高压水射流清理NEPE推进剂装药的可行性分析

朱左明，王煊军，韩启龙

（第二炮兵工程大学，陕西西安710025）

引 言

作为一种冷态冲蚀技术，高压水射流在废弃固体火箭发动机中推进剂装药的安全清理上得到了广泛应用［1］。然而，清理作业中高压水射流与固体推进剂之间的近似刚性碰撞在一定条件下可能引起燃烧甚至爆炸，这类事故在美国、德国、乌克兰和中国都有发生，并且其中的点火起爆机理至今尚不明确［2－3］。鉴于高压水射流清理推进剂装药的潜在危险性，工程实际中人们仅将高压水射流用于清理危险系数较低的HTPB推进剂装药或CTPB推进剂装药，并将射流压力控制在50MPa以内、单次清理时间控制在15min以内。而对于危险系数较高的NEPE推进剂装药，目前尚未见到其安全清理方面的文献报道。

本研究从可破碎性和安全性两个方面对高压水射流清理NEPE推进剂装药的可行性进行分析。由于高压水射流清理技术的工作介质为价格低廉的自来水且清理得到的废药废水能够实现全部回收和分类处理，因而具有很好的经济性和环保性。

1 可破碎性分析

将高压水射流用于清理NEPE推进剂装药的基本前提是确保高压水射流对NEPE推进剂装药的有效破碎。影响破碎的因素很多，其中射流压力是影响水射流切割破碎能力的最重要因素。表1为某配方NEPE推进剂的机械强度，以此为依据可以确定水射流清理NEPE推进剂装药的出口压力下限。根据水射流对其他物料的大量试验可知，出口压力越高，切割破碎越容易。当然，清理作业中出于安全性和能效的考虑，不可能对出口压力无限取高。

以20℃时NEPE推进剂装药的抗压强度为其破坏依据，取30、40、50MPa三个出口压力水平，当喷嘴直径、靶距、清理时间分别为0．2mm、20mm、10min时，水射流以三孔旋转喷射方式对NEPE 推进剂装药进行清理，效果如图1所示，各出口压力下相应的质量损失（Δm）和切割深度（h）如表2所示。

图1 水射流对NEPE推进剂装药的清理效果Fig．1 Clearing effect of NEPE propellant under waterjet

表2 NEPE推进剂装药不同压力水射流下的质量损失和切割深度Table 2 Mass loss and cutting depth of NEPE propellant charge under different pressure waterjet

从图1和表2可以看出，30～50MPa的水射流均可实现NEPE推进剂装药的有效破碎，并且射流压力越高，清理效果越好。

2 安全性分析

安全性是高压水射流清理NEPE 推进剂装药的第一要求。清理作业中的危险包括两个方面：一是高压水射流冲击NEPE 推进剂时可能直接发生点火起爆；二是NEPE推进剂装药经水射流破碎后的某些特殊形态可能会发生起爆。

2．1 冲击安全性分析

根据应力波理论，高压水射流对NEPE 推进剂装药的冲击作用可分为动态加载过程和准静态加载过程两个阶段［4］。如图2所示，当高压水射流头部刚刚接触到推进剂装药表面时，界面的状态参数会发生突变并形成水锤压力pH，此为动态加载过程；水锤压力作用于推进剂装药表面的持续时间仅为微秒量级，然后会迅速衰减并基本稳定为滞止压力pS，随着冲击作用的持续，便形成了准静态加载过程。

图2 高压水射流作用下固体推进剂界面的压力变化Fig．2 Pressure change of propellant interface under high pressure waterjet

当水射流冲击马赫数M＝vj／Cw相对较小时，水锤压力pH的计算公式如下［5］：

式中：ρw为水射流的质量密度，1 000kg／m3；Cw为水中的声速，1440m／s；vj为水射流速度，m／s；pj为水射流的出口压力，MPa。

水锤压力的持续时间极短，一般仅为微秒量级，计算公式如下：

式中：rj为射流半径；Cr为释压波传播速度。

由式（1）、（2）计算得到出口压力为50MPa的水射流所产生的水锤压力约为0．455GPa。由于NEPE推进剂装药的可压缩性以及水射流在流程中的速度损耗，实际水锤压力会低于计算结果。

文献［6］给出了滞止压力pS的经验公式：

式中：lf为水射流初始段长度；x 为水射流出口与推进剂表面的轴向距离；a、b为试验常数。

由式（4）、（5）可见，理想情况下，滞止压力等于水射流的出口压力，但由于水射流在流程中的截面扩展、速度损耗以及NEPE 推进剂装药的可压缩性，实际的滞止压力会低于水射流的出口压力。

从化学组成、能量特性、反应热等方面可将NEPE推进剂看作是一种非均质炸药，因而在水射流的冲击压力作用下，其本身既有可能在强力冲击下发生冲击起爆，也有可能由于水射流动能转化成的热能大量聚集或冲击作用引发的局部化学反应大量放热而发生热点火甚至热起爆。

2．1．1 冲击起爆的可能性

在高压水射流对NEPE 推进剂的冲击过程中，水锤压力pH大大高于滞止压力pS，因而本研究首先考察水锤压力作用下发生冲击起爆的可能性，若在水锤压力下存在冲击起爆的可能，再进一步研究滞止压力下发生冲击起爆的可能性。由于在大尺寸推进剂药柱上开展水射流冲击起爆试验既不经济也不现实，因此将通过相似的冲击起爆模型来分析水射流清理NEPE 推进剂装药过程中的冲击起爆的可能性。

（1）飞片冲击起爆模型

平面飞片撞击非均质炸药时，相当于输入一个压力为p、脉宽为τ的近似于方波的压力脉冲；入射冲击波能否引起非均质炸药起爆，取决于压力p、脉宽τ、飞片面积a 和炸药厚度X。含有这几项影响因素并适用于接近临界起爆压力的低压范围的冲击起爆综合判据可以表示为如下形式［7］：

式中：pc为临界起爆压力；K、b、B、m、M、n、N 为实验常数。

当X、a、τ等变量增大到对起爆过程不再有明显影响时，上述冲击起爆综合判据可以化为：

即冲击压力必须大于临界起爆压力，非均质炸药才有可能点火起爆。

由于水射流在高压高速条件下所具有的刚性特征，可以将此冲击起爆判据近似应用于高压水射流冲击NEPE 推进剂。对NEPE 推进剂装药进行拉氏分析实验，得到冲击起爆的临界压力为2～3GPa［7］。而工程实际中高压水射流清理NEPE 推进剂装药的最高工作压力50MPa所产生的水锤压力仅为0．455GPa，明显低于临界起爆压力。同时，水锤压力的脉冲宽度极小，大大限制了NEPE 推进剂装药发生冲击起爆的可能性。

（2）液体射流冲击起爆高能炸药模型

Mader通过实验研究认为，在液体射流冲击下高能炸药能否起爆与液体密度ρ、射流速度v 的平方和射流直径d 有关［9］，即对于某一特定的高能炸药，在液体射流冲击下的起爆判据为：

式中：K 为常数；对于PETN 和HMX，K 值分别为107kg／s2和4×107kg／s2。

假定NEPE 推进剂和高能炸药在液体射流冲击下具有相同的起爆机理，那么便可将此起爆判据近似应用于高压水射流冲击NEPE 推进剂装药。对于NEPE 推进剂，其撞击感度低于PETN 和HMX，其K 值高于PETN 和HMX。由于药柱清理作业中射流速度v 小于350m／s，射流直径d 小于0．01m，因而高压水射流冲击NEPE 推进剂装药的ρv2d 值要小于107kg／s2，即小于其K 值。

通过比较以上两个模型可知，工程中的出口压力在50MPa以内的高压水射流所产生的水锤压力不会造成NEPE推进剂装药的冲击起爆，这样远低于水锤压力的滞止压力更不可能引发冲击起爆，因而可将清理过程中冲击安全性分析的重点集中于热点火、热起爆可能性。

2．1．2 热点火（起爆）的可能性

由于水锤压力作用时间极短，在这一瞬间NEPE推进剂装药中不可能积聚大量的热量，因而水锤的压力作用不会直接导致NEPE 推进剂装药发生热点火或热起爆。而在清理中，滞止压力通常会长时间地作用于NEPE 推进剂装药上的某一局部。这一过程中，水射流的动能会有相当一部分通过NEPE推进剂装药的弹性变形和黏性流动转化为热能。在一定条件下，当热量在NEPE 推进剂装药局部大量积聚时，在一定受热程度下NEPE 推进剂会发生分解反应并放出热量，进入自加热过程。若热量不能及时扩散，开始时较为缓慢的放热反应会在进行到一定程度时骤然加速，使推进剂的能量瞬间释放，发生热点火甚至起爆。

由于目前尚无法实现连续水射流冲击下NEPE推进剂装药温度变化的理论计算和在受热情况下发生热分解反应的定量分析，本研究通过装药清理作业中其内部的温度变化来对准静态加载过程中NEPE推进剂装药的热点火（起爆）危险性加以衡量监测。

NEPE推进剂的放热分解温度约为180℃［10］，减去推进剂生产部门给出的安全系数40℃，NEPE推进剂装药在清理作业的工艺温度不应超过140℃。

由于目前尚无法在射流冲击与热量累积之间建立明确的函数关系，因此通过埋置在NEPE 推进剂样坯内部的温度传感器多次测定50MPa水射流清理作业中其内部的温度变化，典型的温升曲线如图2所示。

图2 50MPa水射流作用下NEPE推进剂装药内部的温升曲线Fig．2 Internal temperature rise curve of NEPE propellant under the 50MPa waterjet action

由图2 可见，推进剂装药内部在50MPa水射流作用下作业面附近的温度逐渐上升并在40℃左右稳定，这一温度约为高压水射流的水温，与前面得到的清理作业工艺温度上限相差约100℃，不会引发NEPE推进剂装药热点火（起爆）。

2．2 次生危险性分析

经水射流冲击破碎后，NEPE 推进剂装药的物理形态发生了很大改变，化学形态也发生一定程度的改变。物理化学形态的改变会使NEPE 推进剂装药的清理作业过程衍生出一些新的危险性。

2．2．1 粉尘爆炸可能性

文献［11］提出了一种可能的固体推进剂在高压水射流作用下的点火模式——粉尘体系点火模式，即固体推进剂在清理作业中可能形成的由粉尘颗粒、气体、水雾等组成的可燃性粉尘云在一定混合浓度下能够被机械火花或静电火花引爆。

针对文献［11］提出的这一点火模式，本研究认为：（1）水射流冲击推进剂装药表面反射形成的水雾非常浓密，对应的空气湿度远远超过100%，且推进剂装药经水射流冲击破碎后的废药粒度尺寸较大（多在1mm 以上），因而很难形成可燃性粉尘云，即使有可能形成这种可燃性粉尘云，也可以使用抽滤吸附设备和喷淋设备及时去除；（2）清理作业中机械火花和静电火花的来源主要集中在水射流设备与发动机壳体的碰撞，这完全可以通过一定的技术手段和安全措施加以避免。

2．2．2 硝酸酯类增塑剂

NEPE推进剂采用硝酸酯类增塑剂，主要为硝化甘油（NG）、1，2，4－丁三醇三硝酸酯（BTTN）、三羟甲基乙烷三硝酸酯（TMETN）、二缩三乙二醇二硝酸酯（TEGDN）、一缩二乙二醇二硝酸酯（DEGDN）以及它们的混合物。这类有机含氮化合物既能提高推进剂的能量又能改善推进剂的力学性能，但同时具有很强的爆炸性，蒋大勇［12］提出在水射流冲刷下NEPE 推进剂中的硝酸酯类增塑剂可能会脱离原有的固化体系裸露出来并造成燃烧或爆炸危险性。

事实上，NEPE推进剂采用的硝酸酯类增塑剂均不溶或难溶于水，其他组分也仅有AP易溶于水，因而经过水射流清理后，射流用水仅能从NEPE 推进剂装药中萃取出少部分AP，并不能萃取出其他组分，故清理废水不存在燃烧或爆炸的危险性。另外，清理得到的废药的粒径尺寸并不微小，其细观结构仍与原来的NEPE 推进剂装药基本相同，且其中硝酸酯类增塑剂并未脱离原来的固化体系，因而废药的燃烧或爆炸危险性与原来的NEPE 推进剂装药相比没有显著变化。

3 结 论

（1）以20℃时NEPE推进剂装药的抗压强度为其破坏依据，通过清理实验验证30～50MPa的水射流均可实现NEPE推进剂装药的有效破碎，并且射流压力越高，清理效果越好。

（2）在小于50MPa以内的水射流作用下NEPE推进剂装药不会发生冲击起爆和热点火（起爆）；清理过程中不可能发生粉尘爆炸，硝酸酯类增塑剂在清理后不会脱离原有的固化体系而使废药呈现出更高的危险性。

（3）现有的严格控制射流压力和清理时间的高压水射流清理技术可以用于NEPE 推进剂装药的清理。与HTPB推进剂相比NEPE 推进剂的危险性更高，因此在清理过程中须严格防止水射流清理之外的其他因素对清理过程构成潜在危险。

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