不同点火条件下DNTF与B炸药的燃烧转爆轰实验研究

罗一鸣，沈 飞，王 辉，张蒙蒙，王煊军

(1.火箭军工程大学，陕西 西安 710025；2.西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)

引言

3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)是目前具备实用价值的第三代含能材料之一，其能量水平仅次于CL-20，且该材料具有较低的熔点(108～110℃)和较高的密度、爆速及爆热，以其作为载体开发的熔铸炸药相比于TNT基和DNAN基熔铸炸药具有显著的能量优势[1-4]。

但前期研究表明[5]，DNTF基熔铸炸药具有点火后快速转爆轰的特点，难以通过快速烤燃、慢速烤燃等安全性试验，从而影响DNTF基炸药的推广应用。因此，为了提升DNTF基炸药的使用安全性，必须深入研究其燃烧转爆轰(DDT)行为，才能寻求合适的技术途径加以改善。

DDT的研究一直是火炸药领域中的热点，其特征对火炸药的生产、运输、使用、贮存等各环节的安全性均有重要影响，因此国内外开展了大量的研究工作[6-13]。然而在DNTF的应用领域中，DDT的研究工作仍较为薄弱，冯晓军等[14-15]研究了配方组分、点火药量、约束强度、装药成型方式对DNTF基炸药的燃烧转爆轰的影响，结果显示点火药量的改变对初始燃烧持续时间和诱导爆轰距离的影响较为明显。

然而在上述研究中，采用的最低点火条件为3g黑火药，且燃烧室的空间较小，其点火强度约达百兆帕级，导致DNTF基炸药的DDT过程较为迅速，不利于深入分析其增长过程；此外，该实验采用特定的混合炸药配方，其他组分的引入对于研究DNTF燃烧转爆轰过程也具有一定的干扰。

由于火炸药的安全事故，很多情况下是在受到较低刺激下逐渐增长而发生的，因此研究弱刺激下的点火增长过程同样具有非常重要的现实意义[16]；此外，重点针对其DNTF单质炸药，而非混合炸药配方开展DNTF的点火转爆轰的研究，对于不同体系DNTF基配方的设计具有更为明确的指导意义。

基于以上原因，本研究采用0.25、0.5、1.0、2.0g 4种不同药量的黑火药点火，考察了DNTF单质炸药的燃烧转爆轰过程，并在相同条件下与B炸药的DDT现象进行了对比，以期为DNTF的安全性优化及工程应用研究提供参考。

1 实 验

1.1 实验装置

DDT试验装置如图1所示，由点火器、DDT管、同轴电离探针、激光探头传感器以及高速、低速两台数据采集仪等组成。

点火器由电点火头(约含30mg黑火药)与不同质量的黑火药组成，即采用细纱将电点火头和黑火药包裹一体，并将其装入DDT管端头内的点火腔内，通过调整黑火药的质量可以对点火压力进行控制。

DDT管的材质为45号钢，由点火端盖、管身和尾部端盖组成，其结构如图1所示。点火端头内部设置了Φ20mm×25mm的圆柱形点火空腔；管身内径为20mm，外径为64mm，长度为500mm。DDT管的约束强度Pb可由式(1)计算[17]：

(1)

式中：k为管外径与内径比值；σ为材料的抗拉强度，45号钢的抗拉强度为600MPa。因此可计算得到本实验中DDT管的静态约束强度约为313MPa，其结构如图1所示。

图1 DDT管结构示意图

在点火端黑火药内设置一根通断式电探针作为触发，然后依次在管身的前段间隔30mm设置5支激光光纤探头，后段间隔60mm设置4支激光光纤探头，其布局如图2所示。由于黑火药反应至炸药开始燃烧之间可能存在一定的延迟，且延迟时间难以确定，因此采用两台示波器对信号进行记录，如图2所示。其中，1号示波器连接的通断式电探针与1号激光光纤探头，其间隔时间为反应波阵面在装药前30mm内传播所需的时间；其采样频率设置为10kS/s，确保其测量时间的覆盖范围较宽。2号示波器测量连接1号至9号激光探头传感器，从而可以测试反应波阵面在装药30～360mm内传播所需的时间。

图2 反应波阵面信号采集示意图

试验所用激光光纤探头的结构如图3所示，该探头由光纤、0.2mm厚的玻璃管、镀膜反射镜组成，当激光通过光纤照射至反射镜时，其反射光与入射光产生干涉，从而探测器可感应出相应的输出信号。

图3 激光光纤探头结构示意图

由于玻璃管的强度较低，燃烧波或爆轰波的压力均可使光纤头部反射面瞬间破坏，造成反射光无法返回，测量信号出现跳跃，从而确定出燃烧波或爆轰波到达相应位置的时刻。由于该探头对压力的响应较为灵敏，可快速准确地探测到反应波阵面的到达时间，因此可兼顾燃烧区域和爆轰反应区域的测量。

由于只需要测量每支光纤探头破碎的时刻，因此为了减少示波器的工作通道，可选择一些探头进行串联，如将1号、4号、7号探头的直流信号探测器串联，则每破坏一个探头时，其信号就会出现一个向下的阶跃，如图4所示，进而能够获取所有探头的响应时刻。为了兼顾测量精度及测量时间范围，将示波器的采样频率设置为10MS/s。

图4 激光光纤探头响应时的信号曲线

1.2 实验方法

试验时，用电起爆器使点火器瞬间燃烧并引燃与其紧密接触的炸药端面，燃烧波在炸药柱内加速燃烧，在一定的压力和温度条件下转变为爆轰传播。炸药燃烧或爆轰时，在波阵面会产生一定的电离产物和强光，当波阵面传播到同轴电离探针或激光探头的位置处会使上述传感器产生电脉冲信号，通过数据采集仪可以记录到该电脉冲到达的时间，依据相邻探针间的距离和电脉冲到达的时间差，便可以计算出燃烧波或爆轰波的传播速度，从而得到燃烧到爆轰的转变距离和转变时间。

1.3 点火药量

为了研究不同点火压力下DNTF炸药的响应特性，首选需要根据经典内弹道学的燃气状态方程确定出火药量m与压力峰值pm的关系[18]：

pm=Δ·f/(1-a·Δ)

(2)

式中：Δ表示装填密度或火药量与燃烧空腔的体积比，单位为g/cm3；a为燃气产物的余容，这里取1；f表示火药力，本试验中采用常用的小粒黑，则取300kJ/kg；火药量m的单位为g；压力峰值pm的单位为MPa；本研究中的燃烧空腔尺寸均为Φ20mm×25mm。

为了获取DNTF炸药在10～100MPa点火压力作用下的燃烧转爆轰特性，本研究将点火药量设置为2.0、1.0、0.5和0.25g 4种工况，同时考虑点火头药量的贡献，根据式(2)可计算出4种工况对应的点火压力峰值分别为104.6、45.3、21.7和11.1MPa。

1.4 炸药样品

分别将DNTF单质炸药和B炸药(TNT与RDX的质量比为40∶60)浇铸成Φ20mm×450mm(可拼接)的药柱，其中DNTF单质炸药装药密度为1.82g/cm3(94% TMD)，该密度下爆速约为8900m/s；B炸药装药密度为1.68g/cm3(96% TMD)，该密度下爆速约为7800m/s。炸药样品装配如图5所示。

图5 炸药试样装配示意图

2 结果与讨论

2.1 不同药量的点火引发情况

当黑火药药量分别为2.0、1.0、0.5和0.25g 条件下，DNTF单质炸药和B炸药在DDT管内的点火情况如表1所示。

表1 不同点火药量下的点火情况

B炸药的点火阈值较高，除2.0g黑火药能够成功点火以外，剩下的3种条件均不能顺利点火；而DNTF单质炸药点火阈值则较低，在0.25g黑火药的点火条件下仍然能够顺利点燃。该结果表明，DNTF单质非常容易发生点火，在一些轻微刺激条件下也可能存在安全风险，在生产、使用等各环节应尤为注意。

2.2 DDT反应剧烈程度

B炸药在2.0g黑火药点火条件下DDT管的破坏程度如图6所示。

图6 B炸药的DDT反应剧烈程度

在距点火端160mm处，DDT管出现明显的膨胀，表明此处的B炸药反应速率开始大幅提升；而DDT管仅撕裂成数块较大的碎片，表明反应最终未转变为稳定爆轰，由于壳体撕裂导致管内压力迅速降低，同时缺少壳体约束，稀疏波影响增强，使反应波阵面能量耗散过大，因此无法支撑反应速率的进一步提升。另外3种点火条件下，由于B炸药未点火，DDT管完好无变化。

DNTF单质炸药在4种点火条件下DDT管的破坏程度大致相同，如图7所示。管体完全破裂成小尺寸破片，未找到较完整的大型破片，这表明4种状态下DNTF单质炸药在点火端不远处即完成了DDT转变，形成了爆轰。

图7 DNTF的DDT反应剧烈程度

与B炸药实验后回收的破片对比可以发现，DNTF在4种点火条件下，DDT管的破碎程度均较高，可以初步判定DNTF在上述实验条件下均发生了爆轰。从已回收的破片可以看出，部分破片仍然保持了初始的管身结构特征，该类型的破片应是在爆轰增长过程中产生的。当DNTF装药中反应波阵面的速度较低时，反应产物压力相对较低，DDT管的破裂以拉伸断裂为主，其破片的管身结构特征仍能够保留；当反应波阵面的速度较高时，反应产物压力迅速升高，DDT管的破裂以剪切断裂为主，其原有的结构特征将被完全破坏。

2.3 DDT反应过程分析

2.3.1 装药前30mm的反应特征

点火时触发低速数采开始计时，当1号激光传感器接收到信号后结束计时，这段时间包括两个响应过程，即炸药端面被引燃的过程和燃烧波传播至1号激光传感器的过程。如果忽略炸药端面的引燃过程，即一旦点火器点火便认为炸药端面被引燃，则可通过测试间距与信号时间差计算得到反应波阵面在该段的平均传播速度，其结果如表2所示。

表2 装药前30mm的反应波测试数据

由于电离探针被触发的时刻早于装药真正的点火时刻，因此表2中的平均速度存在一定的偏差。

对于DNTF，在2.0g黑火药点火条件下，由于在4.96ms内还应包含装药被引燃的时间，因此装药前30mm反应波阵面真实的平均速度应比3.348km/s高，且已经进入到低速爆轰阶段。该结果表明，相比于B炸药，DNTF一旦发生点火，其反应速率将快速增长。

但是，当点火药量降低后，DNTF装药在该段的反应波阵面速率显著降低，甚至在0.25g点火药条件下，反应波阵面经历了2643.4ms后才传播到1号传感器的所在位置(30mm处)。上述现象表明，点火强度的变化可对DNTF炸药装药DDT过程中的初期反应历程造成显著影响。当点火强度较低时，DNTF炸药装药需经历慢速燃烧阶段；但当点火强度较高时，DNTF的DDT过程将直接越过低速燃烧阶段，甚至高速燃烧阶段，直接进入到低速爆轰阶段。

需要特别指出的是，在黑火药分别为1.0、0.5和0.25g条件下，DNTF反应波阵面平均速度计算值出现了大幅降低。出现这种现象的原因主要是因为随着点火压力的减小，装药被引燃的时间大幅增加，而本实验中的测试方法无法精确地表征装药何时被引燃，因此大幅增长的引燃时间被计入了反应波阵面传播时间，从而导致反应波阵面平均速度计算值出现严重失真。

2.3.2 装药30mm后的反应特征

通过DDT管上不同测点的激光传感器，准确测量了反应波阵面的到达时间，当1号测点触发时高速数采开始计时，其后各测点的到达时间如表3所示。

根据表3的测试数据，可获得反应波阵面在各测点间的平均传播速率，其结果如表4所示。

表3 装药30mm后反应波阵面的到达时间

表4 反应波阵面在不同位置处的传播速度

假定各测量范围内的平均速度为该范围内中心点的速度，则可得到反应波阵面在装药中随距离的变化趋势，如图8所示。

从图8可以看出，对于DNTF炸药装药，在2.0和0.25g两种点火条件下，反应波阵面速度的差值在45mm处为2.3km/s，75mm处为0.53km/s，而在105mm处仅为0.176km/s。该结果表明，虽然点火药量对DNTF炸药装药初始反应速率具有显著影响，然而DNTF自身反应增长速率极快，在较短的距离内，弱点火条件的DDT实验仍能迅速发展为稳定爆轰。在DNTF炸药装药的4组实验中，其爆轰转变距离(稳定爆轰形成位置与点火端距离)均在120～150mm范围内。

图8 不同距离处的反应波阵面速度

由文献[19]可知，DNTF的分解气相产物对DNTF热分解反应具有催化作用，随着外部压力的升高，分解气相产物不能迅速离开DNTF表面，从而能够进一步加剧DNTF的热分解反应速率。因此，当DNTF被点燃后，由于气体反应产物的生成而使DDT管中的压力升高；随着DDT管中压力的升高又会进一步促进DNTF反应速率的提升。由于存在上述相互促进的热分解/燃烧过程，因此DNTF在弱点火条件下也能够快速增长为稳定爆轰；同时，由于反应速率增长非常迅速，因此导致其爆轰转变距离在不同点火条件下的差异并不显著。

B炸药的DDT实验显示，该DDT过程较为平缓，其反应波阵面速度由0.141km/s最终增长到2.449km/s，未达到B炸药的稳定爆轰速度(7.8km/s)，没有完成燃烧转爆轰过程。

通过对比DNTF单质炸药和B炸药的燃烧转爆轰试验结果可以发现，前者的反应波阵面增长速率极快，一旦发生点火，将快速增长为爆轰，这也是影响DNTF安全使用的关键因素之一，且抑制该类型DDT增长速率的难度较高。

3 结 论

(1)与B炸药相比，DNTF单质炸药具有较低的点火阈值，在11.1MPa的点火强度下仍能实现正常点火，并完全反应，该特性在文献报道的点火强度数据中属于非常低的水平，因此在应用过程中对DNTF单质炸药的意外点火问题应尤为重视。

(2)在本实验条件下，采用2.0g点火药时，DNTF炸药装药的爆轰转变距离在120～150mm之间，而B炸药未完成燃烧转爆轰过程，该现象表明DNTF的DDT转变过程极为迅速，这也是DNTF基混合炸药难以通过快速烤燃、慢速烤燃等安全性试验的主要原因。

(3)当点火药量从2.0g降至0.25g时，虽然会使DNTF装药的引燃时间大幅增加，但最终都能实现燃烧转爆轰，且其爆轰诱导距离均在120～150mm范围内。该现象表明，对于DNTF单质炸药，点火强度的变化可对DDT过程中的低速热传导燃烧阶段产生显著影响。