固体推进剂安全性评价试验研究

方学谦，王建灵，杨 建，金朋刚



固体推进剂安全性评价试验研究

方学谦，王建灵，杨 建，金朋刚

(西安近代化学研究所，陕西西安，710065)

根据美军标MIL-STD-2105C“非核弹药的危险性评估试验”建立的7种易损性试验方法，对典型固体推进剂进行了易损性试验，得到了典型固体推进剂在不同刺激下响应特性。结果表明推进剂对于刺激源具有选择性，相同配方推进剂在不同刺激源下响应特性不同。

固体推进剂；易损性；危险性；感度

为实现高能量、高燃速要求，固体推进剂中高能、高敏感组分的含量越来越高，但是，一些推进剂在提高性能的同时，对于在生产、运输、贮存和使用过程中可能遇到的危险刺激表现出了相当高的易损性，并伴随产生不被接受的剧烈反应，造成了严重的后果。在严酷的实战环境中，由于推进剂的易损性问题，造成已方武器系统的破坏和人员的伤亡，往往在总损失中占据相当大的比重，在勤务处理中发生的重大意外事故，也给了人们惨痛的教训。所以，针对推进剂在受到热、冲击波、高速撞击、破片和聚能射流的侵彻等等外界刺激的情况，开展引发燃烧、爆炸等事故的可能性和严重程度的研究已经非常重要[1-4]。

本论文在建立的7种易损性试验方法[5-6]基础上，对典型推进剂进行易损性评价，并对其响应特性进行了描述。此外，对典型推进剂在冲击波、静电和撞击3种常见刺激作用下的安全特性进行了研究，为固体推进剂在不同实验条件下危险性级别的划分提供试验证据。通过本文的研究，以期为固体推进剂的制造、运输、贮存和使用中的安全性提供借鉴。

1 试验

1.1 试验样品

本文选取几种常用的典型固体推进剂进行安全性试验研究，分别为浇铸CMDB推进剂和NEPE推进剂，其中浇铸CMDB推进剂分别选择有铝粉和无铝粉两种，均由西安近代化学研究所制备。样品代号及特性见表1。

表1 样品特性

Tab.1 Characters of samples

1.2 易损性试验

火炸药易损特性指火炸药在运输、贮存、勤务处理、训练以及战场使用时，对外界环境刺激如烤燃、冲击波、高速撞击、破片和聚能射流的侵彻等所具有的承受能力。国内外对于评价火炸药易损性的方法种类较多，国内主要依据美军标MIL-STD-2105C 非核弹危险性评估试验建立了快速烤燃试验、慢速烤燃试验、子弹撞击试验、破片撞击试验、殉爆试验、射流撞击试验和热破片撞击试验7项试验方法，并形成了标准。该标准规定了每项试验的试验步骤和合格判据，并将反应程度分为6种类型，从强到弱依次为：Ⅰ类，最猛烈的爆轰反应；Ⅱ类，部分爆轰反应；Ⅲ类，爆炸反应；Ⅳ类，爆燃反应；Ⅴ类，燃烧反应；VI类，未反应（包括不能持续燃烧的反应）。本文按照已建立的试验方法，分别对几种常用的固体推进剂进行了这7种试验研究。

2 试验结果

2.1 快速烤燃试验

快速烤燃试验用于考察推进剂完全被火焰包围后，在快速加热刺激下的响应结果。根据MIL-STD -2105C的要求，在试验过程中，样弹应完全被火焰包围，烤燃试验温度应大于800℃，从点火到550℃所需的时间不大于30s。本文设计的快速烤燃试验燃料槽主要由800mm×800mm×680mm的低槽体和800mm×800mm×280mm的挡风体组成，挡风体位于低槽体的上部，使用全液体燃料。试验弹体外径58mm，长度222mm，壁厚3mm。试验结果见表2，试验装置见图1。

2.2 慢速烤燃试验

慢速烤燃试验用于考察推进剂在慢速加热刺激下的反应程度，试验时将推进剂样品装入用金属材料制成的烤燃弹中，两端用金属端盖密封，在烤燃弹外安装加热套，将烤燃弹以恒定升温速率加热，升温速率为（1.0±0.2）℃/min。一直到被测试样发生响应或温度达到400℃为止，以响应温度和烤燃弹壳体的变形状况评估其慢速烤燃响应特性。模拟烤燃弹体尺寸为外径60mm，长240mm，壁厚3mm。试验结果见表3，试验装置见图2，从试验结果可以看出，除VLN-N外，其余3种推进剂均发生了比燃烧更剧烈的反应。

表2 快速烤燃试验结果

Tab.2 Result of fast cook-off test

图1 快速烤燃试验装置

表3 慢速烤燃试验结果

Tab.3 Results of slow cook-off test

图2 慢速烤燃试验装置

2.3 12.7mm子弹撞击试验

12.7mm子弹撞击试验用于考察推进剂在受到子弹撞击作用后的反应程度。推进剂试样受到子弹的高速撞击及摩擦等作用而发生反应，通过分析试验现象、回收样品残骸、见证板状态及冲击波超压，判断试样响应的等级，从而评价试样受到战场子弹或抛射体攻击后的安全性。使用12.7mm口径穿甲燃烧弹以（850±20）m/s的速度射击带壳体的火炸药试样。试验药量为500g，试样壳体尺寸为：外径58mm，长度222mm，壁厚3mm。试验过程中，子弹撞击样品不同的位置对结果将产生显著影响，为了对推进剂进行详细研究，分别将样品按照与地面呈轴向和径向两种放置方式进行试验，试验结果见表4，试验装置见图3。

表4 子弹撞击试验结果

Tab.4 Results of bullet impact test

图3 子弹撞击试验装置

2.4 冲击波殉爆试验

装药在外界作用下发生意外爆轰时，一定距离内的装药会在主发装药爆轰产物、冲击波和破片的作用下发生反应，该试验用于评价装药在受到相同炸药装药爆轰下不同距离处的响应剧烈程度。殉爆试验装置组成包括以下几个部分：雷管、主发药柱3发、被发药柱2发。试样壳体尺寸Φ58mm×222mm×3mm；两个试样之间距离为（70±2）mm。试验结果见表5，试验装置见图4。

表5 殉爆试验结果

Tab.5 Results of sympathetic detonation test

图4 殉爆试验装置

2.5 射流撞击试验

射流撞击试验用于考察推进剂在受到射流撞击时的反应程度。火炸药装药在受到射流撞击时，由于射流为高温、高速的金属粒子流，火炸药会受到冲击、点火等作用而发生响应。通过见证板、超压等手段可以对火炸药的响应程度进行表征，从而判断火炸药在射流撞击作用下的安全性。试样壳体尺寸为外径为104mm，长度为154mm，壁厚为4mm。标准射流源技术参数为：直径为50mm，采用J0-8炸药压制；46°锥角紫铜药型罩；后端传爆药柱为JH-14炸药压制，并带起爆雷管孔，炸高为90mm；隔板材料为45#钢，尺寸为50mm×85mm。X光计算得到射流平均头部速度为7.9 ~8.1mm/μs，射流头部直径小于5mm。试验结果见表6，试验装置见图5。

表6 射流撞击试验结果

Tab.6 Results of shaped charge jet impact test

图5 射流撞击试验装置

2.6 12.7mm破片撞击试验

12.7mm破片撞击试验用于考察推进剂在高速破片撞击作用下的反应程度。在破片的高速撞击及摩擦等因素作用下，机械能迅速转化为热能，火炸药受热可能发生分解甚至点火、燃烧或爆炸反应。通过观察试验现象、回收样品残骸、观察见证板状态和测量冲击波超压，经综合分析，判断响应的等级，评价试样的安全性。使用直径为12.7mm圆锥软钢体以（1 830 ± 60）m/s的速度撞击带壳体的推进剂试样。试验中破片为直径12.7mm，长度为15.8mm的圆锥形软钢，破片材料为布氏硬度(HB)小于270的软碳钢，锥度20°，破片质量：16g，破片速度：（1 830±60）m/s。试样壳体尺寸直径58mm，长度222mm，壁厚3mm。所得试验结果见表7，试验装置见图6。

表7 破片撞击试验结果

Tab.7 Results of fragment impact test

图6 破片撞击试验装置

2.7 热碎片撞击试验

在射流撞击钢板时，钢板和射流相互作用，会形成不同规格的热碎片，火炸药受到其作用可能发生分解甚至点火、燃烧或爆炸反应，通过见证板、超压等手段可以对试样在热碎片撞击条件下的响应程度进行表征，从而判断炸药在热碎片撞击条件下的安全性。试样壳体尺寸直径58mm，长度222mm，壁厚3mm。试验结果见表8，试验装置见图7。

表8 热碎片撞击试验结果

Tab.8 Results of spall impact test

图7 热碎片撞击试验装置

3 结论

（1）同一种固体推进剂在不同刺激源下响应类型不同，这是因为固体推进剂在受到不同刺激源刺激时，固体推进剂内部点火反应机理不同。这7项易损性刺激从点火机理可分为热点火、冲击点火和两种混合作用，对于热点火中的快速烤燃和慢速烤燃，慢速烤燃易发生比燃烧更剧烈的反应。其他的5项易损性实验中，聚能射流撞击和殉爆，固体推进剂既受到冲击又受到热刺激，结果的响应均易发生爆炸，因此，对于这两项易损性刺激不发生比爆炸更危险的反应为通过。

（2）对于固体推进剂的配方研究，不仅考虑混合固体推进剂配方中各原材料对热刺激和冲击刺激的敏感性，而且要考虑在使用过程中的约束强度，约束强度越强，受到意外刺激时反应越激烈，在使用条件允许的情况下，约束壳体应尽量设有泄压部件。

[1] 李广武.硝酸酯增塑高能推进剂爆炸性能研究[J].固体火箭技术,2000,12(3):44-48.

[2] 刘学.低危险性固体推进剂概念及研究进展[J].固体火箭技术,2002,25(1):33-37.

[3] 王晓峰,王亲会,王宁飞.开展高能固体推进剂危险性分级研究的建议[J].火炸药学报,2003,26(1):56-61.

[4] 居慧宝.固体推进剂危险性分级方法的探讨[J].安全与环境学报,2004(增刊):106-109.

[5] MIL-STD-2105C Hazard assessment tests for non-nuclear munition [S].2003.

[6] Recommendation on the transport of dangerous goods: manual of tests and criteria[S].New York and Geneva：United Nations，2003.

The Experimental Study of Hazard Assessment on Solid Propellant

FANG Xue-qian，WANG Jan-ling，YANG Jian，JIN Peng-gang

（Xi’an Modern Chemistry Research Institute，Xi’an，710065）

The vulnerability of typical solid propellants was studied through seven types of hazard assessment tests, which were established according to MIL-STD-2105C. The response characteristics by different stimulate were obtained. The results show that the solid propellants have the selective under different stimulate, the same formula have the different response characteristics by different stimulate.

Solid propellant；Vulnerability；Hazard；Sensitivity

1003-1480（2017）03-0049-04

TQ560.72

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2017.03.013

2017-03-05

方学谦（1986 -），男，助理工程师，主要从事炸药安全性研究。

总装备部预研基金项目（9140C350504150C35161）。