含添加剂水雾抑灭单基药火焰的小尺度实验研究

［摘 要］ 为探究含不同性质添加剂的水雾对单基火药燃烧抑灭性能的影响，在自主搭建的火药燃烧及灭火平台上开展纯水雾与含Na2SO3、FeCl2、K2CO3、KHCO3添加剂的水雾对单基火药燃烧抑灭性能的对比实验，研究灭火过程中温度、辐射热流、火焰形态等的变化。结果表明：含还原性（Na2SO3、FeCl2）和非还原性（K2CO3、KHCO3）添加剂的水雾抑灭性能明显优于纯水雾，灭火时间更短。含非还原性添加剂的水雾在低浓度下抑灭效果较差，当添加质量分数提升至3%以上时，抑灭效果显著提升；含还原性添加剂水雾对单基药的抑灭性能在各添加剂浓度下均优于含非还原性添加剂的水雾，且随着添加剂浓度的增大，抑灭性能表现出饱和性。

［关键词］ 单基火药；水雾；抑灭性能；灭火机理

［分类号］ TQ560.7

Small-Scale Experimental Study on the Suppression of Single Base Propellant Flames by Water Mist Containing Additives

DU Yuxuan①，SI Zhenkuan①②，WANG Shuai③，YANG Manjiang③，LI Quanwei①

①School of Chemistry and Chemical Engineering， Nanjing University of Science and Technology （Jiangsu Nanjing， 210094）

②Servo Technology Institute of China Aerospace Science and Industury Corporation （Jiangsu Nanjing， 210006）

③China Ship Development and Design Center （Hubei Wuhan， 430064）

［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］

In order to investigate the influence of additives with different properties on the fire suppression perfor-mance of water mist on single base propellant， a comparative experiment of single base propellant combustion and suppression was conducted on a self-built platform. It compared the performance of pure water mist and water mist containing Na2SO3， FeCl2， K2CO3 and KHCO3 additives in suppressing the combustion of single base propellants. Changes in tempe-rature， radiant heat flux， and flame morphology during the fire suppression process were studied. The results show that the fire suppression performances of water mist containing reducing additives （Na2SO3， FeCl2） or non-reducing additives （K2CO3， KHCO3） are significantly better than that of pure water mist， with shorter extinguishing time. The performances of water mist containing non-reducing additives in suppressing single base propellant fires is poor at low concentrations. When the mass fraction of non-reducing additives rises above 3%， the fire extinguishing ability is significantly improved. The fire suppression performances of water mist containing reducing additive are superior to that of water mist containing non-reducing additive at all concentrations. In addition， as the increase of the concentration of reducing additive， the fire suppression performance is saturated.

［KEYWORDS］ single base propellant; water mist; fire suppression performance; fire extinguishing mechanism

0 引言

含能材料是各类武器火力系统完成弹丸发射、实现火箭和导弹运载的动力源［1］。同时，它也是重要的军民通用产品（工业炸药及民用爆破器材等），为国民经济建设和发展提供支持，在现在和可预见的未来，仍然不可替代［2］。然而，由于自身包含氧化剂和还原剂，含能材料在一定的外界能量作用下，能够短时间内发生剧烈的燃烧甚至爆炸，在设计、试验、制备、生产、运输、储存、使用和销毁等各个阶段，都存在着极高的燃烧、爆炸风险。

早在20世纪80年代，美国政府就开始改进含能材料行业的消防系统。美国Tyndall空军基地的的研究人员研究出应用于火炸药企业的超高速喷水灭火系统（AFPDS）［3-4］以及它的改进版——爆炸点火灭火系统（BIDS）［5］。Fike公司对AFPDS和BIDS系统进行了评估，通过不同的烟火药剂和推进剂的测试结果可以看出，AFPDS与BIDS灭火系统可以有效地抑制火灾的发生［6］。法国国营火炸药公司SNPE的大规模研究表明，360 kg的水墙能有效抑制100 kg的Iremite 4000炸药燃烧爆炸引起的火灾［7］。

程山等［8］分析了固体推进剂的组成、燃烧特性和用于安全灭火的灭火剂的可行性，认为最适合抑制固体推进剂火灾的灭火剂为水系灭火剂。陈战斌［9］自行搭建了固体推进剂火灾熄灭实验平台，研究了水在不同释放条件下对双基药燃烧的灭火效果；结果表明：喷头类型、喷射压力等因素对扑灭推进剂火焰起着至关重要的作用。司振宽等［10］研究了水雾对双基火药燃烧的抑制作用，对双基药施加不同压力的水雾进行灭火实验，并对实验后的残余液体进行红外光谱分析。

卫欣欣等［11］在实验中使用水雾抑制黏塑性炸药PBXN-5燃烧；结果表明：水雾对PBXN-5的燃烧有很好的抑制效果。Willauer等［7］研究了细水雾对50磅（22.7 kg）当量的TNT和Destex在室内爆炸产生的超压的影响。

上述普通的纯水灭火系统仅发挥了物理作用，灭火效率较低，存在一定的局限性。因此，使用含有添加剂的水来抑灭火焰逐渐成为了灭火领域的研究热点。

20世纪60年代，研究人员开始探索通过在水中加入可溶性添加剂来提高水的灭火性能。Kida［12］研究发现，在水中加入碱金属盐对固体火和油池火的抑制和灭火的效率有显著提升。此后，Chow等［13］研究发现，含NaCl添加剂的水雾作用于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的燃烧表面时，NaCl可能参与了灭火反应。张天巍［14］使用改进的杯式燃烧器对含6种钾盐添加剂细水雾的最小灭火浓度进行实验测试，与纯水雾实验的结果进行了比较，证明含钾盐添加剂的细水雾具有化学灭火效能。这些含添加剂水雾的灭火性能研究结果均来源于常规火灾的场景，但对于含能材料火灾的适用性及灭火性能的影响鲜有研究。

发射药是一类比较典型的含能材料，常用作身管类武器的发射动力［15］。其中，又以单基药的应用最为悠久和广泛［16］。为此，特以七孔单基药柱作为研究对象，利用自行搭建的小尺度灭火实验平台，研究添加剂类型及含量对水雾抑制单基药火焰的影响，并结合火药燃烧理论推测影响机制，以期为含能材料灭火技术提供理论和数据支撑。

1 实验过程

1.1 实验装置

灭火实验在封闭的铁制集装箱内进行，实验平台自行搭建。实验系统如图1所示。

采用便携式细水雾灭火系统，热电偶、热流计与数据采集系统相连，用于测量实验过程中的温度和辐射热通量数据。采用WRNK-191型（K型）铠装热电偶，相邻间距为1.5 cm；采用HS-30B型辐射热流传感器，距药柱10 cm；采用FASTCAM Mini UX50型高速摄像机，架设在实验台正前方，距离药柱0.3 m，用于火药燃烧及灭火过程的图像采集。此外，为防止空气流通对实验结果造成影响，实验时关闭集装箱门。

1.2 实验材料及设计

选择圆柱形七孔单基火药：截面直径8 mm，长16 mm，质量约为1.3 g。根据已有研究成果［17-20］，选取了4种预期灭火效果较好的金属盐添加剂，分别为：K2CO3和KHCO3（非还原性）、Na2SO3和

FeCl2（还原性）。添加剂在去离子水溶液中的质量分数分别取1%、 2%、 3%、 4%和5%，以此来制备水雾。

在实验间进行纯水雾及上述含添加剂的水雾灭火实验：将药柱对准水雾喷头的正下方，固定于燃烧平台上，调试高速摄影系统和数据采集系统到待机状态。对火药进行点火后，迅速释放水雾，观察燃烧平台无火焰后，关闭喷头。

2 结果和分析

2.1 灭火时间

图2展示了含不同添加剂的水雾对应的灭火时间与添加剂含量的关系。

由图2可知，对于非还原性添加剂：使用质量分数为1%和2%的KHCO3水雾对单基药火焰进行灭火时，灭火均失败；使用质量分数为1%和2% 的K2CO3水雾对单基药进行灭火时，灭火时间分别为11.4 s和10.0 s（均大于无添加剂水雾的灭火时间），灭火效能不佳。这可能是由于：一方面，钾盐的存在会影响纯水内部的传热，使纯水蒸发速率减慢，从而减缓纯水相变吸热速率［21］;同时，在纯水中加入可溶性无机盐，还会降低水的饱和蒸气压［22］，同样会减弱其相变吸热速率。另一方面，钾盐的添加又有助于发挥对火焰的化学抑制作用，这两者之间存在一定的矛盾，在添加剂浓度较低时，化学抑制作用的增强尚不足以抵消相变吸热速率减缓的影响。但随着添加剂质量分数的不断增加，这两方面作用的强弱关系发生反转；此后，含KHCO3与K2CO3水雾的灭火效果均优于纯水雾。这可能是因

为当含添加剂的水雾被释放进入火焰区后，液滴能够迅速蒸发，钾盐脱水析出，并在高温火焰和水蒸气的活化作用下生成灭火活性组分KOH［14］，该过程会使水雾的化学灭火作用显著增强，进而抑制单基药的继续燃烧。当使用KHCO3作为添加剂时，除上述反应外，KHCO3还能产生CO2，稀释燃烧区的氧气，虽然火药自身含有氧化剂，CO2的窒息作用有限，但一定程度上也能起到抑制火焰的作用。当使用K2CO3添加剂时，随着K2CO3浓度的增加，相应的灭火时间呈现出先减小、后增大的趋势，这说明在一定的浓度范围内，K2CO3的化学灭火作用显著增强，当质量分数为4%时，灭火时间最短，灭火性能最佳。因此，可推测K2CO3在质量分数3%～ 5%之间存在一个最佳浓度。

对于还原性添加剂：由图2可知，Na2SO3和FeCl2在各浓度条件下的灭火时间均远小于纯水雾的灭火时间；并且，还原性添加剂的总体灭火效果优于非还原性添加剂。据推测，这可能是由于含有还原性添加剂的水雾进入燃烧区后，单基药凝聚相反应区分解的中间产物NO2与还原性的Na2SO3和FeCl2发生如下的氧化还原反应［23］：

NO2+Na2SO3N2+Na2SO4；（1）

Fe2++NO2+H+Fe3++NO+H2O。（2）

由此可见，一部分NO2被还原性物质吸收，从而无法参与到嘶嘶区的分解反应中（嘶嘶区的热量释放占燃烧释放热量的40%［24-25］），进而一定程度上抑制了单基药的燃烧。此外，在灭火过程中，水雾本身对火焰具有压制、切割作用，可以破坏火药的燃烧波结构，且水雾与高温火焰接触后会发生相变，吸收燃烧区域的大量热量，降低火焰温度和燃烧面的热分解速率，从而与化学作用共同抑制燃烧。当使用含Na2SO3和FeCl2添加剂的水雾灭火时，灭火能力均随着添加剂浓度的增加而增强，且对单基药燃烧的抑制能力明显强于K2CO3和KHCO3。但值得注意的是：当Na2SO3的质量分数高于3%时，灭火效率随添加剂浓度的增加提高甚微，这说明含Na2SO3添加剂的水雾存在一个极限灭火浓度。

2.2 灭火动态过程

为了探究灭火过程中的火焰特性，使用高速摄像机对灭火过程进行了拍摄。对于非还原性添加剂，以K2CO3为例，

图3展示了单基药在含质量分数2%的K2CO3水雾作用下的火焰形态变化。火药

被引燃后，迅速发展，火焰膨胀变大；在2.41 s时，释放含质量分数2%的K2CO3水雾，可以看到

火焰立即受到强烈扰动，稳定燃烧状态被打破；3.70 s时，火焰已经被切割和压制，火焰高度降低将近一半；持续施加水雾，使水雾进入火焰中心及燃面，约7.00 s后，火焰高度被压制在2 cm以下，但仍未熄灭；火焰燃烧越来越不稳定，7.00～11.50 s时间段内火焰持续波动;在10.30 s时，可以明显观察到燃

面处的火焰被割裂成两瓣，燃面近乎裸露;11.50 s

后，火焰进入迅速衰灭阶段;12.00 s时，明火消失，灼热的燃面仍在进行着氧化还原反应;12.31 s时，彻底熄灭。

对于还原性添加剂，以Na2SO3为例，图4展示了单基药在含质量分数2%的Na2SO3水雾作用下的火焰形态变化。火药被引燃后，迅速膨胀，发出强烈的火焰;在3.92 s时，释放含2%（质量分数）Na2SO3的水雾进行灭火，火焰瞬间受到水雾的压制和撕裂。随着水雾持续地被施加到火焰区，对火焰进行了有效抑制，火焰体积明显变小，不稳定性也增大；与此同时，Na2SO3在高温下分解吸热，降低燃烧区温度，对单基药火焰起到一定降温作用；火焰变弱后，含Na2SO3的水雾更容易穿过火焰区到达燃烧面，Na2SO3与凝聚相反应区分解产生的NO2发生反应，导致部分NO2气体无法进入嘶嘶区与其他中间产物继续反应，从而减小了嘶嘶区的放热量（嘶嘶区放热量减少会导致不足以维持固相预热区和表面反应区的稳定状态）；7.61 s时，火焰完全熄灭。

对比图3和图4可知：当含质量分数为2%的K2CO3水雾被释放后，单基药火焰受到一定程度的压制，形态出现明显变化，但并未迅速熄灭，在释放水雾后的前7.00 s内，火焰的面积没有明显缩小，且灭火过程持续约10.00 s；而当含质量分数为2%的Na2SO3水雾被释放时，火焰被迅速约束，面积在约1.00 s后大幅度缩小，仅用3.40 s就完成灭火，灭火时间比前者缩短66%。这充分表明：当质量分数为2%时，Na2SO3对单基药燃烧的化学抑制程度明显大于K2CO3。结合图2的数据可以得出，相比于含非还原性添加剂的水雾，含还原性添加剂的水雾抑制单基药的燃烧有更加显著的优势。

2.3 热电偶温度变化

为了对比含不同种类添加剂的水雾对单基药燃烧的抑制作用，用K型铠装热电偶实时测量并记录了实验过程中的火焰温度。如图1所示，热电偶从上到下依次编号为1#、 2#、 3#。图5分别是自由燃烧、纯水雾、含质量分数3%的K2CO3（非还原性添加剂）和3%Na2SO3（还原性添加剂）水雾抑灭火焰过程中的热电偶温度测试曲线。

如图5（a）所示，自由燃烧条件下，距燃面最近的3#热电偶的温度在11 s之内迅速升高至最大值989.9 ℃，并持续燃烧约6 s，直至药柱燃尽后熄灭。

如图5（b）所示，使用纯水雾灭火时，水雾对单基药火焰温度的升高有着比较明显的抑制作用，按照热电偶序号由大到小排序，对应的最高温度分别为439.4、 175.3、 113.0 ℃。

如图5（c）所示，使用含质量分数3%的K2CO3水雾灭火时，热电偶在4 s时刻对应的最高温度分别为230.1、 91.6、 81.3 ℃，比纯水雾灭火时降低了47.6%、 47.7%、 28.1%，且在4 s后完成灭火，迅速降至室温。

如图5（d）所示使用含质量分数为3%的Na2SO3水雾灭火时，在6 s时刻热电偶对应的最高温度分别为120.2、 86.0、 61.3 ℃，比使用纯水雾灭火时降低了72.6%、 50.9%、 45.8%，比使用含质量分数为3%的K2CO3水雾灭火时降低了47.8%、 6.1%、 24.6%。

对比图5（b）～ 图5（d）可以看出，使用含有不同添加剂的水雾灭火时，热电偶温度达到峰值后降温的趋势明显不同。含添加剂的水雾灭火时，高温持续时间比纯水雾灭火时大幅缩短，表明单基药火焰在含添加剂的水雾作用下是很快被扑灭的，这也印证了添加剂对单基药燃烧抑制的有效性。

通过上述分析可以得出，3种水雾的火焰抑灭性能从强到弱排序为：含质量分数3%Na2SO3的水雾、含质量分数3%K2CO3的水雾、纯水雾。由此可以推断出，在3%质量分数下，含还原性添加剂的水雾灭火性能显著优于含非还原性添加剂的水雾。

2.4 辐射热流变化

灭火过程中，火焰辐射热流的变化是表征灭火效果的指标之一。因此，在实验过程中用热流计测量并记录了火焰的热通量。

如图6（a）所示，单基药自由燃烧状态下的火焰热通量曲线与温度曲线的趋势一致。火药被点燃后，热通量迅速增大，在温度达到最高时，火焰最大热通量也达最大值794.7 W/m2；

随后，随着火焰的熄灭，热通量也逐渐降低。当纯水雾作用于单基药时，最大热通量为480.0 W/m2。

如图6（b）所示：当含质量分数1%K2CO3的水雾作用于单基药火焰时，火焰最大热通量达845.3 W/m2，说明低浓度的K2CO3对单基药火焰抑制效果不佳；随着K2CO3浓度的增加，火焰热通量大幅降低，含质量分数4%K2CO3的水雾作用于单基药时，火焰最大热通量仅为164.7 W/m2，说明水雾中K2CO3浓度的增加对抑制单基药燃烧的能力有较大提升，这与2.1中灭火时间所反映的抑灭性能趋势是一致的。

如图6（c）所示，当含质量分数1%～ 5%Na2SO3的水雾作用于单基药火焰时，火焰最大热通量均低于300 W/m2，说明含Na2SO3的水雾抑灭性能明显优于纯水雾和含K2CO3的水雾。当含质量分数5%Na2SO3的水雾作用于单基药火焰时，火焰最大热通量仅为100.6 W/m2，说明在该条件下单基药热分解和燃烧受到了强烈的抑制，此时火焰对药柱凝聚相反应区的热反馈非常有限。

由上述分析可知，从火焰最大热通量角度比较各种水雾的抑灭性能，由强到弱排序：含Na2SO3的水雾、含K2CO3的水雾、纯水雾。因此可以推断，还原性添加剂的抑灭性能优于非还原性添加剂。

2.5 降温速率对比

为了对比不同添加条件下水雾对单基药火焰降温的差异，对最贴近火焰的测点的温度变化速率进行提取，定义为降温速率，具体计算方式：

Dt=Tt′-Ttt-t′ 。（3）

式中：Dt为时间片t之内的温度下降速率;t′和t分别为该时间片的起始时刻和结束时刻；Tt′和Tt分别为t′ 和t时刻的温度；在计算时，t-t′=1 s。

图7为含不同添加剂的水雾灭火时火焰的降温速率变化。当含质量分数3%K2CO3的水雾作用于火焰时，瞬时最大降温速率达到-52.55 ℃/s，此时火

焰熄灭；而在使用含低浓度K2CO3的水雾时，由于其灭火能力较弱、时间较长，火焰最大降温速率

所对应的时刻延后。使用含Na2SO3的水雾灭火时，1%、 2%、 3%和4%质量分数作用下，火焰温度急速下降，最大降温速率分别达-77.35、-47.80、-37.55 ℃/s和-61.75 ℃/s；而5%质量分数下，降温速率仅为-3.70 ℃/s，这是实验时灭火过程中灭火迅速，燃烧时间短暂导致的。

对比图7（a）和图7（b），含K2CO3水雾灭火的平均最大降温速率为-42.90 ℃/s，而含Na2SO3水雾灭火的平均最大降温速率为-56.11 ℃/s，比含K2CO3水雾作用下提高了30.79%。结合2.1中灭火时间可以发现，含还原性添加剂Na2SO3的水雾对单基药燃烧的抑制作用明显优于含非还原性添加剂K2CO3的水雾。

3 结论

通过开展含添加剂水雾抑灭单基药火焰的小尺度实验，从火焰温度、火焰形态、辐射热流、降温速率等方面，分析了水雾对单基药火焰的抑灭特性。实

验结果表明，不同种类的添加剂在不同程度上提高了水雾对单基药火焰的抑灭能力，得到的结论如下：

1）K2CO3、KHCO3、Na2SO3、FeCl2 4种金属盐添加剂均可提高水雾对单基药火焰的抑灭性能。含不同类型添加剂的水雾抑制单基药火焰的能力由高到低排序为：含还原性添加剂的水雾、含非还原性添加剂的水雾、纯水雾。

2）含非还原性添加剂的水雾在低添加剂浓度下抑灭单基药火焰的性能较差。当添加剂质量分数大于3%，抑灭效果显著提升，且含K2CO3的水雾在质量分数为3%～ 5%内存在最佳灭火浓度。

3）使用Na2SO3和FeCl2作为添加剂时，水雾对单基药火焰抑灭性能的提升具有饱和性，在质量分数大于3%以后，随着添加剂浓度的增加，抑灭性能不再显著提升。

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收稿日期：2023-07-13

第一作者：杜宇轩（1997—），男，硕士，主要从事含能材料火灾消防技术研究。E-mail：dyx9810@163.com

通信作者：李权威（1983—），男，副教授，主要从事含能材料火灾防治原理及技术等方面的研究。E-mail：liqw83@163.com