炸药裂缝中燃烧反应演化规律的研究进展

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炸药裂缝中燃烧反应演化规律直接影响着事故条件下武器装药意外点火后的反应发展进程及放能行为。炸药点火后的燃烧主要以慢速传导燃烧[图1(a)]在炸药表面进行；若压力达到一定阈值，则燃烧能够进入炸药裂缝，由于表面积增加导致燃烧持续加速；当燃烧产物的生成速率超过排出速率时，燃烧模式由传导燃烧转换为对流燃烧[图1(b)]，这种模式的燃烧传播速度由于高温气体的对流得到了显著提高；若约束足够强，对流燃烧产生的瞬时高压会使炸药基体快速破碎，导致燃烧表面积剧增而引发高烈度反应，引起热爆炸，甚至爆轰。

炸药点火后燃烧模式何时由传导燃烧转换为对流燃烧以及对流燃烧如何发展演化是化爆安全性研究需要重点关注的问题。在本项研究中，开展了炸药预置裂缝燃烧反应演化实验，率先获得了裂缝宽度与约束强度对炸药裂缝中燃烧反应演化的影响规律，并通过燃烧速度演化曲线首次观察到了传导燃烧向对流燃烧的转换过程。

1  约束强度和裂缝宽度对燃烧演化的影响规律

在裂缝宽度保持100 μm、点火方式相同的情况下，改变约束壳体的宽度和厚度研究了约束强度对裂缝中燃烧演化的影响规律。在弱约束下对流燃烧的峰值压力为56.1 MPa，波阵面速度为318.5 m/s；而强约束下对流燃烧的峰值压力为210 MPa，波阵面速度为476.2 m/s，燃烧压力的对比如图2所示。通过对比结果可以得到约束强度对燃烧演化的影响规律：随着约束强度增加，裂缝中对流燃烧的压力和速度都随之增加。

在约束强度保持为强约束、点火方式相同的情况下，改变裂缝宽度研究了宽度对裂缝中燃烧演化的影响规律。裂缝宽度分别为50，100，200 μm的裂缝燃烧实验结果如表1所示，缝宽为50 μm和200 μm的燃烧压力对比如图3所示。从表1和图3可以看到，随着裂缝宽度的增加，裂缝中对流燃烧产生压力逐渐降低，对流燃烧的速度不管是火焰速度还是波阵面速度都逐渐升高。这说明在约束强度不变的情况下，裂缝宽度是影响对流燃烧演化的主要因素。

2  传导燃烧向对流燃烧的模式转换过程获得新的认识

高速相机拍摄的50 μm宽裂缝燃烧演化过程如图4(a)所示，压力传感器记录到裂缝中不同位置压力曲线如图3(a)所示。通过高速摄影照片读取不同时刻火焰尖端的位置，通过压力曲线获取不同位置压力传感器压力上升时间，拟合曲线可以得到火焰尖端和燃烧波阵面的传播速度，如图4(b)所示。

从图4(b)的速度曲线可以看到t=3 ms、位置8.2 mm之前燃烧主要以传导燃烧模式存在，燃烧速度约为3.27 m/s；之后由于裂缝中压力持续升高导致燃烧持续加速，直到t=4.2 ms、位置49.6 mm进入稳定的对流燃烧状态，火焰传播速度为387.6 m/s，而波阵面的传播速度为425.5 m/s，火焰传播速度和波阵面传播速度比较接近。