HMX對固體推進劑在強烈沖擊條件下反應(yīng)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(yīng)用研究所，湖州 313002；4.兵器工業(yè)安全技術(shù)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(jīng)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(yù)測的熱、機械、電磁等刺激時，不易產(chǎn)生劇烈的反應(yīng)，響應(yīng)等級以及隨之產(chǎn)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(nèi)彈藥低易損性研究起步較晚，近年來國內(nèi)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(guān)于極不敏感爆轟物質(zhì)(EIDS)等相關(guān)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(jù)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(yīng)特性的影響，可為低易損性推進劑配方設(shè)計和研究提供參考。

1 試驗

1.1 試驗樣品

試驗樣品：PBT復(fù)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(nèi)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(zhì)均為GB/T 699規(guī)定的45優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。樣品結(jié)構(gòu)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(zhì)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(cè)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(yīng)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(yīng)過程，觀察樣品響應(yīng)后的持續(xù)反應(yīng)情況。

(a)樣品結(jié)構(gòu)

(b)實物圖

2 結(jié)果與分析

2.1 破片撞擊試驗結(jié)果

固體推進劑A和B在破片撞擊后的響應(yīng)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(chǎn)生比燃燒更為劇烈的響應(yīng)。因此，可認為樣品A和B在破片撞擊試驗中響應(yīng)類型皆為燃燒，根據(jù)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(nèi)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(yīng)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(jié)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(yīng)程度大于徑向試驗。根據(jù)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(nèi)部穿行距離較長，與樣品內(nèi)部接觸面積較大，動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)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(zhì)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?jīng)_擊后，HMX會快速發(fā)生反應(yīng)，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(yīng)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(jié)果

樣品A、B在子彈撞擊后的響應(yīng)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(jié)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(yīng)。其中，在A軸向試驗時，樣品內(nèi)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(yīng)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(yīng)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(jié)果

由圖8、圖9可知，樣品A在聚能射流撞擊試驗中產(chǎn)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(yīng)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(nèi)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(yīng)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(yīng)類型有較大不同的原因是樣品A中含有少量HMX。HMX是單質(zhì)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(yīng)，從而在配方內(nèi)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(jié)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(yīng)類型均為燃燒；樣品中加入少量HMX未影響其響應(yīng)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(nèi)部貫穿比較深入，與樣品內(nèi)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(chǎn)生顯著影響。