固體推進劑安全性評價試驗研究

方學謙，王建靈，楊 建，金朋剛

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固體推進劑安全性評價試驗研究

方學謙，王建靈，楊 建，金朋剛

(西安近代化學研究所，陜西西安，710065)

根據(jù)美軍標MIL-STD-2105C“非核彈藥的危險性評估試驗”建立的7種易損性試驗方法，對典型固體推進劑進行了易損性試驗，得到了典型固體推進劑在不同刺激下響應特性。結(jié)果表明推進劑對于刺激源具有選擇性，相同配方推進劑在不同刺激源下響應特性不同。

固體推進劑；易損性；危險性；感度

為實現(xiàn)高能量、高燃速要求，固體推進劑中高能、高敏感組分的含量越來越高，但是，一些推進劑在提高性能的同時，對于在生產(chǎn)、運輸、貯存和使用過程中可能遇到的危險刺激表現(xiàn)出了相當高的易損性，并伴隨產(chǎn)生不被接受的劇烈反應，造成了嚴重的后果。在嚴酷的實戰(zhàn)環(huán)境中，由于推進劑的易損性問題，造成已方武器系統(tǒng)的破壞和人員的傷亡，往往在總損失中占據(jù)相當大的比重，在勤務處理中發(fā)生的重大意外事故，也給了人們慘痛的教訓。所以，針對推進劑在受到熱、沖擊波、高速撞擊、破片和聚能射流的侵徹等等外界刺激的情況，開展引發(fā)燃燒、爆炸等事故的可能性和嚴重程度的研究已經(jīng)非常重要[1-4]。

本論文在建立的7種易損性試驗方法[5-6]基礎上，對典型推進劑進行易損性評價，并對其響應特性進行了描述。此外，對典型推進劑在沖擊波、靜電和撞擊3種常見刺激作用下的安全特性進行了研究，為固體推進劑在不同實驗條件下危險性級別的劃分提供試驗證據(jù)。通過本文的研究，以期為固體推進劑的制造、運輸、貯存和使用中的安全性提供借鑒。

1 試驗

1.1 試驗樣品

本文選取幾種常用的典型固體推進劑進行安全性試驗研究，分別為澆鑄CMDB推進劑和NEPE推進劑，其中澆鑄CMDB推進劑分別選擇有鋁粉和無鋁粉兩種，均由西安近代化學研究所制備。樣品代號及特性見表1。

表1 樣品特性

Tab.1 Characters of samples

1.2 易損性試驗

火炸藥易損特性指火炸藥在運輸、貯存、勤務處理、訓練以及戰(zhàn)場使用時，對外界環(huán)境刺激如烤燃、沖擊波、高速撞擊、破片和聚能射流的侵徹等所具有的承受能力。國內(nèi)外對于評價火炸藥易損性的方法種類較多，國內(nèi)主要依據(jù)美軍標MIL-STD-2105C 非核彈危險性評估試驗建立了快速烤燃試驗、慢速烤燃試驗、子彈撞擊試驗、破片撞擊試驗、殉爆試驗、射流撞擊試驗和熱破片撞擊試驗7項試驗方法，并形成了標準。該標準規(guī)定了每項試驗的試驗步驟和合格判據(jù)，并將反應程度分為6種類型，從強到弱依次為：Ⅰ類，最猛烈的爆轟反應；Ⅱ類，部分爆轟反應；Ⅲ類，爆炸反應；Ⅳ類，爆燃反應；Ⅴ類，燃燒反應；VI類，未反應（包括不能持續(xù)燃燒的反應）。本文按照已建立的試驗方法，分別對幾種常用的固體推進劑進行了這7種試驗研究。

2 試驗結(jié)果

2.1 快速烤燃試驗

快速烤燃試驗用于考察推進劑完全被火焰包圍后，在快速加熱刺激下的響應結(jié)果。根據(jù)MIL-STD -2105C的要求，在試驗過程中，樣彈應完全被火焰包圍，烤燃試驗溫度應大于800℃，從點火到550℃所需的時間不大于30s。本文設計的快速烤燃試驗燃料槽主要由800mm×800mm×680mm的低槽體和800mm×800mm×280mm的擋風體組成，擋風體位于低槽體的上部，使用全液體燃料。試驗彈體外徑58mm，長度222mm，壁厚3mm。試驗結(jié)果見表2，試驗裝置見圖1。

2.2 慢速烤燃試驗

慢速烤燃試驗用于考察推進劑在慢速加熱刺激下的反應程度，試驗時將推進劑樣品裝入用金屬材料制成的烤燃彈中，兩端用金屬端蓋密封，在烤燃彈外安裝加熱套，將烤燃彈以恒定升溫速率加熱，升溫速率為（1.0±0.2）℃/min。一直到被測試樣發(fā)生響應或溫度達到400℃為止，以響應溫度和烤燃彈殼體的變形狀況評估其慢速烤燃響應特性。模擬烤燃彈體尺寸為外徑60mm，長240mm，壁厚3mm。試驗結(jié)果見表3，試驗裝置見圖2，從試驗結(jié)果可以看出，除VLN-N外，其余3種推進劑均發(fā)生了比燃燒更劇烈的反應。

表2 快速烤燃試驗結(jié)果

Tab.2 Result of fast cook-off test

圖1 快速烤燃試驗裝置

表3 慢速烤燃試驗結(jié)果

Tab.3 Results of slow cook-off test

圖2 慢速烤燃試驗裝置

2.3 12.7mm子彈撞擊試驗

12.7mm子彈撞擊試驗用于考察推進劑在受到子彈撞擊作用后的反應程度。推進劑試樣受到子彈的高速撞擊及摩擦等作用而發(fā)生反應，通過分析試驗現(xiàn)象、回收樣品殘骸、見證板狀態(tài)及沖擊波超壓，判斷試樣響應的等級，從而評價試樣受到戰(zhàn)場子彈或拋射體攻擊后的安全性。使用12.7mm口徑穿甲燃燒彈以（850±20）m/s的速度射擊帶殼體的火炸藥試樣。試驗藥量為500g，試樣殼體尺寸為：外徑58mm，長度222mm，壁厚3mm。試驗過程中，子彈撞擊樣品不同的位置對結(jié)果將產(chǎn)生顯著影響，為了對推進劑進行詳細研究，分別將樣品按照與地面呈軸向和徑向兩種放置方式進行試驗，試驗結(jié)果見表4，試驗裝置見圖3。

表4 子彈撞擊試驗結(jié)果

Tab.4 Results of bullet impact test

圖3 子彈撞擊試驗裝置

2.4 沖擊波殉爆試驗

裝藥在外界作用下發(fā)生意外爆轟時，一定距離內(nèi)的裝藥會在主發(fā)裝藥爆轟產(chǎn)物、沖擊波和破片的作用下發(fā)生反應，該試驗用于評價裝藥在受到相同炸藥裝藥爆轟下不同距離處的響應劇烈程度。殉爆試驗裝置組成包括以下幾個部分：雷管、主發(fā)藥柱3發(fā)、被發(fā)藥柱2發(fā)。試樣殼體尺寸Φ58mm×222mm×3mm；兩個試樣之間距離為（70±2）mm。試驗結(jié)果見表5，試驗裝置見圖4。

表5 殉爆試驗結(jié)果

Tab.5 Results of sympathetic detonation test

圖4 殉爆試驗裝置

2.5 射流撞擊試驗

射流撞擊試驗用于考察推進劑在受到射流撞擊時的反應程度?；鹫ㄋ幯b藥在受到射流撞擊時，由于射流為高溫、高速的金屬粒子流，火炸藥會受到?jīng)_擊、點火等作用而發(fā)生響應。通過見證板、超壓等手段可以對火炸藥的響應程度進行表征，從而判斷火炸藥在射流撞擊作用下的安全性。試樣殼體尺寸為外徑為104mm，長度為154mm，壁厚為4mm。標準射流源技術(shù)參數(shù)為：直徑為50mm，采用J0-8炸藥壓制；46°錐角紫銅藥型罩；后端傳爆藥柱為JH-14炸藥壓制，并帶起爆雷管孔，炸高為90mm；隔板材料為45#鋼，尺寸為50mm×85mm。X光計算得到射流平均頭部速度為7.9 ~8.1mm/μs，射流頭部直徑小于5mm。試驗結(jié)果見表6，試驗裝置見圖5。

表6 射流撞擊試驗結(jié)果

Tab.6 Results of shaped charge jet impact test

圖5 射流撞擊試驗裝置

2.6 12.7mm破片撞擊試驗

12.7mm破片撞擊試驗用于考察推進劑在高速破片撞擊作用下的反應程度。在破片的高速撞擊及摩擦等因素作用下，機械能迅速轉(zhuǎn)化為熱能，火炸藥受熱可能發(fā)生分解甚至點火、燃燒或爆炸反應。通過觀察試驗現(xiàn)象、回收樣品殘骸、觀察見證板狀態(tài)和測量沖擊波超壓，經(jīng)綜合分析，判斷響應的等級，評價試樣的安全性。使用直徑為12.7mm圓錐軟鋼體以（1 830 ± 60）m/s的速度撞擊帶殼體的推進劑試樣。試驗中破片為直徑12.7mm，長度為15.8mm的圓錐形軟鋼，破片材料為布氏硬度(HB)小于270的軟碳鋼，錐度20°，破片質(zhì)量：16g，破片速度：（1 830±60）m/s。試樣殼體尺寸直徑58mm，長度222mm，壁厚3mm。所得試驗結(jié)果見表7，試驗裝置見圖6。

表7 破片撞擊試驗結(jié)果

Tab.7 Results of fragment impact test

圖6 破片撞擊試驗裝置

2.7 熱碎片撞擊試驗

在射流撞擊鋼板時，鋼板和射流相互作用，會形成不同規(guī)格的熱碎片，火炸藥受到其作用可能發(fā)生分解甚至點火、燃燒或爆炸反應，通過見證板、超壓等手段可以對試樣在熱碎片撞擊條件下的響應程度進行表征，從而判斷炸藥在熱碎片撞擊條件下的安全性。試樣殼體尺寸直徑58mm，長度222mm，壁厚3mm。試驗結(jié)果見表8，試驗裝置見圖7。

表8 熱碎片撞擊試驗結(jié)果

Tab.8 Results of spall impact test

圖7 熱碎片撞擊試驗裝置

3 結(jié)論

（1）同一種固體推進劑在不同刺激源下響應類型不同，這是因為固體推進劑在受到不同刺激源刺激時，固體推進劑內(nèi)部點火反應機理不同。這7項易損性刺激從點火機理可分為熱點火、沖擊點火和兩種混合作用，對于熱點火中的快速烤燃和慢速烤燃，慢速烤燃易發(fā)生比燃燒更劇烈的反應。其他的5項易損性實驗中，聚能射流撞擊和殉爆，固體推進劑既受到?jīng)_擊又受到熱刺激，結(jié)果的響應均易發(fā)生爆炸，因此，對于這兩項易損性刺激不發(fā)生比爆炸更危險的反應為通過。

（2）對于固體推進劑的配方研究，不僅考慮混合固體推進劑配方中各原材料對熱刺激和沖擊刺激的敏感性，而且要考慮在使用過程中的約束強度，約束強度越強，受到意外刺激時反應越激烈，在使用條件允許的情況下，約束殼體應盡量設有泄壓部件。

[1] 李廣武.硝酸酯增塑高能推進劑爆炸性能研究[J].固體火箭技術(shù),2000,12(3):44-48.

[2] 劉學.低危險性固體推進劑概念及研究進展[J].固體火箭技術(shù),2002,25(1):33-37.

[3] 王曉峰,王親會,王寧飛.開展高能固體推進劑危險性分級研究的建議[J].火炸藥學報,2003,26(1):56-61.

[4] 居慧寶.固體推進劑危險性分級方法的探討[J].安全與環(huán)境學報,2004(增刊):106-109.

[5] MIL-STD-2105C Hazard assessment tests for non-nuclear munition [S].2003.

[6] Recommendation on the transport of dangerous goods: manual of tests and criteria[S].New York and Geneva：United Nations，2003.

The Experimental Study of Hazard Assessment on Solid Propellant

FANG Xue-qian，WANG Jan-ling，YANG Jian，JIN Peng-gang

（Xi’an Modern Chemistry Research Institute，Xi’an，710065）

The vulnerability of typical solid propellants was studied through seven types of hazard assessment tests, which were established according to MIL-STD-2105C. The response characteristics by different stimulate were obtained. The results show that the solid propellants have the selective under different stimulate, the same formula have the different response characteristics by different stimulate.

Solid propellant；Vulnerability；Hazard；Sensitivity

1003-1480（2017）03-0049-04

TQ560.72

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.03.013

2017-03-05

方學謙（1986 -），男，助理工程師，主要從事炸藥安全性研究。

總裝備部預研基金項目（9140C350504150C35161）。