HTPB推進劑沖擊發火判據的試驗研究

楊 明，黃衛東，劉丙杰，李高春，李金飛

(1.海軍潛艇學院，山東 青島266000； 2. 航天工程大學，北京 101400；3.海軍航空大學，山東 煙臺 264001)

引 言

固體火箭發動機在運輸、吊裝等過程中可能會受到沖擊、跌落、振動等外界機械力的影響，如果意外發火、燃燒甚至爆炸，會造成武器裝備的損壞、人員傷亡和巨大的經濟損失，直接影響戰斗力。

含能材料的撞擊起爆過程通常分為點火和爆轟成長兩個階段。撞擊感度試驗反映的是試樣受撞擊后是否容易發火[1]，影響點火階段的因素就是決定其撞擊感度高低的關鍵因素[2]，目前，落錘試驗仍為研究含能材料感度的主要方法[3]。高立龍等[4]利用400kg落錘加載裝置對多種炸藥進行了撞擊感度試驗，將結果與GJB772A-97方法測試的結果進行對比，得到不同炸藥感度的相關規律；馬平[5]通過改變基體的模量，應用50%特性落高的方法測試了一系列PBX的撞擊感度，結果表明力學性能可以影響撞擊感度；王玉玲[6]對HMX基高聚物炸藥進行熱老化，發現其撞擊感度有所降低；南海[7]運用掃描電鏡表征技術證明了吸熱型包覆材料有利于降低AP顆粒的撞擊感度；陳皓[8]通過對典型藥柱撞擊感度的試驗研究，發現藥柱尺寸和溫度對其感度影響很大，而粉末裝藥和藥柱的感度基本一致；李健[9]應用落錘試驗儀研究了物性對含能材料撞擊起爆感度的影響，結果表明AP較HMX、RDX更易爆發，增大AP顆粒和減小HMX、RDX顆粒可降低撞擊感度；趙娟[10]研究了不同裝藥條件對落錘撞擊響應的規律，結果表明起爆閾值隨著藥柱厚度增大而變大，藥粉感度大于藥柱感度。

固體推進劑的沖擊發火機理是一個十分復雜的問題，涉及到多門學科，且推進劑各向異性，受沖擊壓縮后其內部結構變化情況不是十分清楚。章冠人[11]利用一維粘彈塑性模型的解析解，再加上孔隙內表面炸藥燃燒的假設，推導出著名的沖擊起爆判據σ2τ=常數，從細觀孔隙受壓縮的模型出發，沒有應用能量的概念而直接應用了壓力，從細觀上證明了這個宏觀起爆判據，可以說兩者殊途同歸，達到了宏細觀的統一。另外，覃金貴[12]通過SHPB-砧骨試驗，驗證了PBX炸藥在低壓(小于1GPa)、寬脈沖(大于50μs)的沖擊條件下，其沖擊發火判據仍可以通過沖擊起爆判據：σ2τ=K(該判據通常意義下只適用于高壓、窄脈沖的沖擊起爆)來確定。

對于推進劑沖擊反應的研究，限于應力測量手段的缺乏，往往止步于沖擊感度的研究。為探究固體推進劑的沖擊發火條件及沖擊發火判據，本研究應用設計的應力測量系統采集落錘試驗下藥柱受到的應力情況，并對比基于SHPB(分離式霍普金森壓桿)設備的推進劑沖擊發火試驗，綜合不同應力加載方式，分析推進劑的沖擊發火判據，為固體發動機沖擊安全性評定提供一定的理論依據。

1 試 驗

1.1 試劑與儀器

某型HTPB固體推進劑方坯藥，中國航天科工集團第六研究院。

HGZ-I型撞擊感度儀，落錘質量為10kg，天力敏科技有限公司。

1.2 樣品制備

根據航天工業部制定的試驗標準QJ1271-86要求[13]，將某型推進劑制成直徑8mm、厚度1.0～1.1mm的圓形薄片，放入干燥箱內恒溫(20±2℃)恒濕(60±5%)保存，以待使用。

1.3 落錘沖擊發火試驗

為測量推進劑落錘撞擊過程的應力變化情況，在撞擊感度儀的底座上安裝應力傳感器，且對原底座進行改造，方便安裝PVDF壓電薄膜，如圖1所示。

圖1 底座改進安裝圖Fig.1 Diagram of base modification and installation

試驗開始前，讓落錘空打3～10次，消除擊柱的塑性變形，然后在撞擊感度儀中裝入應力傳感器及推進劑試樣，根據QJ1271-86[13]的要求，按照50%特性落高試驗方法，對推進劑試件進行落錘試驗，并采用應力測量系統采集推進劑試件受到的應力情況。

1.4 基于SHPB的沖擊發火試驗

采用分離式霍普金森壓桿進行試驗，為了保證此次試驗與落錘沖擊發火試驗的可對比性，推進劑試件依舊采用與落錘試驗中一樣的規格尺寸，并采用落錘試驗中的擊柱與擊套將推進劑試件夾在中間，目的是在推進劑受沖擊發火后，避免了入射桿與透射桿端面直接受到推進劑的發火沖擊，在一定程度上起到保護SHPB設備的作用。試件安裝如圖2所示。

圖2 推進劑試件安裝圖Fig.2 Assembling installation of propellant specimen

試驗中，采用尺寸分別為20、30和40cm的入射子彈、以不同入射速度射擊入射桿，觀測推進劑試樣的發火情況，采集不同條件下推進劑試件50%沖擊發火的應力—時間信息，并繪制應力—時間曲線。

2 結果與討論

2.1 落錘試驗結果分析

通過應力測量系統測得推進劑40cm落高條件下的應力情況，并對試驗數據進行擬合，如圖3所示。

圖3 推進劑應力測試及擬合曲線Fig.3 The stress testing and fitting curves of propellant

由圖3可以看出，碰撞時間為0.001s，應力在落錘撞擊過程中呈現先上升后下降的趨勢。圖3中紅色的光滑曲線為擬合曲線，為一個周期的正弦曲線，并滿足如下關系式：

σ(t)=0.5σmax+0.5σmax×sin[2π×(t-T/4)/T]
R2=0.995

(1)

式中：σmax為應力峰值；T為落錘的作用時間。

式(1)所示的正弦曲線可以很好地表示落錘沖擊情況下推進劑受到的應力情況。根據落錘作用時間T以及應力峰值σmax，可得到任意落高下推進劑的沖擊應力信息。

綜上可知,落錘的碰撞時間T=0.001±0.0001s，由于周期T與應力峰值無關，因此取T值為0.001s進行計算。統計試驗中應力峰值與落高的關系，并進行擬合，應力峰值與落高的關系如圖4所示。

圖4 落高與應力關系曲線Fig.4 Relation curve between the drop height and the stress

應力峰值與落高的0.5次方成正比，關系滿足：

σ=175.09H0.5
R2=0.982

(2)

通過50%特性落高的方法，可知推進劑的50%特性落高H50為75cm，50%發火沖擊感度值H50×W為73.5J，100%不發火的最大落高H0為68cm，100%不發火沖擊感度值H0×W為66.64J。

2.2 基于SHPB沖擊發火試驗結果分析

通過一系列基于SHPB設備的沖擊發火試驗，可以得到推進劑試件在不同沖擊加載方式下(不同尺寸子彈的撞擊可產生不同的加載方式)的50%沖擊發火應力信息，如圖5所示。

圖5 不同尺寸子彈撞擊條件下推進劑50%沖擊發火的應力—時間曲線Fig.5 Stress—time curves of 50% impact ignition for propellants with different bullet sizes

由圖5可知，推進劑沖擊發火試驗應力為近似矩形的脈沖信號。且在20、30和40cm子彈沖擊條件下，推進劑50%沖擊發火的應力平臺值分別為2760、2410和2120MPa，作用的持續時間分別為76、100和130μs。隨著入射子彈尺寸和質量的增加，50%沖擊發火條件下推進劑受到的應力值減小，作用時間增長。

2.3 沖擊發火判據

由于推進劑無論在落錘還是SHPB的沖擊下，其應力加載均屬于低壓、寬脈沖的加載。且由SHPB沖擊發火試驗可知，推進劑在不同加載條件下的臨界應力與作用時間存在一定的變化規律，即應力越大、作用時間越短。這一規律可以理解為，當推進劑受到的能量達到一定的閾值，便有可能發生沖擊發火，故本研究采用σ2τ=常數來表征推進劑的沖擊發火判據。

根據上述分析，選取能量的概念作為推進劑的沖擊發火判據，即：

σnτ=K

(3)

式中：系數n一般取值為2，但需要根據推進劑的特性來最終確定n的值。故應用式(3)對試驗數據進行擬合，使其滿足式(4)：

(4)

由此可得，n取值為2，K值為581MPa2·s。即在SHPB沖擊作用下，該型HTPB固體推進劑的沖擊發火判據為：

σ2τ=581

(5)

對于落錘試驗，其推進劑試件受到的應力為近似正弦曲線(見圖3)。若想求其落錘沖擊下的沖擊發火判據，首先需對應力進行處理。由于σ2τ=K判據為從能量角度出發提出的判據，以推進劑受到的應力均值為參考進行計算，即

(6)

由于該型推進劑的50%特性落高為75cm，該落高下應力的峰值為1516MPa，故根據式(6)，其應力均值為758MPa，則落錘沖擊下，推進劑的沖擊發火判據為：

(7)

式(5)和式(7)的K值十分接近，說明在SHPB沖擊或落錘沖擊下，推進劑的低壓(小于10GPa)、寬脈沖(大于10μs)條件下的沖擊發火判據可以用σ2τ=K來表達，且K值為574.6MPa2·s(取較小值)。

該型推進劑的100%沖擊不發火落高為68cm，該落高下應力的峰值可由式(2)求得為1444MPa，故其均值為722MPa，則由落錘沖擊下的沖擊發火判據σ2τ=K可知，該型推進劑100%沖擊不發火的K值為521.3MPa2·s。

由此，可以判斷推進劑受沖擊后是否會發火，可根據推進劑受到的應力求K值，若求得的K值大于574.6MPa2·s，則認為有沖擊發火的危險，若小于521.3MPa2·s，則認為完全不會發生沖擊發火反應。

3 結 論

(1)通過50%特性落高試驗得到該型推進劑的50%沖擊發火落高為75cm，最大100%不起爆落高為68cm，通過應力傳感器測得落錘試驗推進劑受到的應力近似服從正弦曲線分布。

(2)通過基于SHPB的沖擊發火試驗可知，推進劑的應力為脈沖波，且臨界沖擊發火條件(臨界發火應力與作用時間)隨入射子彈尺寸的變化而變化。

(3)應用σ2τ=K判據可以較好地表征推進劑在低壓寬脈沖條件下的50%沖擊發火，且K值為574.6MPa2·s。