HMX颗粒炸药低速撞击点火实验研究＊

吴艳青，黄风雷，艾德友

（北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081）

炸药材料敏感性是炸药能否实用的关键性能之一，工程领域常用落锤实验评价炸药低速撞击作用下的感度［1－2］。在落锤撞击实验中，主要根据爆光、爆音、爆烟、爆痕、爆炸分解生成物来判断爆与不爆［3］，并不区分燃烧或爆炸反应的剧烈程度。实际上，即使感度实验中h50相同的两种炸药，受撞击作用后，反应的剧烈程度也会不同［4－5］。当炸药受到落锤低速撞击后，局部形成的热点会导致缓慢或剧烈燃烧，甚至引起爆炸［6－9］。因此，要准确评判炸药材料的敏感性，就需要观测热点形成、热点长大、热点点火、燃烧或爆炸的整个过程。

对落锤仪进行改造来研究炸药试样的点火机理，最著名的是英国剑桥大学的卡文迪许实验室改造的落锤仪［10－11］。代晓淦等［12］通过改造落锤仪获取了炸药受撞击作用过程的各项数据；胡庆贤等［13］通过在落锤仪上安装加速度测试系统获取了落锤撞击期间的加速度变化和撞击持续时间等，这些实验数据都具有很重要的参考价值。

本文中，参考卡文迪许实验室的实验装置［14］，对传统的立式落锤仪上的落锤和撞击底座进行改造，增加光路系统，利用高速摄影仪，拍摄HMX颗粒炸药试样受落锤撞击过程的变况图像，该装置还可联接压力传感器。在对实时拍摄的图像进行分析的基础上，分析落锤高度和炸药颗粒松散度对炸药撞击响应过程的影响规律。

1 落锤撞击加载实验

根据落锤仪上配备的传统落锤整体尺寸，在落锤和底座内加工一些孔，以便放置钢化玻璃击柱和镜面。改造后的落锤光路原理示意图如图1所示。炸药的材料为如图2所示的H M X颗粒，颗粒尺寸约6 0 0～9 0 0μm。落锤撞击试样瞬间，由光源发出的光线经过落锤中的镜子反射，透过钢化玻璃上击柱－试样－钢化玻璃下击柱进行传播，随后经过撞击装置中的镜面反射，由微光高速数字成像系统记录试样受落锤撞击后的响应过程。

图1 落锤加载装置及光学系统示意图Fig.1 Schematic diagram showing the drop－weight loading and optical measurement system

图2 HMX颗粒炸药初始形貌Fig.2 Initial morphology of HMX granular explosive

2 落锤撞击颗粒炸药结果

2.1 落锤下落高度的影响

高速摄影仪拍摄频率取为105s－1，图3、4分别取质量为32.0、31.5 mg的HMX颗粒炸药，当落锤下落高度分别设定为15、18 cm时受撞击的变化过程图像，颗粒摆放保持为单层相互接触但无堆积。图3中，当落锤下落高度为15 cm时，没有发生点火。690μs时，试样右下侧边界处发生少量喷射，710μs时发生大量喷射。试样中心处透光性也大幅度提高，但面积扩展并未有太大变化。伴随着试样右下角喷射强度的减弱，在1 060μs时，左上侧又发生了少量喷射，试样受撞击加载的过程持续了1 140μs。

由图3可知，落锤下落高度为15 cm的撞击并没有导致HMX颗粒炸药点火和起爆，主要在边界处发生了2次很明显的喷射。喷射现象是局部产生液相一个很好的证明，图3（c）之前大部分时间内（510μs），颗粒炸药主要经历塑性变形和压实扩展，图3（i）为最后残留的压实状态炸药。

图3 落锤下落高度为15 cm时32.0 mg的HMX颗粒炸药受撞击的响应过程Fig.3 Selected high－speed photographic frames for H MX particles（with the mass of 32.0 mg）in response to a drop－weight impact with the falling height of 15 cm

图4记录了落锤下落高度为18 cm的炸药响应过程。图4（b）～（d）为塑性扩展阶段，持续520μs；图4（e）～（f）为点火前的透光性明显增强阶段，图4（f）（即630μs时刻）中发生了点火，640μs时刻热点聚合，发生剧烈燃烧；从660μs后火焰开始熄灭。由图4可知，在落锤下落高度为18 cm情况下经历了520μs的塑性变形扩展－透光性增强－点火－快速燃烧－燃烧熄灭－残留物重新堆积，仍有较多残留物。

2.2 颗粒初始松散度的影响

图5～6比较了相同落锤高度（18 cm），不同初始松散度对炸药撞击变形—— 点火/燃烧演化过程的影响。松散度定义为初始平铺面积与质量之比，该值越大，颗粒摆放越分散。

图5为31.7 mg的HMX颗粒炸药受落锤撞击变化过程图像，试样平铺面积90.91 mm2，松散度为2.87 mm2/mg。图5（a）～（c）为塑性扩展阶段，持续时间为410μs；图5（c）～（h）为透光性明显增强阶段，该阶段持续时间为310μs；从图5（e）（即510μs时刻）开始，试样下部区域发生喷射，图5（i）～（q）为试样点火燃烧阶段，有3个点火位置产生，第1个位置点火时刻为720μs，第2个点火位置发生时刻为730μs，第3个点火位置发生时刻为750μs。这是由于第1个位置发生点火后，未能传播燃烧，随后又出现第2、3个点火位置，图5（m）～（q）发生点火点聚合，随后燃烧传播，持续时间为50μs。

图5 落锤下落高度为18 cm、松散度为2.87 mm2/mg时31.7 mg的HMX颗粒炸药受落锤撞击变化过程图像Fig.5 Selected high－speed photographic frames showing the responses of a layer of HMX particles with the total mass of 31.7 mg and the incompactness degree of 2.87 mm2/mg，subjected to a 18 cm drop height impact

图6为31.5 mg HMX受落锤撞击变化过程图像，试样平铺面积81.79 mm2，松散度2.60 mm2/mg。图6（b）～（d）为塑性扩展阶段，持续时间为470μs，图6（e）～（g）为透光性明显增强阶段，持续时间为290μs，图6（h）～（l）为点火燃烧阶段，持续时间为50μs，图6（h）中出现2个点火位置，图6（m）～（n）过程中，由部分透光发展到完全不透光。此实验中主要经历了470μs塑性变形扩展，290μs透光性增强阶段，760～800μs时间内的点火聚合及快速燃烧过程。

图6 落锤下落高度为18 cm、松散度为2.60 mm2/mg时31.5 mg的HMX颗粒炸药受落锤撞击变化过程图像Fig.6 Selected high－speed photographic frames showing the responses of a layer of HMX particles with the total mass of 31.5mg and the incompactness degree of 2.60 mm2/mg，subjected to a 18 cm drop height impact

2.3 对比分析

为便于分析对比，将落锤撞击高度为15、18和30 cm的实验分别标号为实验1、2、3，颗粒松散度为2.87、2.60、1.54 mm2/mg的标号为实验4、5、6。表1为落锤撞击高度不同的3次实验的对比分析，表2为落锤高度相同、松散度不同的3次实验现象对比分析。表中m为试样质量，A为试样平铺面积，v为颗粒松散程度，h为落锤撞击高度，tp为塑性扩展持续时间，tt为透光时 间，tj，0为 喷 射开始时间，ti，0为点火初始时刻，ti为点火持续时间。在表1的3个实验中，试样质量均接近30 mg，其中实验1只发生喷射现象，而实验2、3均发生点火燃烧现象，而不发生喷射。落锤撞击高度较高时，炸药更容易发生点火现象，以上3组不同落锤撞击高度的实验结果更直观生动地揭示了落锤高度对炸药变形－点火－燃烧或爆炸的影响。表2中，实验4的松散程度最大，先后产生3个点火位置；实验5同时产生2个点火位置；实验6松散程度最低，仅出现1个点火位置。说明颗粒摆放越松散，越容易产生热点，点火位置越多，实验发生点火燃烧的机会就越大。其中，从实验4中（见图5）还发现，在试样下部区域还发生了喷射现象，大部分区域发生了由点火导致的燃烧，但是发生喷射的区域未参与后发生的点火燃烧过程。

图7为不同落锤撞击高度的3次实验中图像面积随时间变化曲线。其中实验1的曲线中2次较为剧烈的面积变化对应于出现的2次喷射现象，实验2和实验3中面积发生突变处为点火－燃烧发生的时刻。图8为不同松散度的试样图像面积变化曲线。实验4曲线中的第1个剧烈变化是由试样右下部发生部分喷射引起的，第2个剧烈变化则是由于发生了点火燃烧现象。实验5和6的曲线剧烈变化时刻均为试样点火燃烧的时刻。

表1 试样变形点火－响应受落锤撞击高度的影响Table 1 Effects of drop height on impact responses of HMX granular explosives

表2 试样变形－点火响应受松散度的影响Table 2 Effects of incompactness degrees on impact responses of HMX granular explosives

图7 不同落锤撞击高度的试样图像面积变化曲线Fig.7 Radial expansion area change of HMX granular explosives impacted by drop weights with different falling heights

图8 不同松散度的试样图像面积变化曲线Fig.8 Radial expansion area change of HMX granular explosives with different incompactness degrees

3 结 论

利用改造的落锤和底座装置，结合高速摄影仪，实时拍摄了颗粒炸药受落锤撞击后的响应。研究了落锤撞击高度、试样松散程度对撞击点火响应的影响，能够清晰观测到颗粒炸药受撞击后的主要过程：塑性扩展、透光性增强、点火及燃烧阶段。当然，每次实验并非均经历所有的阶段。结果表明，其他条件相同的情况下，落锤高度越高，更容易发生点火燃烧现象，落锤高度低，易于发生喷射现象。

试样初始摆放松散程度也会影响炸药变形过程及燃烧反应剧烈程度。当试样堆放较为密集时，塑性变形阶段较长，而松散度大的试样塑性扩展时间越短，也越容易形成多个点火位置，点火位置越多，热点聚合导致燃烧的机会就越大。但是如果过于松散，颗粒间不存在相互作用，剧烈燃烧现象较难出现。

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