固體推進劑爆轟感度影響因素研究①

蘇 晶，李 軍，陳 怡，張杰凡，肖 旭

(1.航天化學動力技術重點實驗室，襄陽 441003；2.湖北航天化學技術研究所，襄陽 441003；3.西安航天動力測控技術研究所，西安 710025)

0 引言

為了使高能固體推進劑產生更高的能量，在推進劑配方中增加了較高比例的高能炸藥HMX/RDX、鋁粉等組分，導致其危險性也越來越大[1-4]。新型高能固體推進劑在制造、運輸、貯存和使用過程中，受到沖擊波的意外刺激，可能發生爆轟，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劑1.1級和1.3級危險性的主要依據，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考察了固體推進劑的反應度、反應速率、體積能量釋放速率等過程，研究了雙基推進劑、改性雙基推進劑、聚硫推進劑等在不同壓力沖擊波作用下的化學反應過程[5]。鄭波等針對目前卡片試驗中驗證板界面反射沖擊波的問題，設計了對比試驗，對卡片試驗中驗證板反射的沖擊波對沖擊起爆影響進行了研究[6]。黃明等研究了高品質RDX的晶體特性及沖擊波起爆特性，表明高品質RDX會降低其爆轟感度[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。

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

1 試驗原理及方法

卡片試驗是考察固體推進劑爆轟感度的重要試驗項目，由雷管、雷管座、傳爆藥、卡片、試驗樣品和驗證板等組成，裝置如圖1所示。其工作原理為雷管引爆主發藥柱，主發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，經衰減后的沖擊波作用于鋼管中的試驗樣品，通過驗證板是否穿孔考察試驗樣品的爆轟感度。

參考GJB 6195—2008《復合固體推進劑危險等級分級方法》和QJ 20019.1—2011《復合固體推進劑安全性能試驗方法》，根據發生爆轟的臨界卡片厚度確定固體推進劑的爆轟感度，在醋酸纖維素卡片厚度為17.5 mm的卡片試驗中，若驗證板發生穿孔(圖2(a))，則試樣具有爆轟感度，若驗證板沒有穿孔(圖2(b))，即不具有爆轟感度。

2 結果與分析

2.1 輸入沖擊波壓力標定

卡片試驗中的輸入沖擊波壓力是卡片試驗的重要參數之一，是指主發藥柱發生穩定爆轟后，沖擊波經衰減介質衰減后，直接作用到樣品上的沖擊波壓力。為標定GJB 6195—2008中17.5 mm卡片試驗的輸入沖擊波壓力，采用錳銅壓力計和沖擊波壓力測試系統，研究了卡片試驗中的輸入沖擊波壓力，原理如圖3所示。

圖1 卡片試驗裝置原理圖

(a)驗證板穿孔

(b)驗證板未穿孔

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，經式(1)計算得17.5 mm卡片試驗的輸入沖擊波壓力為7.03 GPa，這與美國海軍、陸軍、空軍和航空聯合工作組建議將7 GPa作為評價固體推進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劑的爆轟感度是可行的。

(1)

2.2 典型固體推進劑的爆轟感度

為了考察固體推進劑爆轟感度的影響因素，開展了NEPE固體推進劑、HTPB四組元固體推進劑、HTPB三組元固體推進劑、富燃料推進劑和燃氣發生劑的卡片試驗研究，典型的試驗結果如圖5所示。固體推進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，驗證板完好

(b)殼體和驗證板均完好

(c)驗證板穿孔

圖6 不同種類固體推進劑的爆轟感度

由圖6可看出：

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

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

(3)同一類固體推進劑的爆轟感度表現出較大差異，表明固體推進劑爆轟感度的影響因素不僅與其種類有關，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)的固體推進劑，配方中均含有炸藥，這可能是由于固體推進劑中添加了高威力、高敏感的炸藥后，在沖擊波的作用下，更容易形成熱點，當一個沖擊壓力脈沖進入試樣后，由于入射沖擊波和密度不連續處的相互作用，形成了射流、空穴崩潰，沖擊波的分離、碰撞等，使熱點附近的試樣顆粒出現了化學反應，其釋放的能量又使入射沖擊波得到加強，爆轟波不斷傳播下去，使得固體推進劑具有爆轟感度。

2.3 配方組成對爆轟感度的相關性研究

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

表1HTPB四組元推進劑的基礎配方

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性

探索了HTPB四組元推進劑在87%、88%和89%固體含量下的爆轟感度試驗，試驗結果如圖7所示。由圖7可看出，當HTPB四組元推進劑的固體含量由89%降低至87%時，驗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，這是因為當固體含量降低時，沖擊波在傳播過程中發生了較大衰減，因此爆轟感度降低。

考慮到固體推進劑的能量性能，固體含量不宜進一步降低。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四組元推進劑的爆轟感度試驗，試驗結果如圖8所示。從圖8可看出，當Al含量由18%降低至10%時，驗證板被擊穿的卡片試驗厚度由27.4 mm升高為28.0 mm，而當Al含量由10%減少為5%時，驗證板被擊穿卡片試驗厚度由28 mm降低至27.5 mm。因此，Al含量對HTPB四組元推進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性

開展了不同RDX含量的卡片試驗，確定了爆轟的臨界卡片厚度，試驗結果如表2所示。

對數據進行處理、歸納后形成RDX含量與爆轟感度的關系，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固體推進劑爆轟感度影響顯著，隨著RDX含量的升高，發生爆轟的臨界卡片厚度顯著減少，這是因為RDX含量越高，在沖擊波壓力的作用下，越容易形成爆轟熱點。

(2)HTPB四組元固體推進劑發生爆轟的臨界RDX含量為11.5%。國外報告指出，18%的RDX含量是固體推進劑爆轟感度的臨界值，高于本報告用RDX含量，這主要是因為國外固體推進劑存在如下特點：

(a)采用了晶型完整、缺陷少、粒度均勻的高品質RDX；

(b)配方進行了極配優化；

(c)添加了降感助劑等[9]。

3 結論

(1)對標準中卡片試驗的輸入沖擊波壓力進行了標定，輸入沖擊波壓力為7.03 GPa，與國外標準要求一致。

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

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