幾種典型固體推進劑的燃燒轉爆轟實驗研究

秦 能,廖林泉,金朋剛,胥會祥,李軍強,范紅杰

(西安近代化學研究所,陜西 西安 710065)

引 言

高能固體推進劑中含有大量高能炸藥,高能炸藥本身具有較高的機械感度和沖擊波感度,因此,如何保證高能固體推進劑在研究、制造、實驗、運輸、裝卸、貯存、保管及處理過程中的安全性,是人們非常關注的問題[1-2]。改性雙基推進劑的危險性主要表現在其爆轟危險性[3]。為了安全使用危險等級較高的改性雙基推進劑,應制定詳細的安全操作規程,同時開展有關推進劑危險評估技術的研究,從而確定推進劑危險的臨界參數和危險效應。

聯合國規定的爆炸品危險等級分級程序是目前國際上廣泛采用的程序[4],對于火藥(固體推進劑),雷管感度實驗、燃燒轉爆轟實驗和標準隔板實驗是聯合國規程推薦的實驗,在固體推進劑分級實驗中必不可少。本研究針對 4種不同類型的固體推進劑進行了燃燒轉爆轟實驗,以期為固體推進劑的分級程序進行試驗,以驗證聯合國規定的燃燒轉爆轟實驗方法的可行性,但實驗效果不佳。之后對樣品管進行了改進,不僅增加了壁厚,還在管壁上增加了用來測定爆速的小孔,獲得了較好的實驗效果。采用改進后的樣品管進行燃燒轉爆轟實驗時,不僅獲得了破片證據,還測得了穩定的爆速。

1 實 驗

1.1 推進劑配方及性能

CMDB推進劑(粒鑄工藝制備及螺壓工藝制備)、HTPB復合推進劑(澆鑄工藝制備)、NEPE推進劑(澆鑄工藝制備)配方見表1,推進劑的部分性能見表 2。

表2 4種推進劑的性能Table 2 Properties of the four propellants

1.2 儀器及試驗裝置

樣品管 I(采用聯合國規定的標準):無縫鋼管,直徑 39.9mm,壁厚 4mm、管長 1200mm,鋼管兩端用螺帽封閉,螺帽壁厚 4mm,其中一支螺帽有直徑2mm的孔用于穿點火線。

樣品管 II:壁厚 9mm,螺帽壁厚 9mm,其他與樣品管 I相同。

樣品管 III:螺帽底部厚 13mm,樣品管帶測速孔,其他與樣品管 I相同。

黑火藥:GJB1056小粒黑火藥,每發實驗用 5g。點火頭:雷管用電點火頭。見證板:長 1020mm、寬80mm、厚 8mm的鋁板。燃燒轉爆轟裝置示意圖見圖 1,測速孔直徑 2mm。

圖 1 燃燒轉爆轟裝置示意圖Fig.1 Deflagration-to-detonation transition test equipment

2 結果與分析

2.1 樣品管 I的實驗結果及分析

采用樣品管 I,4種推進劑均未發生燃燒轉爆轟。研究表明[5-6],推進劑發生燃燒轉爆轟時壓強高達數百兆帕,甚至達到吉帕級。本實驗中所用樣品管的耐壓值為74.5M Pa。圖 2和圖 3分別為 CMDB推進劑、NEPE推進劑實驗后的樣品管。由圖 2和圖 3可知,實驗中樣品管靠近點火的一端被撕裂或破裂,這是由于推進劑燃燒產生的氣體壓強超過鋼管的耐壓值所致。分析認為,要使推進劑產生穩定爆轟,需加強外界約束條件,即增加樣品管壁厚,提高樣品管的耐壓值有兩個途徑:一是保持樣品管外徑不變,縮小內徑;二是保持內徑不變,增大樣品管外徑。結合本次實驗結果,采取增加樣品管外徑的方法,同時改變螺壓 CMDB推進劑的裝填形式(由實心藥柱改為顆粒),采用增加壁厚的樣品管 II再次進行實驗。

圖2 CMDB推進劑試驗后的樣品管及見證板Fig.2 The witness plate and sample tubes after the CMDB propellant DDT test

圖3 NEPE推進劑實驗后的樣品管Fig.3 The sample tubeafter the NEPE propellant DDT test

2.2 樣品管 II的實驗結果及分析

采用樣品管 II進行3發實驗。其中粒鑄 CMDB推進劑藥柱 2發實驗,1發試樣總長1180mm,距管口20mm,管內空出的Φ40mm×20mm空間用于放置點火藥及點火頭;另 1發試樣長1200mm,藥柱中間預制Φ20mm×20 mm孔,用于放置點火藥及點火頭。兩發實驗結果均為靠近點火端的部分推進劑藥柱燃燒,其余大部分藥柱(約占 4/5)沖出管外,較完整。樣品管完整,兩端蓋從底部沖開。

螺壓 CMDB推進劑藥粒進行了 1發實驗,裝藥量 0.88kg,藥粒表面距樣品管口 48mm,裝填高度1 152mm,管內徑實測值 39.9mm,堆積密度為0.6109g/cm,裝填系數0.3795。結果發生燃燒轉爆轟,樣品管從點火端開始有 330mm長的一段較完整,但端蓋底部仍被沖開,其余樣品管爆炸成小碎片,因找不到另一個端蓋,不能判斷該端蓋底部是否被沖開。

雖然螺壓 CMDB推進劑藥粒發生了燃燒轉爆轟,但從破片的破碎程度看,爆速不會太高。分析認為一方面是外界約束條件的加強,樣品管由原來74.5MPa的耐壓值提高到150MPa以上;另一方面,樣品管內樣品的裝填形式發生改變,從原來的藥柱變為顆粒,裝填密度僅為原來的37.95%。樣品管內的孔隙率增大,推進劑的初始燃面成倍增大,產生氣體量提高,壓強也相應增大。由于壓強的增大,增強了燃燒波在樣品管中的傳遞,在燃燒過程中,隨著壓強的快速提高,燃燒發生了本質的變化,由平行層燃燒轉變為對流燃燒,最終變為爆轟。在相同條件下,粒鑄推進劑藥柱樣品卻未出現燃燒轉爆轟,樣品管內的高壓將端蓋底部沖開,泄壓后,推進劑熄火。出現燃燒轉爆轟的樣品管 II的一邊端蓋底部也沖開,說明樣品管的端蓋仍是薄弱部分。

針對樣品管 II的薄弱環節,對鋼管的兩端蓋重新設計加工,使其壁厚大于 13mm,以保證耐壓強度;另外在鋼管底端沿軸向鉆出3個直徑 2mm的孔(孔距 100mm,第 1孔離端面 50mm),以便插入探針,測試推進劑燃燒轉爆轟時的爆速。這樣不僅可以通過破片來判斷是否發生爆轟,還可以從是否存在穩定的爆速來判斷是否發生爆轟,增加了判斷的可靠性。

2.3 樣品管 III的實驗結果及分析

采用樣品管 III進行了 8發試驗,結果見表 3。

表 3 采用樣品管 III的推進劑燃燒轉爆轟試驗結果Table 3 DDT test results of propellant adopted the sample tube III

通過改進實驗器材和測試手段,測得推進劑燃燒轉爆轟時的穩定爆速,從而證實了固體推進劑在一定條件下也能發生燃燒轉爆轟。

從發生燃燒轉爆轟的推進劑配方看,粒鑄CMDB、NEPE推進劑及螺壓 CMDB推進劑均含有RDX、NG等感度較高的物質,螺壓CMDB推進劑中RDX的質量分數為 18%,其他兩種推進劑中 RDX的質量分數在30%以上;另外,推進劑的裝填形式對結果影響很大,散裝顆粒(粒鑄 CMDB推進劑藥粒、螺壓 CMDB推進劑藥粒)以及推進劑內部有孔洞的推進劑(NEPE推進劑)均發生燃燒轉爆轟,裝填密度為理論密度的 30%～ 64%。可見,裝藥的密實度(密實或疏松,內部有無裂紋)及裝填形式(藥柱或顆粒)等對推進劑是否發生燃燒轉爆轟有重要影響。

從爆轟產生的破壞程度看,粒鑄 CMDB推進劑最強,螺壓 CMDB推進劑次之,NEPE推進劑最弱。粒鑄 CMDB推進劑穩定爆轟時的爆速高于螺壓CMDB推進劑。這主要與推進劑樣品的裝填密度有關,粒鑄 CMDB推進劑裝填的是圓柱狀非常規則的小顆粒,螺壓 CMDB推進劑的顆粒較粗(經過切粒機一次切割的顆粒尺寸大約為 5mm×5mm×5mm,經過切粒機 3次切割的顆粒尺寸大約為3mm×3mm×3mm),NEPE推進劑藥柱內部有大量孔洞,在相同的容積下,粒鑄 CMDB推進劑的裝填密度最大,裝藥量最多。

圖 4 4種推進劑在樣品管 III中實驗后的藥柱及破片Fig.4 Grains and f ragments of four propellants after DDT test in sample tube III

3 結 論

(1)固體推進劑在一定條件下,特別是以顆粒形式裝填或內部存在缺陷(氣孔、裂紋)等條件下可發生燃燒轉爆轟。

(2)當固體推進劑配方中含有 RDX、NG等感度較高的含能材料時,發生燃燒轉爆轟的概率提高。

(3)推進劑樣品的裝填形式(藥柱或顆粒)、藥柱的密實度(疏松、氣孔、裂紋或密實)和外界約束條件(強或弱)等對推進劑是否發生燃燒轉爆轟有重要影響。

(4)采用改進后的燃燒轉爆轟樣品管進行燃燒轉爆轟實驗,可獲得穩定爆轟時的爆速數據,為推進劑的燃燒轉爆轟提供直接證據。

[1] 俞統昌,王曉峰 ,王建靈.火炸藥危險等級分級程序分析 [J].火炸藥學報,2006,29(1):10-14.YU Tong-chang,WANG Xiao-feng,WANG Jianling.Hazard classification procedures for explosive and propellant[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,2006,29(1):10-14.

[2] 王曉峰,王親會 ,王寧飛.開展高能固體推進劑危險性分級研究的建議[J].火炸藥學報,2003,26(1):59-61.WANG Xiao-feng,WANG Qin-hui,WANG Ningfei.Suggestion on studying hazard classification of high energy solid propellants[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,2003,26(1):59-61.

[3] 張續柱.雙基火藥 [M].北京:北京理工大學出版社,1997.

[4] United Nations Committee of Experts on the Transport of Dangerous Goods.UN Recommendations on the Transport of Dangerous Goods.Manual of Tests and Criteria(Fourth revised edition.)[R].New York:[s.n.],1999.

[5] 文尚剛,龔晏青,董樹南,等.高量程壓力傳感器在含能材料燃燒轉爆轟實驗中的應用[J].含能材料,2007,15(2):165-168.WEN Shang-gang,GONG Yan-qing,DONG Shunan,et al.Application of wide range pressure gauge to DDT experiments on energetic materials[J].Chinese Journal of Energetic Materials,2007,15(2):165-168.

[6] 賈祥瑞,李冬香,孫錦山,等.高能固體推進劑燃燒轉爆轟數值模擬 [J].兵工學報,1997,18(1):46-51.JIA Xiang-rui,LI Dong-xiang,SUN Jin-shan,et al.An analysis of the deflagration-to-detonation transition (DDT) in NEPE propellants[J]. Acta Armamentarii,1997,18(1):46-51.