燃烧转爆轰(Deflagration to Detonation Transition，DDT)是含能材料的一个重要特征[1]，也是含能材料危险性的一项重要指标[2]，备受重视。燃烧转爆轰是系统由燃烧发展为稳定爆轰过程中出现的一个复杂的物理、化学反应，它广泛存在于推进剂和发射药的燃烧、爆破器材的起爆以及炸药的生产、贮存和使用过程中[3]。早在20世纪40年代，苏联科学家Andreev首先开始了对此问题的研究[4]，此后，经过科技工作者的不断探索，在DDT试验及理论方面均取得了一定进展[5]。随着人们对DDT认识的不断加深，从20世纪中叶起，开始了大规模、系统性的研究工作，国外从事DDT研究工作的主要机构有美国的海军水面武器中心、洛斯阿拉莫斯实验室、桑迪亚国家实验室、斯坦福实验室、海克里斯公司和矿物局，前苏联的科学院化学物理所，法-德联合研究所，英国的装备研究和发展机构等[6]，自此国内外学者对炸药、推进剂、发射药、烟火药等含能材料的燃烧转爆轰研究步伐就一直没有停歇[7-20]。目前，DDT机理已经被用来指导火炸药的配方设计、性能控制以及安全防护措施的制定[21]，此外，科研人员还把燃料-空气炸药(FAE)燃烧转爆轰过程中产生的高温、高压燃气用作脉冲发动机的动力源[22-25]，用以克服传统发动机能量输出效率低的不足，被认为是最具有发展前景的动力装置之一[26-29]。
通过已有的研究，人们对含能材料燃烧转爆轰的研究方法、影响因素及过程机理有了较全面的了解，本文综述了其中有代表性的研究成果，以期为火炸药的燃烧转爆轰特性研究、配方设计、安全控制、成果应用等提供参考。
2 燃烧转爆轰研究方法 2.1 实验研究法实验研究法目前主要包括DDT管法和动态压缩法。DDT管法是含能材料燃烧转爆轰现象研究最常用的方法，压缩法常用作DDT机理研究。研究火炸药等含能材料的DDT管通常有强约束和弱约束两种[30]，强约束一般为厚壁金属管，其优点是强度大、约束力强，容易实现由燃烧到爆轰的转变。弱约束一般为有机玻璃管或塑料管，其优点是具有良好的可视性，有利于观察整个DDT过程燃烧波的传播规律和药床的密度分布，缺点是强度差、易变形，由于侧向稀疏波作用，在有限长的管内较难实现由燃烧到爆轰的转变，因此塑料管或玻璃管仅用于容易发生燃烧转爆轰的材料。普通含能材料DDT装置如图 1[31]，新型FAE DDT装置如图 2[32]。
DDT过程是一个强烈的动态压缩过程，为深入研究DDT机理，Sandusky[33]等人设计了高压气源驱动的压缩实验、活塞撞击压缩实验、用螺旋形装药推动活塞的装置和间隙实验装置分别模拟了多种含能材料多孔药床的DDT过程，Sandusky在活塞压缩过程中首次观察到了致密波(The Compaction Wave，使得药粒床孔隙率发生变化的行进波即为致密波[34])。燃烧转爆轰的发生与致密波作用相关，Sandusky[33]发现当活塞撞击多孔床的速度小于300 m·s-1时:形成的稳态致密波速低于600 m·s-1; 当活塞速度足够大时，致密波速度加快，药粒床孔隙率急剧变化而引发燃烧，这一过程满足方程: τ2Δt=const。式中τ为测得的被压缩固相中的应力, MPa; Δt为药床从被撞击到出现火焰的时间间隔，μs。
对DDT过程的测试手段主要有测压和测速两个方面。测压技术有:应变片法[35]、管内痕迹显示法[35]、验证板法[35]、轴向机械探针法[35]、锰铜压阻计[36]等。管内痕迹显示法一般用于DDT过程分析，陈晓明[37]等人利用管内痕迹法分析了发射药在燃烧转冲击波(DST)和冲击转爆轰(SDT)两个阶段管壁的变化情况。应变片法是将应变片贴在DDT管外表面, 通过测量DDT管的变形来反映管内压缩波或冲击波的传播规律，该法的缺点是测量误差偏大, 优点是能够得到强压缩波到达各应变片所处位置的相对时间。
测速技术有:高速摄影法[35]、脉冲X射线法[35]、光纤记录法[35]、电离探针法[35]、轴向电阻丝法[35]等，其中电离探针和光纤法以其经济简单而被广泛应用。电离探针主要依靠火炸药发生化学反应时产生的正负离子导通，当火焰波小于500 m·s-1时探针很难测到波速，光纤探针的工作依靠热和光的辐射，即使在较低的燃烧速度下也能测到燃烧波速度。因此，通常采用电离探针和光纤探针相结合的手段测量燃烧波速度，高速段用电离探针，低速段用光纤探针。董树南[31]等人采用电离探针和光纤探针记录了含ACP(一种以二价铜胺络离子为阳离子的高氯酸盐)改性双基推进剂的燃烧与爆轰波阵面的位置-时间关系, 发现随着ACP含量的增加，装药燃烧转爆轰有明显增大倾向。
除上述实验技术外, 用于含能材料DDT研究的还有微波干涉仪、声像法、反转多幅闪光技术[38-41]等。
判断燃烧转爆轰与否或其倾向大小的方法一般根据具体条件而定，从简单、便宜到复杂、昂贵的研究方法目前都在应用[30]。前者如验证板方法，即在DDT管下方固定一块钢板，通过观察钢板上留下的痕迹(压痕)来判断是否发生燃烧转爆轰。这种方法的优点是简单、直接、廉价，缺点是人为主观影响因素较大，经常存在误判、漏判情况，因为在试验现场经常存在见证板被抛射无法找到的现象。比较精确的方法是采用高速摄影技术观察燃烧转爆轰过程的发展，或在DDT管中安装传感器测试燃烧波及压力波的传播情况，从燃烧波阵面和压力波阵面的相对位置来分析燃烧转爆轰过程[30]。其缺点是复杂、成本昂贵，存在设备被毁坏的危险。目前比较经济、可靠的方法是通过观察见证板、样品管的破坏程度等综合来判断是否发生了燃烧转爆轰[42]。
2.2 数值模拟法燃烧转爆轰边界影响因素多，包含能量转换、相变、压缩、冲击波形成与迭加、稳态爆轰等复杂过程[43]，这给DDT数值模拟带来了一定的难度。目前，对含能材料DDT过程的数值模拟主要采用两相流理论模型。最早采用两相流模型研究燃烧问题的是Kuo[44]和Gough等人[45]，他们未考虑固相的压缩性和颗粒间的相互作用，因此只进行了低速、低压下的数值模拟。为了克服此不足，Passman[46]等人在两相模型中引入体积分数守恒方程进一步完善了两相流模型。经不断完善，国外学者已用一维两相流的燃烧转爆轰动力学模型及其数值计算方法成功地预示了燃烧转爆轰的全过程[47-50]。国内秦根成[51]等利用一维两相反应流模型，建立了硝酸酯增塑聚醚(NEPE)高能推进剂燃烧转爆轰数学模型，用Mac-Cormack差分格式进行数值求解NEPE推进剂燃烧向爆轰转变的内在原因，认为存在于药粒床中的压缩波和燃烧波的相互作用导致了NEPE推进剂由燃烧向爆轰的转变。刘德辉[52]采用一维分离两相流反应模型以及变步长跳步差分计算格式模拟了固体推进剂的燃烧转爆轰过程，建立了确定诱导爆轰距离的方法, 由该法所得的诱导爆轰距离值与实验值误差小于15%;贾祥瑞[53-55]和杨涛[56]等人采用一维分离两相流反应模型等对推进剂多孔床中不同速度的致密波进行了计算, 得到了致密波区内的参数分布。
在二维模拟方面，Krier和Samuelson[57]采用了Leapfrog法求解二维炸药床的燃烧转爆轰问题，发现Leapfrog法对非粘性流体控制方程是适用的, 但不适合解含有粘性力二阶偏导数的方程组, 因为在物理量突变区之前产生严重的数值振荡。为了克服这一缺点，Spalding等人[58]提出了SIMPLE(semi-Implscit Method for pressure-Linked Equations)和IPSA(Interphase slsp Algorithm)数值解法，SIMPLE型数值计算方法较好地克服了数值解的严重振荡问题，IPSA法能够较好的解决多相流动过程和燃烧过程的数值分析，姜羲[43]等人参考应用IPSA解法于全粘性方程, 结合燃烧转爆轰的具体物理特性和初边条件, 对跨音速流动和压力校准方程作了特殊处理，建立了含能材料密实颗粒床的燃烧转爆轰全粘性欧拉二维非定常两相反应流的控制方程组，成功地模拟了无起爆药雷管的起爆流场。
对于气液两相燃烧转爆轰过程的数值模拟，大多都采用了Lax-wendrof格式[59]和Ma Corynack格式[60]进行, 但其都不能处理激波间断问题, 且稳定性条件苛刻。对此不足，美国航空航天局的Chang[61]提出了CE/SE(Conservation Element and Solution Element)算法，该方法格式简单、精度高，是计算爆轰等强间断问题的有效方法。国内外对于PDE(Pulse Detonation Engine)气液两相爆轰的模拟大多未考虑粘性影响，林玲[62]等在前人研究的基础上，将二维粘性CE/SE方法应用到等离子体射流点火的多相爆轰模型中，分别以N-S(Navier-Stokes)方程和Euler方程为控制方程，比较了等离子射流点火条件下粘性作用对爆轰参数的影响，认为提高初始射流点火的温度和时间，可以显著地缩短诱导爆轰距离(冲击波和爆轰波的交点距装药初始点火端的距离)。
DDT现象更适合用三维模型进行数值模拟。但由于DDT过程中最后阶段(冲击波转变为爆轰阶段)，各状态参量瞬变剧烈，这需要开展相当数量的系统实验研究以提供三维数值模拟所需的物理参数，DDT实验研究所需的人力、物力、财力花费很大，这给三维数值模拟带来了很大的困难。尽管国内外研究人员在DDT三维模拟方面开展了一些研究工作，如20世纪80年代, Mader等[63]在“热点”形成爆轰方面进行了简单的三维数值模拟，Hallquist[64]主持开发的1991年版的DYDA程序具有一定处理三维问题的功能。但这些三维模拟仅限于燃烧转爆轰过程某个阶段的简单模拟，还不能预示燃烧转爆轰的全过程。对DDT三维数值模拟还需今后进一步研究完善。
3 燃烧转爆轰影响因素 3.1 装填密度的影响装填密度一般采用理论最大装填密度(TMD)的百分数来表示。董贺飞[65]以两相流模型为基础，采用CE/SE方法模拟了装填密度对HMX炸药燃烧转爆轰的影响，气相产物状态方程采用基于统计物理的类CHEQ(一种基于统计物理的爆轰产物物态方程程序)的计算结果，数值模拟结果表明，在相同的试验条件下，爆轰成长距离在一定范围内随装填密度呈“U”形变化，如图 4所示。“U”曲线表明，存在某一含能材料最容易出现由燃烧转向爆轰的装填密度，在该密度两侧随着装填密度的增加或减小都不易发生DDT转变。“U”形曲线的最底部即为含能材料在该装填密度下的最小诱导爆轰距离Lmin，Lmin越小，越易发生DDT转变，φ-L曲线越宽，也越易出现DDT转变。赵孝彬[30]、贾祥瑞[53]、文尚刚[66]等人通过试验也得到了此结果。
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图 3 装填密度与诱导爆轰距离关系[65] Fig.3 Relation curve of the predetonation column length versus loading density [65] |
约束条件包括强约束条件和弱约束条件，强约束条件如厚壁钢管，弱约束条件如薄壁铝管、铜管及有机玻璃管、塑料管、玻璃管等。
陈朗[67]等在不同约束条件下(DDT管长420 mm, 壁厚分别为5 mm和30 mm), 对PBXC03压装炸药燃烧转爆轰过程进行了数值模拟计算。计算结果显示，PBXC03压装炸药只有在强约束下(壁厚30 mm)才能够发生燃烧转爆轰, 弱约束下(壁厚5 mm)管体破坏引起气体泄漏和压力降低是限制炸药燃烧转爆轰的主要原因。
秦能[42]、陈晓明[37]分别用壳体厚度为4 mm和9 mm的钢管对RDX-CMDB(Composite modified double-base)推进剂和6/7药型双基发射药、叠氮发射药以及三基发射药进行了燃烧转爆轰试验，试验结果与陈朗模拟的结果相同，在弱约束条件下几种火药未发生燃烧转爆轰，而在强约束条件下发生燃烧转爆轰。赵同虎[68]等人研究了DDT管材料对颗粒状RDX床DDT过程的影响，发现DDT管材料对颗粒状RDX诱导爆轰距离影响不大，但对DDT机理过程有一定影响，DDT管材为钢时，RDX的DDT过程为突变模式，管材为铝时为连续转变模式; F.Leuret[69]研究了样品管长度对压装高密度炸药(HMX质量分数为96%的塑性炸药)DDT的影响，实验发现随着DDT管长度的增加，装药发生燃烧转爆轰的几率也增大，说明约束条件对试验结果有影响。增强约束条件易于发生燃烧转爆轰，约束越强，破坏DDT管所需的压力越大，有利于药床燃烧产生燃气压力的聚集而形成强大的冲击波，进而诱发药床由燃烧转为爆轰。弱约束容易发生侧向膨胀形变而产生稀疏波，稀疏波能够减小管内的dp/dt(压力-时间梯度)，相对延迟了药床由燃烧向爆轰的转变，DDT管的壁厚与反应激烈程度关联不大[30]。
3.3 材料的物理与化学性质的影响影响含能材料DDT过程的主导内在因素是材料本身物化性能，如材料的化学组成、冲击波感度和质量燃耗率等。
减少火药配方中硝化甘油(NG)、叠氮硝胺(DA)和黑索今(RDX)等组分含量可以降低其燃烧转爆轰能力，法国火炸药公司(SNPE)在研究添加了硝胺炸药(RDX或HMX)的改性双基推进剂的爆轰性能时也证实了这一点[70-71]。刘德辉[72]等研究了HTPB/AP/HMX(HTPB:端羟基聚丁二烯, AP:高氯酸铵)推进剂的燃烧转爆轰特性，发现在同样的装药密度下，AP/HMX丁羟复合推进剂的诱导爆轰距离比不含HMX的复合推进剂低42 mm; 含能材料的冲击波感度越大越易发生燃烧转爆轰[73]，这是因为冲击波感度越大其吸收冲击波能量转化为热能越容易，在冲击波作用下更易裂解形成热点而引发爆轰。
质量燃耗率是影响含能材料DDT反应的决定性因素。含能材料的质量燃耗率越大，其发生燃烧转爆轰的进程越快。影响含能材料质量燃耗率的大小的主要因素有:
(1) 组成的氧平衡。愈接近零氧平衡的装药，愈易实现DDT。因为零氧平衡的装药燃烧充分，火焰温度高，药粒表面处的温度梯度也大，药粒的线燃速增大，质量燃耗率增大[66]。
(2) 装药的渗透性。渗透性越大，高温燃气渗入装药内部越容易，使对流火焰传播速度提高，从而质量燃耗率增大。在同一孔隙度条件下，颗粒越小、粒形越不规则的药剂渗透性越大，因此，粉状或粒状装药易发生DDT反应[72]。
(3) 火炸药的燃速压强指数。火炸药燃速压强指数越高，其质量燃耗率受管内压力的波动增幅越大，爆轰就越易形成。炸药的压力指数都较高, 推进剂、发射药配方中炸药组分含量越高越易发生DDT反应[73]。
(4) 添加剂。炸药、推进剂、发射药配方中添加的钝感剂、降速剂等惰性组分一般都包覆于含能材料的表面，延缓含能材料初始质量燃耗率。这一点王建[74]等已通过钝感剂包覆HMX试验予以证明。
(5) 装药内部缺陷。张泰华[6]、秦能[42]等人试验发现受撞击损伤的推进剂和内部存在孔洞的推进剂更易发生燃烧转爆轰现象。这是因为装药内部存在气孔、裂纹等缺陷时，装药初始燃面增大，装药的质量燃耗率增加。
3.4 点火强度与点火方式的影响点火强度也是影响含能材料燃烧转爆轰的一个重要因素。点火强度越大，点火初期产生的点火峰压越高，形成局部高压区，对药床产生一定压缩作用，有些高能点火药中含有金属粉(铝粉、镁粉等)，燃烧时产生大量炽热燃烧粒子，在压力作用下，这些炽热的粒子将会冲击装药的燃面，造成局部燃面增大，未燃药床在压缩和冲击作用下，燃烧加剧，诱导爆轰距离缩短。荣光富、黄寅生等[75-76]研究了高能点火药对太安燃烧转爆轰的影响，发现改性后的硼系高能点火药BKF2使太安燃烧转爆轰的概率远远大于未改性的硼系高能点火药(BKF1)。
赵同虎[77]研究了点火方式对颗粒状装药HMX燃烧转爆轰的影响，发现颗粒状HMX在点火药直接点火时在药床73.4 mm处发生爆轰，在活塞驱动点火时, 在药床35 mm处发生了爆轰，说明两种点火方式下炸药的DDT过程不完全相同。活塞改变了DDT管的封闭条件，对炸药的DTT带来一定的影响。
3.5 温度的影响国内外研究人员关于温度对含能材料DDT的影响也进行了相关研究[78-80]，发现初始温度虽然不能影响含能材料DDT响应类型，但对含能材料发生DDT后对环境的破坏程度有一定影响。如代晓淦[80]等人研究了初温对PBX-2(HMX基炸药)燃烧转爆轰的影响，发现在其它实验条件均相同条件下，85 ℃下PBX-2的反应激烈程度相比于20 ℃下较弱。分析原因认为这是因为较高温度下，粘结剂发生融化和流动使得体系孔隙率减少，不利于高温燃气渗入装药内部，延缓了DDT反应的时间和能量释放速率。
4 DDT机理研究由于火炸药等含能材料DDT过程的复杂性及DDT现象的随机性，对DDT机理的阐述至今仍莫衷一是，没有一个满意的解释。国内外科技工作者根据各自的研究情况得出了众多有关DDT机理的解释，可以将它们归纳为两类，一类是“冲击波成长说”，一类为“局部热爆炸说”。
“冲击波成长说”的代表是Bernecker.R.R和Sandusky.H.W[81]。他们将DTT过程分为点火前、点火/传导燃烧、对流燃烧、压缩(热点)燃烧、冲击波形成、冲击波作用下的压缩燃烧和爆轰形成7个阶段，并非所有的DDT过程中都存在这7个阶段，随着外界条件的变化，这7个阶段在不同的区域分别发挥主导作用。如杨涛等人[82]将发射药在强约束条件下的DDT过程分为低速对流燃烧、快速对流燃烧和稳态爆轰3个阶段。“冲击波成长说”可以解释绝大部分含能材料的DDT现象。
“局部热爆炸说”的代表是Price.D[83]，认为在点火初始阶段，药床的燃烧速度与管内压力增加都比较平缓，但药床颗粒间的压实现象依然严重，压力波阵面处孔隙被急剧压缩形成固相应力波，当波阵面处的孔隙完全消失后，应力波继续发展在波阵面处形成了密实区，文献[84]中形象地将该密实区称为“塞子”(Plug)，药床燃烧产生的热量不能以对流的形式穿过塞子，而应力波却可以穿过塞子，不断加强的应力波使某处药床在某时刻突然发生热爆炸形成强烈冲击波，冲击波强度达到某一临界值则诱发爆轰。引起爆轰的最主要五个阶段如图 4所示。
目前这两类机理可以解释绝大部分含能材料的DDT现象。但在冲击波的形成方式、相对位置等方面还存在一些争议，这有待于现代测试技术与燃烧技术的发展以进一步研究，燃烧转爆轰机理要从含能材料燃烧特征和爆炸性能两方面进行分析研究。
5 结束语燃烧转爆轰是亚稳态含能材料的重要特征之一。研究含能材料的燃烧转爆轰特性, 对于弹药安全性、可靠性提高具有重要意义。今后，含能材料DDT研究应重点在以下几个方面开展工作:
(1) 加强含能材料燃烧转爆轰研究中试验条件与方法的规范化、标准化研究。
(2) 针对新型高能固体炸药和推进剂，结合安全性研究，对其DDT规律进行研究，为其研发与使用过程的安全控制提供指导，同时用得到的DDT成果指导新型钝感高能火炸药配方的设计与开发。
(3) 在含能材料DDT数值模拟方面，加强火炸药燃烧爆炸学、流体力学理论、光谱学、量子化学、计算机模拟仿真技术及数值方法的交叉融合，建立完善全面考虑含能材料反应引起的边界问题、含能材料理化特性、几何效应等的三维DDT数学模型。
(4) 针对工业安全和爆轰发动机，应重点开展气相爆轰中DDT问题，了解气相爆轰中DDT的化学本质，为含能材料工业生产中的危险抑制和含能材料在新型动力装置应用提供理论支撑。
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