Page 40 - 《爆炸与冲击》2026年第2期

第 46 卷 潘传鱼，等： 非冲击点火质量惯性约束装药燃烧反应演化模型研究 第 2 期

2.1 实验方法
图 2(a) 为质量惯性约束柱壳装药爆炸装置示意图。装置四周和底部均为厚壁约束（内径为 50 mm、
外径为 120 mm，材料为高强度钢），厚壁约束装置强度约 217 MPa。顶部为自由的金属质量块（6 kg），金
属质量块与筒体之间紧密贴合且可自由活动，通过调整质量块质量可实现不同的质量惯性约束强度。
本次实验中，顶部质量块发生运动（不考虑质量块与筒壁之间的摩擦）的临界压力约为 0.03 MPa。实验
∅ 50 mm×50 mm 的 PBX-3（HMX 质量分数约 87%）药柱。采用电点火头加黑火药的方式对炸
采用尺寸
药底部进行点火，采用高速相机和激光干涉测速（photonic Doppler velocimetry, PDV）探针分别记录装药
的反应过程和壳体的膨胀速度。为避免反应后的火光引起过曝，本实验高速相机拍摄曝光时间设置为
20 μs，分辨率为 640×824，相机频率设置为 36 kHz，以电点火头放电时刻作为零时。
实验中，高速相机获得的装药反应演化图像如图 2(b) 所示。由于高速相机曝光率设置较低，且装置
整体为强约束结构，电点火头放电后未观察明显响应。在 1.861 ms 后，顶部惯性质量块与筒体的界面处
逸出火光，随后大量高温气体产物从顶部冲出，顶部惯性质量块在反应压力作用下发生向上运动。在
1.917 ms 时，在反应火光的照明下，观察到实验装置筒体发生了明显的膨胀变形。在 2.000 ms 时，实验装
置主体结构发生断裂破坏，冲出的反应火焰将整个实验装置包覆，随后实验装置碎块向四周飞出。装置
周围安装有 4 个 PDV 测速探头，分别位于惯性质量块顶部（PDV-1、PDV-2）、装置侧壁（PDV-3）和装置
底部点火引线压块处（PDV-4）。利用惯性质量块的运动速度历程数据，可估算装置内部产物体积增长速
率、反应压力增长速率；通过对侧壁和底部压块的运动速度测量，可获得实验装置结构的响应过程，并估
算装药内部反应压力。

PDV-1 PDV-2

Inertia block
0 ms 1.861 ms
Thick wall
constraint
PDV-3
Explosive

1.889 ms 1.917 ms
Black powder
Lead briquette
PDV-4 1.944 ms 2 ms

(a) Experimental setup (b) High-speed images
图 2 典型装药的质量惯性约束效应实验装置示意图及反应演化图像
Fig. 2 Experimental setup for charge with mass inertia constraint and reaction evolution photo

2.2 燃烧演化模型的应用
基于质量惯性约束柱壳装药设计，为方便计算建模，将图 2(a) 所示实验装置简化为厚壁筒体、约束
质量块和柱形炸药的组合体，忽略约束质量块与筒体内壁的摩擦。计算模型中的炸药材料特性、几何尺
寸、约束壳体材料、特征厚度同实验设计保持一致。
S 0 ，以层流燃烧方式沿药柱高度方向推
点火初始时刻，点火压力为 p IG ，初始燃烧面为药柱底部端面
进。假设除药柱底部端面外，药柱侧面与顶部端面均不发生燃烧。当底部空腔反应压力增大（p＞p ），
cr
S 0 和炸药裂纹
药柱会产生系列网状燃烧裂纹。上述过程中炸药的燃烧总表面积 S burn 包括药柱端面燃烧
V ca 随着质量块的运动而不断增大，可表示为：
燃烧 S c 两部分。筒体底部的空腔体积

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