固体推进剂爆轰感度影响因素研究①

苏 晶，李 军，陈 怡，张杰凡，肖 旭

(1.航天化学动力技术重点实验室，襄阳 441003；2.湖北航天化学技术研究所，襄阳 441003；3.西安航天动力测控技术研究所，西安 710025)

0 引言

为了使高能固体推进剂产生更高的能量，在推进剂配方中增加了较高比例的高能炸药HMX/RDX、铝粉等组分，导致其危险性也越来越大[1-4]。新型高能固体推进剂在制造、运输、贮存和使用过程中，受到冲击波的意外刺激，可能发生爆轰，并将这种爆轰冲击波传递下去，即具有爆轰感度。爆轰感度是判别固体推进剂1.1级和1.3级危险性的主要依据，也是评估其安全性能的重要方法。

白春华等采用拉氏分析技术考察了固体推进剂的反应度、反应速率、体积能量释放速率等过程，研究了双基推进剂、改性双基推进剂、聚硫推进剂等在不同压力冲击波作用下的化学反应过程[5]。郑波等针对目前卡片试验中验证板界面反射冲击波的问题，设计了对比试验，对卡片试验中验证板反射的冲击波对冲击起爆影响进行了研究[6]。黄明等研究了高品质RDX的晶体特性及冲击波起爆特性，表明高品质RDX会降低其爆轰感度[7]。研究主要集中在爆轰波成长历程和抑制爆轰方面，而爆轰感度的影响因素方面研究较少。

本文通过卡片试验研究了固体推进剂的种类、配方组成等对爆轰感度的影响，确定了固体推进剂爆轰感度的主要影响因素。

1 试验原理及方法

卡片试验是考察固体推进剂爆轰感度的重要试验项目，由雷管、雷管座、传爆药、卡片、试验样品和验证板等组成，装置如图1所示。其工作原理为雷管引爆主发药柱，主发药柱爆轰形成的冲击波垂直作用到一定厚度的醋酸纤维素片，经衰减后的冲击波作用于钢管中的试验样品，通过验证板是否穿孔考察试验样品的爆轰感度。

参考GJB 6195—2008《复合固体推进剂危险等级分级方法》和QJ 20019.1—2011《复合固体推进剂安全性能试验方法》，根据发生爆轰的临界卡片厚度确定固体推进剂的爆轰感度，在醋酸纤维素卡片厚度为17.5 mm的卡片试验中，若验证板发生穿孔(图2(a))，则试样具有爆轰感度，若验证板没有穿孔(图2(b))，即不具有爆轰感度。

2 结果与分析

2.1 输入冲击波压力标定

卡片试验中的输入冲击波压力是卡片试验的重要参数之一，是指主发药柱发生稳定爆轰后，冲击波经衰减介质衰减后，直接作用到样品上的冲击波压力。为标定GJB 6195—2008中17.5 mm卡片试验的输入冲击波压力，采用锰铜压力计和冲击波压力测试系统，研究了卡片试验中的输入冲击波压力，原理如图3所示。

图1 卡片试验装置原理图

(a)验证板穿孔

(b)验证板未穿孔

图3 输入冲击波压力测试原理图

测得输入冲击波压力曲线如图4所示，经式(1)计算得17.5 mm卡片试验的输入冲击波压力为7.03 GPa，这与美国海军、陆军、空军和航空联合工作组建议将7 GPa作为评价固体推进剂是否具有爆轰感度的冲击波压力完全一致[8]，表明采用该方法作为研究固体推进剂的爆轰感度是可行的。

(1)

2.2 典型固体推进剂的爆轰感度

为了考察固体推进剂爆轰感度的影响因素，开展了NEPE固体推进剂、HTPB四组元固体推进剂、HTPB三组元固体推进剂、富燃料推进剂和燃气发生剂的卡片试验研究，典型的试验结果如图5所示。固体推进剂爆轰感度的临界卡片厚度如图6所示。

图4 输入冲击波压力

(a)壳体破裂，验证板完好

(b)壳体和验证板均完好

(c)验证板穿孔

图6 不同种类固体推进剂的爆轰感度

由图6可看出：

(1)丁羟四组元推进剂和NEPE推进剂在卡片试验中的卡片厚度大部分超过17.5 mm，具有爆轰感度；

(2)丁羟三组元推进剂、富燃料推进剂和燃气发生剂等在卡片厚度为零时也不发生爆轰，表明此类固体推进剂具有很好的抗冲击起爆能力，不具有爆轰感度；

(3)同一类固体推进剂的爆轰感度表现出较大差异，表明固体推进剂爆轰感度的影响因素不仅与其种类有关，还取决于其配方组成；

(4)具有爆轰感度(卡片厚度超过17.5 mm)的固体推进剂，配方中均含有炸药，这可能是由于固体推进剂中添加了高威力、高敏感的炸药后，在冲击波的作用下，更容易形成热点，当一个冲击压力脉冲进入试样后，由于入射冲击波和密度不连续处的相互作用，形成了射流、空穴崩溃，冲击波的分离、碰撞等，使热点附近的试样颗粒出现了化学反应，其释放的能量又使入射冲击波得到加强，爆轰波不断传播下去，使得固体推进剂具有爆轰感度。

2.3 配方组成对爆轰感度的相关性研究

为考察固体推进剂爆轰感度与其配方组成的相关性，以HTPB四组元固体推进剂为研究对象，通过卡片试验，开展了固体含量、Al含量和RDX含量与固体推进剂爆轰感度的相关性研究，HTPB四组元的基础配方组成如表1所示。

表1HTPB四组元推进剂的基础配方

Table 1Formula of HTPB solid propellant%

APAlRDXHTPB其他60～700～200～156～103～10

(1)固体含量与爆轰感度的相关性

探索了HTPB四组元推进剂在87%、88%和89%固体含量下的爆轰感度试验，试验结果如图7所示。由图7可看出，当HTPB四组元推进剂的固体含量由89%降低至87%时，验证板被击穿的卡片厚度由29.0 mm降低至28.0 mm，表明随着固体含量的降低，爆轰感度略有减小，这是因为当固体含量降低时，冲击波在传播过程中发生了较大衰减，因此爆轰感度降低。

考虑到固体推进剂的能量性能，固体含量不宜进一步降低。因此，固体含量对爆轰感度有一定影响，但影响较小。

图7 固体含量对爆轰感度的影响

(2)Al含量与爆轰感度的相关性

研究了固体含量为88%、RDX含量为15%、不同铝粉含量HTPB四组元推进剂的爆轰感度试验，试验结果如图8所示。从图8可看出，当Al含量由18%降低至10%时，验证板被击穿的卡片试验厚度由27.4 mm升高为28.0 mm，而当Al含量由10%减少为5%时，验证板被击穿卡片试验厚度由28 mm降低至27.5 mm。因此，Al含量对HTPB四组元推进剂的爆轰感度影响不大。

图8 Al含量对爆轰感度的影响

(3)RDX含量与爆轰感度的相关性

开展了不同RDX含量的卡片试验，确定了爆轰的临界卡片厚度，试验结果如表2所示。

对数据进行处理、归纳后形成RDX含量与爆轰感度的关系，如图9所示。

表2 RDX含量对爆轰感度的影响

图9 RDX含量对爆轰感度的影响

由图9可看出：

(1)RDX含量对HTPB固体推进剂爆轰感度影响显著，随着RDX含量的升高，发生爆轰的临界卡片厚度显著减少，这是因为RDX含量越高，在冲击波压力的作用下，越容易形成爆轰热点。

(2)HTPB四组元固体推进剂发生爆轰的临界RDX含量为11.5%。国外报告指出，18%的RDX含量是固体推进剂爆轰感度的临界值，高于本报告用RDX含量，这主要是因为国外固体推进剂存在如下特点：

(a)采用了晶型完整、缺陷少、粒度均匀的高品质RDX；

(b)配方进行了极配优化；

(c)添加了降感助剂等[9]。

3 结论

(1)对标准中卡片试验的输入冲击波压力进行了标定，输入冲击波压力为7.03 GPa，与国外标准要求一致。

(2)固体推进剂的种类及其配方组成是影响其爆轰感度的主要因素。丁羟三组元推进剂、富燃料推进剂和燃气发生剂不具有爆轰感度；丁羟四组元推进剂和NEPE推进剂在卡片试验中，临界爆轰卡片厚度表现出较大差异性。

(3)在HTPB四组元固体推进剂中，RDX含量是影响其爆轰感度的主要因素，随着RDX含量的升高，固体推进剂的爆轰感度越高，临界炸药含量为11.5%。