低易損性推進劑研究進展及發(fā)展趨勢

李海濤，錢 勖，龐愛民，汪 越

(1.航天化學(xué)動力技術(shù)重點實驗室， 湖北 襄陽 441003；2.湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所， 湖北 襄陽 441003；3.航天動力技術(shù)研究院， 西安 710000)

1 引言

低易損性推進劑，是指推進劑在受到外界意外刺激(熱、機械、沖擊波等)時，推進劑的危險性響應(yīng)和隨之出現(xiàn)的二次損傷小。低易損性推進劑的判定標(biāo)準為推進劑能夠通過慢速烤燃、快速烤燃、子彈沖擊、破片沖擊、聚能射流沖擊、殉爆這六項低易損性試驗考核。低易損性試驗響應(yīng)結(jié)果按照劇烈程度依次為爆轟(I)、部分爆轟(II)、爆炸(III)、爆燃(IV)、燃燒(V)以及燃燒以下(VI)6個等級，其中，聚能射流沖擊和殉爆試驗通過的標(biāo)準是爆炸(III)及以下，其他四項的標(biāo)準是燃燒(V)及以下。

2 發(fā)展歷程

1909年Schroetter首次設(shè)計并合成了鈍感軍用炸藥TNT，揭開了鈍感彈藥的研究序幕。隨后，美國等西方國家逐漸發(fā)展并建立了鈍感彈藥的美軍標(biāo)MIL-STD-2105和北約標(biāo)準STANAG 4439等，構(gòu)建了低易損性推進劑試驗方法和評估標(biāo)準。

國內(nèi)從20世紀90年代開始關(guān)注國外低易損性推進劑的發(fā)展動態(tài)。從21世紀初開始，以湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所為代表的國內(nèi)研究機構(gòu)開始了低易損性推進劑的探索研究，開展了丁羥、聚醚等推進劑的慢速烤燃、破片沖擊等低易損性試驗研究；“十二五”期間，研制出標(biāo)準實測比沖(BSFΦ315發(fā)動機)250 s以上的高能低易損性推進劑，并建立了國內(nèi)低易損性試驗評估標(biāo)準；“十三五”期間，主要研究了慢速烤燃試驗響應(yīng)機理以及發(fā)動機尺寸與響應(yīng)結(jié)果的構(gòu)效關(guān)系(如圖1所示)，全尺寸發(fā)動機試驗響應(yīng)相比于小型試驗件更為劇烈，表明隨著推進劑裝藥尺寸增大，試驗響應(yīng)程度加劇；“十四五”以來，開展了破片沖擊試驗響應(yīng)機理等研究(如圖2所示)，采用模擬仿真方法計算藥柱內(nèi)部時間-壓力云圖，揭示試驗過程中推進劑內(nèi)部壓力隨時間變化規(guī)律，以及推進劑高燃速與破片沖擊易損性協(xié)調(diào)等方面的研究。

圖1 大型試驗件快速烤燃試驗響應(yīng)結(jié)果現(xiàn)場圖Fig.1 Fast cook-off response of large test piece

圖2 內(nèi)控藥柱內(nèi)部時間-應(yīng)力云圖Fig.2 Temporal stress cloud of inner hole column

3 研究現(xiàn)狀

3.1 國內(nèi)總體研究概況

國內(nèi)已開展低易損性推進劑在背景型號發(fā)動機中的研制工作，完成大量低易損性試驗，掌握了推進劑關(guān)鍵組分、低易損性試驗條件、發(fā)動機結(jié)構(gòu)與尺寸等因素對低易損性試驗響應(yīng)的影響規(guī)律；不斷提升推進劑力學(xué)、燃燒等性能水平，完成了大量背景型號發(fā)動機常溫、高溫、低溫試車，中能低易損性推進劑技術(shù)的工程化應(yīng)用進程持續(xù)推進。國內(nèi)高能低易損性推進劑預(yù)研工作也相繼取得顯著進展，在推進劑高能量與低易損性匹配、改善低溫力學(xué)性能、貯存性能研究等方面開展大量工作，推進劑能量水平相對中能低易損性推進劑提升了5 s左右。

但是，在一些基礎(chǔ)性領(lǐng)域，存在部分共性瓶頸尚未充分突破，關(guān)鍵機理認識不充分，評價方法和仿真手段不充分，對低易損性推進劑的高效發(fā)展和可靠應(yīng)用形成了制約。具體包括：推進劑主要性能尚未全面滿足先進戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動機的發(fā)展需求，要在保持推進劑高能量與高安全性的同時，在推進劑寬溫域力學(xué)性能改進、燃速拓展、降低高壓強范圍內(nèi)壓強指數(shù)、解決推進劑高燃速與低易損性矛盾性問題尋求獲得新的突破；還需深入研究低易損性試驗響應(yīng)機理，建立低易損性推進劑配方設(shè)計準則，研究并掌握推進劑在低易損性試驗響應(yīng)中的尺寸效應(yīng)的影響因素，獲得全尺寸發(fā)動機低易損性試驗響應(yīng)的準確預(yù)示方法，為戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動機應(yīng)用安全性的提升提供充分的設(shè)計支撐。

3.2 推進劑關(guān)鍵性能優(yōu)化提升

低易損性推進劑的工程化應(yīng)用，需要實現(xiàn)推進劑能量、燃燒、力學(xué)等關(guān)鍵性能的提升。

1) 高能量與低易損性協(xié)調(diào)

突破推進劑高能量與低易損性協(xié)調(diào)技術(shù)才能滿足先進戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動機遠射程、高安全性的發(fā)展需求。目前，主要從鈍感含能材料應(yīng)用、提高鋁粉燃燒效率等方面來開展研究。例如，鈍感含能材料TKX-50受到固體推進劑研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。付小龍等研究發(fā)現(xiàn)，多種新型鈍感含能材料可有效提高HTPE推進劑的比沖。

提高鋁粉燃燒效率是保持推進劑低易損性條件下提升能量性能的有效技術(shù)途徑。氟化物、石墨烯等功能材料能改變鋁粉燃燒機制，從而提高鋁粉燃燒效率。例如，鋁粉/氧化石墨烯(GO)復(fù)合材料中GO反應(yīng)產(chǎn)生氣體降低鋁粉團聚并提高燃燒壓力，產(chǎn)生熱量促進鋁粉氧化物的生成，如圖3所示。

圖3 氧化石墨烯促進鋁粉燃燒過程示意圖Fig.3 GO promote combustion of aluminum

2) 寬壓強范圍內(nèi)燃燒性能調(diào)節(jié)

目前，為滿足先進戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)動機的使用要求，低易損性推進劑的燃速范圍不斷拓展，燃速調(diào)節(jié)成為低易損性推進劑燃燒性能研究的難題之一。金屬氧化物類、金屬無機鹽類等燃速催化劑和銨鹽類、草酸鹽類、堿類等降速劑的應(yīng)用是實現(xiàn)推進劑燃速調(diào)節(jié)的有效途徑。并且，這些燃燒調(diào)節(jié)劑的納米化技術(shù)可以進一步提升它們的作用效能。推進劑燃速升高會導(dǎo)致破片沖擊試驗響應(yīng)加劇，推進劑高燃速與低易損性之間存在矛盾性，實現(xiàn)推進劑高燃速與低易損性協(xié)調(diào)也是目前需要解決的問題之一。

3) 推進劑寬溫域力學(xué)性能提升

先進艦載、機載等導(dǎo)彈武器的使用環(huán)境復(fù)雜而苛刻，因此要求低易損性推進劑在-55～70 ℃寬溫域范圍內(nèi)具有良好的力學(xué)性能。低易損性推進劑力學(xué)性能提升的常用方法包括：粘合劑基體的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控、粘合劑基體與固體填料界面的鍵合作用調(diào)節(jié)、固體填料粒度級配調(diào)節(jié)、推進劑制備工藝優(yōu)化等。提高推進劑力學(xué)性能可以改善其低易損性，例如提高推進劑模量可以提高推進劑抵抗機械沖擊作用的能力，降低推進劑在破片沖擊、子彈沖擊等機械沖擊刺激下的響應(yīng)程度。

3.3 低易損性試驗響應(yīng)機理研究

研究低易損性試驗響應(yīng)機理，掌握推進劑配方組分與試驗響應(yīng)程度的相關(guān)性規(guī)律，建立低易損性推進劑配方的設(shè)計準則，從而推進低易損性推進劑的工程化應(yīng)用步伐。低易損性試驗響應(yīng)機理按照外界刺激源類型不同，可以分為熱刺激和機械刺激條件下的響應(yīng)機理。

1) 熱刺激下低易損性試驗響應(yīng)機理

快速烤燃和慢速烤燃試驗是考核推進劑熱刺激條件下的低易損性試驗，其響應(yīng)機理與推進劑關(guān)鍵組分緊密相關(guān)，包括粘合劑種類、增塑劑種類、炸藥種類和含量等。例如，推進劑中HMX的含量增加，推進劑初始分解溫度升高，當(dāng)HMX含量在0～10%時，推進劑慢速烤燃試驗的響應(yīng)結(jié)果為燃燒，當(dāng)HMX含量在15%時，推進劑響應(yīng)結(jié)果為爆燃。

2) 機械刺激下低易損性試驗響應(yīng)機理

機械刺激下低易損性試驗響應(yīng)程度的關(guān)鍵影響因素是推進劑的組分，包括粘合劑種類、炸藥粒度和含量等。例如，推進劑加入少量HMX后，破片沖擊試驗中推進劑燃燒速率提升較為明顯，推進劑添加20%的HMX后，聚能射流沖擊試驗的響應(yīng)為爆轟，而不含HMX的推進劑發(fā)生爆燃響應(yīng)。除推進劑組分外，破片試驗參數(shù)(形狀、質(zhì)量和速度等)也是破片沖擊試驗響應(yīng)的主要影響因素。

推進劑小尺寸試驗件和縮比發(fā)動機能夠通過低易損性試驗考核，但是全尺寸發(fā)動機不一定也能通過。低易損性試驗響應(yīng)存在尺寸效應(yīng)，推進劑響應(yīng)結(jié)果的劇烈程度隨推進劑裝藥尺寸增大而升高。研究并掌握低易損性試驗響應(yīng)尺寸效應(yīng)的作用機理，是低易損性推進劑研究中急需解決的問題之一，揭示推進劑試驗響應(yīng)尺寸相關(guān)性規(guī)律，為全尺寸發(fā)動機通過低易損性試驗考核提供技術(shù)支持。

4 發(fā)展前景

低易損性推進劑的發(fā)展需要加快其工程化應(yīng)用步伐，要實現(xiàn)高能量、高燃速與低易損性協(xié)調(diào)，寬溫域力學(xué)性能提升，掌握低易損性試驗響應(yīng)機理，開展新材料應(yīng)用研究，建立低易損性配方設(shè)計方法。

1)含能粘合劑、含能增塑劑、鈍感含能材料的發(fā)展，為固體推進劑實現(xiàn)高能量、高安全性提供有效技術(shù)途徑。例如，RDX、HMX的高品質(zhì)化技術(shù)，減少炸藥內(nèi)部缺陷、空洞和裂紋等，大幅降低炸藥機械感度，從而實現(xiàn)推進劑的高能量和高安全性。針對外界機械和沖擊波等刺激作用，設(shè)計鈍感含能材料的微觀結(jié)構(gòu)，例如，通過層間滑移、H鍵結(jié)合、層堆積或者π堆積、主客體結(jié)構(gòu)等形式來降低外界刺激引發(fā)推進劑內(nèi)部熱點的幾率，如圖4所示。

圖4 常見鈍感含能材料晶體堆積形式示意圖Fig.4 Crystal packing forms of some common insensitive

2) 采用高效功能助劑是低易損性推進劑提升力學(xué)、燃燒等關(guān)鍵性能的可靠手段。合成新型金屬氧化物類、金屬鹽類等高效燃燒調(diào)節(jié)劑是調(diào)控推進劑燃速、降低壓強指數(shù)的有效技術(shù)手段。運用鍵合劑技術(shù)是改善推進劑力學(xué)性能的一種有效措施。包覆劑降低推進劑機械感度，包括聚多巴胺、碳納米管、石墨烯等。

3) 最后，借鑒相關(guān)研究領(lǐng)域的新理論和新技術(shù)。例如，運用數(shù)值模擬仿真技術(shù)研究低易損性試驗響應(yīng)機理；采用雙基推進劑霍普金森壓桿試驗技術(shù)研究機械沖擊條件下的響應(yīng)機理；使用3D打印等增材制造技術(shù)制備推進劑；借鑒其他新型推進技術(shù)。

5 結(jié)論

1) 低易損性推進劑關(guān)鍵性能提升是實現(xiàn)其工程化應(yīng)用的有效途徑，通過鈍感含能材料應(yīng)用、提高鋁粉燃燒效率、采用高效功能助劑等方法優(yōu)化提升推進劑能量、燃燒、力學(xué)等關(guān)鍵性能。

2) 研究并掌握低易損性試驗響應(yīng)機理，揭示推進劑粘合劑、增塑劑、炸藥等組分因素對熱刺激和機械刺激作用下推進劑響應(yīng)的影響規(guī)律，可為低易損性推進劑配方設(shè)計提供理論支持。

3) 低易損性推進劑的發(fā)展需要解決推進劑高能量、高燃速與低易損性協(xié)調(diào)問題，掌握低易損性試驗響應(yīng)尺寸效應(yīng)規(guī)律性，開展新材料的應(yīng)用研究，建立低易損性推進劑的設(shè)計準則。