李 翊，趙繼偉，霍 菲

(1.海軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局，西安 710054；2.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院401所，西安 710025)

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國(guó)外固體發(fā)動(dòng)機(jī)慢烤安全性評(píng)估技術(shù)

李 翊1，趙繼偉2，霍 菲2

(1.海軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局，西安 710054；2.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院401所，西安 710025)

從發(fā)動(dòng)機(jī)慢烤試驗(yàn)方法和裝置研制研究入手，分析國(guó)外慢烤安全性試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，系統(tǒng)論述了國(guó)外慢烤安全性試驗(yàn)及評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，分析了試驗(yàn)中主要參數(shù)設(shè)定的依據(jù)，以典型型號(hào)武器為例，探索了慢烤安全性評(píng)估的應(yīng)用方法，通過(guò)匯總美國(guó)Aerojet公司開(kāi)展的典型型號(hào)慢烤安全性評(píng)估，總結(jié)了國(guó)外在評(píng)估過(guò)程中獲得的推進(jìn)劑配方、殼體束縛及改進(jìn)方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)慢烤安全性的影響，并對(duì)國(guó)內(nèi)固體發(fā)動(dòng)機(jī)慢烤安全性評(píng)估技術(shù)的發(fā)展提出了建議：借鑒國(guó)外在發(fā)動(dòng)機(jī)慢烤安全性領(lǐng)域的研究成果，深化安全性機(jī)理研究，探索發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)及環(huán)境條件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)慢烤安全性的影響，建立試驗(yàn)條件，加速制定適合國(guó)內(nèi)武器裝備發(fā)展的考核標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)慢烤安全性進(jìn)行評(píng)估。

固體發(fā)動(dòng)機(jī)；慢烤安全性；試驗(yàn)技術(shù)；評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)；應(yīng)用現(xiàn)狀

0 引言

火災(zāi)環(huán)境是兩軍對(duì)壘中最常出現(xiàn)的情況，也是對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)安全性影響最主要的因素之一。當(dāng)鄰近彈藥庫(kù)或飛機(jī)起火，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有處于火焰環(huán)境中，但周圍形成的高熱氣流不斷對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行加熱，使其內(nèi)部形成熱點(diǎn)和局部壓力升高，最終發(fā)生安全事故，造成人員傷亡和武器平臺(tái)損毀[1]。美國(guó)等北約國(guó)家在實(shí)戰(zhàn)和考核試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于固體發(fā)動(dòng)機(jī)，慢烤安全性是其最難通過(guò)的試驗(yàn)項(xiàng)目[2-3]，為突破固體發(fā)動(dòng)機(jī)安全性設(shè)計(jì)的瓶頸，國(guó)外先后開(kāi)展了鈍感戰(zhàn)術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)研制[4]、改進(jìn)海麻雀導(dǎo)彈安全性研究[5]等計(jì)劃，從機(jī)理研究[6-7]入手，改進(jìn)了推進(jìn)劑配方[8-9]及發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)[10]，并研制了適用于推進(jìn)劑及全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)的慢烤安全性試驗(yàn)裝置和評(píng)估方法，給出了發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)與其慢烤安全性的關(guān)系，以此來(lái)指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)的鈍感設(shè)計(jì)。

本文從試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)入手，深入分析匯總了國(guó)外慢烤安全性評(píng)估技術(shù)，研究了慢烤安全性試驗(yàn)及評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和其主要參數(shù)的設(shè)定依據(jù)，以典型型號(hào)武器為例，對(duì)慢烤安全性的評(píng)估方法進(jìn)行了分析，通過(guò)匯總美國(guó)Aerojet公司在21世紀(jì)初開(kāi)展的典型型號(hào)慢烤安全性評(píng)估，總結(jié)了國(guó)外在評(píng)估過(guò)程中獲得的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的慢烤安全性規(guī)律，并對(duì)國(guó)內(nèi)固體發(fā)動(dòng)機(jī)慢烤安全性評(píng)估技術(shù)的發(fā)展提出了建議。

1 慢烤安全性試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)

慢烤安全性試驗(yàn)是評(píng)估固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及推進(jìn)劑慢烤安全性最為直觀、有效的手段，其試驗(yàn)結(jié)果不僅可驗(yàn)證固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的慢烤安全性，為軍工產(chǎn)品定型和武器系統(tǒng)能否裝備部隊(duì)提供指導(dǎo)，還可為發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、儲(chǔ)運(yùn)和使用條件提供建議。影響固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)慢烤安全性的主要設(shè)計(jì)參數(shù)是推進(jìn)劑配方和殼體材料及結(jié)構(gòu)。因此，慢烤安全性試驗(yàn)的主要研究方向包括發(fā)動(dòng)機(jī)慢烤安全性考核方法和適用于推進(jìn)劑或發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的試驗(yàn)測(cè)試裝置研制。

1.1 試管烤爆試驗(yàn)

鈍感推進(jìn)劑配方在研制過(guò)程中需要開(kāi)展大量的慢烤安全性驗(yàn)證，為簡(jiǎn)化試驗(yàn)，形成直觀的反應(yīng)結(jié)果，方便試驗(yàn)分析與數(shù)據(jù)處理，20世紀(jì)80年代，Sechmits[11]將標(biāo)準(zhǔn)化的試管烤爆試驗(yàn)應(yīng)用于推進(jìn)劑慢烤安全性評(píng)估。該試驗(yàn)方法是將尺寸為φ12.7 mm×12.7 mm的圓柱形推進(jìn)劑按照其實(shí)際裝藥的密度裝填在標(biāo)準(zhǔn)化鋁制試管中，試管的兩頭由密封圈和螺旋堵蓋進(jìn)行密封后放入溫度可控的電加熱箱中，試驗(yàn)的起始溫度由推進(jìn)劑的熱失重特性確定，電加熱箱的升溫速率則參考推進(jìn)劑的熱差特性。試驗(yàn)中記錄試管及螺旋堵蓋狀態(tài)，根據(jù)反應(yīng)時(shí)螺旋堵蓋的沖出距離、試管的破裂程度及碎片尺寸、數(shù)量和推進(jìn)劑的殘留狀態(tài)，推測(cè)反應(yīng)劇烈程度，配合試管內(nèi)藥柱發(fā)生反應(yīng)的時(shí)間、反應(yīng)時(shí)電加熱箱的溫度數(shù)據(jù)，對(duì)推進(jìn)劑的熱安全性進(jìn)行評(píng)估。由于試驗(yàn)中采用了試管裝填標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)劑的結(jié)構(gòu)，既考核了殼體束縛下含能材料熱安全性，也簡(jiǎn)化了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理。該試驗(yàn)成為研究一維殼體束縛條件下含能材料慢烤安全性考核的雛形。

此后，為簡(jiǎn)化了試驗(yàn)結(jié)構(gòu)，縮減試驗(yàn)成本，降低試驗(yàn)的破壞性，Kent等[12]用防爆試管代替鋁制試管，用纏繞的加熱絲代替溫度可控的電加熱箱實(shí)現(xiàn)試管溫度的緩慢加載，并通過(guò)預(yù)埋熱電偶對(duì)藥柱內(nèi)部的溫度變化進(jìn)行測(cè)試。荷蘭應(yīng)用科學(xué)組織(TNO)則用纏繞加熱絲的爆轟管代替溫度可控的電加熱箱，并在爆轟管內(nèi)布置壓力、應(yīng)變測(cè)試裝置[13-14]及多根測(cè)溫?zé)犭娕糩15]，試驗(yàn)測(cè)得了推進(jìn)劑在不同位置的溫度-時(shí)間曲線，并通過(guò)壓力、應(yīng)變曲線分析和試管的破碎程度，得到了推進(jìn)劑燃燒轉(zhuǎn)爆轟的過(guò)程和反應(yīng)的劇烈程度。

由于內(nèi)置的應(yīng)變傳感器會(huì)改變推進(jìn)劑的傳熱特性，干擾慢烤試驗(yàn)結(jié)果，2001年，TNO再次對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)[16]，用纏繞在爆轟管外的光纖替代爆轟管內(nèi)的應(yīng)變傳感器，通過(guò)分析薩尼亞克光纖干涉信號(hào)和馬赫曾特光纖干涉信號(hào)，對(duì)光纖的長(zhǎng)度變化率和光纖長(zhǎng)度進(jìn)行對(duì)比研究，得到爆轟管在慢烤過(guò)程中的直徑變化過(guò)程，這是首例應(yīng)用光測(cè)試技術(shù)研究推進(jìn)劑慢烤安全性的案例。同年，美國(guó)物理研究所[17]在響尾蛇導(dǎo)彈的研制中使用的試管烤爆裝置，也避免了內(nèi)置傳感器對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾。該裝置將2個(gè)安裝應(yīng)變傳感器的板簧垂直安裝在試管2個(gè)螺旋堵蓋的外端，每個(gè)板簧的外側(cè)再安裝與試管同軸的位移傳感器，當(dāng)試管因受熱發(fā)生軸向膨脹時(shí)，應(yīng)變傳感器和位移傳感器會(huì)輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而得到試管軸向膨脹的變化過(guò)程。

由于其分析簡(jiǎn)便直觀，試管烤爆試驗(yàn)至今仍是應(yīng)用于鈍感推進(jìn)劑慢烤安全性評(píng)估的主要方法。隨著測(cè)試技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是光纖、紅外、超聲等非接觸測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，使得試驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)量不斷增多，不僅為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的慢烤安全性評(píng)估提供了更加豐富的信息，也為發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了有效的數(shù)據(jù)。

1.2 小尺寸烤燃彈試驗(yàn)

為研究發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與其慢烤安全性之間的關(guān)系，國(guó)外研究了小尺寸烤燃彈試驗(yàn)，該試驗(yàn)?zāi)壳笆锹?lián)合國(guó)危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸試驗(yàn)中研究含能材料慢烤安全性的標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)裝置。其原理與試管烤爆試驗(yàn)基本相同，都是將推進(jìn)劑置于一個(gè)被加熱的殼體束縛條件中，區(qū)別僅在于試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)。最早的小尺寸烤燃彈試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)者是美國(guó)的Parker，于1984年設(shè)計(jì)了一種研究含能材料慢烤安全性試驗(yàn)裝置[18]，該裝置為一個(gè)內(nèi)徑60 mm、高140 mm的帶蓋杯體，杯體與頂蓋之間由密封圈進(jìn)行密封，杯體的最外部為不銹鋼殼體，殼體內(nèi)粘接絕熱層，安裝嵌入式的熱電偶的推進(jìn)劑被裝填在烤燃彈內(nèi)部。該試驗(yàn)與Sechmits的試管烤爆試驗(yàn)一樣，需要由一個(gè)溫度可控的電加熱箱模擬慢烤時(shí)的環(huán)境溫度變化。

20世紀(jì)90年代，為簡(jiǎn)化試驗(yàn)，降低試驗(yàn)成本和提高試驗(yàn)的適用性，荷蘭的TNO[19-20]建立了一套自帶加熱裝置的小尺寸烤燃彈試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在烤燃彈的殼體外部均勻布置了多組加熱管，并通過(guò)控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的加熱速率，對(duì)加熱管的輸出功率進(jìn)行控制，從而使試驗(yàn)裝置可按照需要的加熱速率進(jìn)行升溫。美國(guó)的勞倫斯·利弗摩爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室[21]除了纏繞電加熱器來(lái)代替Parker的電加熱箱以外，還根據(jù)理論分析結(jié)果對(duì)烤燃彈內(nèi)部的測(cè)溫?zé)犭娕疾季€進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)開(kāi)展大量的試驗(yàn)，測(cè)得了含能材料的溫度變化，找到了不同殼體材料和殼體厚度下推進(jìn)劑的熱點(diǎn)生成的部位。

通過(guò)小尺寸烤燃彈試驗(yàn)，北約國(guó)家研究了束縛條件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)反應(yīng)延遲及劇烈程度的影響，獲得了殼體導(dǎo)熱系數(shù)及強(qiáng)度、推進(jìn)劑導(dǎo)熱系數(shù)及密度等因素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)慢烤安全性的影響。

1.3 全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)慢烤安全性試驗(yàn)

無(wú)論是試管烤爆試驗(yàn)，還是小尺寸烤燃彈試驗(yàn)，均在不同程度上對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，其得出結(jié)論也僅部分反映了發(fā)動(dòng)機(jī)的慢烤安全性。因此，國(guó)外在固體發(fā)動(dòng)機(jī)的驗(yàn)收中，要求必須以全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)慢烤安全性試驗(yàn)為依據(jù)。國(guó)外全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)慢烤安全性試驗(yàn)研究早在20世紀(jì)60年代就已起步，其主要思路是通過(guò)可控溫度箱為發(fā)動(dòng)機(jī)提供一個(gè)模擬緩慢加熱的試驗(yàn)環(huán)境。

20世紀(jì)90年代，法國(guó)CAEPE在充分考慮試驗(yàn)效果、試驗(yàn)安全性和試驗(yàn)成本等因素的基礎(chǔ)上，建立了由箱體、發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工裝、加熱系統(tǒng)、風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)組成簡(jiǎn)易慢烤試驗(yàn)裝置[22]。為降低試驗(yàn)成本，減小由于爆炸造成的損失，系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程有線控制，控制電纜、測(cè)試電纜及空氣加熱裝置等被安裝在地下，通過(guò)風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)的循環(huán)。箱體可由標(biāo)準(zhǔn)化的壁板組裝在根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸設(shè)計(jì)的鋼架上，為保證箱體的保溫阻燃絕緣特性，壁板及通風(fēng)管道采用中空鋼板中夾塞石棉絨材料。鋼架結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)有防止發(fā)動(dòng)機(jī)助推的試驗(yàn)工裝。

英國(guó)的Jameson A[23]針對(duì)未來(lái)空空導(dǎo)彈用固體發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了慢烤安全性試驗(yàn)裝置，該裝置將一個(gè)受控電熱元件纏繞在試驗(yàn)箱外壁，并在試驗(yàn)箱前部安裝風(fēng)扇，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)箱內(nèi)空氣按預(yù)定升溫速率升溫，且分布均勻。為防止發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生助推帶來(lái)危險(xiǎn)，試驗(yàn)箱內(nèi)安裝發(fā)動(dòng)機(jī)支架及限位裝置，且試驗(yàn)箱前端與推力墩固定。試驗(yàn)中，在發(fā)動(dòng)機(jī)殼體前端、中間和尾部軸向位置各安裝2個(gè)K型熱電偶，另外，為實(shí)現(xiàn)電熱元件的閉環(huán)控制，試驗(yàn)箱內(nèi)距試驗(yàn)箱外壁20 mm處安裝一個(gè)反饋測(cè)溫傳感器。試驗(yàn)第一階段，以7.5 ℃/h 的升溫速率加熱到70 ℃，并在70 ℃維持22 h；試驗(yàn)第二階段，升溫速率為3.3 ℃/h，當(dāng)反饋測(cè)溫傳感器達(dá)到143.3 ℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生燃燒反應(yīng)，并產(chǎn)生助推。

2 慢烤安全性考核評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)參數(shù)確定

2.1 慢烤安全性考核評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

早在1964年，美國(guó)海軍發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)化文件WR-50《海軍武器要求-空中、水面和水下發(fā)射武器彈頭最低安全性測(cè)試》[24]中，就將慢烤安全性試驗(yàn)納入了標(biāo)準(zhǔn)。隨著WR-50逐步上升為國(guó)防部標(biāo)準(zhǔn)[25]和美軍標(biāo)[26]，慢烤安全性試驗(yàn)方法也日趨成熟。為保證聯(lián)合作戰(zhàn)武器的安全性，美國(guó)在20世紀(jì)80年代開(kāi)始在北約國(guó)家推廣慢烤安全性試驗(yàn)，并上升成北約標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，目前已有14個(gè)成員國(guó)按照STANAG 4382[27]中的方法和裝置開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)的慢烤安全性考核。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：試驗(yàn)時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)放置在一個(gè)簡(jiǎn)易的慢烤箱內(nèi)。第一階段，以約5 ℃/min的升溫速率將慢烤試驗(yàn)箱加熱至50 ℃，并維持8 h，使試件達(dá)到熱平衡要求；第二階段，以3.3 ℃/h的升溫速率逐漸加熱直至反應(yīng)發(fā)生。加熱方式可以采用循環(huán)空氣加熱，為使加熱均勻，發(fā)動(dòng)機(jī)與慢烤箱內(nèi)壁每側(cè)應(yīng)至少留有200 mm的間隙。慢烤試驗(yàn)箱需絕緣，且箱體內(nèi)部溫度須可測(cè)量，至少使用2組(4個(gè))熱電偶對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)表面溫度進(jìn)行監(jiān)控(也可在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部預(yù)埋測(cè)溫傳感器，但不能干擾溫度場(chǎng))。由于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在熱激勵(lì)作用下在有可能產(chǎn)生助推，造成安全隱患，標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)過(guò)程中要應(yīng)采取合適的約束方式，且約束裝置不能過(guò)多地吸收輻射熱。為防止發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的滲出物接觸熱源，干擾試驗(yàn)，在試樣的底部應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)支承托盤。為評(píng)估反應(yīng)的劇烈程度，試驗(yàn)除測(cè)試溫度場(chǎng)，還要測(cè)試沖擊波超壓和爆炸碎片。其中，爆炸碎片的收集建議使用驗(yàn)證板，驗(yàn)證板材料的選擇取決于爆炸碎片的類型和速度。對(duì)于強(qiáng)束縛鋼殼體發(fā)動(dòng)機(jī)，推薦使用至少25 mm厚的鋼材料作為驗(yàn)證板；對(duì)于鋁殼體或薄壁鋼殼體，推薦使用鋁質(zhì)驗(yàn)證板；對(duì)于復(fù)合材料殼體，可不使用驗(yàn)證板。理想情況下，驗(yàn)證板與試件至少有200 mm的間距，才能不影響試件的受熱情況。驗(yàn)證板可能會(huì)對(duì)沖擊波測(cè)試產(chǎn)生影響。因此，沖擊波超壓傳感器的布置應(yīng)避開(kāi)驗(yàn)證板所在的方向。

由于全尺寸試驗(yàn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)抽樣較少，為提高評(píng)估的真實(shí)性，國(guó)外在對(duì)慢烤安全性試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，找到了發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)、慢烤環(huán)境刺激與反應(yīng)劇烈程度之間的內(nèi)在聯(lián)系，建立了慢烤安全性簡(jiǎn)化評(píng)估程序。目前，該程序已經(jīng)納入到北約標(biāo)準(zhǔn)AOP-39《鈍感彈藥(IM)評(píng)估與發(fā)展指南》[28]中。該評(píng)估程序以流程圖的形式引導(dǎo)用戶進(jìn)行評(píng)估，輸入為發(fā)動(dòng)機(jī)特性參數(shù)、基礎(chǔ)環(huán)境、慢烤加熱刺激，輸出為發(fā)動(dòng)機(jī)的反應(yīng)劇烈程度，一旦威脅被確定并量化，評(píng)估程序?qū)⒔o出刺激可能導(dǎo)向的響應(yīng)“通道”。由于評(píng)估程序以邏輯流程為基礎(chǔ)，可反映發(fā)動(dòng)機(jī)在真實(shí)環(huán)境中推進(jìn)劑的響應(yīng)特性，通常比“通過(guò)/不通過(guò)”縮比危險(xiǎn)性試驗(yàn)更為可靠。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)中主要參數(shù)的確定

MIL-STD-2105D[29]中明確規(guī)定：在開(kāi)展彈藥安全性試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)選擇最有可能的、可信的刺激，預(yù)計(jì)對(duì)生命、財(cái)產(chǎn)、或戰(zhàn)斗力造成最大傷害的試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)條件。為確定慢烤安全性試驗(yàn)參數(shù)，國(guó)外在20世紀(jì)60年代就進(jìn)行了試驗(yàn)和理論分析，其中包括測(cè)量航母上一個(gè)彈藥庫(kù)起火狀態(tài)下鄰近彈藥庫(kù)的升溫過(guò)程[30]，通過(guò)試驗(yàn)和機(jī)理分析不同升溫速率發(fā)動(dòng)機(jī)的反應(yīng)劇烈程度[31]等，這些研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)升溫速率≤3.3 ℃/h時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的反應(yīng)最為劇烈。2003年，Desailly D等對(duì)該領(lǐng)域前期的研究成果[32-34]進(jìn)行總結(jié)，并通過(guò)理論分析和數(shù)值仿真，對(duì)不同裝藥量、不同殼體強(qiáng)度的發(fā)動(dòng)機(jī)在不同升溫速率下的溫度變化、氣孔形成過(guò)程、熱點(diǎn)的形成過(guò)程、點(diǎn)火點(diǎn)的位置、藥柱表面及藥柱中心的溫度上升過(guò)程和質(zhì)量損失過(guò)程等熱化學(xué)特性行了數(shù)值仿真[35]。通過(guò)上述研究，得到如下結(jié)論：

(1)不同的升溫速率下，藥柱內(nèi)部形成熱點(diǎn)的區(qū)域不同，升溫速率越高，熱點(diǎn)越靠近藥柱邊緣;

(2)當(dāng)升溫速率不超過(guò)3.3 ℃/h時(shí)，藥柱內(nèi)部溫度梯度較小，發(fā)生反應(yīng)時(shí)，藥柱中心能瞬間釋放能量，反應(yīng)相對(duì)更加劇烈。

該研究再次證明，為了在最嚴(yán)酷的條件下考核發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性，北約慢烤試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[26]將升溫速率應(yīng)控制在3.3 ℃/h是合理的。

3 國(guó)外型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)慢烤安全性評(píng)估現(xiàn)狀

慢烤安全性評(píng)估是對(duì)武器系統(tǒng)進(jìn)行慢烤安全性機(jī)理分析、試驗(yàn)、結(jié)果評(píng)價(jià)、改進(jìn)、再驗(yàn)證的一個(gè)過(guò)程[36]，以英國(guó)的PGB導(dǎo)彈[37]為例，其方法為：(1)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)在生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和使用過(guò)程中的實(shí)際情況確定試驗(yàn)條件；(2)通過(guò)機(jī)理分析和數(shù)值仿真預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的慢烤安全性，并由此確定試驗(yàn)及其安全防護(hù)方案；(3)對(duì)縮比或全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行慢烤試驗(yàn)；(4)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)或借助仿真，確定發(fā)動(dòng)機(jī)在給定條件下的反應(yīng)劇烈程度，給出安全性結(jié)論；(5)探索影響發(fā)動(dòng)機(jī)安全性的設(shè)計(jì)因素，提出改進(jìn)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行驗(yàn)證。

美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、澳大利亞等多個(gè)國(guó)家對(duì)其在用和正在研制的多個(gè)型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)都開(kāi)展了慢烤安全性評(píng)估。表1給出了美國(guó)Aerojet公司[38-39]對(duì)其研制的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行的慢烤安全性評(píng)估。

表1 美國(guó)Aerojet公司開(kāi)展的發(fā)動(dòng)機(jī)慢烤安全性評(píng)估Table 1 Solid motor slow-cookoff evaluation in USA Aerojet

除了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行安全性考核和評(píng)估，Aerojet公司還根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了推進(jìn)劑配方對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)慢烤安全性的影響，研究指出：(1)發(fā)動(dòng)機(jī)的慢烤安全性主要受推進(jìn)劑的熱安全性影響；(2)盡管HTPB推進(jìn)劑具有良好的耐壓特性，但其在慢烤條件下通常發(fā)生爆炸，甚至爆轟；(3)在推進(jìn)劑中適量加入硝酸銨(AN)，可降低反應(yīng)的劇烈程度。此外，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，殼體束縛作用也會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)劇烈程度。因此，Aerojet的研究人員對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體材料及結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)：(1)由于殼體束縛會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部壓力的增加，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生反應(yīng)時(shí)，其反應(yīng)較裸藥而言，要?jiǎng)×业枚啵?2)較鋁合金和鋼殼體而言，凱夫拉和KOA混合殼體發(fā)動(dòng)機(jī)的反應(yīng)程度較弱；(3)設(shè)置卸壓孔或應(yīng)力集中槽的方法，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在指定的弱束縛處卸壓，從而有效降低反應(yīng)的劇烈程度[40]。此外，Aerojet公司還驗(yàn)證了低溫點(diǎn)火器、內(nèi)部絕熱及噴涂發(fā)泡型防火涂料等方案對(duì)改善發(fā)動(dòng)機(jī)慢烤安全性的有效性。

美國(guó)海軍也對(duì)在役和在研的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展了大量慢烤安全性評(píng)估試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，驗(yàn)證了推進(jìn)劑配方、殼體材料及結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)慢烤安全性的影響，并得出如下結(jié)論[41]：(1)在推進(jìn)劑配方中，用硝酸銨(AN)部分代替AP或三硝基苯甲硝胺，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的慢烤安全性；(2)在推進(jìn)劑配方中添加含能塑化劑，可在保證其能量特性的同時(shí)，提升推進(jìn)劑的熱穩(wěn)定性；(3)與鋼殼體相比，凱夫拉或混合殼體發(fā)動(dòng)機(jī)的爆炸超壓較低，且爆炸產(chǎn)生的碎片能量也相對(duì)較低；(4)卸壓孔或應(yīng)力集中槽的設(shè)計(jì)越靠近理論點(diǎn)火點(diǎn)處，越能有效地降低發(fā)動(dòng)機(jī)反應(yīng)的劇烈程度。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)家對(duì)安全性認(rèn)識(shí)的不斷深化，武器彈藥的安全性也越來(lái)越受到軍方的重視，廣大含能材料研制及發(fā)動(dòng)機(jī)、彈總體設(shè)計(jì)行業(yè)對(duì)彈藥安全性的認(rèn)識(shí)也基本形成共識(shí)，慢烤安全性作為發(fā)動(dòng)機(jī)安全性的技術(shù)瓶頸也受到了廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)在發(fā)動(dòng)機(jī)慢烤安全性評(píng)估技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)開(kāi)展如下研究：

(1)為使發(fā)動(dòng)機(jī)慢烤安全性技術(shù)向著更加安全、更加直觀、更加有效的方向發(fā)展，借鑒國(guó)外在發(fā)動(dòng)機(jī)慢烤安全性研究領(lǐng)域積累的豐富經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，深入開(kāi)展安全性機(jī)理研究，分析推進(jìn)劑組分在熱激勵(lì)作用下的反應(yīng)過(guò)程及微觀結(jié)構(gòu)變化，綜合考慮殼體束縛條件對(duì)含能材料熱分解特性及內(nèi)部壓力變化的影響，探索發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)與其慢烤安全性之間的內(nèi)在規(guī)律。

(2)在試驗(yàn)方法研究、試驗(yàn)裝置研制及試驗(yàn)條件建立等方面，借鑒國(guó)外研究成果，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)慢烤試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，建立試驗(yàn)條件，對(duì)推進(jìn)劑及發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)進(jìn)行慢烤安全性試驗(yàn)，積累和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證機(jī)理分析的正確性，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)慢烤安全性的有效評(píng)估。

(3)在武器發(fā)展過(guò)程中，借鑒國(guó)外在安全性評(píng)估中所獲得的規(guī)律，協(xié)調(diào)好威力、熱安全性和研制成本之間的關(guān)系，采用含能塑化劑或用AN部分替代AP等組分，在殼體結(jié)構(gòu)中采用卸壓技術(shù)，實(shí)現(xiàn)威力與安全性的平衡。

(4)在評(píng)估方面，不僅要使慢烤安全性評(píng)估為武器裝備定型及裝備決策提供服務(wù)，還應(yīng)通過(guò)分析和仿真獲得更多與發(fā)動(dòng)機(jī)慢烤安全性方面的信息，使得慢烤安全性評(píng)估為指導(dǎo)和改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，促進(jìn)彈藥鈍感技術(shù)的提升提供有力支撐。

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(編輯：劉紅利)

Solid rocket motor slow-cookoff safety evaluation technology in foreign countries

LI Yi1，ZHAO Ji-wei2，HUO fei2

(1.Military Representative Bureau of NED in Xi'an，Xi'an 710054，China；2.401 Institute of the 4th academy of CASC，Xi'an 710025，China)

The present situation of solid rocket motor slow-cookoff test technology abroad was reviewed based on test method and apparatus research.Slow-cookoff test and evaluation standard were discussed systematically,and the setting basis of main parameters in test was analyzed.Taking typical model weapon as an example,the application of slow-cookoff safety evaluation was explored.Through collecting typical slow-cookoff cases in U.S.Aerojet,influence of propellant formulation,case restrain and modification on motor safety was summarized,and suggestions on solid rocket motor slow-cookoff safety evaluation technology were proposed as follows:learnings from foreign achievements,deepening research on mechanism,exploring the influence of motor design parameters and environmental condition on slow-cookoff safety,establishing test facilities and accelerating the development of suitable evaluation standard for our weapon system.

solid rocket motor；slow-cookoff safety；test technique；evaluation standard；application status

2015-03-21；

：2015-10-30。

李翊(1977—)，男，碩士，研究方向?yàn)楣腆w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)。E-mail:5256607@qq.com

V438

A

1006-2793(2015)06-0897-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.06.028