HTPE鈍感推進(jìn)劑的子彈撞擊和快速烤燃特性

呂 璽，龐維強(qiáng)，李軍強(qiáng)，王 可，劉芳莉，樊學(xué)忠，付小龍，李 煥，楊 建

(1.中國(guó)人民解放軍駐845廠軍代室，陜西 西安 710302；2.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引 言

戰(zhàn)術(shù)武器和機(jī)載及艦載常規(guī)武器等裝備的發(fā)展，不僅要求固體推進(jìn)劑具有較高的能量性能，而且要求固體推進(jìn)劑鈍感[1-3]。在推進(jìn)劑彈藥貯存、生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用過(guò)程中，可能會(huì)遇到外界刺激表現(xiàn)出較高的危險(xiǎn)性，造成嚴(yán)重的后果，特別是在嚴(yán)酷的作戰(zhàn)環(huán)境下，固體推進(jìn)劑作為彈藥的重要組成部件以及自身含能材料的危險(xiǎn)性，其易損性對(duì)整個(gè)武器系統(tǒng)的易損性有著至關(guān)重要的影響，因而固體推進(jìn)劑的易損性受到越來(lái)越多的重視[4]。發(fā)展不敏感推進(jìn)劑(亦稱(chēng)鈍感推進(jìn)劑)可以顯著提高武器系統(tǒng)的安全可靠性能和戰(zhàn)場(chǎng)生存能力，對(duì)今后武器的發(fā)展將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[5-6]。HTPE推進(jìn)劑具有許多優(yōu)良性能，可安全用于高速動(dòng)能彈、超高速導(dǎo)彈等武器系統(tǒng)中，是一類(lèi)極有發(fā)展前途的高能鈍感推進(jìn)劑[7-9]。子彈撞擊和烤燃試驗(yàn)作為火炸藥裝藥遭受外部高速?zèng)_擊和火焰燒烤時(shí)出現(xiàn)的如燃燒、爆燃、爆炸和爆轟等響應(yīng)程度，是評(píng)價(jià)固體推進(jìn)劑易損特性的通用方法，受到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[10-14]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)HTPB推進(jìn)劑的易損性進(jìn)行了大量研究，其中，Komai等[15]研究了HTPB/AP推進(jìn)劑的小尺寸慢烤(SCO)特性，結(jié)果表明，HTPB/AP推進(jìn)劑具有較劇烈的慢烤響應(yīng)程度；陳中娥等[16]研究了HTPB推進(jìn)劑的熱分解行為與慢烤特性的關(guān)系，并提出了改善HTPB/AP推進(jìn)劑慢烤響應(yīng)特性及技術(shù)途徑，結(jié)果表明，AP熱分解形成空隙是影響HTPB推進(jìn)劑慢烤響應(yīng)劇烈程度的主要因素；楊后文等[17]通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究了HTPB/AP復(fù)合推進(jìn)劑的快烤特性，結(jié)果表明，推進(jìn)劑熱安全性與AP、RDX的粒徑和真空安定性有關(guān)，粒徑越小，真空安定性越差，熱安全性越低；Caro R I等[18]采用小尺寸慢烤裝置(SCTV)研究了HTPE推進(jìn)劑的響應(yīng)特性，結(jié)果表明，HTPE推進(jìn)劑中有機(jī)相的軟化對(duì)慢烤響應(yīng)特性有重要影響；楊筱等[19]研究了裝藥尺寸及結(jié)構(gòu)對(duì)HTPE推進(jìn)劑烤燃特性的影響，結(jié)果表明，HTPE推進(jìn)劑的烤燃響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)溫度隨升溫速率的變化趨勢(shì)與裝藥尺寸及結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，但響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)溫度的絕對(duì)值與裝藥尺寸及結(jié)構(gòu)均有較大關(guān)系。目前，對(duì)固體推進(jìn)劑熱安全性的研究主要以小尺寸試驗(yàn)的烤燃實(shí)驗(yàn)和熱分析為主，對(duì)HTPE鈍感推進(jìn)劑的機(jī)械安全性能和易損特性(子彈撞擊、快速烤燃等)報(bào)道較少。

本研究計(jì)算了以PET/Bu-NENA為黏合劑體系、AP和Al為固體填料的HTPE(端羥基聚醚)鈍感推進(jìn)劑的理論比沖、特征速度等能量性能，結(jié)合推進(jìn)劑的機(jī)械感度研究了HTPE推進(jìn)劑的子彈撞擊和快速烤燃特性，分析了影響HTPE推進(jìn)劑子彈撞擊和快速烤燃響應(yīng)的因素，為該類(lèi)推進(jìn)劑的發(fā)動(dòng)機(jī)低易損性設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料及儀器

環(huán)氧乙烷-四氫呋喃共聚醚(PET)，相對(duì)分子質(zhì)量為5000，黎明化工研究院；N-丁基甲氧乙基硝胺(Bu-NENA)化學(xué)純，黎明化工研究院；2,4-甲苯二異氰酸酯(TDI)化學(xué)純，上海試劑廠；鋁粉(Al)，粒徑為29.0μm，純度>99.5%，蓋州市金屬粉末廠；高氯酸銨(AP)，粒徑分別為104～150μm和6～8μm，大連氯酸鉀廠。

真空干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；真空泵，河南省泰康科教儀器廠；2立升行星立式捏合機(jī)，西安拓普電氣有限責(zé)任公司；真空澆鑄罐、靜態(tài)燃速儀、12.7mm子彈撞擊試驗(yàn)裝置，西安近代化學(xué)研究所。

1.2 HTPE推進(jìn)劑的制備

HTPE推進(jìn)劑基礎(chǔ)配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：PET/Bu-NENA黏合劑體系，15%；Al，18%；AP，64%，工藝助劑/鍵合劑，3%。

推進(jìn)劑采用淤漿澆鑄工藝進(jìn)行制備。將黏合劑、增塑劑等液體組分和Al粉、AP等固體組分依次加入到捏合機(jī)中，在50℃循環(huán)水浴和真空條件下捏合約80min，捏合結(jié)束后在真空條件下將藥漿澆鑄到設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體中，再移至50℃烘箱中連續(xù)固化5d，待用。

1.3 性能測(cè)試

機(jī)械感度測(cè)試：撞擊感度采用H3.5-10W落錘式撞擊感度儀，按照GJB772A-97標(biāo)準(zhǔn)中601.2試驗(yàn)方法測(cè)定推進(jìn)劑的特性落高(H50)，落錘質(zhì)量為10kg。每發(fā)試驗(yàn)稱(chēng)取(35±1)mg火藥，每組試樣25發(fā)。摩擦感度按照GJB772A-97標(biāo)準(zhǔn)中602.1方法進(jìn)行測(cè)定，擺角(66±1)°，藥量(20±1)mg，試驗(yàn)25發(fā)。

爆熱測(cè)試：根據(jù)GJB772A-1997方法701.1，采用GR3500型氧彈式量熱計(jì)根據(jù)恒溫法在1MPa下的氬氣氣氛中進(jìn)行測(cè)試。其中，推進(jìn)劑樣品質(zhì)量約為5g，水當(dāng)量的測(cè)量精度為±0.1%～0.2%，系統(tǒng)測(cè)試相對(duì)誤差小于1%。

燃速測(cè)試：采用GJB770B-2005方法706.1燃速靶線法在充氮調(diào)壓式燃速儀中進(jìn)行，推進(jìn)劑制備成5mm×5mm×10cm的樣品，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的聚乙烯醇縮丁醛溶液包覆兩遍，燃速壓強(qiáng)指數(shù)采用Vieille方程u=u1pn計(jì)算。

密度測(cè)試：根據(jù)GJB770B-2005方法401.2測(cè)試HTPE推進(jìn)劑的密度。

1.4 試驗(yàn)殼體設(shè)計(jì)

推進(jìn)劑藥柱的子彈撞擊和快速烤燃試驗(yàn)所用殼體的內(nèi)徑為Φ75mm或Φ50mm的不銹鋼殼體，殼體壁厚為2.5mm，殼體內(nèi)層貼2mm的經(jīng)固化的三元乙丙橡膠絕熱層。其中，HTPE推進(jìn)劑試樣采用兩種方式密封：(1)兩端均用不銹鋼殼密封；(2)一端用不銹鋼殼密封，另一端用0.1mm鋁薄片封端。

1.5 子彈撞擊和快速烤燃試驗(yàn)

推進(jìn)劑12.7mm子彈撞擊試驗(yàn)裝置主要由發(fā)射裝置、測(cè)速裝置及監(jiān)控系統(tǒng)組成，可以發(fā)射12.7mm制式標(biāo)準(zhǔn)穿甲燃燒彈，子彈撞擊試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布局圖如圖1所示。其中，發(fā)射裝置口徑為12.7mm，子彈著靶速度為(850±20)m/s，測(cè)速不確定度≤0.3%，試樣離槍口距離為30m，射擊方向?yàn)閺较蚧蜉S向射擊。

圖1 HTPE推進(jìn)劑子彈撞擊試驗(yàn)布局圖Fig.1 Spot layout photographs of bullet impact test for HTPE propellant

快速烤燃試驗(yàn)[9,18-20]根據(jù)《非核彈藥的危險(xiǎn)性評(píng)估試驗(yàn)》MIL-STD-2105C中的STANAG 4240進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 HTPE推進(jìn)劑的能量特性

基于最小自由能原理，采用“能星”能量計(jì)算軟件計(jì)算了HTPE推進(jìn)劑配方的理論能量性能，測(cè)試了其機(jī)械感度，并與HTPB復(fù)合推進(jìn)劑進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可以看出，與HTPB推進(jìn)劑相比，HTPE推進(jìn)劑在6.86MPa下的理論比沖為268.0s，實(shí)測(cè)爆熱(7456J/g)和密度(1.812g/cm3)均大于HTPB復(fù)合推進(jìn)劑(6288J/g和1.766g/cm3)，而機(jī)械感度較低，其中摩擦感度為0，明顯低于HTPB推進(jìn)劑的摩擦感度(88%)，表明HTPE推進(jìn)劑可以作為高能鈍感推進(jìn)劑，有望替代HTPB復(fù)合推進(jìn)劑用于鈍感的高價(jià)值武器平臺(tái)。

表1 6.86MPa下HTPE和HTPB推進(jìn)劑的理論能量性能Table 1 Theoretical energetic properties of HTPE and HTPB propellants at 6.86MPa

2.2 HTPE推進(jìn)劑的燃燒性能

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[21-22]，含能增塑劑Bu-NENA不僅能提高HTPE推進(jìn)劑的能量性能，而且對(duì)其燃燒性能也有明顯影響。本研究對(duì)HTPE推進(jìn)劑的燃燒性能進(jìn)行了測(cè)試，每個(gè)壓力點(diǎn)測(cè)試5次取平均值為第一次測(cè)試值，第二次測(cè)試值用相同方法，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 HTPE推進(jìn)劑的燃速及燃速壓強(qiáng)指數(shù)Table 2 Burning rate and pressure exponent of HTPE propellants

從表2可以看出，兩次測(cè)試的HTPE推進(jìn)劑在低壓下(<7MPa)的燃速結(jié)果非常接近，表明該推進(jìn)劑在低壓下可穩(wěn)定燃燒，而在中壓下的燃速結(jié)果相對(duì)偏差較低壓下有所增大，且該推進(jìn)劑在低壓下的燃速壓強(qiáng)指數(shù)較低，尤其是在4～7MPa下僅為0.16，之后隨著壓強(qiáng)的增大，燃速壓強(qiáng)指數(shù)也增加，從0.38增加到0.60，但在整個(gè)壓強(qiáng)區(qū)間(1～18MPa)下的燃速壓強(qiáng)指數(shù)為0.41，可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)要求。

2.3 HTPE推進(jìn)劑對(duì)子彈撞擊響應(yīng)特性

本研究選用12.7mm口徑的自動(dòng)步槍進(jìn)行子彈撞擊試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 HTPE推進(jìn)劑的12.7mm子彈撞擊試驗(yàn)前后照片F(xiàn)ig.2 Photographs of HTPE propellants before and after the bullet impact tests

HTPE推進(jìn)劑鈍感彈藥響應(yīng)特性的改善，可通過(guò)使用與HTPE相容的含能增塑劑，在保持HTPE推進(jìn)劑能量水平的同時(shí)降低其固含量。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，HTPE推進(jìn)劑子彈撞擊試驗(yàn)的響應(yīng)劇烈程度較低，大多為燃燒反應(yīng)。在推進(jìn)劑裝藥條件相同的條件下，HTPE推進(jìn)劑在受到不同方向子彈撞擊后的響應(yīng)劇烈程度不同，當(dāng)采用Φ50mm藥柱和徑向子彈撞擊時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果無(wú)反應(yīng)，見(jiàn)證板完好，殼體被撕裂，殼體內(nèi)部有大量殘藥，沿135°方向飛出約3m；當(dāng)采用Φ50mm藥柱和軸向撞擊時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果為燃燒反應(yīng)，見(jiàn)證板完好，殼體被撕裂，沿180°方向飛出約2m；對(duì)于Φ75mm藥柱，試驗(yàn)結(jié)果為燃燒反應(yīng)，見(jiàn)證板完好，殼體被撕裂，但徑向撞擊有少量殘藥，軸向撞擊則無(wú)殘藥，可知試樣的徑向撞擊響應(yīng)劇烈程度明顯低于軸向撞擊。同為徑向撞擊，一端設(shè)有薄弱部位的HTPE推進(jìn)劑裝藥的響應(yīng)劇烈程度明顯低于兩端密封的HTPE推進(jìn)劑裝藥，這是因?yàn)殇X薄片封端裝藥在子彈撞擊刺激下，鋁薄片作為薄弱部位有利于試驗(yàn)過(guò)程中推進(jìn)劑反應(yīng)產(chǎn)生的氣體的釋放，降低了推進(jìn)劑試樣的響應(yīng)劇烈程度。

2.4 HTPE推進(jìn)劑對(duì)快速烤燃響應(yīng)特性

依據(jù)《非核彈藥的危險(xiǎn)性評(píng)估試驗(yàn)》MIL-STD-2105C中的STANAG 4240方法，將推進(jìn)劑試樣裝在模擬彈殼內(nèi)，懸掛在航空煤油火焰中進(jìn)行快速燒烤，觀察和比較其在快速烤燃刺激下推進(jìn)劑試樣的響應(yīng)特性，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 HTPE推進(jìn)劑的快速烤燃試驗(yàn)前后照片F(xiàn)ig.3 Photographs of HTPE propellants before and after the fast cook-off tests

從試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，HTPE推進(jìn)劑裝藥的快速烤燃試驗(yàn)的響應(yīng)劇烈程度均為燃燒反應(yīng)，而且對(duì)不同裝藥直徑的HTPE推進(jìn)劑，當(dāng)其裝藥直徑從Φ75mm減至Φ50mm時(shí)，其響應(yīng)劇烈程度沒(méi)有發(fā)生明顯變化，均表現(xiàn)為殼體完整，一個(gè)端蓋被剪切破壞，另一個(gè)端蓋鼓包，有完整的殘藥，一塊見(jiàn)證板被撞開(kāi)一端。對(duì)于一端設(shè)有薄弱部位的HTPE推進(jìn)劑，當(dāng)其裝藥直徑從Φ75mm減至Φ50mm時(shí)，其響應(yīng)均為燃燒反應(yīng)，但兩頭端蓋被破壞，Φ75mm的見(jiàn)證板變形比Φ50mm嚴(yán)重，快速響應(yīng)劇烈程度明顯低于兩端密封的HTPE推進(jìn)劑裝藥，這可能是由于HTPE推進(jìn)劑裝藥所有殼體均在一個(gè)端蓋設(shè)置有薄弱部位，這種裝藥結(jié)構(gòu)有利于試驗(yàn)過(guò)程中推進(jìn)劑反應(yīng)產(chǎn)生氣體的釋放，從而降低了推進(jìn)劑的響應(yīng)劇烈程度。

3 結(jié) 論

(1)HTPE推進(jìn)劑的機(jī)械感度較低，其摩擦感度為0，撞擊感度(特性落高H50)大于77cm。

(2)HTPE推進(jìn)劑在低壓下(1MPa)可穩(wěn)定燃燒，并且具有較低的燃速壓強(qiáng)指數(shù)；在1～18MPa下，n≤0.42。

(3)當(dāng)推進(jìn)劑藥柱直徑從Φ75mm減小到Φ50mm時(shí)，其快速烤燃響應(yīng)劇烈程度沒(méi)有發(fā)生明顯變化，推進(jìn)劑在受到不同方向(徑向和軸向)子彈撞擊刺激后的響應(yīng)劇烈程度是不同的，并且一端設(shè)有薄弱部位的推進(jìn)劑藥柱的子彈撞擊和快速烤燃刺激響應(yīng)均低于兩端密封的推進(jìn)劑藥柱。

(4)HTPE推進(jìn)劑具有較低的易損特性，子彈直徑為12.7mm的子彈撞擊試驗(yàn)和快速烤燃試驗(yàn)均表現(xiàn)為燃燒反應(yīng)，可安全用于高速動(dòng)能彈、超高速導(dǎo)彈等武器系統(tǒng)中，是一類(lèi)具有發(fā)展前途的高能鈍感推進(jìn)劑。