基于落錘試驗(yàn)的固體推進(jìn)劑沖擊發(fā)火判據(jù)研究*

丁 彪 黃 鋒 楊 明 趙 鵬 胡 迪

（1.海軍航空大學(xué)職業(yè)教育中心 煙臺(tái) 264001）（2.91515部隊(duì)110分隊(duì) 三亞 582016）（3.海軍航空大學(xué)研究生三隊(duì) 煙臺(tái) 264001）

1 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)輸、吊裝等過(guò)程有可能受到?jīng)_擊、跌落、振動(dòng)等外界機(jī)械力的影響，如若意外發(fā)火、燃燒甚至爆炸，會(huì)造成武器裝備的損壞、人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，直接影響戰(zhàn)斗力。所以準(zhǔn)確掌握固體發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥的撞擊感度對(duì)于判斷其安全性尤為重要。

對(duì)于含能材料撞擊感度問(wèn)題的研究，前人做了許多工作。金韶華［2］等對(duì)含能材料機(jī)械撞擊感度判據(jù)的發(fā)展進(jìn)行了綜述，在上百年的時(shí)間內(nèi)，“判據(jù)”經(jīng)歷了“爆炸概率”、“特性落高”及“臨界壓力、厚度”三個(gè)階段；含能材料的撞擊起爆理論認(rèn)為，起爆過(guò)程通常狀態(tài)下分為點(diǎn)火和爆轟成長(zhǎng)兩個(gè)階段。在撞擊感度測(cè)試中，僅需區(qū)分試樣是否容易發(fā)火，而不區(qū)分試樣的反應(yīng)激烈程度，因此試驗(yàn)實(shí)質(zhì)反映的是試樣受撞擊后是否容易發(fā)火［3］，影響點(diǎn)火階段的因素就是決定其撞擊感度高低的關(guān)鍵因素［4］。于占龍［9］指出落錘試驗(yàn)仍是研究含能材料感度的主要研究手段。高立龍［1］等利用400kg落錘加載裝置對(duì)多種炸藥進(jìn)行了撞擊感度試驗(yàn)，將結(jié)果與GJB772A-97方法測(cè)試的炸藥撞擊感度進(jìn)行分析，得到不同炸藥感度的相關(guān)規(guī)律；徐洪濤［5］建立了新的感度測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)不同尺寸的推進(jìn)劑進(jìn)行了撞擊試驗(yàn)，結(jié)果表明氣體檢測(cè)判定的方法好于傳統(tǒng)方法，尺寸的不同會(huì)導(dǎo)致結(jié)果不一致。馬平［6］通過(guò)改變基體的模量，應(yīng)用50%特性落高的方法測(cè)試了一系列PBX的撞擊感度，結(jié)果表明改善力學(xué)性能可以改善撞擊感度。代曉淦［7］建立了可以測(cè)量大藥片落錘感度的試驗(yàn)方法，并應(yīng)用其測(cè)量了不同炸藥的感度。張濤［8］研究了粒度及制備方式對(duì)撞擊感度的影響。王玉玲［10］發(fā)現(xiàn)熱老化對(duì)HMX基高聚物炸藥的撞擊感度有降低的作用。南海［11］運(yùn)用掃描電鏡表征技術(shù)證明了吸熱型包覆材料有利于降低AP顆粒的撞擊感度。趙省向［12］從熱爆炸理論出發(fā)，計(jì)算了幾種炸藥的熱點(diǎn)尺寸和臨界點(diǎn)火溫度，應(yīng)用落錘試驗(yàn)測(cè)量的撞擊感度驗(yàn)證了臨界熱點(diǎn)參數(shù)的排序。陳皓［13］通過(guò)對(duì)典型藥柱撞擊感度的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)藥柱高度和藥柱溫度對(duì)其感度影響很大，而粉末裝藥和藥柱的感度基本一致。李健［14］應(yīng)用落錘試驗(yàn)儀研究了物性對(duì)含能材料撞擊起爆感度的影響，結(jié)果表明AP較HMX、RDX更易爆發(fā)，大顆粒的AP和小顆粒的HMX、RDX可降低撞擊感度。趙娟［15］研究了不同裝藥條件對(duì)落錘撞擊響應(yīng)的規(guī)律，結(jié)果表明起爆閾值隨著藥柱的厚度增大而變大，藥粉感度大于藥柱感度。

現(xiàn)有的研究多數(shù)集中于撞擊感度，僅僅考慮落錘質(zhì)量以及落高對(duì)感度的影響，忽略了撞擊過(guò)程藥柱受到的應(yīng)力情況。本文設(shè)計(jì)了一套基于PVDF壓電膜的應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)，采集落錘撞擊過(guò)程中裝藥的沖擊應(yīng)力變化情況，分析應(yīng)力和落高的關(guān)系，進(jìn)而分析落錘沖擊條件下推進(jìn)劑沖擊發(fā)火的機(jī)理及判據(jù)，為固體發(fā)動(dòng)機(jī)沖擊安全性評(píng)定提供一定的理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備及方案

1）基于PVDF的應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)

設(shè)計(jì)的應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)包含PVDF壓電膜、號(hào)轉(zhuǎn)換放大電路、號(hào)采集三個(gè)部分，示意圖如圖1所示。PVDF壓電膜受壓產(chǎn)生電荷，并經(jīng)由積分放大電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，最終通過(guò)信號(hào)采集部分采集信號(hào)。其中第一部分采用錦州科信電子有限公司生產(chǎn)的PVDF壓電薄膜，直徑10mm，第二部分電荷信號(hào)處理采用美國(guó)Dynasen公司生產(chǎn)的CI-50-0.1型信號(hào)積分放大器，其反饋電容Cf為0.1μF，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量Q成正比，與電容 Cf成反比。圖2（a）和（b）所示的為PVDF壓電薄膜和信號(hào)積分放大器。

圖2 應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)部件

第三部分應(yīng)用數(shù)字示波器采集電壓信號(hào)。利用示波器來(lái)采集PVDF傳感器輸出的電信號(hào)，數(shù)字存儲(chǔ)示波器會(huì)將采集到的電信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，一方面將結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)，便于后續(xù)的處理計(jì)算。另一方面也會(huì)把采集的數(shù)據(jù)以波的形式輸出便于我們觀察判斷是否采集的是正確有效地信號(hào)。在本次要做的實(shí)驗(yàn)中壓力沖擊時(shí)間非常短，所以采用數(shù)字存儲(chǔ)示波器來(lái)觀察、存儲(chǔ)PVDF傳感器的輸出信號(hào)。如圖3所示。

圖3 數(shù)字示波器

經(jīng)過(guò)標(biāo)定，可知該應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)受力產(chǎn)生的電壓滿足下式：

式中σ為應(yīng)力大小，U為示波器采集的電壓信號(hào)；應(yīng)力與采集的信號(hào)為正比關(guān)系。

2）落錘試驗(yàn)

試驗(yàn)在HGZ—I型撞擊感度儀上完成，其落錘質(zhì)量為10KG，根據(jù)航天工業(yè)部制定的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)QJ1271-86要求［16］，將某型推進(jìn)劑去掉方坯藥表皮，制成直徑8mm，厚度1.0mm～1.1mm的圓形薄片，放入干燥箱內(nèi)恒溫（20±2℃）恒濕（60±5%）保存，以待使用。

為了測(cè)量推進(jìn)劑落錘撞擊過(guò)程的應(yīng)力變化情況，在落錘試驗(yàn)儀的底座上安裝應(yīng)力傳感器，且對(duì)原底座進(jìn)行部分改造（方便安裝壓電薄膜），如圖4所示。

圖4 壓電薄膜安裝

試驗(yàn)開始前，讓落錘空打3次～10次，消除擊柱的塑性變形，而后在落錘試驗(yàn)儀中裝入應(yīng)力傳感器及推進(jìn)劑試樣，安裝好的試驗(yàn)設(shè)備如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)裝置

根據(jù)QJ1271-86［16］的要求，按照 50%特性落高試驗(yàn)方法，對(duì)推進(jìn)劑試件進(jìn)行落錘試驗(yàn)，并應(yīng)用應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)采集推進(jìn)劑試件受到的應(yīng)力情況。

3 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)一系列的試驗(yàn)，得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的應(yīng)力情況如圖6所示。

圖6 40cm落高應(yīng)力曲線圖

由圖6可以看出碰撞時(shí)間為0.001s，應(yīng)力在落錘撞擊過(guò)程的先上升后下降，整體呈正弦曲線的趨勢(shì)。應(yīng)力峰值與落高的關(guān)系如圖7所示。

圖7 落高與應(yīng)力關(guān)系曲線

應(yīng)力峰值與落高的0.55次方成正比，關(guān)系滿足σ=175.09H0.5，式中σ的單位為MPa，H的單位為cm，R2值為0.982。

文獻(xiàn)［17］驗(yàn)證了復(fù)合材料在低壓（小于1GPa）、寬脈沖（大于50μs）的沖擊條件下，其沖擊發(fā)火判據(jù)仍可以通過(guò)沖擊起爆判據(jù)—— p2τ=常數(shù)（該判據(jù)通常意義下只適用于高壓、窄脈沖的沖擊起爆）來(lái)確定。故本文應(yīng)用這一判據(jù)，求其常數(shù)K。對(duì)于落錘試驗(yàn)中應(yīng)力的情況，可對(duì)其求均值，即

由于75cm落高下應(yīng)力的峰值為1516MPa，故其均值為965.8MPa，則由 p2τ=K可知該型推進(jìn)劑的K值為932.8。

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)50%特性落高試驗(yàn)方法得到的該型推進(jìn)劑的50%沖擊發(fā)火落高為75cm，最大100%不起爆落高為68cm。

2）通過(guò)應(yīng)力傳感器測(cè)得落錘試驗(yàn)推進(jìn)劑受到的應(yīng)力近似服從正弦分布，應(yīng)用沖擊發(fā)火判據(jù)p2τ=K可知該型推進(jìn)劑的K值為932.8。