约束强度对典型推进剂冲击波感度的影响研究

2015-07-01王建灵金朋刚李鸿宾

兵器装备工程学报 2015年4期

王建灵，金朋刚，郭炜，杨建，李鸿宾

(西安近代化学研究所，西安 710065)

对于推进剂冲击起爆的安全评价，国内研究者进行了大量的仿真模拟研究［2-5］，但是关于不同尺寸或不同约束条件下推进剂冲击起爆特性的实验研究，目前相关研究成果报道的较少，而固体推进剂的危险性，人们传统的认识是易发生燃烧而不能发生整体爆轰，但对于高能固体推进剂而言，推进剂中含有大量的高能炸药，高能炸药本身具有较高的冲击波感度［6］，因此，如何保证高能炸药在制造、运输、装卸等各环节中的冲击安全性，是人们非常关注的问题，本文主要是通过研究推进剂试样在不同约束条件下冲击波感度的变化来分析典型推进剂冲击起爆的增长特性。

1 实验

1.1 试样选取

选取2 种典型推进剂，一种为双基推进剂，另一种名称为FG-20 推进剂，配方组成见表1。

表1 实验样品配方组分%

1.2 实验器材

PVC 样品管:外径(40 ±1)mm，厚(2.0 ±0.1)mm，长(140 ±5)mm 的PVC 塑料管。

A3 钢样品管:外径(48 ±1)mm，厚(6.0 ±0.1)mm，长(140 ±5)mm 的冷轧无缝钢管。样品:Φ36 mm ×140 mm。主发药柱:采用压装TNT/PETN(50/50)，直径(50.0 ±0.1)mm，长(50.0 ±0.1)mm，密度(1.630 ±0.005 g·cm-3)。验证板:Φ70 mm×35 mm 的45#钢板。隔板:直径50 mm，厚度为100、50、20、10、5、2 和1 mm 的有机玻璃板。雷管:8#工业瞬发电雷管。

实验装置:冲击波感度实验装置示意图见图1。

图1 冲击波感度实验装置示意图

2 结果分析

两种推进剂的冲击波感度测试采用标准隔板试验方法。样品管分为无约束、PVC 塑料管和A3 钢管3 种状态。样品反应结果是根据钢管的破裂形式和验证板凹坑深度评估的，两种推进剂冲击波感度测试结果见表2 和表3。由表2 可见，双基推进剂在3 种约束状态下50%爆轰临界隔板值不变，即双基推进剂冲击波感度在有无约束时没有明显变化，这是因为双基推进剂配方体系中含有对冲击波较为敏感的含能材料RDX 和NG，当双基推进剂受到冲击压缩时，均匀分布于推进剂体系中细小颗粒RDX 和NG 首先产生热分解，由于反应的放热性使RDX 和NG 周围的物质温度升高。当温度超过该物质爆发点时，局部发生爆燃，最后发展到整体爆轰。由于反应非常迅速，产物扩散对反应区的影响较小，或者不影响［7-8］，因此双基推进剂壳体的约束程度不影响冲击波感度。

由表3 可见，约束强度明显影响FG -20 推进剂的冲击波感度。这是因为FG-20 推进剂体系中，AP 含量为73%，Al 含量为12.3%，其它为14%，当FG -20 推进剂受到冲击压缩时，使AP 区域内的试样温度升高形成热点，在热点处发生热分解，当热点处的温度达到足够高时，就会发生整体爆炸。受到冲击波作用的推进剂有燃烧转向爆轰的转变依赖于推进剂试样的化学反应释放的能量的增加速率与稀疏波引起的能量的损失之间的竞争［9］。若化学反应的能量释放速率大于能量损失速率，只要药柱直径足够大(或约束强度足够强)、长度足够长总是能成长为爆轰。在隔板冲击起爆条件下，控制起爆过程的因素主要有两个，即入射冲击波压力和压力脉冲持续时间。由于FG -20 推进剂药柱长度为140 mm，这就保证了足够的轴向压力持续时间，所以影响起爆过程的因素实际上主要是入射冲击波压力和侧向能量损失造成的侧向持续时间这2 个因素，当约束强度增强时，药柱轴心处的压力受侧向稀疏波的影响也随之减小。因此，随着约束强度的增加，FG -20 推进剂就越容易被起爆。而当约束强度减弱时，轴心处的压力值受到侧向、背后稀疏波作用随之加大，也就是说轴心处的能量损失随之加大，当能量损失速率超过了推进剂化学反应的能量释放速率，于是推进剂最终无法传递爆轰［10］。