改性雙基推進(jìn)劑沖擊波感度研究

張　超，秦　能，李宏巖， 馬　亮，袁志鋒，楊立波，陳俊波

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

改性雙基推進(jìn)劑沖擊波感度研究

張超，秦能，李宏巖， 馬亮，袁志鋒，楊立波，陳俊波

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

采用隔板試驗(yàn)法研究了改性雙基推進(jìn)劑配方組成、所含高能炸藥RDX粒度、粒度級配等因素對其沖擊波感度的影響。研究結(jié)果表明，含有NG和RDX等組分的改性雙基推進(jìn)劑具有較高的沖擊波感度，當(dāng)配方中的敏感組分NG和RDX被不敏感的增塑劑TMETN和感度較低的高能量密度材料FOX-7全部取代時，隔板值由41.4mm降至16.5mm，降幅達(dá)60%；同時，粗細(xì)粒度高能炸藥按一定比例級配使用有利于降低推進(jìn)劑沖擊波感度，粗細(xì)顆粒質(zhì)量比為3：1時，降感效果最佳，隔板厚度降低5.3%。

改性雙基推進(jìn)劑；沖擊波感度；RDX；粒度級配

為了提高現(xiàn)代武器系統(tǒng)遠(yuǎn)程打擊能力，在為武器系統(tǒng)提供化學(xué)動力能源的固體推進(jìn)劑中加入了大量的硝胺高能炸藥（RDX或HMX）。由于硝胺高能炸藥對外界刺激敏感，如何保證該類推進(jìn)劑的安全性是人們非常關(guān)注的問題［1-2］。固體推進(jìn)劑的危險性主要表現(xiàn)在其爆轟危險性［3］，推進(jìn)劑發(fā)生爆轟反應(yīng)與其沖擊波感度有密切的關(guān)系［4］。美國長期以來一直使用隔板試驗(yàn)（NOLLSGT）測試推進(jìn)劑沖擊波感度，并以70片厚度為0.254mm（0.01in）的隔板作為區(qū)分1.1級（有整體爆轟危險）推進(jìn)劑和1.3級（僅產(chǎn)生劇烈燃燒）推進(jìn)劑的一項(xiàng)重要試驗(yàn)［5］。所以，沖擊波感度是評價推進(jìn)劑爆轟特性的主要參量，是評價推進(jìn)劑危險等級及易損性的重要指標(biāo)。近年來國內(nèi)外研究者在炸藥及發(fā)射藥沖擊波感度方面開展了大量實(shí)驗(yàn)研究工作。Kramer［6］用隔板試驗(yàn)給出了TATB基鈍感炸藥50%爆炸概率的隔板厚度。王浩［7］與花成［8］等人在炸藥的沖擊波感度機(jī)理方面進(jìn)行了相關(guān)研究；李濤［9］利用隔板試驗(yàn)考察了以HMX為基的高能炸藥不發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)的邊界隔板厚度。劉玉存、楊斌林等人［10-11］在研究炸藥沖擊波試驗(yàn)中認(rèn)為硝胺炸藥粒度及級配對其爆轟性能有明顯影響。陳曉明等人［12］在研究發(fā)射藥沖擊波感度時發(fā)現(xiàn)配方中的NG和RDX是導(dǎo)致裝藥爆轟性能高的主要因素，而對含硝胺炸藥的改性雙基推進(jìn)劑沖擊波感度規(guī)律研究的國內(nèi)外報道很少。為了掌握改性雙基推進(jìn)劑沖擊波感度響應(yīng)規(guī)律，提高改性雙基推進(jìn)劑的使用安全性，同時為低感度改性雙基推進(jìn)劑配方設(shè)計(jì)提供參考，本研究借鑒炸藥、發(fā)射藥沖擊波感度研究成果，試驗(yàn)研究了改性雙基推進(jìn)劑配方組成、所含硝胺炸藥粒度、級配等因素對其沖擊波感度的影響。

1　試驗(yàn)部分

1.1推進(jìn)劑配方設(shè)計(jì)及主要原材料

本研究所用配方設(shè)計(jì)思路為：選擇低感度的三羥甲基乙烷三硝酸酯（TMETN）和1，1-二氨基-2，2-二硝基乙烯（FOX-7），逐漸取代改性雙基推進(jìn)劑配方中的硝化甘油（NG）和RDX。TMETN和FOX-7均為西安近代化學(xué)研究所合成，化學(xué)純，硝化棉（NC，氮含量12.0%）為瀘州北方硝化棉公司生產(chǎn)，RDX選用蘭州白銀銀光化學(xué)材料廠生產(chǎn)的B級d50=300μm（粗）和H級d50= 45μm （細(xì)）。粗/細(xì)級配分別取1/0、3/1、1/1、1/3、0/1。

按上述思路設(shè)計(jì)的推進(jìn)劑配方如表1所示， 輔助增塑劑為鄰苯二甲酸二乙酯（DEP）和二乙醇硝胺二硝酸酯（吉納，DINA），配方中的其它組分包括彈道穩(wěn)定劑、催化劑和中定劑等均為工業(yè)品，且這3種原料在各試樣中的含量相同。

1.2試樣制備

配方中的原材料經(jīng)過吸收-熟化-驅(qū)水-壓延-壓伸工序制成為外徑φ 36.0mm、長度35.0 mm的藥柱。

1.3試驗(yàn)器材與方法

本研究沖擊波感度測試參考文獻(xiàn)［12］中的隔板試驗(yàn)法。用雷管引爆施主藥柱，施主藥柱爆炸產(chǎn)生的沖擊波經(jīng)隔板衰減后作用于被測推進(jìn)劑，測定推進(jìn)劑藥柱被引爆時的隔板值，用該隔板厚度值表征試樣的相對沖擊波感度。隔板值越大，經(jīng)其衰減后入射到被測試樣的相對沖擊波壓力越小，試樣沖擊波感度越高；反之，沖擊波感度越低。實(shí)驗(yàn)中還參考文獻(xiàn)［5］，對表1中IC-1、IC-8和 IC-10進(jìn)行了18mm隔板試驗(yàn)，以初步判斷其危險等級。

隔板試驗(yàn)裝置示意圖見圖1，施主藥柱、隔板、試樣管同軸。試樣管采用精拔管45-φ 48mm×φ 36 mm，長度140.0mm；施主藥柱為澆鑄彭特里特炸藥（TNT∶PETN=1∶1），規(guī)格：φ 50mm×50mm，密度為1.58g/cm3；采用8號工業(yè)電雷管起爆，隔板采用聚甲基丙烯酸（有機(jī)玻璃），規(guī)格為φ 50.0mm×0.19 mm，驗(yàn)證板為150.0 mm×150.0mm×10.0mm的45號鋼板。隔板選取按升降法（GJB/Z 377A-94 感度試驗(yàn)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法）進(jìn)行。

圖1　試驗(yàn)裝置Fig.1　Gap test set up

如果在一次試驗(yàn)中驗(yàn)證板出現(xiàn)與試樣管尺寸相當(dāng)?shù)膱A孔，結(jié)果判為“不通過”，否則判為“通過”。驗(yàn)證板上有凸起、裂痕或折彎并不表明結(jié)果可判為“不通過”。

2　結(jié)果與討論

2.1試驗(yàn)結(jié)果

推進(jìn)劑沖擊波感度試驗(yàn)結(jié)果見表1。IC-1、IC-8和IC-10試樣 18mm隔板試驗(yàn)結(jié)果見圖2。由圖2可見，IC-1和IC-8的驗(yàn)證板上均出現(xiàn)了直徑大于48mm的透孔，IC-1驗(yàn)證板的裂痕與變形程度大于IC-8的驗(yàn)證板，在周圍均沒有發(fā)現(xiàn)未發(fā)生反應(yīng)的余藥，判定響應(yīng)類型為爆轟，IC-1響應(yīng)后對驗(yàn)證板的破壞程度更大一些；而IC-10驗(yàn)證板平整，且在周圍找到幾塊較大殘藥，判斷IC-10未發(fā)生爆轟反應(yīng)。按文獻(xiàn)［5］判據(jù)，含RDX及NG的IC-1和IC-8改性雙基推進(jìn)劑危險等級應(yīng)該為1.1級，NC/TMETN/ FOX-7基IC-10推進(jìn)劑危險等級為1.3級。

圖2　18mm隔板試驗(yàn)驗(yàn)證板Fig.2　The witness plates of 18mm gap test

表1　推進(jìn)劑的配方及隔板試驗(yàn)結(jié)果Tab.1　Propellant composition and the result of gap test

2.2推進(jìn)劑組成對沖擊波感度的影響

根據(jù)表1的試驗(yàn)結(jié)果，可見推進(jìn)劑配方組成是影響其沖擊波感度的主要因素，用低感度的TMETN和FOX-7逐步替代配方中的NG和RDX，推進(jìn)劑的沖擊波感度降低非常明顯，當(dāng)配方中的敏感組分NG和RDX被TMETN和FOX-7全部取代時，隔板值由41.4mm降至16.5mm，降幅達(dá)60%。用3%的含能輔助增塑劑吉納代替惰性增塑劑DEP后，推進(jìn)劑的沖擊波感度有所增加，可見推進(jìn)劑配方中含能組分比例越高，含能組分本身越敏感，推進(jìn)劑的沖擊波感度也越高。

研究［13］認(rèn)為：CHNO炸藥對外界刺激的響應(yīng)與其自身的氧平衡有關(guān)，氧平衡越大越敏感，NG的氧平衡為0.44，TMETN的氧平衡為-2.7， NG的氧平衡明顯大于TMETN的氧平衡。根據(jù)爆炸物起爆理論，爆炸物的起爆難易程度與其吸收外能轉(zhuǎn)化為熱量的能力有關(guān)，當(dāng)T=298.15K時，RDX的標(biāo)準(zhǔn)摩爾比熱容為251.17J·mol-1·K-1［14］，F(xiàn)OX-7 的標(biāo)準(zhǔn)摩爾比熱容為176.02J·mol-1·K-1［15］，RDX的比熱容大于FOX- 7，RDX轉(zhuǎn)化熱能的能力更強(qiáng)，因此，含RDX及NG等敏感組分的改性雙基推進(jìn)劑沖擊波感度較高。本研究中的18mm隔板試驗(yàn)結(jié)果也說明這點(diǎn)，IC-1和IC-8中RDX含量不同，這并沒影響其響應(yīng)類型，皆發(fā)生了爆轟反應(yīng)，RDX含量高的破壞效應(yīng)程度更大。因此，在高能改性雙基推進(jìn)劑配方設(shè)計(jì)時，不能片面追求高能量單項(xiàng)指標(biāo)，應(yīng)在滿足使用情況下，盡量選取低感度的增塑劑和低感度的高能量密度材料，這是降低該類推進(jìn)劑沖擊波感度的最有效途徑。

2.3RDX粒度對沖擊波感度的影響

比較表1中IC-1和 IC-5試驗(yàn)結(jié)果可知，RDX粒度對沖擊波感度有明顯影響。含等量細(xì)粒度RDX推進(jìn)劑沖擊波感度較粗粒度低。

試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)［10］研究結(jié)論一致，隨著試樣中所含硝胺炸藥粒徑減小，試樣的沖擊波感度呈現(xiàn)下降趨勢。這可以用熱點(diǎn)起爆機(jī)理來解釋［16］，推進(jìn)劑中由于大量固體顆粒的存在而存在一定的孔隙，在受到?jīng)_擊加載時，由于受到?jīng)_擊波的多次反射與猛烈撞擊造成孔隙塌陷產(chǎn)生射流形成局部熱點(diǎn)，這些熱點(diǎn)以高速燃燒波的形式向周圍傳播；隨著熱點(diǎn)的迅速增多，高速燃燒波強(qiáng)度不斷提高，最后發(fā)展成爆轟波。樣品中所含固體顆粒越大，樣品中孔隙越大，形成的熱點(diǎn)強(qiáng)度越高，越容易被起爆。

細(xì)顆粒硝胺炸藥可以降低改性雙基推進(jìn)劑的沖擊波感度，但文獻(xiàn)［17］研究認(rèn)為隨著硝胺類炸藥（RDX，HMX，PETN ）粒度越小，炸藥的比表面積顯著增大，從而在熱分解過程中反應(yīng)速率常數(shù)增加、表觀活化能降低，使粒度小的炸藥樣品在較低溫度下便具有較高的熱分解反應(yīng)速率，烤燃敏感性增加。為了使改性雙基推進(jìn)劑具有良好的綜合感度，最好采取級配的方式降低其沖擊波感度。

2.4RDX粒度級配對沖擊波感度的影響

從表1中可以看出，細(xì)顆粒與粗顆粒按一定的比例級配可以降低推進(jìn)劑的沖擊波感度，當(dāng)粗細(xì)顆粒比為3：1時效果最好，隨著細(xì)顆粒比例的進(jìn)一步的增加，感度又有所增加，當(dāng)粗顆粒被完全取代后，達(dá)到最大值，但總體感度還是低于粗顆粒。因此，采取級配的方式可以降低推進(jìn)劑沖擊波感度。

粗細(xì)顆粒級配后，由于細(xì)顆粒對大顆粒形成的孔隙有填充作用，使得推進(jìn)劑中的固體顆粒堆積更加密實(shí)，沖擊波刺激時，推進(jìn)劑中的熱點(diǎn)數(shù)目相應(yīng)減少，沖擊波感度下降。當(dāng)細(xì)顆粒炸藥添加到一定量時，推進(jìn)劑沖擊波感度又有所上升，分析原因認(rèn)為可能是在本研究的配方體系中，當(dāng)粗細(xì)顆粒比為3：1時，該配方體系中的所有固體顆粒（包括催化劑、彈道穩(wěn)定劑）在成型擠壓過程中互相填充交錯，堆積狀態(tài)達(dá)到最佳，推進(jìn)劑中的孔隙大小及數(shù)量達(dá)到最小，由孔隙引起的爆轟概率降低；當(dāng)細(xì)顆粒數(shù)目達(dá)到一定數(shù)量時，由大顆粒引起的孔隙因細(xì)顆粒的填充而減少，但因?yàn)榧?xì)顆粒自身形成的更小孔隙數(shù)目卻增加了，因而，沖擊波感度又有所增加。

3　結(jié)論

（1）推進(jìn)劑配方組成是影響其沖擊波感度的主要因素，配方中含能組分比例越高，含能組分本身越敏感，推進(jìn)劑的沖擊波感度也越高。降低改性雙基推進(jìn)劑沖擊波感度的最有效途徑是用不敏感的增塑劑替代配方中的NG，用感度較低的高能量密度材料取代RDX 或 HMX，當(dāng)配方中的敏感組分NG和RDX被不敏感的增塑劑TMETN和感度較低的高能量密度材料FOX-7全部取代時，隔板值由41.4mm降至16.5mm，降幅達(dá)60%。（2）含有硝化甘油或RDX的推進(jìn)劑對沖擊波刺激敏感，在18mm隔板試驗(yàn)中均發(fā)生了爆轟反應(yīng)。（3）改性雙基推進(jìn)劑中所含硝胺炸藥的粒度及粒度級配對推進(jìn)劑沖擊波感度有顯著影響。含等量細(xì)粒度硝胺炸藥推進(jìn)劑沖擊波感度較含粗粒度的低，細(xì)顆粒與粗顆粒按一定的比例級配混合，可以降低推進(jìn)劑的沖擊波感度，粗細(xì)顆粒質(zhì)量比為3：1時，降感效果最佳，隔板厚度降低5.3%。

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Study on the Shock Wave Sensitivity of Modified Double Base Solid Propellants

ZHANG Chao，QIN Neng，LI Hong-yan， MA liang，YUAN Zhi-feng， YANG Li-bo，CHEN Jun-bo
（Xi’an Modern Chemistry Research Institute，Xi’an，710065）

The influence on shock wave sensitivity of modified double-base propellant， including formulation containing，particle size and distribution of high energy explosive（RDX） were investigated by gap test. The result showed propellant formulation containing NG and RDX had higher shock wave sensitivity，when the sensitive component NG or RDX were replaced by low sensitive plasticizer TMETN or high energy density insensitive material FOX-7，the gap value had a drop of 60%，from 41.4mm to 16.5mm. Meanwhile， according to a certain proportion of high energy explosive particle sizes，the shock wave sensitivity reduced when the mass ratio of coarse and fine particle was 3：1， which was found the best effect on dropping shock wave sensitivity， and the thickness of gap decreased 5.3%.

Modified double base solid propellants；Shock wave sensitivity；RDX；Grain size distribution

V512+.2

A

1003-1480（2015）02-0014-04

2014-12-02

張超（1975-），男，副研究員，從事固體推進(jìn)劑配方與工藝技術(shù)研究。

總裝十二五跨行業(yè)預(yù)研基金（NO.51328040501）