低易損性推進(jìn)劑研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)

李海濤，錢 勖，龐愛(ài)民，汪 越

(1.航天化學(xué)動(dòng)力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 襄陽(yáng) 441003；2.湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所， 湖北 襄陽(yáng) 441003；3.航天動(dòng)力技術(shù)研究院， 西安 710000)

1 引言

低易損性推進(jìn)劑，是指推進(jìn)劑在受到外界意外刺激(熱、機(jī)械、沖擊波等)時(shí)，推進(jìn)劑的危險(xiǎn)性響應(yīng)和隨之出現(xiàn)的二次損傷小。低易損性推進(jìn)劑的判定標(biāo)準(zhǔn)為推進(jìn)劑能夠通過(guò)慢速烤燃、快速烤燃、子彈沖擊、破片沖擊、聚能射流沖擊、殉爆這六項(xiàng)低易損性試驗(yàn)考核。低易損性試驗(yàn)響應(yīng)結(jié)果按照劇烈程度依次為爆轟(I)、部分爆轟(II)、爆炸(III)、爆燃(IV)、燃燒(V)以及燃燒以下(VI)6個(gè)等級(jí)，其中，聚能射流沖擊和殉爆試驗(yàn)通過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)是爆炸(III)及以下，其他四項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)是燃燒(V)及以下。

2 發(fā)展歷程

1909年Schroetter首次設(shè)計(jì)并合成了鈍感軍用炸藥TNT，揭開(kāi)了鈍感彈藥的研究序幕。隨后，美國(guó)等西方國(guó)家逐漸發(fā)展并建立了鈍感彈藥的美軍標(biāo)MIL-STD-2105和北約標(biāo)準(zhǔn)STANAG 4439等，構(gòu)建了低易損性推進(jìn)劑試驗(yàn)方法和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)90年代開(kāi)始關(guān)注國(guó)外低易損性推進(jìn)劑的發(fā)展動(dòng)態(tài)。從21世紀(jì)初開(kāi)始，以湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所為代表的國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始了低易損性推進(jìn)劑的探索研究，開(kāi)展了丁羥、聚醚等推進(jìn)劑的慢速烤燃、破片沖擊等低易損性試驗(yàn)研究；“十二五”期間，研制出標(biāo)準(zhǔn)實(shí)測(cè)比沖(BSFΦ315發(fā)動(dòng)機(jī))250 s以上的高能低易損性推進(jìn)劑，并建立了國(guó)內(nèi)低易損性試驗(yàn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)；“十三五”期間，主要研究了慢速烤燃試驗(yàn)響應(yīng)機(jī)理以及發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸與響應(yīng)結(jié)果的構(gòu)效關(guān)系(如圖1所示)，全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)響應(yīng)相比于小型試驗(yàn)件更為劇烈，表明隨著推進(jìn)劑裝藥尺寸增大，試驗(yàn)響應(yīng)程度加?。弧笆奈濉币詠?lái)，開(kāi)展了破片沖擊試驗(yàn)響應(yīng)機(jī)理等研究(如圖2所示)，采用模擬仿真方法計(jì)算藥柱內(nèi)部時(shí)間-壓力云圖，揭示試驗(yàn)過(guò)程中推進(jìn)劑內(nèi)部壓力隨時(shí)間變化規(guī)律，以及推進(jìn)劑高燃速與破片沖擊易損性協(xié)調(diào)等方面的研究。

圖1 大型試驗(yàn)件快速烤燃試驗(yàn)響應(yīng)結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.1 Fast cook-off response of large test piece

圖2 內(nèi)控藥柱內(nèi)部時(shí)間-應(yīng)力云圖Fig.2 Temporal stress cloud of inner hole column

3 研究現(xiàn)狀

3.1 國(guó)內(nèi)總體研究概況

國(guó)內(nèi)已開(kāi)展低易損性推進(jìn)劑在背景型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)中的研制工作，完成大量低易損性試驗(yàn)，掌握了推進(jìn)劑關(guān)鍵組分、低易損性試驗(yàn)條件、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與尺寸等因素對(duì)低易損性試驗(yàn)響應(yīng)的影響規(guī)律；不斷提升推進(jìn)劑力學(xué)、燃燒等性能水平，完成了大量背景型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)常溫、高溫、低溫試車，中能低易損性推進(jìn)劑技術(shù)的工程化應(yīng)用進(jìn)程持續(xù)推進(jìn)。國(guó)內(nèi)高能低易損性推進(jìn)劑預(yù)研工作也相繼取得顯著進(jìn)展，在推進(jìn)劑高能量與低易損性匹配、改善低溫力學(xué)性能、貯存性能研究等方面開(kāi)展大量工作，推進(jìn)劑能量水平相對(duì)中能低易損性推進(jìn)劑提升了5 s左右。

但是，在一些基礎(chǔ)性領(lǐng)域，存在部分共性瓶頸尚未充分突破，關(guān)鍵機(jī)理認(rèn)識(shí)不充分，評(píng)價(jià)方法和仿真手段不充分，對(duì)低易損性推進(jìn)劑的高效發(fā)展和可靠應(yīng)用形成了制約。具體包括：推進(jìn)劑主要性能尚未全面滿足先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展需求，要在保持推進(jìn)劑高能量與高安全性的同時(shí)，在推進(jìn)劑寬溫域力學(xué)性能改進(jìn)、燃速拓展、降低高壓強(qiáng)范圍內(nèi)壓強(qiáng)指數(shù)、解決推進(jìn)劑高燃速與低易損性矛盾性問(wèn)題尋求獲得新的突破；還需深入研究低易損性試驗(yàn)響應(yīng)機(jī)理，建立低易損性推進(jìn)劑配方設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，研究并掌握推進(jìn)劑在低易損性試驗(yàn)響應(yīng)中的尺寸效應(yīng)的影響因素，獲得全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)低易損性試驗(yàn)響應(yīng)的準(zhǔn)確預(yù)示方法，為戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用安全性的提升提供充分的設(shè)計(jì)支撐。

3.2 推進(jìn)劑關(guān)鍵性能優(yōu)化提升

低易損性推進(jìn)劑的工程化應(yīng)用，需要實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑能量、燃燒、力學(xué)等關(guān)鍵性能的提升。

1) 高能量與低易損性協(xié)調(diào)

突破推進(jìn)劑高能量與低易損性協(xié)調(diào)技術(shù)才能滿足先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)射程、高安全性的發(fā)展需求。目前，主要從鈍感含能材料應(yīng)用、提高鋁粉燃燒效率等方面來(lái)開(kāi)展研究。例如，鈍感含能材料TKX-50受到固體推進(jìn)劑研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。付小龍等研究發(fā)現(xiàn)，多種新型鈍感含能材料可有效提高HTPE推進(jìn)劑的比沖。

提高鋁粉燃燒效率是保持推進(jìn)劑低易損性條件下提升能量性能的有效技術(shù)途徑。氟化物、石墨烯等功能材料能改變鋁粉燃燒機(jī)制，從而提高鋁粉燃燒效率。例如，鋁粉/氧化石墨烯(GO)復(fù)合材料中GO反應(yīng)產(chǎn)生氣體降低鋁粉團(tuán)聚并提高燃燒壓力，產(chǎn)生熱量促進(jìn)鋁粉氧化物的生成，如圖3所示。

圖3 氧化石墨烯促進(jìn)鋁粉燃燒過(guò)程示意圖Fig.3 GO promote combustion of aluminum

2) 寬壓強(qiáng)范圍內(nèi)燃燒性能調(diào)節(jié)

目前，為滿足先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求，低易損性推進(jìn)劑的燃速范圍不斷拓展，燃速調(diào)節(jié)成為低易損性推進(jìn)劑燃燒性能研究的難題之一。金屬氧化物類、金屬無(wú)機(jī)鹽類等燃速催化劑和銨鹽類、草酸鹽類、堿類等降速劑的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑燃速調(diào)節(jié)的有效途徑。并且，這些燃燒調(diào)節(jié)劑的納米化技術(shù)可以進(jìn)一步提升它們的作用效能。推進(jìn)劑燃速升高會(huì)導(dǎo)致破片沖擊試驗(yàn)響應(yīng)加劇，推進(jìn)劑高燃速與低易損性之間存在矛盾性，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑高燃速與低易損性協(xié)調(diào)也是目前需要解決的問(wèn)題之一。

3) 推進(jìn)劑寬溫域力學(xué)性能提升

先進(jìn)艦載、機(jī)載等導(dǎo)彈武器的使用環(huán)境復(fù)雜而苛刻，因此要求低易損性推進(jìn)劑在-55～70 ℃寬溫域范圍內(nèi)具有良好的力學(xué)性能。低易損性推進(jìn)劑力學(xué)性能提升的常用方法包括：粘合劑基體的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控、粘合劑基體與固體填料界面的鍵合作用調(diào)節(jié)、固體填料粒度級(jí)配調(diào)節(jié)、推進(jìn)劑制備工藝優(yōu)化等。提高推進(jìn)劑力學(xué)性能可以改善其低易損性，例如提高推進(jìn)劑模量可以提高推進(jìn)劑抵抗機(jī)械沖擊作用的能力，降低推進(jìn)劑在破片沖擊、子彈沖擊等機(jī)械沖擊刺激下的響應(yīng)程度。

3.3 低易損性試驗(yàn)響應(yīng)機(jī)理研究

研究低易損性試驗(yàn)響應(yīng)機(jī)理，掌握推進(jìn)劑配方組分與試驗(yàn)響應(yīng)程度的相關(guān)性規(guī)律，建立低易損性推進(jìn)劑配方的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，從而推進(jìn)低易損性推進(jìn)劑的工程化應(yīng)用步伐。低易損性試驗(yàn)響應(yīng)機(jī)理按照外界刺激源類型不同，可以分為熱刺激和機(jī)械刺激條件下的響應(yīng)機(jī)理。

1) 熱刺激下低易損性試驗(yàn)響應(yīng)機(jī)理

快速烤燃和慢速烤燃試驗(yàn)是考核推進(jìn)劑熱刺激條件下的低易損性試驗(yàn)，其響應(yīng)機(jī)理與推進(jìn)劑關(guān)鍵組分緊密相關(guān)，包括粘合劑種類、增塑劑種類、炸藥種類和含量等。例如，推進(jìn)劑中HMX的含量增加，推進(jìn)劑初始分解溫度升高，當(dāng)HMX含量在0～10%時(shí)，推進(jìn)劑慢速烤燃試驗(yàn)的響應(yīng)結(jié)果為燃燒，當(dāng)HMX含量在15%時(shí)，推進(jìn)劑響應(yīng)結(jié)果為爆燃。

2) 機(jī)械刺激下低易損性試驗(yàn)響應(yīng)機(jī)理

機(jī)械刺激下低易損性試驗(yàn)響應(yīng)程度的關(guān)鍵影響因素是推進(jìn)劑的組分，包括粘合劑種類、炸藥粒度和含量等。例如，推進(jìn)劑加入少量HMX后，破片沖擊試驗(yàn)中推進(jìn)劑燃燒速率提升較為明顯，推進(jìn)劑添加20%的HMX后，聚能射流沖擊試驗(yàn)的響應(yīng)為爆轟，而不含HMX的推進(jìn)劑發(fā)生爆燃響應(yīng)。除推進(jìn)劑組分外，破片試驗(yàn)參數(shù)(形狀、質(zhì)量和速度等)也是破片沖擊試驗(yàn)響應(yīng)的主要影響因素。

推進(jìn)劑小尺寸試驗(yàn)件和縮比發(fā)動(dòng)機(jī)能夠通過(guò)低易損性試驗(yàn)考核，但是全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)不一定也能通過(guò)。低易損性試驗(yàn)響應(yīng)存在尺寸效應(yīng)，推進(jìn)劑響應(yīng)結(jié)果的劇烈程度隨推進(jìn)劑裝藥尺寸增大而升高。研究并掌握低易損性試驗(yàn)響應(yīng)尺寸效應(yīng)的作用機(jī)理，是低易損性推進(jìn)劑研究中急需解決的問(wèn)題之一，揭示推進(jìn)劑試驗(yàn)響應(yīng)尺寸相關(guān)性規(guī)律，為全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)低易損性試驗(yàn)考核提供技術(shù)支持。

4 發(fā)展前景

低易損性推進(jìn)劑的發(fā)展需要加快其工程化應(yīng)用步伐，要實(shí)現(xiàn)高能量、高燃速與低易損性協(xié)調(diào)，寬溫域力學(xué)性能提升，掌握低易損性試驗(yàn)響應(yīng)機(jī)理，開(kāi)展新材料應(yīng)用研究，建立低易損性配方設(shè)計(jì)方法。

1)含能粘合劑、含能增塑劑、鈍感含能材料的發(fā)展，為固體推進(jìn)劑實(shí)現(xiàn)高能量、高安全性提供有效技術(shù)途徑。例如，RDX、HMX的高品質(zhì)化技術(shù)，減少炸藥內(nèi)部缺陷、空洞和裂紋等，大幅降低炸藥機(jī)械感度，從而實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑的高能量和高安全性。針對(duì)外界機(jī)械和沖擊波等刺激作用，設(shè)計(jì)鈍感含能材料的微觀結(jié)構(gòu)，例如，通過(guò)層間滑移、H鍵結(jié)合、層堆積或者π堆積、主客體結(jié)構(gòu)等形式來(lái)降低外界刺激引發(fā)推進(jìn)劑內(nèi)部熱點(diǎn)的幾率，如圖4所示。

圖4 常見(jiàn)鈍感含能材料晶體堆積形式示意圖Fig.4 Crystal packing forms of some common insensitive

2) 采用高效功能助劑是低易損性推進(jìn)劑提升力學(xué)、燃燒等關(guān)鍵性能的可靠手段。合成新型金屬氧化物類、金屬鹽類等高效燃燒調(diào)節(jié)劑是調(diào)控推進(jìn)劑燃速、降低壓強(qiáng)指數(shù)的有效技術(shù)手段。運(yùn)用鍵合劑技術(shù)是改善推進(jìn)劑力學(xué)性能的一種有效措施。包覆劑降低推進(jìn)劑機(jī)械感度，包括聚多巴胺、碳納米管、石墨烯等。

3) 最后，借鑒相關(guān)研究領(lǐng)域的新理論和新技術(shù)。例如，運(yùn)用數(shù)值模擬仿真技術(shù)研究低易損性試驗(yàn)響應(yīng)機(jī)理；采用雙基推進(jìn)劑霍普金森壓桿試驗(yàn)技術(shù)研究機(jī)械沖擊條件下的響應(yīng)機(jī)理；使用3D打印等增材制造技術(shù)制備推進(jìn)劑；借鑒其他新型推進(jìn)技術(shù)。

5 結(jié)論

1) 低易損性推進(jìn)劑關(guān)鍵性能提升是實(shí)現(xiàn)其工程化應(yīng)用的有效途徑，通過(guò)鈍感含能材料應(yīng)用、提高鋁粉燃燒效率、采用高效功能助劑等方法優(yōu)化提升推進(jìn)劑能量、燃燒、力學(xué)等關(guān)鍵性能。

2) 研究并掌握低易損性試驗(yàn)響應(yīng)機(jī)理，揭示推進(jìn)劑粘合劑、增塑劑、炸藥等組分因素對(duì)熱刺激和機(jī)械刺激作用下推進(jìn)劑響應(yīng)的影響規(guī)律，可為低易損性推進(jìn)劑配方設(shè)計(jì)提供理論支持。

3) 低易損性推進(jìn)劑的發(fā)展需要解決推進(jìn)劑高能量、高燃速與低易損性協(xié)調(diào)問(wèn)題，掌握低易損性試驗(yàn)響應(yīng)尺寸效應(yīng)規(guī)律性，開(kāi)展新材料的應(yīng)用研究，建立低易損性推進(jìn)劑的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。