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第 31 卷 第 3 期 2014 年 9 月 爆 破 BLASTING Vol. 31 No. 3  Sep. 2014 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2014. 03. 026 延期药脉动燃烧机理的研究 刘媛媛， 马志钢， 马 勇， 胡先云 （安徽理工大学， 淮南 232001） 摘 要 在一透明有机玻璃块上钻孔， 填满延期药 （铅丹 硅 85 15） ， 在一端安装电极， 置于一耐压钢质容 器内， 容器压力可在实验前充气调节， 可认为延期药燃烧时容器内压力恒定。高速摄影仪记录燃烧波阵面移动 过程， 观察发现， 燃烧波阵面向前传播线速度不是定值， 而是有节奏的 “闪烁” 跃进。亮时前进速度较快， 暗时 则较慢。通过计算图片张数得到小区间燃烧速度， 对比发现燃烧速度是脉动的， 脉动周期宽度约为 1. 0 mm， 时 间约14 ms。分析认为 脉动原因是加热区热分解产生的气体膨胀， 使正在燃烧的延期药位移产生裂隙， 其阻碍 了加热区加热， 使燃速降低， 所以产生燃烧脉动； 脉动周期不稳定的原因是火药密度不均或混药不均。通过改 变预设压力， 使延期药在不同压力下燃烧， 对比发现， 随着压力增大， 燃烧速度呈一次线性加速。 关键词 延期药；脉动燃烧；脉动周期；压力 中图分类号 TD235. 22 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2014） 03 -0132 -04 Study of Pulse Combustion of Delay Composition LIU Yuan-yuan， MA Zhi-gang， MA Yong， HU Xian-yun （Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China） Abstract To disclose the pulse combustion mechanism of delay composition， the high-speed camera was used to record the propagation process of combustion wave front. The propagation velocity was observed to be not constant but rhythmic 寓flashing寓 leaps. The combustion rate between short intervals of photos was obtained by calculation. The comparison showed that the combustion rate was pulsatile， and pulsation cycle was 1. 0 mm wide with 14ms in time. The analysis showed that the cause of pulse was gas expansion of thermal decomposition in heated area when the burning delay composition was shifted. Crack of displacement hindered the heating process and slowed the burning rate， so the pulse combustion was generated. The reason for unsteady pulsation cycle was due to the uneven composi- tion density or mixing. Delay composition could burn under different conditions by changing the preset pressure. The combustion rate linearly accelerated as the pressure increased. Key words delay composition；pulse combustion；pulsation cycle；pressure calculated 收稿日期 2014 -04 -09 作者简介 刘媛媛 （1988 - ） ， 女， 北京人， 安徽理工大学在读研究生， 应用化学 （爆破） 专业， 主要研究方向为延期药，（E-mail） wjbxl sina. com。 通讯作者 马志钢 （1961 - ） ， 男， 安徽理工大学化工学院弹药工程与 爆炸技术系教师、 副教授， 从事民用爆破器材与应用研究， （E-mail） zgma aust. edu. cn。 实验在一透明有机玻璃块上钻孔， 用延期药填 满， 电极点燃一端， 高速摄影仪记录燃烧波阵面移动 过程， 得出每 2 次脉动之间的距离与时间， 计算燃烧 波阵面在不同区间传播速度。分析脉动产生的机理 和导致脉动周期不稳的原因， 从而为提高延期精度， 提出建议。 1 实验 在透明的有机玻璃块 10 mm 10 mm 20 mm 上钻孔 φ 2 mm 20 mm。分别球磨铅丹与硅粉， 并 干燥。混合制成延期药， 铅丹 硅 85 15， 分 10 次 压装入孔内 （压药压力 2 kg） 。孔一端插入电极， 发 爆器点燃。高速摄影仪 （日本 PHOTRON 公司生产 的 10000C 型） 在常压下拍摄铅丹-硅燃烧过程， 拍摄 速度 3000 FPS， 实验图片如图 2。 图 1 密闭燃烧实验装置图 Fig. 1 Airtight combustion experiment device 图 2 高速摄影照片， 3000 FPS Fig. 2 High-speed photography， 3000 FPS 1. 1 在常压条件下燃烧 不在密闭燃烧器正面加有机玻璃板， 气压 0. 1 MPa， 拍摄速度 3000 FPS， 表 1。 1. 2 在加压条件下燃烧 给密闭燃烧器内空气预先加压， 实验压力分别 为 0. 2 耀0. 8 MPa， 拍摄速度 3000 FPS， 表 2。 2 实验分析 2. 1 脉动燃烧现象分析 不在密闭燃烧器正面安有机玻璃板， 气压 0. 1 MPa， 拍摄速度 3000 FPS， 连续播放燃烧图片可 见， 燃烧波阵面在向未燃烧延期药方向移动过程中， 速度不是恒定的， 而是有节奏的跃进， 伴随 “闪烁” 现象。亮时前进速度较快， 暗时则较慢。 从所 拍 高 速 摄 影 图 片 中， 每 隔 20 张 图 片 （6. 67 ms） 读取一张图片上火焰波阵面位置 （表 1） ， 计算后画成图 3。通过图 3 可以看出燃速是脉动 的。脉动长度大约 0. 9 耀1. 4 mm， 平均 1. 0 mm； 脉 动间隔时间大约 13 耀20 ms， 平均 14 ms。除去点火 端与喷火段， 燃烧传播速度1. 5 耀15 cm/ s， 平均速度 7. 32 cm/ s。 表 1 等时间间隔 6. 67 ms （20 张） 的燃烧速度 Table 1 Burning velocity of the time interval of 6. 67 ms（20 photos） 数据 序号 高速摄影 照片序号/ 张 此点对应 的时刻/ ms 火焰波阵 面位置/ cm 此时刻与 前一时刻 间火焰传 播距离/ mm 此时刻与 前一时刻 间的燃速/ （cms -1） 1470 267 6. 670. 10115. 00 38713. 330. 150. 57. 50 410720. 000. 200. 57. 50 512726. 670. 260. 69. 00 614733. 330. 300. 46. 00 716740. 000. 370. 710. 50 818746. 670. 410. 46. 00 920753. 330. 450. 46. 00 1022760. 000. 500. 57. 50 1124766. 670. 550. 57. 50 1226773. 330. 590. 46. 00 1328780. 000. 630. 46. 00 1430786. 670. 640. 11. 50 1532793. 330. 690. 57. 50 16347100. 000. 710. 23. 00 17367106. 670. 770. 69. 00 18387113. 330. 790. 23. 00 19407120. 000. 860. 710. 50 20427126. 670. 890. 34. 50 21447133. 330. 910. 23. 00 22467140. 000. 990. 812. 00 23487146. 671. 050. 69. 00 24507153. 331. 060. 11. 50 25527160. 001. 130. 710. 50 26547166. 671. 150. 23. 00 27567173. 331. 200. 57. 50 28587180. 001. 230. 34. 50 29607186. 671. 300. 710. 50 30627193. 331. 320. 23. 00 31647200. 001. 400. 812. 00 32667206. 671. 450. 57. 50 33687213. 331. 520. 710. 50 34707220. 001. 550. 34. 50 35727226. 671. 590. 46. 00 36747233. 331. 650. 69. 00 37767240. 001. 670. 23. 00 38787246. 671. 730. 69. 00 39807253. 331. 760. 34. 50 40827260. 001. 810. 57. 50 41847266. 671. 830. 23. 00 42867273. 331. 890. 69. 00 43887280. 001. 910. 23. 00 44907286. 671. 980. 710. 50 45927293. 332. 070. 913. 50 注 高速摄影仪拍摄频率为 3000FPS。 331第 31 卷 第 3 期 刘媛媛， 马志钢， 马 勇， 等 延期药脉动燃烧机理的研究 图 3 时间间隔 6. 67 ms （20 张） 时的燃烧速度， 3000 FPS Fig. 3 Burning velocity of the time interval of 6. 67 ms（20 photos） ， 3000 FPS 由表 1 和图 3 可见， 在点火端燃速 15 cm/ s， 喷 火端 13. 5 cm/ s， 燃速较快。点火端快是因为此处 电极点火强度较大。喷火端快是因为此处火药靠近 开放端面， 在燃烧波波阵面高压气体作用下， 此处延 期药从开口向外喷出燃烧， 这不是延期药的正常燃 速。统计距离点火端和喷火端约 0. 5 cm 以后的燃 速， 则比较稳定。除去点火端与喷火端各 0. 2 cm， 按长度将药芯分成前后两段， 计算各自速度 火焰从 距点火端0. 20 cm 烧至1. 05 cm， Δx 0. 85 cm， Δt 126. 67 ms， v 6. 71 cm/ s； 从 1. 05 cm 至 1. 89 cm， Δx 0. 84 cm， Δt 126. 66 ms， v 6. 63 cm/ s。速度 相差 0. 08 cm/ s， 占其平均值 6. 67 cm/ s 的比率为 1. 20豫。所以尽管由图 3 可见， 脉动速度变化较大， 但在较大区间， 速度是稳定的。 根据铅丹-硅延期药燃烧的化学反应， 铅丹在 550 ℃分解产生一氧化铅和氧气， 然后两产物同时 与硅粉发生氧化还原反应， 硅被氧化为二氧化硅， 一 氧化铅被还原生成铅， 其反应式如下 ［1］ 2Pb3O4→   550 ℃ 6PbO O2 Si O→ 2 SiO2 →2PbO SiSiO2 2Pb 从所拍图片可见， 燃烧波阵面基本垂直于燃烧 波传播方向， 可以认为是一维的。燃烧是沿延期药 柱一层一层进行的一系列再点火过程， 每一层按温 度随时间的变化分为 3 个阶段 预热阶段、 化学反应 阶段和生成产物阶段 （图 4） 。 延期药在化学反应区的燃烧产生大量氧气， 形 成高压。 预热区热守恒方程可表示如下 ρc T t k 2T x 2 ξρQZe -Ea/ RT q1 q2 式中 ρ 为密度； c 为热容； k 为导热系数； Q 为单位质 量炸药放热量； Ea 为活化能； Z 为指前因子； ξ 为化 学反应进行的程度。 图 4 延期药燃烧区划分和温度分布 Fig. 4 Burning zone division and temperature distribution of delay composition 延期药被加热时， 其表面发射出的辐射能很小， 这里忽略不计。 q1为化学反应区铅丹与硅反应产生的热气体， 以扩散的形式进入预热区， 带入的热量。 q2为化学反应区铅丹与硅反应产生的热气体， 以对流的形式进入预热区， 带入的热量。 q1和 q2的大小受延期药致密程度， 即孔隙度的 影响很大， 也受化学反应区气流压力影响。孔隙和 气压越大， 扩散和对流进入预热区的气流越多， 对其 加热就越快。孔隙和气压越小， 扩散和对流进入预 热区的气体就越少， 对其加热就越慢。 该公式的物理意义 预热区升温所用的热 （化学反应区通过热传 导传到预热区的热） （预热区延期药热分解所放 的热） （热气体扩散进预热区带入的热量） （热 气体对流进预热区带入的热量） 只有当预热区点火界面温度达到其着火点 525 ℃， 其才能被点燃 ［2］。 延期药燃烧是通过燃烧路线一层一层再点火传 播的 ［3、 4］。 按照阿伦尼乌斯方程 k Ze - Ea/ RT （式中 k 为 速率常数； R 为摩尔气体常量； T 为热力学温度； Ea 为表观活化能； Z 为指前因子） ， 化学反应速率常数 在温度上升时， 以指数形式升高， 所以预热区温度梯 度很陡 （图 4） 。预热区不会太厚。预热区受热分解 产生的气体， 反推预热区与未受热延期药界面， 当推 力超过预热区延期药与器壁的摩擦力与延期药之间 的粘附力， 该区向右移动， 产生裂隙。在移动过程 中， 预热区温度迅速升高， 变成反应区， 迅速完成化 学反应， 温度与气体压力随即达到最大。预热区在 431爆 破 2014 年 9 月 位移前化学反应只进行了一小部分， 大部分化学反 应是在该区位移， 变成化学反应区之后进行的 ［5］。 由于间隙减慢了化学反应区对预热区的热传导、 热 气体扩散、 和热气体对流， 降低了化学反应区对预热 区的加热效率 ［6］， 使下一层点火时刻被延误了一小 会， 以致燃烧脉动。 当延期药密度不均或粒度不均， 反应区热气体 对预热区扩散与对流速度不稳， 使得预热区延期药 被加热速度发生相应变化， 从而不同层之间点火时 间不稳， 以致脉动周期不稳。 2. 2 压力对燃烧速度的影响 因为密闭燃烧器正面塑料板的遮挡， 使高速摄 影仪所拍图片不够清楚， 无法对燃烧波阵面位置做 出 1 mm 长度左右的精确判读， 只能以 1 cm 长度左 右读取一次数据， 由此计算得出延期药柱中段平均 速度 （表 2） 。 表 2 不同压力下的燃速 Table 2 Burning velocity at different pressure 序号 压力/ MPa 前 1 cm 内平均 燃速/ （cms -1） 后 1 cm 内平均 燃速/ （cms -1） 平均燃速/ （cms -1） 10. 17. 706. 937. 32 20. 28. 398. 698. 54 30. 39. 8810. 029. 95 40. 411. 4210. 8411. 13 50. 513. 3113. 5913. 45 60. 615. 6715. 8315. 75 70. 715. 5515. 2115. 38 80. 818. 2018. 5018. 35 在密闭状态下， 铅丹-硅延期药燃烧速度与压力 的关系可用通式 v a bpr表示， a 值大小表示燃烧 化学反应在固相进行的程度， b 值大小表示燃烧在 气相进行的程度。a、 b 均为正数， 可以认为在气相 是一级反应 ［7］， 所以 r≈1。压力越大， 燃烧速度越 快， 反之亦然。 由表 2 线性回归得到速度与压力的关系式 （图 5） v 5. 46 15. 61p 由公式可见， 燃烧反应主要是在固相进行的。 3 结论 （1） 延期药是一层一层以再点火的形式， 完成线 性燃烧传播的。由于预热区气体推动， 在反应区与预 热区之间出现缝隙， 导致对下一层热传导、 热气体扩 散与对流减缓， 延误了对预热区的加热， 以致出现燃 烧速度出现短暂大幅度下降， 随着预热区温度上升， 达到着火温度， 525℃， 再次被点燃， 致使燃烧传播脉 动。两次脉动之间的距离和时间， 即脉动周期。 图 5 燃速和压力的线性回归图 Fig. 5 Linear regression of burning rate and pressure （2） 燃速是脉动的， 脉动周期0.9 耀1.4 mm， 平均 1. 0 mm； 时间 13 耀20 ms， 平均 14 ms； 在点火端和喷 火端， 燃烧速度较快。距两端0.2 mm 以后， 如果以较 长距离计算， 比如 0. 85 cm， 速度是稳定的， 而在小区 间之内， 速度则在4.69 耀11.53 cm/ s 之间脉动。 （3） 延期药密度不均， 致使延期药粒子之间空隙 大小与数量不均、 导热系数变化； 延期药混合均匀性 不好， 导致其反应活性波动， 从而致使脉动周期不稳。 （4） 燃烧波传播速度符合以下公式 v 5. 46 15. 61p。 参考文献 （References） ［1］ 王志新， 李国新， 劳允亮. 硅系延期药贮存与硅粉表面 稳定性研究 ［J］ . 含能材料， 2005， 13 （3） 158-161. ［1］ WANG Zhi-xin， LI Guo-liang， LAO Yun-liang. 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