約束強(qiáng)度對(duì)典型推進(jìn)劑沖擊波感度的影響研究

王建靈，金朋剛，郭 煒，楊 建，李鴻賓

(西安近代化學(xué)研究所，西安 710065)

對(duì)于推進(jìn)劑沖擊起爆的安全評(píng)價(jià)，國內(nèi)研究者進(jìn)行了大量的仿真模擬研究［2-5］，但是關(guān)于不同尺寸或不同約束條件下推進(jìn)劑沖擊起爆特性的實(shí)驗(yàn)研究，目前相關(guān)研究成果報(bào)道的較少，而固體推進(jìn)劑的危險(xiǎn)性，人們傳統(tǒng)的認(rèn)識(shí)是易發(fā)生燃燒而不能發(fā)生整體爆轟，但對(duì)于高能固體推進(jìn)劑而言，推進(jìn)劑中含有大量的高能炸藥，高能炸藥本身具有較高的沖擊波感度［6］，因此，如何保證高能炸藥在制造、運(yùn)輸、裝卸等各環(huán)節(jié)中的沖擊安全性，是人們非常關(guān)注的問題，本文主要是通過研究推進(jìn)劑試樣在不同約束條件下沖擊波感度的變化來分析典型推進(jìn)劑沖擊起爆的增長(zhǎng)特性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣選取

選取2 種典型推進(jìn)劑，一種為雙基推進(jìn)劑，另一種名稱為FG-20 推進(jìn)劑，配方組成見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品配方組分%

1.2 實(shí)驗(yàn)器材

PVC 樣品管:外徑(40 ±1)mm，厚(2.0 ±0.1)mm，長(zhǎng)(140 ±5)mm 的PVC 塑料管。

A3 鋼樣品管:外徑(48 ±1)mm，厚(6.0 ±0.1)mm，長(zhǎng)(140 ±5)mm 的冷軋無縫鋼管。樣品:Φ36 mm ×140 mm。主發(fā)藥柱:采用壓裝TNT/PETN(50/50)，直徑(50.0 ±0.1)mm，長(zhǎng)(50.0 ±0.1)mm，密度(1.630 ±0.005 g·cm-3)。驗(yàn)證板:Φ70 mm×35 mm 的45#鋼板。隔板:直徑50 mm，厚度為100、50、20、10、5、2 和1 mm 的有機(jī)玻璃板。雷管:8#工業(yè)瞬發(fā)電雷管。

實(shí)驗(yàn)裝置:沖擊波感度實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見圖1。

圖1 沖擊波感度實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 結(jié)果分析

兩種推進(jìn)劑的沖擊波感度測(cè)試采用標(biāo)準(zhǔn)隔板試驗(yàn)方法。樣品管分為無約束、PVC 塑料管和A3 鋼管3 種狀態(tài)。樣品反應(yīng)結(jié)果是根據(jù)鋼管的破裂形式和驗(yàn)證板凹坑深度評(píng)估的，兩種推進(jìn)劑沖擊波感度測(cè)試結(jié)果見表2 和表3。由表2 可見，雙基推進(jìn)劑在3 種約束狀態(tài)下50%爆轟臨界隔板值不變，即雙基推進(jìn)劑沖擊波感度在有無約束時(shí)沒有明顯變化，這是因?yàn)殡p基推進(jìn)劑配方體系中含有對(duì)沖擊波較為敏感的含能材料RDX 和NG，當(dāng)雙基推進(jìn)劑受到?jīng)_擊壓縮時(shí)，均勻分布于推進(jìn)劑體系中細(xì)小顆粒RDX 和NG 首先產(chǎn)生熱分解，由于反應(yīng)的放熱性使RDX 和NG 周圍的物質(zhì)溫度升高。當(dāng)溫度超過該物質(zhì)爆發(fā)點(diǎn)時(shí)，局部發(fā)生爆燃，最后發(fā)展到整體爆轟。由于反應(yīng)非常迅速，產(chǎn)物擴(kuò)散對(duì)反應(yīng)區(qū)的影響較小，或者不影響［7-8］，因此雙基推進(jìn)劑殼體的約束程度不影響沖擊波感度。

由表3 可見，約束強(qiáng)度明顯影響FG -20 推進(jìn)劑的沖擊波感度。這是因?yàn)镕G-20 推進(jìn)劑體系中，AP 含量為73%，Al 含量為12.3%，其它為14%，當(dāng)FG -20 推進(jìn)劑受到?jīng)_擊壓縮時(shí)，使AP 區(qū)域內(nèi)的試樣溫度升高形成熱點(diǎn)，在熱點(diǎn)處發(fā)生熱分解，當(dāng)熱點(diǎn)處的溫度達(dá)到足夠高時(shí)，就會(huì)發(fā)生整體爆炸。受到?jīng)_擊波作用的推進(jìn)劑有燃燒轉(zhuǎn)向爆轟的轉(zhuǎn)變依賴于推進(jìn)劑試樣的化學(xué)反應(yīng)釋放的能量的增加速率與稀疏波引起的能量的損失之間的競(jìng)爭(zhēng)［9］。若化學(xué)反應(yīng)的能量釋放速率大于能量損失速率，只要藥柱直徑足夠大(或約束強(qiáng)度足夠強(qiáng))、長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)總是能成長(zhǎng)為爆轟。在隔板沖擊起爆條件下，控制起爆過程的因素主要有兩個(gè)，即入射沖擊波壓力和壓力脈沖持續(xù)時(shí)間。由于FG -20 推進(jìn)劑藥柱長(zhǎng)度為140 mm，這就保證了足夠的軸向壓力持續(xù)時(shí)間，所以影響起爆過程的因素實(shí)際上主要是入射沖擊波壓力和側(cè)向能量損失造成的側(cè)向持續(xù)時(shí)間這2 個(gè)因素，當(dāng)約束強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，藥柱軸心處的壓力受側(cè)向稀疏波的影響也隨之減小。因此，隨著約束強(qiáng)度的增加，F(xiàn)G -20 推進(jìn)劑就越容易被起爆。而當(dāng)約束強(qiáng)度減弱時(shí)，軸心處的壓力值受到側(cè)向、背后稀疏波作用隨之加大，也就是說軸心處的能量損失隨之加大，當(dāng)能量損失速率超過了推進(jìn)劑化學(xué)反應(yīng)的能量釋放速率，于是推進(jìn)劑最終無法傳遞爆轟［10］。

表2 雙基推進(jìn)劑不同約束條件下沖擊波感度試驗(yàn)結(jié)果

表3 FG-20 推進(jìn)劑不同約束條件下沖擊波感度試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

當(dāng)雙基推進(jìn)劑試樣約束強(qiáng)度變化時(shí)，雙基推進(jìn)劑沖擊波感度不隨約束強(qiáng)度的變化而變化;FG -20 推進(jìn)劑隨約束強(qiáng)度的增加沖擊波感度增大，在無約束殼體即裸露藥柱時(shí)，爆轟反應(yīng)程度較有強(qiáng)約束時(shí)弱。

［1］GB/T21570—2008，危險(xiǎn)品隔板試驗(yàn)方法［S］.

［2］賈祥瑞，李冬香，孫錦山，等.高能固體推進(jìn)劑燃燒轉(zhuǎn)爆轟數(shù)值模擬［J］.兵工學(xué)報(bào)，1997，18(1):46-51.

［3］章少方.復(fù)合裝藥爆轟能量輸出及沖擊波感度的數(shù)值模擬研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2010.

［4］吳曼林.沖擊波感度實(shí)驗(yàn)(SSGT)的數(shù)值模擬［D］.太原:華北工學(xué)院，2004.

［5］趙倩.含鋁炸藥大隔板試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究［D］.太原:中北大學(xué)，2012.

［6］孫業(yè)斌，惠君明，曹欣茂.軍用混合炸藥［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，1995.

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［9］鄭孟菊，俞統(tǒng)昌，張銀亮.炸藥的性能及測(cè)試技術(shù)［M］.北京:兵器工業(yè)出版社，1990.

［10］陳朗，柯加山，方青，等.低沖擊下固體炸藥起爆(XDT)現(xiàn)象［J］.爆炸與沖擊，2003，23(3):215-218.

［11］程波，李文彬，鄭宇，等. ANPyO 和8701 的沖擊波感度對(duì)比研究［J］.兵工自動(dòng)化，2014(2):15-17.