固體推進(jìn)劑爆轟感度影響因素研究①

蘇 晶，李 軍，陳 怡，張杰凡，肖 旭

(1.航天化學(xué)動(dòng)力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，襄陽 441003；2.湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，襄陽 441003；3.西安航天動(dòng)力測控技術(shù)研究所，西安 710025)

0 引言

為了使高能固體推進(jìn)劑產(chǎn)生更高的能量，在推進(jìn)劑配方中增加了較高比例的高能炸藥HMX/RDX、鋁粉等組分，導(dǎo)致其危險(xiǎn)性也越來越大[1-4]。新型高能固體推進(jìn)劑在制造、運(yùn)輸、貯存和使用過程中，受到?jīng)_擊波的意外刺激，可能發(fā)生爆轟，并將這種爆轟沖擊波傳遞下去，即具有爆轟感度。爆轟感度是判別固體推進(jìn)劑1.1級(jí)和1.3級(jí)危險(xiǎn)性的主要依據(jù)，也是評估其安全性能的重要方法。

白春華等采用拉氏分析技術(shù)考察了固體推進(jìn)劑的反應(yīng)度、反應(yīng)速率、體積能量釋放速率等過程，研究了雙基推進(jìn)劑、改性雙基推進(jìn)劑、聚硫推進(jìn)劑等在不同壓力沖擊波作用下的化學(xué)反應(yīng)過程[5]。鄭波等針對目前卡片試驗(yàn)中驗(yàn)證板界面反射沖擊波的問題，設(shè)計(jì)了對比試驗(yàn)，對卡片試驗(yàn)中驗(yàn)證板反射的沖擊波對沖擊起爆影響進(jìn)行了研究[6]。黃明等研究了高品質(zhì)RDX的晶體特性及沖擊波起爆特性，表明高品質(zhì)RDX會(huì)降低其爆轟感度[7]。研究主要集中在爆轟波成長歷程和抑制爆轟方面，而爆轟感度的影響因素方面研究較少。

本文通過卡片試驗(yàn)研究了固體推進(jìn)劑的種類、配方組成等對爆轟感度的影響，確定了固體推進(jìn)劑爆轟感度的主要影響因素。

1 試驗(yàn)原理及方法

卡片試驗(yàn)是考察固體推進(jìn)劑爆轟感度的重要試驗(yàn)項(xiàng)目，由雷管、雷管座、傳爆藥、卡片、試驗(yàn)樣品和驗(yàn)證板等組成，裝置如圖1所示。其工作原理為雷管引爆主發(fā)藥柱，主發(fā)藥柱爆轟形成的沖擊波垂直作用到一定厚度的醋酸纖維素片，經(jīng)衰減后的沖擊波作用于鋼管中的試驗(yàn)樣品，通過驗(yàn)證板是否穿孔考察試驗(yàn)樣品的爆轟感度。

參考GJB 6195—2008《復(fù)合固體推進(jìn)劑危險(xiǎn)等級(jí)分級(jí)方法》和QJ 20019.1—2011《復(fù)合固體推進(jìn)劑安全性能試驗(yàn)方法》，根據(jù)發(fā)生爆轟的臨界卡片厚度確定固體推進(jìn)劑的爆轟感度，在醋酸纖維素卡片厚度為17.5 mm的卡片試驗(yàn)中，若驗(yàn)證板發(fā)生穿孔(圖2(a))，則試樣具有爆轟感度，若驗(yàn)證板沒有穿孔(圖2(b))，即不具有爆轟感度。

2 結(jié)果與分析

2.1 輸入沖擊波壓力標(biāo)定

卡片試驗(yàn)中的輸入沖擊波壓力是卡片試驗(yàn)的重要參數(shù)之一，是指主發(fā)藥柱發(fā)生穩(wěn)定爆轟后，沖擊波經(jīng)衰減介質(zhì)衰減后，直接作用到樣品上的沖擊波壓力。為標(biāo)定GJB 6195—2008中17.5 mm卡片試驗(yàn)的輸入沖擊波壓力，采用錳銅壓力計(jì)和沖擊波壓力測試系統(tǒng)，研究了卡片試驗(yàn)中的輸入沖擊波壓力，原理如圖3所示。

圖1 卡片試驗(yàn)裝置原理圖

(a)驗(yàn)證板穿孔

(b)驗(yàn)證板未穿孔

圖3 輸入沖擊波壓力測試原理圖

測得輸入沖擊波壓力曲線如圖4所示，經(jīng)式(1)計(jì)算得17.5 mm卡片試驗(yàn)的輸入沖擊波壓力為7.03 GPa，這與美國海軍、陸軍、空軍和航空聯(lián)合工作組建議將7 GPa作為評價(jià)固體推進(jìn)劑是否具有爆轟感度的沖擊波壓力完全一致[8]，表明采用該方法作為研究固體推進(jìn)劑的爆轟感度是可行的。

(1)

2.2 典型固體推進(jìn)劑的爆轟感度

為了考察固體推進(jìn)劑爆轟感度的影響因素，開展了NEPE固體推進(jìn)劑、HTPB四組元固體推進(jìn)劑、HTPB三組元固體推進(jìn)劑、富燃料推進(jìn)劑和燃?xì)獍l(fā)生劑的卡片試驗(yàn)研究，典型的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。固體推進(jìn)劑爆轟感度的臨界卡片厚度如圖6所示。

圖4 輸入沖擊波壓力

(a)殼體破裂，驗(yàn)證板完好

(b)殼體和驗(yàn)證板均完好

(c)驗(yàn)證板穿孔

圖6 不同種類固體推進(jìn)劑的爆轟感度

由圖6可看出：

(1)丁羥四組元推進(jìn)劑和NEPE推進(jìn)劑在卡片試驗(yàn)中的卡片厚度大部分超過17.5 mm，具有爆轟感度；

(2)丁羥三組元推進(jìn)劑、富燃料推進(jìn)劑和燃?xì)獍l(fā)生劑等在卡片厚度為零時(shí)也不發(fā)生爆轟，表明此類固體推進(jìn)劑具有很好的抗沖擊起爆能力，不具有爆轟感度；

(3)同一類固體推進(jìn)劑的爆轟感度表現(xiàn)出較大差異，表明固體推進(jìn)劑爆轟感度的影響因素不僅與其種類有關(guān)，還取決于其配方組成；

(4)具有爆轟感度(卡片厚度超過17.5 mm)的固體推進(jìn)劑，配方中均含有炸藥，這可能是由于固體推進(jìn)劑中添加了高威力、高敏感的炸藥后，在沖擊波的作用下，更容易形成熱點(diǎn)，當(dāng)一個(gè)沖擊壓力脈沖進(jìn)入試樣后，由于入射沖擊波和密度不連續(xù)處的相互作用，形成了射流、空穴崩潰，沖擊波的分離、碰撞等，使熱點(diǎn)附近的試樣顆粒出現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)，其釋放的能量又使入射沖擊波得到加強(qiáng)，爆轟波不斷傳播下去，使得固體推進(jìn)劑具有爆轟感度。

2.3 配方組成對爆轟感度的相關(guān)性研究

為考察固體推進(jìn)劑爆轟感度與其配方組成的相關(guān)性，以HTPB四組元固體推進(jìn)劑為研究對象，通過卡片試驗(yàn)，開展了固體含量、Al含量和RDX含量與固體推進(jìn)劑爆轟感度的相關(guān)性研究，HTPB四組元的基礎(chǔ)配方組成如表1所示。

表1HTPB四組元推進(jìn)劑的基礎(chǔ)配方

Table 1Formula of HTPB solid propellant%

APAlRDXHTPB其他60～700～200～156～103～10

(1)固體含量與爆轟感度的相關(guān)性

探索了HTPB四組元推進(jìn)劑在87%、88%和89%固體含量下的爆轟感度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由圖7可看出，當(dāng)HTPB四組元推進(jìn)劑的固體含量由89%降低至87%時(shí)，驗(yàn)證板被擊穿的卡片厚度由29.0 mm降低至28.0 mm，表明隨著固體含量的降低，爆轟感度略有減小，這是因?yàn)楫?dāng)固體含量降低時(shí)，沖擊波在傳播過程中發(fā)生了較大衰減，因此爆轟感度降低。

考慮到固體推進(jìn)劑的能量性能，固體含量不宜進(jìn)一步降低。因此，固體含量對爆轟感度有一定影響，但影響較小。

圖7 固體含量對爆轟感度的影響

(2)Al含量與爆轟感度的相關(guān)性

研究了固體含量為88%、RDX含量為15%、不同鋁粉含量HTPB四組元推進(jìn)劑的爆轟感度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。從圖8可看出，當(dāng)Al含量由18%降低至10%時(shí)，驗(yàn)證板被擊穿的卡片試驗(yàn)厚度由27.4 mm升高為28.0 mm，而當(dāng)Al含量由10%減少為5%時(shí)，驗(yàn)證板被擊穿卡片試驗(yàn)厚度由28 mm降低至27.5 mm。因此，Al含量對HTPB四組元推進(jìn)劑的爆轟感度影響不大。

圖8 Al含量對爆轟感度的影響

(3)RDX含量與爆轟感度的相關(guān)性

開展了不同RDX含量的卡片試驗(yàn)，確定了爆轟的臨界卡片厚度，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、歸納后形成RDX含量與爆轟感度的關(guān)系，如圖9所示。

表2 RDX含量對爆轟感度的影響

圖9 RDX含量對爆轟感度的影響

由圖9可看出：

(1)RDX含量對HTPB固體推進(jìn)劑爆轟感度影響顯著，隨著RDX含量的升高，發(fā)生爆轟的臨界卡片厚度顯著減少，這是因?yàn)镽DX含量越高，在沖擊波壓力的作用下，越容易形成爆轟熱點(diǎn)。

(2)HTPB四組元固體推進(jìn)劑發(fā)生爆轟的臨界RDX含量為11.5%。國外報(bào)告指出，18%的RDX含量是固體推進(jìn)劑爆轟感度的臨界值，高于本報(bào)告用RDX含量，這主要是因?yàn)閲夤腆w推進(jìn)劑存在如下特點(diǎn)：

(a)采用了晶型完整、缺陷少、粒度均勻的高品質(zhì)RDX；

(b)配方進(jìn)行了極配優(yōu)化；

(c)添加了降感助劑等[9]。

3 結(jié)論

(1)對標(biāo)準(zhǔn)中卡片試驗(yàn)的輸入沖擊波壓力進(jìn)行了標(biāo)定，輸入沖擊波壓力為7.03 GPa，與國外標(biāo)準(zhǔn)要求一致。

(2)固體推進(jìn)劑的種類及其配方組成是影響其爆轟感度的主要因素。丁羥三組元推進(jìn)劑、富燃料推進(jìn)劑和燃?xì)獍l(fā)生劑不具有爆轟感度；丁羥四組元推進(jìn)劑和NEPE推進(jìn)劑在卡片試驗(yàn)中，臨界爆轟卡片厚度表現(xiàn)出較大差異性。

(3)在HTPB四組元固體推進(jìn)劑中，RDX含量是影響其爆轟感度的主要因素，隨著RDX含量的升高，固體推進(jìn)劑的爆轟感度越高，臨界炸藥含量為11.5%。