固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)易損性試驗(yàn)研究

李瑞鋒，黨永戰(zhàn)，李宏巖，王 中

（西安近代化學(xué)研究所，西安，710065）

0 引 言

隨著武器裝備的快速發(fā)展，彈藥的安全性要求越來越高。國(guó)外從20世紀(jì)70年代開始對(duì)不敏感彈藥進(jìn)行研究，旨在提高武器彈藥在戰(zhàn)場(chǎng)和戰(zhàn)備條件下，在遇到特殊的環(huán)境條件刺激時(shí)，能將偶然引發(fā)的反應(yīng)可能性和隨之產(chǎn)生的對(duì)武器平臺(tái)和人員的危害程度降低到最低。目前美國(guó)形成了美國(guó)軍標(biāo)MIL-STD-2105D《非核彈藥危險(xiǎn)性評(píng)估試驗(yàn)》，北約成立了彈藥安全性信息分析中心，形成了標(biāo)準(zhǔn)STANG4439，對(duì)所有服役的彈藥進(jìn)行易損性評(píng)估和測(cè)試。相比之下，中國(guó)在不敏感彈藥方面的研究進(jìn)展較為緩慢。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是導(dǎo)彈的重要組成部分，設(shè)計(jì)低易損發(fā)動(dòng)機(jī)、進(jìn)行固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)易損性研究也是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)安全性研究的一個(gè)重要方向，在發(fā)動(dòng)機(jī)艦用化等方面具有重要意義[1]。目前中國(guó)主要進(jìn)行了低易損推進(jìn)劑小尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)及仿真研究。楊筱等[2]通過小尺寸試驗(yàn)和仿真計(jì)算研究了裝藥尺寸及結(jié)構(gòu)對(duì)推進(jìn)劑烤燃試驗(yàn)的影響；張杰凡等[3]通過小尺寸推進(jìn)劑烤燃試驗(yàn)研究了不同烤燃速率下推進(jìn)劑的內(nèi)部溫度分布規(guī)律及響應(yīng)特征；張超等[4]進(jìn)行了小尺寸固體推進(jìn)劑射流撞擊試驗(yàn)，研究了不同撞擊方向和長(zhǎng)徑比情況下的試驗(yàn)結(jié)果；趙孝彬等[5]進(jìn)行了小尺寸推進(jìn)劑烤燃試驗(yàn)，研究了不同配方、烤燃速度及約束條件對(duì)于響應(yīng)結(jié)果的影響；魏祥庚[6]進(jìn)行了丁羥推進(jìn)劑（Hydroxyl-terminated Polybutadiene，HTPB）和推進(jìn)劑（Nitrate Ester Plasticized Polyether Propellant，NEPE）模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的槍擊試驗(yàn)，表明鋼制殼體發(fā)動(dòng)機(jī)易損性較差；方學(xué)謙等[7]進(jìn)行了小尺寸固體推進(jìn)劑7項(xiàng)易損性試驗(yàn)，建立了試驗(yàn)方法和評(píng)估準(zhǔn)則。以上研究表明，在易損性試驗(yàn)中，推進(jìn)劑的尺寸、約束條件、殼體材料、試驗(yàn)方法對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果均會(huì)產(chǎn)生影響。而對(duì)于固體發(fā)動(dòng)機(jī)的易損性評(píng)估，應(yīng)在小尺寸推進(jìn)劑試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算仿真對(duì)全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行易損性評(píng)估才更具有實(shí)際意義。由于全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)的易損性評(píng)估試驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)大、試驗(yàn)成本高等原因，中國(guó)目前很少有這方面的研究。江明等[8]進(jìn)行了導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部快烤、慢烤、子彈撞擊等試驗(yàn)研究，建立了戰(zhàn)斗部進(jìn)行易損性試驗(yàn)的試驗(yàn)方法及評(píng)估準(zhǔn)則；高飛等[9]對(duì)機(jī)載導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部進(jìn)行了安全性試驗(yàn)并對(duì)鈍感彈藥的研究體系給出了建議。這些針對(duì)戰(zhàn)斗部進(jìn)行的全尺寸彈試驗(yàn)研究，對(duì)于全尺寸固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的易損性研究具有一定的借鑒意義。

本研究開展了某型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)易損性試驗(yàn)評(píng)估，進(jìn)行了快速烤燃、慢速烤燃和子彈撞擊3項(xiàng)易損性評(píng)估試驗(yàn)。根據(jù)國(guó)外不敏感彈藥評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析判定，得出固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的易損性結(jié)論。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)易損性評(píng)估判定方法

根據(jù)美國(guó)軍標(biāo)MIL-STD-2105D的規(guī)定，響應(yīng)結(jié)果類型共分為爆轟、部分爆轟、爆炸、爆燃、燃燒和無響應(yīng)6種。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)裝藥、殼體、見證板以及沖擊波超壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)類型判定。判定準(zhǔn)則如表1所示[10]。表1選自美國(guó)軍標(biāo)2105D，是目前中國(guó)進(jìn)行不敏感彈藥易損性試驗(yàn)研究主要的判定依據(jù)。

表1 響應(yīng)類型判定Tab.1 Response Type Decision

續(xù)表1

《北約不敏感彈藥引入與評(píng)價(jià)政策》STANG 4439規(guī)定彈藥在經(jīng)歷各項(xiàng)易損性試驗(yàn)考核時(shí)的通過標(biāo)準(zhǔn)[11]，如表2所示。

表2 彈藥易損性通過要求Tab.2 Ammunitions Vulnerability Pass Requirement

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)易損性評(píng)估試驗(yàn)依照美國(guó)軍標(biāo)MIL-STD-2105D進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，易損性評(píng)估試驗(yàn)項(xiàng)目包含為快速烤燃、慢速烤燃、子彈撞擊、射流撞擊、破片撞擊、殉爆試驗(yàn)共6項(xiàng)。由于是首次進(jìn)行全尺寸固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)易損性試驗(yàn)，本研究只進(jìn)行了快速烤燃、慢速烤燃以及子彈撞擊3項(xiàng)試驗(yàn)。

2 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)3項(xiàng)易損性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)概況

被試發(fā)動(dòng)機(jī)為某貼壁澆鑄金屬殼體固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（不含點(diǎn)火裝置）。發(fā)動(dòng)機(jī)整體外形尺寸約Φ180 mm×2300 mm，裝藥量約45 kg。發(fā)動(dòng)機(jī)外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)示意Fig.1 Experimental Motor Sketch

2.2 快速烤燃試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)原理

快速烤燃試驗(yàn)是模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在勤務(wù)處理、貯存運(yùn)輸和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中遭受火焰包圍時(shí)的安全性試驗(yàn)。將發(fā)動(dòng)機(jī)懸掛在火焰源中進(jìn)行燒烤，根據(jù)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生反應(yīng)的劇烈程度，評(píng)定其快速烤燃性能。

a）儀器。

溫度傳感器，溫度記錄儀，電點(diǎn)火器，錄像監(jiān)控設(shè)備。

b）設(shè)備。

支撐筒，支撐架，見證板，燃料槽，發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)。

c）材料。

航空煤油，工業(yè)酒精，點(diǎn)火頭，點(diǎn)火包 。

d）試驗(yàn)布局。

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)固定在支撐架上，裝有航空煤油的燃料槽放置在發(fā)動(dòng)機(jī)下方，燃料液面距離發(fā)動(dòng)機(jī)殼體下表面約420 mm。4個(gè)溫度傳感器布置在發(fā)動(dòng)機(jī)前后左右4個(gè)方向，距殼體表面約40 mm。燃料槽尺寸為2600 mm×800 mm，確保試驗(yàn)時(shí)火焰可全面包圍發(fā)動(dòng)機(jī)。

在試驗(yàn)場(chǎng)挖一個(gè)深度約3 m的試驗(yàn)坑，將快烤試驗(yàn)裝置放入試驗(yàn)坑內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)前端安裝支撐筒，支撐筒頂?shù)皆囼?yàn)坑墻壁上，在推力方向?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行約束。支撐架通過鋼釬固定在試驗(yàn)坑內(nèi)，使發(fā)動(dòng)機(jī)被完全約束，避免試驗(yàn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)后發(fā)生失控飛行。

見證板為5 mm厚的鋼板，豎直放置在發(fā)動(dòng)機(jī)左右兩側(cè)，距離發(fā)動(dòng)機(jī)殼體約1 m，發(fā)生響應(yīng)后可通過見證板表面的凹坑情況判斷響應(yīng)程度。

快速烤燃試驗(yàn)布局如圖2所示。

圖2 快速烤燃試驗(yàn)布局Fig.2 Fast Cook-off Experiment Sketch

2.2.2 試驗(yàn)過程

a）進(jìn)行火焰溫度及傳感器的標(biāo)定。

按照試驗(yàn)布局圖布置空發(fā)動(dòng)機(jī)殼體以及溫度傳感器進(jìn)行試驗(yàn)。在燃料槽中先加入深50 mm的水，再加入深40 mm的航空煤油，在燃料槽內(nèi)放置點(diǎn)火包。點(diǎn)火后燃料開始燃燒，可得到火焰溫度-時(shí)間曲線（見圖3），溫度取 4個(gè)傳感器測(cè)得的溫度平均值?；鹧嫒紵^程中最高溫度達(dá)到800 ℃以上，各溫度傳感器均能正常穩(wěn)定地獲取測(cè)試數(shù)據(jù)，認(rèn)為數(shù)據(jù)有效，傳感器工作正常，方可繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。

圖3 火焰溫度-時(shí)間特性曲線Fig.3 Temperature-time Curve of Flame

b）發(fā)動(dòng)機(jī)快速烤燃試驗(yàn)。

試驗(yàn)過程中 4個(gè)溫度傳感器記錄所得曲線如圖 4所示。

圖4 快烤試驗(yàn)溫度-時(shí)間曲線Fig.4 Temperature-time Curve of Fast Cook-off Experiment

由圖4可知，傳感器開始升溫時(shí)刻記為零點(diǎn)，響應(yīng)發(fā)生時(shí)刻為 85 s，此時(shí)傳感器記錄響應(yīng)溫度平均為710 ℃。響應(yīng)發(fā)生時(shí)溫度傳感器可能被損壞、發(fā)生位移或溫度超出量程（1200 ℃），故響應(yīng)后傳感器1、2溫度曲線失真，傳感器3比較接近標(biāo)定的火焰溫度曲線，表明響應(yīng)結(jié)束后傳感器3可繼續(xù)正常工作，傳感器4溫度下降較快，可能是在沖擊作用下發(fā)生位移遠(yuǎn)離了火焰區(qū)，故測(cè)得溫度下降較快。

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

響應(yīng)后支架上無任何發(fā)動(dòng)機(jī)殼體碎片存留（見圖5），殼體碎片、碎藥塊如圖6所示。

圖6中最大碎片尺寸約為100 mm×100 mm，最大碎藥尺寸約為30 mm×30 mm。碎片散步在試驗(yàn)點(diǎn)40 m區(qū)域內(nèi)。見證板完整，表面有輕微劃痕及凹坑。快烤試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖5 響應(yīng)后試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 Testing Site after Response

圖6 響應(yīng)后收集的發(fā)動(dòng)機(jī)碎片 Fig.6 Collected Motor Fragments after Response

表3 快烤試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Fast Cook-off Test Result

2.2.4 響應(yīng)類型判定

試驗(yàn)結(jié)果表3與判定表1對(duì)比，根據(jù)裝藥及殼體碎片類型、拋射距離、見證板變形情況等綜合判定，發(fā)動(dòng)機(jī)快速烤燃試驗(yàn)響應(yīng)類型為第Ⅲ類爆炸。

2.3 慢速烤燃試驗(yàn)

2.3.1 試驗(yàn)原理

慢速烤燃試驗(yàn)是模擬發(fā)動(dòng)機(jī)在儲(chǔ)存環(huán)境中受到環(huán)境溫度緩慢升高影響的安全性試驗(yàn)。它是將發(fā)動(dòng)機(jī)放置在可控制溫度以一定速率（3.3 ℃/h）升高的慢烤箱中進(jìn)行烤燃，直到發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生響應(yīng)或400 ℃為止。根據(jù)響應(yīng)的劇烈程度，評(píng)定其慢速烤燃性能，試驗(yàn)布局如圖7所示。

圖7 慢速烤燃試驗(yàn)示意Fig.7 Slow Cook-off Experiment Sketch Map

發(fā)動(dòng)機(jī)固定在慢烤箱內(nèi)的支撐架上，慢烤箱體內(nèi)壁設(shè)有保溫層以確保箱內(nèi)溫度恒定。溫度傳感器分別布置在發(fā)動(dòng)機(jī)表面和慢烤箱空腔內(nèi)，用以測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)表面的溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)所處環(huán)境溫度。慢烤箱設(shè)有的加熱器、循環(huán)風(fēng)機(jī)、溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)可確保慢烤箱按照設(shè)定的升溫程序進(jìn)行升溫。發(fā)動(dòng)機(jī)噴管處箱蓋留有排氣口，采用密封保溫材料填充。若響應(yīng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生燃燒，產(chǎn)生的燃?xì)饣鹧婵蓮呐艢饪谂懦鲂秹?。慢烤箱尺寸約2.6 m×1.3 m×1.5 m。

慢烤試驗(yàn)不設(shè)置見證板，發(fā)動(dòng)機(jī)放置在慢烤箱內(nèi)，箱體的形變情況可作為響應(yīng)類型判定的參照物。

2.3.2 試驗(yàn)過程

研究表明升溫速率不大于3.3 ℃/h時(shí)，裝藥內(nèi)部溫度梯度較小，發(fā)生反應(yīng)相對(duì)劇烈，因此國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定慢烤試驗(yàn)升溫速率為 3.3 ℃/h[12]。在試驗(yàn)過程中，考慮試驗(yàn)時(shí)間等因素，可先快速升溫至一定溫度，保溫一段時(shí)間使得裝置內(nèi)部達(dá)到熱平衡，再以3.3 ℃/h的加熱速率進(jìn)行試驗(yàn)。本次試驗(yàn)也采取了這種方法，首先將慢烤箱內(nèi)部溫度升溫至60 ℃，恒溫2 h再進(jìn)行緩慢升溫。慢烤箱內(nèi)溫度曲線如圖8所示。由圖8可知，慢烤試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生響應(yīng)比較劇烈，且慢烤試驗(yàn)時(shí)間須持續(xù)約30 h。試驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)較高，需采取安全防范措施。

圖8 慢烤試驗(yàn)溫度特性曲線Fig.8 Temprature Curve of Slow Cook-off Experiment

2.3.3 試驗(yàn)結(jié)果

發(fā)動(dòng)機(jī)慢烤試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為28 h，響應(yīng)溫度為142 ℃。響應(yīng)伴有巨響，現(xiàn)場(chǎng)有震感，慢烤箱周邊土圍被嚴(yán)重破壞?，F(xiàn)場(chǎng)的錄像監(jiān)控、照明設(shè)備、溫度傳感器等設(shè)備均被損壞。慢烤箱完全破壞，形成大量形狀不規(guī)則、大剪切率的碎片，碎片拋射范圍在700 m范圍內(nèi)，但未發(fā)現(xiàn)殘余的裝藥碎塊。

2.3.4 響應(yīng)類型判定

熳烤試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。試驗(yàn)結(jié)果表4與表1對(duì)比，根據(jù)殼體及慢烤箱碎片類型、拋射距離、裝藥情況等判定發(fā)動(dòng)機(jī)慢速烤燃試驗(yàn)響應(yīng)類型為第Ⅰ類爆轟。

表4 慢烤試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Slow Cook-off Test Result

2.4 子彈撞擊試驗(yàn)

使用12.7 mm穿甲燃燒彈射擊發(fā)動(dòng)機(jī)，考核發(fā)動(dòng)機(jī)在戰(zhàn)場(chǎng)或貯存條件下被子彈擊中后的響應(yīng)情況，子彈速度為（850±20） m/s。在撞擊試驗(yàn)中，撞擊位置一般選取最敏感部位，同時(shí)考慮最敏感部位在實(shí)戰(zhàn)中被擊中的概率進(jìn)行綜合評(píng)估。發(fā)動(dòng)機(jī)中的敏感器件為點(diǎn)火裝置，但本試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)不含點(diǎn)火裝置，故子彈撞擊位置選實(shí)心裝藥處，撞擊位置為距離前端800 mm處。

2.4.1 試驗(yàn)方案

a）試驗(yàn)用儀器設(shè)備：12.7 mm子彈發(fā)射裝置，12.7 mm穿甲燃燒彈（標(biāo)準(zhǔn)彈），固定支架，見證板，沖擊波超壓測(cè)試設(shè)備、高速攝影設(shè)備，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)。

b）試驗(yàn)布局：發(fā)動(dòng)機(jī)采取豎直向下、噴管朝上的方式通過固定支架緊固在試驗(yàn)場(chǎng)，利用地面支撐力來抵消發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的推力。為避免子彈撞擊以及發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向力引起發(fā)動(dòng)機(jī)翻轉(zhuǎn)或位移，發(fā)動(dòng)機(jī)頭部需放入地面坑內(nèi)，坑深約200～300 mm，固定支架通過鋼釬緊固在地面上，可確保發(fā)動(dòng)機(jī)的約束可靠，防止意外發(fā)生。子彈撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)布局如圖9所示。

圖9 子彈撞擊試驗(yàn)示意Fig.9 Bullet Impact Test Sketch

2.4.2 試驗(yàn)過程

完成子彈速度的測(cè)試、打靶精度測(cè)試等準(zhǔn)備工作后進(jìn)行子彈撞擊試驗(yàn)，采用高速攝影對(duì)撞擊過程進(jìn)行錄像。子彈撞擊瞬間如圖10所示。子彈從發(fā)動(dòng)機(jī)穿過瞬間有火焰從噴管和彈孔位置噴出，0.2 s后裝藥開始燃燒，子彈穿出部位殼體破碎，并在高溫燃?xì)庾饔孟旅撀?。燃燒火焰從彈孔部位以及噴管噴出，裝藥持續(xù)燃燒至耗盡。發(fā)動(dòng)機(jī)殼體其他部位完好。

圖10 子彈撞擊瞬間示意Fig.13 Bullet Impact Moment

2.4.3 試驗(yàn)結(jié)果

子彈擊中后發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥開始持續(xù)燃燒直至耗盡。殼體被撞擊部位發(fā)生破壞并脫落。少量殼體碎片及碎藥塊散落在5 m范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)殼體其他部分完好。

見證板表面完整無響應(yīng)痕跡，超壓傳感器未采集到?jīng)_擊波超壓數(shù)據(jù)。

2.4.4 響應(yīng)類型判定

子彈撞擊試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。試驗(yàn)結(jié)果表5與表1對(duì)比，根據(jù)殼體及裝藥碎片、裝藥消耗情況判定發(fā)動(dòng)機(jī)子彈撞擊試驗(yàn)響應(yīng)類型為第Ⅴ類燃燒。

表5 子彈撞擊試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Bullet Impact Test Result

2.5 試驗(yàn)結(jié)論

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在快速烤燃試驗(yàn)中響應(yīng)類型為爆炸，在慢速烤燃試驗(yàn)中響應(yīng)類型為爆轟，在子彈撞擊試驗(yàn)中響應(yīng)類型為燃燒。

3 結(jié) 論

a）本研究提出了適用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)易損性評(píng)價(jià)的試驗(yàn)方案和響應(yīng)類型判定方法，搭建了快速烤燃、慢速烤燃、子彈撞擊3項(xiàng)易損性試驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)某固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了3項(xiàng)易損性試驗(yàn)測(cè)試，得到發(fā)動(dòng)機(jī)3項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)試的響應(yīng)類型；

b）試驗(yàn)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)快速烤燃試驗(yàn)的響應(yīng)類型為爆炸，對(duì)速烤燃試驗(yàn)的響應(yīng)類型為爆轟，子彈撞擊試驗(yàn)的響應(yīng)類型為燃燒；

c）固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)3項(xiàng)易損性試驗(yàn)方案合理可行，能夠達(dá)到固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)易損性研究的目的，對(duì)于今后開展其他固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及不敏感彈藥的易損性研究具有一定的借鑒和參考意義。