HMX對固體推進劑在強烈沖擊條件下反應特性的影響①

李文海，張杰凡，徐 森，劉大斌，李苗苗，李 輝，田曜愷

(1.南京理工大學 化工學院，南京 210094；2.中國航天科技集團有限公司四院四十二所，襄陽 441003； 3.上海航天化工應用研究所，湖州 313002；4.兵器工業(yè)安全技術研究所，北京 100053)

0 引言

20世紀60～70年代，由于美國航空航母出現(xiàn)多次較大的彈藥爆炸事故，造成大量的人員傷亡和巨大的經濟損失，美國陸軍彈道研究所提出了低易損性彈藥(LOVA)的概念，制定了發(fā)展低易損性彈藥的研究計劃和目標[1-2]。彈藥的低易損性是指當彈藥受到外界不可預測的熱、機械、電磁等刺激時，不易產生劇烈的反應，響應等級以及隨之產生的二次損害較小[3]。也就是說，在子彈撞擊、破片撞擊等機械刺激作用下不易引發(fā)意外爆炸，且在高溫和火焰中不易被烤燃、不殉爆，一旦意外被點燃，只燃燒而不爆轟。

國內彈藥低易損性研究起步較晚，近年來國內參照美國(MIL-STD-2105)、法國(DGA/IPE INSTRUCTION N 260)、北約(STANAG 4439)以及聯(lián)合國關于極不敏感爆轟物質(EIDS)等相關標準[4-6]，對彈藥低易損性進行了大量的研究[7-11]。唐桂芳等[12]通過快速烤燃、槍擊感度、撞擊波感度等試驗，研究了澆注PBX的低易損性能。張超等[13]通過空心裝藥射流試驗研究了三種典型固體推進劑易損性特性。最新版美軍標規(guī)定了快速烤燃試驗，慢速烤燃試驗，子彈撞擊試驗，聚能射流撞擊試驗，破片撞擊試驗，殉爆試驗六項低易損試驗來評判彈藥的低易損性，該標準的試驗方法和判據受到大家的公認。

本文選取兩種固體推進劑典型配方，探索HMX對固體推進劑配方的低易損特性的影響。通過不同撞擊方向下的子彈撞擊、高速破片撞擊和聚能射流撞擊試驗，研究了HMX對固體推進劑在強烈沖擊條件下反應特性的影響，可為低易損性推進劑配方設計和研究提供參考。

1 試驗

1.1 試驗樣品

試驗樣品：PBT復合推進劑A和B，兩配方的差異在于A中添加了20%的HMX，B不含有HMX。將樣品澆注到內徑(100±1.0)mm、壁厚(3.0±0.1)mm、長度(200±1.0)mm的筒體中；用厚度為3.0 mm端蓋通過螺紋密封；上下端蓋用兩塊鋼板通過螺栓鏈接固定；端蓋及筒體材質均為GB/T 699規(guī)定的45優(yōu)質碳素結構鋼。樣品結構及實物圖如圖1所示。

1.2 試驗方法

(1)破片撞擊試驗。采用25 mm火炮，發(fā)射直徑為12.7 mm，質量為18.6 g的立方體軟鋼金屬破片，25 mm火炮距離樣品15 m，破片以(1830±60)m/s速度撞擊固體推進劑樣品。

(2)子彈撞擊試驗。采用12.7 mm測速彈道槍，子彈為12.7 mm穿甲燃燒彈，槍距離樣品15 m，在樣品中心兩側1 m處各放置一塊見證板，以850 m/s的射擊速度撞擊固體推進劑樣品。

(3)聚能射流撞擊試驗。將樣品置于一塊見證板中心，將直徑為81 mm的聚能裝藥水平放置在距離樣品110 mm處，聚能裝藥中心應對準樣品中心，用工業(yè)8號電雷管將聚能裝藥起爆。

采用高速錄像記錄三種試驗的試驗過程，分析樣品的響應過程，觀察樣品響應后的持續(xù)反應情況。

(a)樣品結構

(b)實物圖

2 結果與分析

2.1 破片撞擊試驗結果

固體推進劑A和B在破片撞擊后的響應特性如表1所示，軸向破片沖擊試驗過程高速錄像圖如圖2～圖5，試驗后的殘藥和殘殼如圖6所示。

由表1可知，兩種樣品在軸向、徑向破片撞擊試驗中均發(fā)生了燃燒，并未產生比燃燒更為劇烈的響應。因此，可認為樣品A和B在破片撞擊試驗中響應類型皆為燃燒，根據美軍標MIL-STD-2105[6]，可認為兩樣品通過了破片撞擊試驗，具有較好的安全性。

從圖2～圖5可看出，樣品A和B在破片撞擊試驗中的燃燒持續(xù)時間有較大的差異，樣品A軸向破片撞擊后迅速燃燒，燃燒較為劇烈，火焰顏色較白，9 s內完全燃燒，樣品A徑向破片撞擊后燃燒了27 s；相比之下，樣品B在軸向破片撞擊之后燃燒速度較慢，響應持續(xù)時間長達49 s，樣品B在徑向破片撞擊后燃燒了58 s。

表1 破片撞擊試驗結果

圖2 A軸向破片撞擊試驗歷程圖 圖3 A徑向破片撞擊試驗歷程圖

圖4 B軸向破片撞擊試驗歷程圖 圖5 B徑向破片撞擊試驗歷程圖

(a) A軸向破片撞擊試驗 (b) A徑向破片撞擊試驗

(c) B軸向破片撞擊試驗 (d) B徑向破片撞擊試驗

對比軸向和徑向試驗發(fā)現(xiàn)，兩種樣品在軸向試驗中響應程度大于徑向試驗。根據燃燒時間可得，燃燒速率分別增加了200%和18.4%。這是由于在軸向試驗中，破片在樣品內部穿行距離較長，與樣品內部接觸面積較大，動能轉化為內能較多，造成樣品的燃燒面較廣，燃燒速率提升。

對比樣品A、B成分發(fā)現(xiàn)，造成較大的持續(xù)時間差異是由于樣品A中添加了少量HMX。HMX是單質炸藥，屬于高能密度材料，相比其他組分，HMX對子彈、破片沖擊作用比較敏感。在樣品受到沖擊后，HMX會快速發(fā)生反應，且燃燒速率遠高于AP和鋁粉，因而HMX的加入顯著提高了樣品的反應速率。在樣品中加入少量HMX可有效提升燃燒速率，軸向和徑向試驗中燃燒速率分別提升了4.44倍和1.15倍。

2.2 子彈撞擊試驗結果

樣品A、B在子彈撞擊后的響應特性如表2所示，試驗后的殘藥和殘殼如圖7所示。

表2 子彈撞擊試驗結果

(a) A軸向子彈撞擊試驗 (b) A徑向子彈撞擊試驗

(c) B軸向子彈撞擊試驗 (d) B徑向子彈撞擊試驗

由表2、圖7可知，兩組試驗中樣品都發(fā)生了燃燒反應。其中，在A軸向試驗時，樣品內的樣品被打散成多個部分，散落在試驗場不同位置發(fā)生燃燒。各次試驗中樣品兩端端蓋脫落，殼體完好，無樣品剩余。判斷A和B的軸向和徑向破片沖擊試驗的最終響應等級皆為燃燒。與破片撞擊試驗相同，樣品A中添加了少量HMX，其燃燒速率與樣品B相比有一定的提升，軸向和徑向試驗中燃燒速率分別提升了14.3%和8.5%。

與破片撞擊試驗類似，子彈撞擊試驗中兩種樣品的燃燒持續(xù)時間有差異，軸向試驗中的燃燒時間均比徑向試驗中的短。燃燒速率分別增加了14.9%和14.2%。

2.3 聚能射流撞擊試驗

固體推進劑A、B在聚能射流撞擊試驗后的響應特性如表3所示，試驗歷程如圖8、圖9所示，試驗后的殘藥和殼體如圖10所示。

表3 聚能射流撞擊試驗結果

由圖8、圖9可知，樣品A在聚能射流撞擊試驗中產生較大的火球，但樣品未發(fā)現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，試驗現(xiàn)場也未找到樣品的殘骸和殘藥。綜合試驗現(xiàn)象，判定樣品A在聚能射流撞擊試驗中的響應類型為爆轟。樣品B在聚能裝藥被引爆之后迅速燃燒，試驗區(qū)內仍有大量殘藥，殼體破碎。綜合試驗現(xiàn)象，判定樣品B在聚能射流撞擊試驗中的響應類型為燃燒。對比樣品A與樣品B的配方，分析兩種樣品聚能射流撞擊試驗中響應類型有較大不同的原因是樣品A中含有少量HMX。HMX是單質炸藥，相比AP+Al的體系，HMX對射流沖擊作用敏感，而AP+Al的體系相對較鈍感。當HMX加入后，樣品配方在受到射流沖擊作用后，配方中的HMX會發(fā)生快速反應，從而在配方內部形成熱點，從而顯著提高樣品體系的射流感度。

圖9 B聚能射流撞擊試驗歷程圖

(a) B射流試驗后的殘藥 (b) B射流試驗后的殼體

3 結論

(1)在子彈撞擊試驗和破片撞擊試驗中，固體推進劑A和B的響應類型均為燃燒；樣品中加入少量HMX未影響其響應等級，但顯著提升了其燃燒速率。

(2)在軸向試驗中，由于子彈或破片在樣品內部貫穿比較深入，與樣品內部接觸面積較大，造成樣品的燃燒面較廣，軸向撞擊刺激響應程度平均為徑向的1.61倍。

(3)在聚能射流試驗中，固體推進劑A和B響應類型分別為爆轟和燃燒，添加20%HMX后，樣品在射流試驗中的響應等級從V級變成I級，即含20%HMX的配方不屬于低易損配方，表明HMX的添加量會對固體推進劑配方的易損性產生顯著影響。