HTPB推進劑沖擊發(fā)火判據(jù)的試驗研究

楊 明，黃衛(wèi)東，劉丙杰，李高春，李金飛

(1.海軍潛艇學院，山東 青島266000； 2. 航天工程大學，北京 101400；3.海軍航空大學，山東 煙臺 264001)

引 言

固體火箭發(fā)動機在運輸、吊裝等過程中可能會受到?jīng)_擊、跌落、振動等外界機械力的影響，如果意外發(fā)火、燃燒甚至爆炸，會造成武器裝備的損壞、人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失，直接影響戰(zhàn)斗力。

含能材料的撞擊起爆過程通常分為點火和爆轟成長兩個階段。撞擊感度試驗反映的是試樣受撞擊后是否容易發(fā)火[1]，影響點火階段的因素就是決定其撞擊感度高低的關(guān)鍵因素[2]，目前，落錘試驗仍為研究含能材料感度的主要方法[3]。高立龍等[4]利用400kg落錘加載裝置對多種炸藥進行了撞擊感度試驗，將結(jié)果與GJB772A-97方法測試的結(jié)果進行對比，得到不同炸藥感度的相關(guān)規(guī)律；馬平[5]通過改變基體的模量，應(yīng)用50%特性落高的方法測試了一系列PBX的撞擊感度，結(jié)果表明力學性能可以影響撞擊感度；王玉玲[6]對HMX基高聚物炸藥進行熱老化，發(fā)現(xiàn)其撞擊感度有所降低；南海[7]運用掃描電鏡表征技術(shù)證明了吸熱型包覆材料有利于降低AP顆粒的撞擊感度；陳皓[8]通過對典型藥柱撞擊感度的試驗研究，發(fā)現(xiàn)藥柱尺寸和溫度對其感度影響很大，而粉末裝藥和藥柱的感度基本一致；李健[9]應(yīng)用落錘試驗儀研究了物性對含能材料撞擊起爆感度的影響，結(jié)果表明AP較HMX、RDX更易爆發(fā)，增大AP顆粒和減小HMX、RDX顆?？山档妥矒舾卸?；趙娟[10]研究了不同裝藥條件對落錘撞擊響應(yīng)的規(guī)律，結(jié)果表明起爆閾值隨著藥柱厚度增大而變大，藥粉感度大于藥柱感度。

固體推進劑的沖擊發(fā)火機理是一個十分復(fù)雜的問題，涉及到多門學科，且推進劑各向異性，受沖擊壓縮后其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化情況不是十分清楚。章冠人[11]利用一維粘彈塑性模型的解析解，再加上孔隙內(nèi)表面炸藥燃燒的假設(shè)，推導(dǎo)出著名的沖擊起爆判據(jù)σ2τ=常數(shù)，從細觀孔隙受壓縮的模型出發(fā)，沒有應(yīng)用能量的概念而直接應(yīng)用了壓力，從細觀上證明了這個宏觀起爆判據(jù)，可以說兩者殊途同歸，達到了宏細觀的統(tǒng)一。另外，覃金貴[12]通過SHPB-砧骨試驗，驗證了PBX炸藥在低壓(小于1GPa)、寬脈沖(大于50μs)的沖擊條件下，其沖擊發(fā)火判據(jù)仍可以通過沖擊起爆判據(jù)：σ2τ=K(該判據(jù)通常意義下只適用于高壓、窄脈沖的沖擊起爆)來確定。

對于推進劑沖擊反應(yīng)的研究，限于應(yīng)力測量手段的缺乏，往往止步于沖擊感度的研究。為探究固體推進劑的沖擊發(fā)火條件及沖擊發(fā)火判據(jù)，本研究應(yīng)用設(shè)計的應(yīng)力測量系統(tǒng)采集落錘試驗下藥柱受到的應(yīng)力情況，并對比基于SHPB(分離式霍普金森壓桿)設(shè)備的推進劑沖擊發(fā)火試驗，綜合不同應(yīng)力加載方式，分析推進劑的沖擊發(fā)火判據(jù)，為固體發(fā)動機沖擊安全性評定提供一定的理論依據(jù)。

1 試 驗

1.1 試劑與儀器

某型HTPB固體推進劑方坯藥，中國航天科工集團第六研究院。

HGZ-I型撞擊感度儀，落錘質(zhì)量為10kg，天力敏科技有限公司。

1.2 樣品制備

根據(jù)航天工業(yè)部制定的試驗標準QJ1271-86要求[13]，將某型推進劑制成直徑8mm、厚度1.0～1.1mm的圓形薄片，放入干燥箱內(nèi)恒溫(20±2℃)恒濕(60±5%)保存，以待使用。

1.3 落錘沖擊發(fā)火試驗

為測量推進劑落錘撞擊過程的應(yīng)力變化情況，在撞擊感度儀的底座上安裝應(yīng)力傳感器，且對原底座進行改造，方便安裝PVDF壓電薄膜，如圖1所示。

圖1 底座改進安裝圖Fig.1 Diagram of base modification and installation

試驗開始前，讓落錘空打3～10次，消除擊柱的塑性變形，然后在撞擊感度儀中裝入應(yīng)力傳感器及推進劑試樣，根據(jù)QJ1271-86[13]的要求，按照50%特性落高試驗方法，對推進劑試件進行落錘試驗，并采用應(yīng)力測量系統(tǒng)采集推進劑試件受到的應(yīng)力情況。

1.4 基于SHPB的沖擊發(fā)火試驗

采用分離式霍普金森壓桿進行試驗，為了保證此次試驗與落錘沖擊發(fā)火試驗的可對比性，推進劑試件依舊采用與落錘試驗中一樣的規(guī)格尺寸，并采用落錘試驗中的擊柱與擊套將推進劑試件夾在中間，目的是在推進劑受沖擊發(fā)火后，避免了入射桿與透射桿端面直接受到推進劑的發(fā)火沖擊，在一定程度上起到保護SHPB設(shè)備的作用。試件安裝如圖2所示。

圖2 推進劑試件安裝圖Fig.2 Assembling installation of propellant specimen

試驗中，采用尺寸分別為20、30和40cm的入射子彈、以不同入射速度射擊入射桿，觀測推進劑試樣的發(fā)火情況，采集不同條件下推進劑試件50%沖擊發(fā)火的應(yīng)力—時間信息，并繪制應(yīng)力—時間曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 落錘試驗結(jié)果分析

通過應(yīng)力測量系統(tǒng)測得推進劑40cm落高條件下的應(yīng)力情況，并對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，如圖3所示。

圖3 推進劑應(yīng)力測試及擬合曲線Fig.3 The stress testing and fitting curves of propellant

由圖3可以看出，碰撞時間為0.001s，應(yīng)力在落錘撞擊過程中呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。圖3中紅色的光滑曲線為擬合曲線，為一個周期的正弦曲線，并滿足如下關(guān)系式：

σ(t)=0.5σmax+0.5σmax×sin[2π×(t-T/4)/T]
R2=0.995

(1)

式中：σmax為應(yīng)力峰值；T為落錘的作用時間。

式(1)所示的正弦曲線可以很好地表示落錘沖擊情況下推進劑受到的應(yīng)力情況。根據(jù)落錘作用時間T以及應(yīng)力峰值σmax，可得到任意落高下推進劑的沖擊應(yīng)力信息。

綜上可知,落錘的碰撞時間T=0.001±0.0001s，由于周期T與應(yīng)力峰值無關(guān)，因此取T值為0.001s進行計算。統(tǒng)計試驗中應(yīng)力峰值與落高的關(guān)系，并進行擬合，應(yīng)力峰值與落高的關(guān)系如圖4所示。

圖4 落高與應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve between the drop height and the stress

應(yīng)力峰值與落高的0.5次方成正比，關(guān)系滿足：

σ=175.09H0.5
R2=0.982

(2)

通過50%特性落高的方法，可知推進劑的50%特性落高H50為75cm，50%發(fā)火沖擊感度值H50×W為73.5J，100%不發(fā)火的最大落高H0為68cm，100%不發(fā)火沖擊感度值H0×W為66.64J。

2.2 基于SHPB沖擊發(fā)火試驗結(jié)果分析

通過一系列基于SHPB設(shè)備的沖擊發(fā)火試驗，可以得到推進劑試件在不同沖擊加載方式下(不同尺寸子彈的撞擊可產(chǎn)生不同的加載方式)的50%沖擊發(fā)火應(yīng)力信息，如圖5所示。

圖5 不同尺寸子彈撞擊條件下推進劑50%沖擊發(fā)火的應(yīng)力—時間曲線Fig.5 Stress—time curves of 50% impact ignition for propellants with different bullet sizes

由圖5可知，推進劑沖擊發(fā)火試驗應(yīng)力為近似矩形的脈沖信號。且在20、30和40cm子彈沖擊條件下，推進劑50%沖擊發(fā)火的應(yīng)力平臺值分別為2760、2410和2120MPa，作用的持續(xù)時間分別為76、100和130μs。隨著入射子彈尺寸和質(zhì)量的增加，50%沖擊發(fā)火條件下推進劑受到的應(yīng)力值減小，作用時間增長。

2.3 沖擊發(fā)火判據(jù)

由于推進劑無論在落錘還是SHPB的沖擊下，其應(yīng)力加載均屬于低壓、寬脈沖的加載。且由SHPB沖擊發(fā)火試驗可知，推進劑在不同加載條件下的臨界應(yīng)力與作用時間存在一定的變化規(guī)律，即應(yīng)力越大、作用時間越短。這一規(guī)律可以理解為，當推進劑受到的能量達到一定的閾值，便有可能發(fā)生沖擊發(fā)火，故本研究采用σ2τ=常數(shù)來表征推進劑的沖擊發(fā)火判據(jù)。

根據(jù)上述分析，選取能量的概念作為推進劑的沖擊發(fā)火判據(jù)，即：

σnτ=K

(3)

式中：系數(shù)n一般取值為2，但需要根據(jù)推進劑的特性來最終確定n的值。故應(yīng)用式(3)對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，使其滿足式(4)：

(4)

由此可得，n取值為2，K值為581MPa2·s。即在SHPB沖擊作用下，該型HTPB固體推進劑的沖擊發(fā)火判據(jù)為：

σ2τ=581

(5)

對于落錘試驗，其推進劑試件受到的應(yīng)力為近似正弦曲線(見圖3)。若想求其落錘沖擊下的沖擊發(fā)火判據(jù)，首先需對應(yīng)力進行處理。由于σ2τ=K判據(jù)為從能量角度出發(fā)提出的判據(jù)，以推進劑受到的應(yīng)力均值為參考進行計算，即

(6)

由于該型推進劑的50%特性落高為75cm，該落高下應(yīng)力的峰值為1516MPa，故根據(jù)式(6)，其應(yīng)力均值為758MPa，則落錘沖擊下，推進劑的沖擊發(fā)火判據(jù)為：

(7)

式(5)和式(7)的K值十分接近，說明在SHPB沖擊或落錘沖擊下，推進劑的低壓(小于10GPa)、寬脈沖(大于10μs)條件下的沖擊發(fā)火判據(jù)可以用σ2τ=K來表達，且K值為574.6MPa2·s(取較小值)。

該型推進劑的100%沖擊不發(fā)火落高為68cm，該落高下應(yīng)力的峰值可由式(2)求得為1444MPa，故其均值為722MPa，則由落錘沖擊下的沖擊發(fā)火判據(jù)σ2τ=K可知，該型推進劑100%沖擊不發(fā)火的K值為521.3MPa2·s。

由此，可以判斷推進劑受沖擊后是否會發(fā)火，可根據(jù)推進劑受到的應(yīng)力求K值，若求得的K值大于574.6MPa2·s，則認為有沖擊發(fā)火的危險，若小于521.3MPa2·s，則認為完全不會發(fā)生沖擊發(fā)火反應(yīng)。

3 結(jié) 論

(1)通過50%特性落高試驗得到該型推進劑的50%沖擊發(fā)火落高為75cm，最大100%不起爆落高為68cm，通過應(yīng)力傳感器測得落錘試驗推進劑受到的應(yīng)力近似服從正弦曲線分布。

(2)通過基于SHPB的沖擊發(fā)火試驗可知，推進劑的應(yīng)力為脈沖波，且臨界沖擊發(fā)火條件(臨界發(fā)火應(yīng)力與作用時間)隨入射子彈尺寸的變化而變化。

(3)應(yīng)用σ2τ=K判據(jù)可以較好地表征推進劑在低壓寬脈沖條件下的50%沖擊發(fā)火，且K值為574.6MPa2·s。