痕跡初始位置與點火位置距離。從表2 可知，隨著點火能量的增大，距離呈減小趨勢。當(dāng)點火能量為20.0 kJ時，距離僅為201.3 mm，在較短的距離內(nèi)，發(fā)射藥反應(yīng)劇烈程度增至較強。

表2 不同點火能量條件下斷裂痕跡出現(xiàn)位置Table 2 Location of fracture traces under different ignition energy conditions

2.2.2 高能量點火發(fā)射藥燃燒爆炸過程分析

對20kJ 點火能量條件下約束鋼筒內(nèi)單基發(fā)射藥燃燒過程進(jìn)行分析，見圖11，在燃燒至爆燃階段，點火初期反應(yīng)較慢且不完全，隨著距離的增大，反應(yīng)速度加快，反應(yīng)仍不完全，燃燒向爆燃階段發(fā)展，達(dá)到爆燃階段后反應(yīng)速率加快，且反應(yīng)完全。此過程可從鋁制鑒定板和鋼制套筒內(nèi)壁燒蝕痕跡變化規(guī)律中得到印證。分析約束鋼筒內(nèi)發(fā)射藥反應(yīng)位置順序（圖11(a)），在點火初期發(fā)射藥發(fā)生燃燒反應(yīng)，點火端參與反應(yīng)的發(fā)射藥較少，加反應(yīng)不完全。由圖11(b)可知，隨著燃燒距離的增大，發(fā)射藥反應(yīng)范圍增大，在自催化作用下，反應(yīng)速率增大，反應(yīng)劇烈程度增大，形成的燃燒波對點火端未完全反應(yīng)的剩藥及末端未反應(yīng)藥柱形成沖擊擠壓。根據(jù)圖11(c)，當(dāng)燃燒至后部分，發(fā)射藥形成爆燃，反應(yīng)速率快且反應(yīng)完全，對末端碎藥形成強沖擊，附著于末端堵蓋無法分離，同時對點火端剩藥形成沖擊，作用于點火端堵蓋。

圖11 20 kJ 點火能量下發(fā)射藥燃燒爆炸過程示意圖Fig.11 Schematic diagram of the propellant combustion and explosion process under 20 kJ energy ignition

對20 kJ 點火能量條件下單基發(fā)射藥單節(jié)藥柱燃燒過程進(jìn)行分析，見圖12。約束鋼筒內(nèi)不同位置藥柱燃燒過程分為3 種反應(yīng)程度：緩慢燃燒，快速燃燒，爆燃。單基發(fā)射藥點火后發(fā)生緩慢燃燒，作用于藥柱表面及內(nèi)孔，火焰沿發(fā)射藥表面及內(nèi)孔傳播，釋放未反應(yīng)完全的黑色固體產(chǎn)物，直至藥柱表面完全燃燒；隨著反應(yīng)距離的增大，發(fā)射藥燃燒速度變快，火焰在藥柱表面及內(nèi)孔迅速傳播，反應(yīng)不完全，釋放較多黑色固體產(chǎn)物；在約束鋼筒末端，發(fā)射藥燃燒更快，火焰?zhèn)鞑ミ^程在極短時間內(nèi)完成，發(fā)射藥反應(yīng)完全，釋放較少黑色固體產(chǎn)物，此時發(fā)射藥反應(yīng)劇烈，達(dá)到爆燃，與2.1.2 節(jié)的結(jié)論相互印證。

圖12 20 kJ 點火能量下約束鋼筒內(nèi)不同位置藥柱燃燒過程Fig.12 Combustion process of the propellant grain at different positions in the confined steel cylinder under 20 kJ energy ignition

3 結(jié) 論

本文利用自主設(shè)計的發(fā)射藥燃燒爆炸特性裝置，研究了點火能量對單基發(fā)射藥燃燒爆炸特性的影響，得出了以下的主要結(jié)論：

(1) 點火初期發(fā)射藥反應(yīng)劇烈程度低，反應(yīng)不完全，隨著反應(yīng)距離的增大，反應(yīng)劇烈程度增強，但反應(yīng)仍不完全；當(dāng)反應(yīng)距離達(dá)到末端時，發(fā)射藥反應(yīng)劇烈程度更強；

(2) 點火能量對單基發(fā)射藥燃燒爆炸特性具有顯著影響，在4.0、5.0 和8.0 kJ 點火能量條件下，發(fā)射藥點火初期到反應(yīng)劇烈程度迅速增強的成長距離分別為54.66、53.95 和19.38 cm；在20.0 kJ 點火能量條件下跳過反應(yīng)成長階段，點火初期反應(yīng)劇烈程度較強；

(3) 隨著點火能量的不斷增大，發(fā)射藥末端反應(yīng)劇烈程度增強，在20.0 kJ 點火能量下，約束鋼筒末端發(fā)射藥反應(yīng)劇烈程度最大，發(fā)生爆燃反應(yīng)，鑒定板產(chǎn)生明顯凹坑；

(4) 在20.0 kJ 點火能量下，約束鋼筒內(nèi)點火端、中端和末端發(fā)射藥的燃燒速度不同，可分為緩慢燃燒、快速燃燒和爆燃。