1.   引言

非均匀炸药在低速撞击条件下的点火反应机理是炸药安全性研究重点关注的问题之一。不同于均匀炸药的冲击起爆过程，非均匀炸药低速撞击点火适用于非冲击点火。在低速撞击作用下非均匀炸药产生局部高温区域，当该局部区域的温度和尺寸等因素达到点火阈值之后引发点火和燃烧，最终可能引起整装炸药发生爆炸^[1-2]。

落锤实验在研究炸药低速撞击响应的工程和科学领域得到了广泛应用^[3-4]。剑桥大学卡文迪许实验室的Balzer等^[4-5]采用落锤实验装置研究了PETN和RDX的低速撞击响应，结果显示，4种颗粒的炸药(PETN和RDX分别选用大尺寸颗粒和超细颗粒)在落锤撞击下都出现了绝热剪切带，但发生点火的主要原因是压实过程中颗粒间密闭空隙内气体的形成。中国工程物理研究院化工材料研究所的代晓淦等^[6]通过改造落锤仪得到了大药片(∅20 m×5 mm)Tetryl和JOB-9003炸药的落锤撞击爆炸阈值，其落高分别为3.5和6.5 m。北京理工大学的吴艳青等^[7-11]利用改进后的落锤装置对HMX和RDX颗粒炸药的低速撞击点火进行了较系统的实验和数值模拟研究，分析了多种因素对HMX颗粒炸药低速撞击响应的影响，并通过图像处理估算得到颗粒炸药在落锤撞击下燃烧波阵面的传播速度。

本工作采用进一步改进的落锤实验装置对HMX基高聚物黏结炸药在低速撞击条件下的点火燃烧反应特性进行研究，获得落锤加载下非均匀炸药点火反应过程的图像并测量其压力变化。

2.   落锤实验装置

对传统的落锤实验装置进行改进，由落锤直接撞击炸药样品改为由落锤先撞击上击柱，再由上击柱对黏结炸药样品进行加载，改进后能够保证撞击过程保持为平面撞击状态。为了对黏结炸药的响应过程进行实时观测，分别在上、下击柱中开孔，并安装与撞击方向呈45°角的反光镜，从上击柱的开孔处采用LED光源照明，入射光经过上部反光镜反射后进入样品，之后再由下部反光镜反射后进入高速相机，光路如图 1所示，通过放置在两块钢化玻璃击柱之间的PVDF压力计间接测量样品受压过程中的压力变化。

图  1  改进的落锤加载实验装置

Figure  1.  Improved drop-weight loading system

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落锤材料为Q235A钢，质量为10 kg，下落高度为0~1 m，对应的撞击速度为0~4.43 m/s。钢化玻璃击柱的材料为K9钢化玻璃，实测密度为2.512 g/cm³，里氏硬度值为875。钢化玻璃上击柱的尺寸为∅60 mm×20 mm，钢化玻璃下击柱的尺寸为∅40 mm×20 mm。

3.   实验结果和讨论

实验中所用样品为以HMX为基的高聚物黏结炸药，HMX质量分数为96%，黏结剂Hype的质量分数为4%，密度为1.743 g/cm³；实验样品尺寸为∅10 mm×1 mm，质量约140 mg。数字高速相机拍摄幅频为180 000帧/秒，每幅图像之间的时间间隔为5.56 μs。在落锤高度100 cm条件下开展了两发实验，分别记为实验1和实验2，以下对两发实验的结果进行分析(由于采用PVDF触发，触发时刻样品已经受到上击柱的撞击，设触发时刻为零，则初始撞击时刻t为负数)。

3.1   实验1结果

实验1中，炸药样品质量为139.8 mg，受到落锤100 cm自由下落撞击后的响应过程如图 2所示，通过放置在两块钢化玻璃压砧之间的PVDF压力计测量得到撞击过程中平均压力变化的曲线如图 3所示。从图 2的结果可以看到：t=98 μs之前，炸药样品主要经历压实和塑性变形过程；t=104 μs在样品中部偏右的位置出现局部高温区域，随后发生点火反应，t=131 μs反应达到最强(对应图 3中A点，压力为72.2 MPa)，t=142 μs反应开始减弱，t=148 μs反应熄灭，同时炸药从首次点火位置开始出现破碎颗粒并向周围扩散；t=315 μs同样在样品中部偏右的位置出现第2次点火，t=326 μs反应已达到与首次点火相当的强度(对应图 3中B点，压力为187.1 MPa)；此后反应剧烈增长，在t=392 μs时发展为3个较大的反应区域，t=409 μs反应区连通，t=500 μs视场完全被反应发光照亮(对应图 3中C点，压力为234.2 MPa)，此后反应开始减弱，直到t=892 μs反应熄灭，持续时间约577 μs；t=909 μs，在右下部出现第3次明显的点火过程，持续时间较短。

图  2  实验1中HMX黏结炸药的撞击响应过程

Figure  2.  Drop-weight impact responses of HMX based plastic bonded explosive in experiment 1

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图  3  实验1中样品下方两块钢化玻璃压砧之间测得的平均压力

Figure  3.  Mean pressure measured between two toughened glass anvils under the sample in experiment 1

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3.2   实验2结果

实验2中炸药样品质量为138.7 mg，受到落锤100 cm自由下落撞击后的响应过程如图 4所示；通过放置在两块钢化玻璃压砧之间的PVDF压力计测得的撞击过程中平均压力变化曲线如图 5所示。从图 4的结果可以看到:t=293 μs之前炸药样品主要经历压实、塑性变形和颗粒破碎过程；t=299 μs在样品中部偏右的位置出现局部高温区域，随后发生点火反应，t=338 μs反应达到最强(对应图 5中A点，压力为226.7 MPa)，t=349 μs反应开始减弱，t=360 μs反应熄灭；t=427 μs样品左上部出现第2次点火，反应迅速增长，t=554 μs视场完全被反应发光照亮(对应图 5中B点，压力为296.6 MPa)，此后反应开始减弱，直到t=715 μs反应又开始增强，t=760 μs视场第2次被反应发光照亮，t=1 199 μs反应基本熄灭，持续时间约772 μs。

图  4  实验2中HMX黏结炸药的撞击响应过程

Figure  4.  Drop-weight impact responses of HMX based plastic bonded explosive in experiment 2

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图  5  实验2中样品下方两块钢化玻璃压砧之间测到的平均压力

Figure  5.  Mean pressure measured between two toughened glass anvils under the sample in experiment 2

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3.3   对比分析

对比实验1和实验2的结果可以看到，两发实验中黏结炸药样品在落锤100 cm撞击下的响应过程不尽相同：

(1) 实验1中，炸药在发生颗粒破碎之前(t=104 μs)有一次较为明显的点火过程，点火持续时间约44 μs，点火区域面积约10 mm²，造成点火区域发生断裂，炸药开始出现颗粒破碎并向周围扩散。

(2) 发生颗粒破碎之后，实验1中炸药样品在315 μs出现第2次点火，此后在约577 μs时间内炸药样品几乎烧完，只有极少残留，并在909 μs出现第3次点火，持续时间约为44 μs；而实验2中炸药样品在299 μs出现第1次点火后仅持续约61 μs就熄灭，并在427 μs出现第2次点火，反应最终持续约772 μs后熄灭，仅有极少数炸药残留。

(3) 实验1中测到的峰值压力为234.2 MPa，实验2中峰值压力为296.6 MPa。

通过实验1和实验2的结果可以看到，黏结炸药药片在落锤低速撞击下基本都要经历压实→塑性扩展→颗粒破碎→形成局部高温区域→点火→燃烧→熄灭的过程，而且在剧烈点火反应发生之前都经历过一次点火熄灭的过程，不同的是实验1发生在破碎之前，而实验2发生在破碎之后。

4.   结论

采用改进的落锤实验装置，结合高速数字相机和PVDF压力计，实时记录并获得了以HMX为基的黏结炸药在低速撞击条件下的响应过程图像和压力变化曲线。结果表明，非均匀炸药在低压长脉冲加载下的响应过程是典型的局部高温区域点火过程，基本都要经历压实→塑性扩展→颗粒破碎→形成局部高温区域→点火→燃烧→熄灭的过程，但是由于炸药在细观尺度上存在不均匀性，导致相同实验条件下不同实验样品中局部高温区域点火出现的位置、持续时间以及反应强度都存在差异。