固體推進(jìn)劑對(duì)射流刺激的易損性響應(yīng)

張 超，黨永戰(zhàn)，李宏巖，王國(guó)強(qiáng)，楊立波，袁志鋒

（西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065）

引 言

固體推進(jìn)劑在服役期間可能遭遇不同的外界刺激，因此對(duì)其易損性要求有所不同。針對(duì)易損性響應(yīng)，研究者進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，建立了不同的模擬試驗(yàn)裝置和方法［1－7］，如美國(guó)的MILSTD－2150A、MIL－STD－2150B、MIL－STD－2150C、MIL－STD－2105D以及聯(lián)合國(guó)關(guān)于極不敏感爆轟物質(zhì)（EIDS）標(biāo)準(zhǔn)［1］。美軍標(biāo)［1］規(guī)定使用快速烤燃、慢速烤燃、子彈撞擊、破片撞擊、殉爆試驗(yàn)、空心裝藥射流和熱破片撞擊共7種刺激源試驗(yàn)來(lái)評(píng)判戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下彈藥的易損性。英國(guó)和美國(guó)研究認(rèn)為［8－9］，在眾多危險(xiǎn)性刺激中最嚴(yán)厲的刺激是空心裝藥射流沖擊，并將這種刺激作為一種篩選工具用來(lái)評(píng)價(jià)火炸藥配方的鈍感性能。因此，研究固體推進(jìn)劑在空心裝藥射流刺激下的易損性響應(yīng)，總結(jié)固體推進(jìn)劑對(duì)易損性試驗(yàn)刺激的響應(yīng)規(guī)律，可以為現(xiàn)役推進(jìn)劑戰(zhàn)時(shí)防護(hù)措施的制定提供依據(jù)。

本實(shí)驗(yàn)研究了典型改性雙基推進(jìn)劑、HTPB復(fù)合推進(jìn)劑、NEPE推進(jìn)劑在射流沖擊下的響應(yīng)特性，考察了不同射流撞擊方向（軸向和徑向）、不同長(zhǎng)徑比對(duì)響應(yīng)的影響情況。通過(guò)樣品響應(yīng)后的見(jiàn)證板狀態(tài)、超壓值及破片大小和數(shù)量等數(shù)據(jù)表征推進(jìn)劑對(duì)射流的響應(yīng)特性，為低感度配方及裝藥設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1．1 推進(jìn)劑配方及試件的制備

3種樣品配方及尺寸見(jiàn)表1。3 種典型推進(jìn)劑均為西安近代化學(xué)研究所制造，HTPB復(fù)合推進(jìn)劑和NEPE推進(jìn)劑制備方法均為在捏合機(jī)中捏合后，澆鑄，固化，脫模取出樣品，CMDB推進(jìn)劑經(jīng)吸收－熟化－驅(qū)水－壓延－壓伸工序制成。

表1 3種固體推進(jìn)劑配方及試件規(guī)格Table 1 Formulation and specimen size for three kinds of solid propellants

試驗(yàn)構(gòu)件結(jié)構(gòu)模擬戰(zhàn)術(shù)火箭自由裝填發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。構(gòu)件殼體材質(zhì)選用45號(hào)鋼。

1．2 試驗(yàn)裝置及布局

射流軸向撞擊試驗(yàn)布局如圖1所示（徑向撞擊時(shí)，將射流源及炸藥管移至樣品側(cè)面中心處即可），在樣品一側(cè)1m處放置1塊側(cè)見(jiàn)證板（0．7mm 的鍍鋅鐵皮），底面放置1塊12mm×300mm×500mm的鋼見(jiàn)證板，在距離樣品中心1．8m處布置2支壓力傳感器，用于測(cè)量沖擊波壓力。

空心裝藥射流源為西安近代化學(xué)研究所研制的Φ50mm 標(biāo)準(zhǔn)射流源，主裝藥為聚黑－16，密度為1．73g／cm3，爆速約8 390m／s，能量為360m3／μs2，藥型罩直徑50mm，錐角60°。考慮到爆轟持續(xù)成長(zhǎng)擴(kuò)展問(wèn)題，采取射流從推進(jìn)劑樣品軸向和徑向兩個(gè)方向分別進(jìn)行沖擊。

試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行3發(fā)標(biāo)準(zhǔn)射流穩(wěn)定性試驗(yàn)，穿深分別為171．5、172和171mm。兩個(gè)點(diǎn)的超壓測(cè)試結(jié)果分別為0．131和0．132MPa。

圖1 射流軸向撞擊試驗(yàn)布局Fig．1 Jet axial impact test layout

2 結(jié)果與分析

2．1 3種推進(jìn)劑對(duì)射流沖擊的響應(yīng)特性

CMDB推進(jìn)劑、HTPB復(fù)合推進(jìn)劑及NEPE 推進(jìn)劑在射流撞擊后的響應(yīng)特性如表2所示，見(jiàn)證板試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

表2 3種典型固體推進(jìn)劑射流沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The jet impact test results for three kinds of typical solid propellants

續(xù)表2

圖2 射流撞擊后的見(jiàn)證板Fig．2 Witness plates after jet impact

由表2和圖2可知，CMDB推進(jìn)劑和NEPE 推進(jìn)劑在射流撞擊下底見(jiàn)證板發(fā)生了嚴(yán)重的彎曲變形，并形成剪切孔，現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)殼體碎片，沖擊波超壓測(cè)試表明超壓信號(hào)較基準(zhǔn)信號(hào)有較大幅度的提升，HTPB復(fù)合推進(jìn)劑在射流沖擊下，底見(jiàn)證板發(fā)生了嚴(yán)重彎曲，但未有剪切孔，找到5塊較大的殼體殘片，其中一片是完整剪切的端蓋，超壓測(cè)試值與射流源超壓值相比增加較小。

參照美軍標(biāo)MIL－STD－2105C 危險(xiǎn)性評(píng)估試驗(yàn)判據(jù)［1］，受到射流撞擊后金屬殼體破裂成碎片，見(jiàn)證板明顯凹坑變形，但未穿孔為爆炸反應(yīng)，樣品受到射流撞擊后金屬殼體破碎成小碎片，見(jiàn)證板穿孔變形，可能有殘藥，為部分爆轟反應(yīng)類型，因此，本試驗(yàn)中，CMDB推進(jìn)劑和NEPE推進(jìn)劑均發(fā)生部分爆轟響應(yīng)，HTPB復(fù)合推進(jìn)劑發(fā)生爆炸響應(yīng)。

根據(jù)見(jiàn)證板、沖擊波超壓及試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)綜合分析，推進(jìn)劑對(duì)射流撞擊反應(yīng)的劇烈程度取決于推進(jìn)劑種類，響應(yīng)由弱到強(qiáng)的排序?yàn)镠TPB復(fù)合推進(jìn)劑、CMDB推進(jìn)劑、NEPE 推進(jìn)劑。且CMDB 推進(jìn)劑和NEPE推進(jìn)劑比HTPB復(fù)合推進(jìn)劑對(duì)射流刺激的響應(yīng)要?jiǎng)×业枚?，主要原因是CMDB推進(jìn)劑和NEPE推進(jìn)劑配方中含有對(duì)射流刺激敏感的NG 和RDX 等組分。

2．2 射流撞擊方向?qū)ν七M(jìn)劑響應(yīng)特性的影響

在徑向射流沖擊下，CMDB 推進(jìn)劑底見(jiàn)證板剪切孔直徑在50mm 左右，NEPE 推進(jìn)劑底見(jiàn)證板剪切孔直徑在70mm 左右。在軸向射流撞擊下，CMDB推進(jìn)劑底見(jiàn)證板剪切孔直徑約150mm，見(jiàn)證板中部凹坑約為10cm，NEPE 推進(jìn)劑底見(jiàn)證板剪切孔直徑在160mm 左右，見(jiàn)證板中部凹坑拱高約為12cm，HTPB復(fù)合推進(jìn)劑對(duì)軸向沖擊的程度也高于徑向沖擊。

在軸向刺激下，側(cè)見(jiàn)證板被拋射到距樣品中心2．5m處，且發(fā)生較大變形，推進(jìn)劑對(duì)軸向射流刺激的響應(yīng)大于徑向響應(yīng)，分析原因可能與金屬射流粒子在樣品中穿行距離有關(guān)，軸向撞擊時(shí)金屬射流粒子在樣品中穿行距離長(zhǎng)，金屬射流粒子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能所產(chǎn)生的熱量多，因而引起的破壞效應(yīng)大。

2．3 推進(jìn)劑尺寸效應(yīng)

由表2可知，千克級(jí)藥量在長(zhǎng)徑比為4∶1 和1∶1條件下，3種推進(jìn)劑的易損性響應(yīng)劇烈程度差別不大，只是小長(zhǎng)徑比推進(jìn)劑的側(cè)見(jiàn)證板響應(yīng)發(fā)生了變化，均出現(xiàn)不同程度位移并變形。這是因?yàn)樾￠L(zhǎng)徑比推進(jìn)劑的裝藥量大，發(fā)生響應(yīng)時(shí)對(duì)殼體的破壞效應(yīng)大，殼體金屬碎片使側(cè)見(jiàn)證板發(fā)生了位移與變形。

3 結(jié) 論

（1）在空心裝藥射流刺激下，3種典型推進(jìn)劑均發(fā)生較為強(qiáng)烈的反應(yīng)，CMDB推進(jìn)劑和NEPE 推進(jìn)劑為部分爆轟，HTPB復(fù)合推進(jìn)劑為爆炸。

（2）推進(jìn)劑對(duì)軸向射流刺激的響應(yīng)大于徑向響應(yīng)，可能與金屬射流粒子在樣品中穿行距離有關(guān)，軸向撞擊時(shí)金屬射流粒子在樣品中穿行距離長(zhǎng)，相對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的強(qiáng)烈摩擦引起較大的破壞效應(yīng)。

（3）推進(jìn)劑對(duì)射流撞擊的響應(yīng)類型主要取決于推進(jìn)劑的種類和藥量，在長(zhǎng)徑比為4∶1和1∶1條件下，3 種推進(jìn)劑的易損性響應(yīng)劇烈程度差別不大。

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