初始自由空腔体积对PBX-3 炸药慢烤反应烈度的影响

胡平超，李 涛，刘仓理，傅 华，薛 洪，胡顺治

（1.中国工程物理研究院流体物理研究所，四川 绵阳 621999； 2.中国工程物理研究院，四川 绵阳 621999）

0 引 言

武器弹药在运输、贮存、使用等环境下可能遭遇火灾事故，对人员、建筑物、武器平台等造成不同程度损伤，弹药热安全性是安全弹药的重点研究方向之一［1-5］。快烤场景下，一般在装药表面发生点火反应，反应烈度往往较低；慢烤场景下，一般在装药内部发生点火反应，反应烈度往往较高。HMX 是一种常用的二代含能材料，在各类战斗部装药中得到广泛应用。对于不同的弹药装药，自由空腔体积可能不同，研究自由空腔对结构装药慢烤反应烈度的影响，分析认识自由空腔对炸药热刺激反应烈度影响的机理，对弹药装药的热安全性评估及设计具有重要的意义。

国内外在炸药热刺激反应烈度相关的热损伤、点火反应演化外以及工程因素影响等方面已开展了大量研究工作。Parker 等［6］通过显微镜观察了自由状态和径向约束状态PBX-9501 炸药在高温下的热损伤，发现自由状态下热损伤以孔洞为主，约束状态热损伤除孔洞外，还有因应力作用引起的炸药晶体内部裂纹，其损 伤 更 严 重。Smilowitz 等［7-9］采 用 质 子 辐 照、动 态X 射线等诊断技术对约束炸药慢烤点火后的密度演变过程进行了拍摄，获得了炸药点火位置、点火初期燃烧速率以及点火反应后在微裂纹中形成对流燃烧的物理图像，分析了炸药热膨胀系数、粘接剂热稳定性等对慢烤点火位置有一定影响，进一步影响反应烈度。TAPPAN等［10］研究认识了压力会延缓HMX 的热致相变进程，郭伟等［11］通过加速老化后的PBX-6 炸药烤燃实验，认识了加速老化引起炸药密度减小、孔穴度增大、热稳定降低，导致炸药在快烤和慢烤下的烤燃时间缩短、点火温度降低；Wardell 等［12］通过缩比热爆炸（STEX）实验认识了初始空腔对约束PBX-9501、LX-04 炸药慢烤点火反应烈度的影响不同，智小琦等［13-16］通过不同状态约束RDX 基炸药的慢烤实验，获得了炸药密度、温升速率、缓释结构对反应烈度的影响规律，认识了一定范围内的自由空间显著增加炸药的反应烈度。Maienschein 等［17］通 过HMX 基PBX 炸 药 在 高 温 高 压下的燃速试验，认识了炸药燃烧速率随压力增加而增大，HMX 相变后炸药燃烧速率显著增大；Holmes 等［18］通过不同预应力作用下的PBX-9501 炸药中心人为点火实验，认识了炸药点火反应后的反应烈度随预应力增大而增加；Berghout 等［19］基于损伤PBX-9501 炸药的燃烧特性实验，认识了炸药燃烧气体进入裂纹的临界压力随裂纹宽度减小而增大。由此可见，热损伤、相变、应力、点火位置等多种因素对炸药慢烤反应烈度均有重要影响，现有研究主要通过实验装置残骸判断反应烈度，对其中的机制分析侧重于单一影响因素。

为此，本研究参考国外SITI 实验装置［20］，设计了初始自由空腔体积率（空腔体积与炸药体积之比）分别为7.4% 和1.0% 的弱约束实验装置，并针对HMX 基PBX-3 炸药开展了慢烤实验，测量了炸药内部不同位置的温度演变历程，利用耐高温多普勒速度测量技术（PDV）获得了炸药点火后壳体的膨胀速度历程，回收了实验装置残骸，分析了初始自由空腔影响炸药反应烈度的原因，可为炸药装药慢烤热响应数值计算、热安全性评估及设计提供参考。

1 慢烤实验

1.1 实验装置

实验装置见图1 所示，主要由壳体、PBX-3 炸药以及螺栓等3 部分组成。壳体为2A12，外径Φ31.4 mm，内径Φ25 mm，厚度3.2 mm，由上下2 个独立的装药腔体通过4 个M6 的螺栓连接形成。PBX-3 炸药样品由2 个直径为Φ25 mm、厚度为10 mm 的药柱相叠加，炸药中HMX 含量约为90%，密度为1.85 g·cm-3，约为最大理论密度的98.5%。在含有初始空腔的实验装置中，2个装药腔体的空腔尺寸均为Φ20 mm×1 mm，为HMX 在高温下的热致相变提供体积供膨胀空间。由于2 个药柱间安装有小尺寸K 型热电偶，炸药与约束壳体间存在装配间隙，2 种状态下实际初始自由空腔体积率分别约为7.4%和1.0%。

图1 慢烤实验装置结构示意图Fig.1 Structural diagram of slow cook-off test setups

1.2 实验仪器

慢烤实验在高温烘箱中进行，其内部空腔尺寸为300 mm×300 mm×400 mm，腔体四周为保温棉，采用热风对流循环方式使腔体内部温度基本均匀，最大温升速率可达10 ℃·min-1，最高温度可达300 ℃，控温精度为±1 ℃。采用截面尺寸为0.25 mm×0.15 mm的K 型热电偶测量炸药内部以及约束壳体表面的温度，热电偶的测量温度范围为0～300 ℃；采用型号为NHR-8000 的无纸记录仪对温度进行采集，采样频率为1 s-1，记录精度为1 ℃。使用耐高温PDV 探头对炸药点火反应后壳体速度进行测量，其正常工作温度范围为0～300 ℃。

1.3 实验方法

实验前将2 个药柱分别安装在2 个独立的装药腔体内，然后在其中一个炸药表面安装4 个K 型热电偶，4 个热电偶分别距炸药中心0，3.2，6.4，9.6 mm，并在约束壳体外圆柱面的中心附近粘贴1 个相同型号及尺寸的K 型热电偶，再将2 个装药腔体通过螺栓连接在一起装配完成后，将整个实验装置放入高温烘箱中，最后在距实验装置圆柱面约30 mm 位置布置1 个耐高温PDV 探头，用于测量炸药点火反应后壳体的速度。慢烤实验测试布局示意图见图2 所示，实验装置、热电偶、耐高温PDV 探头安装完成后的实物图见图3所示。

图2 慢烤实验测试布局示意图Fig.2 Measuring layout of slow cook-off test

图3 慢烤实验装置实物照片Fig.3 Photo of slow cook-off test setup

2 发不同初始自由空腔体积率的PBX-3 炸药慢烤实验的温升边界条件相同，实验时30 min 将高温烘箱内的空气加热至160 ℃，然后保温45 min，使炸药内部温度基本处于平衡状态，再以0.8 ℃·min-1的温升速率加热至炸药发生热爆炸反应。

2 结果与讨论

2.1 点火响应

2 种不同初始自由空腔体积率的慢烤实验中，安装在距炸药中心0，3.2，6.4，9.6 mm 以及壳体表面的热电偶测得的温度分别记为T1、T2、T3、T4 以及Ts，从加热开始直至炸药发生点火反应，各测点温度演变历程见图4 所示，2 种不同初始自由空腔体积率下炸药均在中心区域首先发生点火反应。

图4 不同初始空腔体积下炸药内部温度曲线Fig.4 Temperature-time curves inside of PBX-3 explosives with different initial cavity volume ratios

初始自由空腔体积率为7.4%时，炸药内部温度在167 ℃时出现显著的温度平台；当壳体温度达到217 ℃后，炸药内部4 个测点温度均超过约束壳体表面温度；加温时间9320 s 时炸药发生点火反应，此时约束壳体表面的温度为224 ℃，炸药内部测点T1、T2、T3、T4 的温度分别为230，229，228 ℃和226 ℃。初始自由空腔体积率为1.0%时，炸药内部未出现显著的HMX 相变吸热温度平台；当壳体温度达到222 ℃后，炸药内部各测点温度均超过约束壳体表面温度；加温时间9717 s 时炸药发生点火反应，此时约束壳体表面的温度为232 ℃，炸药内部测点T1、T2、T3 和T4 的温度分别为254，251，243 ℃和235 ℃。

对比2 种初始自由空腔体积率下炸药内部及壳体表面温度可以看出，初始自由空腔体积率为1.0%时，慢烤实验过程中炸药内部无明显的HMX 相变吸热温度平台，直至炸药发生点火反应，加温时间更长，点火时刻约束壳体表面温度更高、炸药内部整体温度更高。

2.2 壳体速度

2 发不同初始自由空腔体积率的慢烤实验中，PBX-3 炸药点火反应后，耐高温PDV 探头测得PBX-3炸药点火反应后的壳体径向膨胀速度，以及通过速度积分获得的壳体位移见图5 所示。

图5 不同初始自由空腔体积率下PBX-3 炸药反应后的壳体速度及位移Fig.5 Velocity and displacement-time curves of shell after explosive reaction with different initial cavity volume ratios

由图5a 可以看出，初始自由空腔体积率为7.4%时，炸药点火反应初期，壳体速度缓慢增长，经过数百微秒后达到最大值，约为30.5 m·s-1，然后速度突然下降到约0.5 m·s-1，而后又快速增长；当壳体速度达到最大时，壳体径向位移约为2.2 mm。由图5b 可以看出，初始自由空腔体积率为1.0%时，炸药点火反应后，壳体速度呈指数型快速增长，在48 μs 内从0 增长到107 m·s-1，此时PDV 探头损坏；当壳体速度达到最大值时，壳体径向位移约为0.9 mm。

对比2 种初始自由空腔体积率下PBX-3 炸药反应后的壳体速度可以看出，当初始自由空腔体积率为1.0%时，壳体在更短的时间内达到更高的速度，反应烈度更高。

2.3 实验装置残骸

2 发不同初始自由空腔体积率的慢烤实验中，PBX-3 炸药点火反应后高温烘箱残骸见图6 所示，实验装置残骸及实验辅助件均残留高温烘箱内。初始自由空腔体积率7.4%时，高温烘箱门被炸药反应产生的压力推开，实验测试辅助件以及高温烘箱主体结构保持完整，箱内有少量见黑色痕迹，局部仍残留有少量未反应的炸药粉末（图6a）。初始自由空腔体积率1.0%时，高温烘箱发生严重变形，箱壁有部分炸药喷溅燃烧的痕迹（图6b）。

2 发不同初始自由空腔体积率的慢烤实验中，PBX-3 炸药点火反应后实验装置残骸见图7 所示。初始自由空腔体积率7.4%时，实验装置主体结构保持完整，螺栓变形较小，螺母顺利拆卸，炸药点火反应后的部分燃烧残余物仍位于装药腔体内（图7a）。初始自由空腔体积率1.0%时，实验装置解体形成8 块小破片和5 块大破片，其中上半部分约束壳体顶部破裂成4 个破片，仍连接在螺栓上，下半部分约束壳体底部由于应力集中被剪切成一个比较完整的圆孔，直径约为Φ27 mm，螺栓严重变形呈弯曲状态（图7b）。

图7 不同初始空腔容积比的试验装置残骸Fig.7 Wreckage of test setups with different initial cavity volume ratios

对比2 发实验后的高温烘箱残骸以及实验装置可看出，初始自由空腔体积率1.0%时，PBX-3 炸药慢烤中心点火后形成的破坏力更强。初始自由空腔体积率7.4%时，炸药点火反应后约束壳体结构基本完整；初始自由空腔体积率1.0%时，壳体严重破坏形成较小破片，点火后反应更剧烈。

2.4 结果分析

根据2 发不同空腔体积率慢烤实验中炸药内部的温度历程可看出，PBX-3 炸药均在中心区域首先发生点火反应。慢烤实验过程中，初始自由空腔体积率为7.4%时炸药内部在167 ℃出现明显的吸热温度平台，而初始自由空腔体积率为1.0%时未出现明显的吸热温度平台，这是因为7.4%的初始自由空腔体积率为HMX 相变提供了体积膨胀空间，HMX 在该温度下发生了较为充分的吸热相变反应；初始自由空腔体积率为1.0%时，高温下炸药热膨胀使其受到的热应力较大，延缓了HMX 的相变进程，炸药内部因HMX 相变吸热体现出来的温度平台就不明显。直至慢烤点火反应时刻，初始自由空腔体积率为7.4%时，慢烤加温时间为9320 s，约束壳体表面温度为224 ℃；初始自由空腔体积率为1.0%时，慢烤加温时间为9717 s，约束壳体表面温度为232 ℃；这是因为初始自由空腔体积率为1.0%时，HMX 相变进程较慢，其放热分解反应引起的热量积累也就越慢，使得慢烤加温时间更长。

根据2 发不同空腔体积率慢烤实验中炸药点火反应后约束壳体的径向运动速度历程可看出，炸药反应后壳体速度是一个缓慢增长的过程，经历数十微秒甚至数百微秒达到最大值，呈典型的非冲击点火反应增长特征；从实验后壳体残骸可看出，即使炸药在中心首先发生点火反应，仍呈现出非对称反应演化特征，表明炸药非冲击点火反应后的燃烧特征与正常爆轰显著不同。

根据2 发不同空腔体积率慢烤实验中PBX-3 炸药点火反应后约束壳体的运动速度、慢烤箱及实验装置残骸分析判断，初始自由空腔体积率为7.4%时PBX-3炸药发生爆燃反应；初始自由空腔体积率为1.0%时PBX-3 炸药发生爆炸反应，其反应烈度更高。这是因为：初始自由空腔体积率为1.0%时，慢烤点火反应时刻PBX-3 炸药整体温度更高，其热损伤更严重；初始自由空腔体积率为1.0%时，高温环境下炸药承受的热应力更大，炸药因应力引起的损伤更严重，炸药在中心区域首先发生点火反应后，产生的高温气体向损伤炸药的裂纹中传播；初始自由空腔体积率为1.0%时，由于PBX-3 炸药点火时刻受到的应力更大，炸药点火反应初期产生的气体不能及时逸出，导致炸药中心压力急剧增加，进一步增大了炸药的燃烧速率，且燃烧产生的高温气体在更高的压力下更容易进入微裂纹，使得炸药点火后容易形成更强的对流燃烧，最终导致反应烈度更高。

3 结 论

在相同约束强度和温升速率下，针对初始自由空腔体积率为7.4%和1.0%的约束HMX 基PBX-3 炸药开展了慢烤实验，获得了炸药内部温度历程、约束壳体膨胀速度历程以及实验装置残骸等点火响应特征数据，从壳体速度、实验装置残骸分析判断，初始自由空腔体积率对约束PBX-3炸药慢烤反应烈度具有重要影响。

（1）初始自由空腔体积率为1.0%时，点火时刻约束壳体表面温度更高、炸药整体温度更高；炸药点火反应后约束壳体破裂更严重，约束壳体速度更高、加速更快，PBX-3 炸药反应烈度更高。

（2）初始自由空腔体积率为1.0%时，炸药点火反应时整体温度更高，其热损伤更严重；慢烤高温下炸药承受的热应力更大，炸药因应力导致的损伤更严重；炸药中心区域点火反应产生的高温气体在较大的应力作用下聚集形成更高的压力，导致炸药燃烧速率增加、高温气体进入微裂纹形成更强的对流燃烧，炸药点火反应后压力增长速率更快；炸药点火反应时刻的损伤更严重，以及更大应力作用下的中心区域点火反应，可能是慢烤下初始自由空腔体积率为1.0%的约束PBX-3炸药发生更高反应烈度的原因。