HTPE钝感推进剂的子弹撞击和快速烤燃特性

2019-03-04庞维强李军强刘芳莉樊学忠付小龙

火炸药学报 2019年1期

吕玺，庞维强，李军强，王可，刘芳莉，樊学忠，付小龙，李焕，杨建

(1.中国人民解放军驻845厂军代室，陕西西安 710302；2.西安近代化学研究所，陕西西安 710065)

引言

战术武器和机载及舰载常规武器等装备的发展，不仅要求固体推进剂具有较高的能量性能，而且要求固体推进剂钝感[1-3]。在推进剂弹药贮存、生产、运输和使用过程中，可能会遇到外界刺激表现出较高的危险性，造成严重的后果，特别是在严酷的作战环境下，固体推进剂作为弹药的重要组成部件以及自身含能材料的危险性，其易损性对整个武器系统的易损性有着至关重要的影响，因而固体推进剂的易损性受到越来越多的重视[4]。发展不敏感推进剂(亦称钝感推进剂)可以显著提高武器系统的安全可靠性能和战场生存能力，对今后武器的发展将产生深远的影响[5-6]。HTPE推进剂具有许多优良性能，可安全用于高速动能弹、超高速导弹等武器系统中，是一类极有发展前途的高能钝感推进剂[7-9]。子弹撞击和烤燃试验作为火炸药装药遭受外部高速冲击和火焰烧烤时出现的如燃烧、爆燃、爆炸和爆轰等响应程度，是评价固体推进剂易损特性的通用方法，受到国内外研究者的广泛关注[10-14]。近年来，国内外对HTPB推进剂的易损性进行了大量研究，其中，Komai等[15]研究了HTPB/AP推进剂的小尺寸慢烤(SCO)特性，结果表明，HTPB/AP推进剂具有较剧烈的慢烤响应程度；陈中娥等[16]研究了HTPB推进剂的热分解行为与慢烤特性的关系，并提出了改善HTPB/AP推进剂慢烤响应特性及技术途径，结果表明，AP热分解形成空隙是影响HTPB推进剂慢烤响应剧烈程度的主要因素；杨后文等[17]通过数值模拟和试验研究了HTPB/AP复合推进剂的快烤特性，结果表明，推进剂热安全性与AP、RDX的粒径和真空安定性有关，粒径越小，真空安定性越差，热安全性越低；Caro R I等[18]采用小尺寸慢烤装置(SCTV)研究了HTPE推进剂的响应特性，结果表明，HTPE推进剂中有机相的软化对慢烤响应特性有重要影响；杨筱等[19]研究了装药尺寸及结构对HTPE推进剂烤燃特性的影响，结果表明，HTPE推进剂的烤燃响应时间、响应温度随升温速率的变化趋势与装药尺寸及结构无关，但响应时间和响应温度的绝对值与装药尺寸及结构均有较大关系。目前，对固体推进剂热安全性的研究主要以小尺寸试验的烤燃实验和热分析为主，对HTPE钝感推进剂的机械安全性能和易损特性(子弹撞击、快速烤燃等)报道较少。

本研究计算了以PET/Bu-NENA为黏合剂体系、AP和Al为固体填料的HTPE(端羟基聚醚)钝感推进剂的理论比冲、特征速度等能量性能，结合推进剂的机械感度研究了HTPE推进剂的子弹撞击和快速烤燃特性，分析了影响HTPE推进剂子弹撞击和快速烤燃响应的因素，为该类推进剂的发动机低易损性设计和应用提供参考。

1 实验

1.1 原材料及仪器

环氧乙烷-四氢呋喃共聚醚(PET)，相对分子质量为5000，黎明化工研究院；N-丁基甲氧乙基硝胺(Bu-NENA)化学纯，黎明化工研究院；2,4-甲苯二异氰酸酯(TDI)化学纯，上海试剂厂；铝粉(Al)，粒径为29.0μm，纯度>99.5%，盖州市金属粉末厂；高氯酸铵(AP)，粒径分别为104～150μm和6～8μm，大连氯酸钾厂。

真空干燥箱，天津市泰斯特仪器有限公司；真空泵，河南省泰康科教仪器厂；2立升行星立式捏合机，西安拓普电气有限责任公司；真空浇铸罐、静态燃速仪、12.7mm子弹撞击试验装置，西安近代化学研究所。

1.2 HTPE推进剂的制备

HTPE推进剂基础配方(质量分数)为：PET/Bu-NENA黏合剂体系，15%；Al，18%；AP，64%，工艺助剂/键合剂，3%。

推进剂采用淤浆浇铸工艺进行制备。将黏合剂、增塑剂等液体组分和Al粉、AP等固体组分依次加入到捏合机中，在50℃循环水浴和真空条件下捏合约80min，捏合结束后在真空条件下将药浆浇铸到设计的发动机壳体中，再移至50℃烘箱中连续固化5d，待用。

1.3 性能测试

机械感度测试：撞击感度采用H3.5-10W落锤式撞击感度仪，按照GJB772A-97标准中601.2试验方法测定推进剂的特性落高(H50)，落锤质量为10kg。每发试验称取(35±1)mg火药，每组试样25发。摩擦感度按照GJB772A-97标准中602.1方法进行测定，摆角(66±1)°，药量(20±1)mg，试验25发。

爆热测试：根据GJB772A-1997方法701.1，采用GR3500型氧弹式量热计根据恒温法在1MPa下的氩气气氛中进行测试。其中，推进剂样品质量约为5g，水当量的测量精度为±0.1%～0.2%，系统测试相对误差小于1%。

燃速测试：采用GJB770B-2005方法706.1燃速靶线法在充氮调压式燃速仪中进行，推进剂制备成5mm×5mm×10cm的样品，用质量分数为8%的聚乙烯醇缩丁醛溶液包覆两遍，燃速压强指数采用Vieille方程u=u1pn计算。

密度测试：根据GJB770B-2005方法401.2测试HTPE推进剂的密度。

1.4 试验壳体设计

推进剂药柱的子弹撞击和快速烤燃试验所用壳体的内径为Φ75mm或Φ50mm的不锈钢壳体，壳体壁厚为2.5mm，壳体内层贴2mm的经固化的三元乙丙橡胶绝热层。其中，HTPE推进剂试样采用两种方式密封：(1)两端均用不锈钢壳密封；(2)一端用不锈钢壳密封，另一端用0.1mm铝薄片封端。

1.5 子弹撞击和快速烤燃试验

推进剂12.7mm子弹撞击试验装置主要由发射装置、测速装置及监控系统组成，可以发射12.7mm制式标准穿甲燃烧弹，子弹撞击试验现场布局图如图1所示。其中，发射装置口径为12.7mm，子弹着靶速度为(850±20)m/s，测速不确定度≤0.3%，试样离枪口距离为30m，射击方向为径向或轴向射击。

图1 HTPE推进剂子弹撞击试验布局图Fig.1 Spot layout photographs of bullet impact test for HTPE propellant

快速烤燃试验[9,18-20]根据《非核弹药的危险性评估试验》MIL-STD-2105C中的STANAG 4240进行。

2 结果与讨论

2.1 HTPE推进剂的能量特性

基于最小自由能原理，采用“能星”能量计算软件计算了HTPE推进剂配方的理论能量性能，测试了其机械感度，并与HTPB复合推进剂进行比较，结果见表1。

从表1可以看出，与HTPB推进剂相比，HTPE推进剂在6.86MPa下的理论比冲为268.0s，实测爆热(7456J/g)和密度(1.812g/cm3)均大于HTPB复合推进剂(6288J/g和1.766g/cm3)，而机械感度较低，其中摩擦感度为0，明显低于HTPB推进剂的摩擦感度(88%)，表明HTPE推进剂可以作为高能钝感推进剂，有望替代HTPB复合推进剂用于钝感的高价值武器平台。

表1 6.86MPa下HTPE和HTPB推进剂的理论能量性能Table 1 Theoretical energetic properties of HTPE and HTPB propellants at 6.86MPa

2.2 HTPE推进剂的燃烧性能

据文献报道[21-22]，含能增塑剂Bu-NENA不仅能提高HTPE推进剂的能量性能，而且对其燃烧性能也有明显影响。本研究对HTPE推进剂的燃烧性能进行了测试，每个压力点测试5次取平均值为第一次测试值，第二次测试值用相同方法，结果见表2。

表2 HTPE推进剂的燃速及燃速压强指数Table 2 Burning rate and pressure exponent of HTPE propellants

从表2可以看出，两次测试的HTPE推进剂在低压下(<7MPa)的燃速结果非常接近，表明该推进剂在低压下可稳定燃烧，而在中压下的燃速结果相对偏差较低压下有所增大，且该推进剂在低压下的燃速压强指数较低，尤其是在4～7MPa下仅为0.16，之后随着压强的增大，燃速压强指数也增加，从0.38增加到0.60，但在整个压强区间(1～18MPa)下的燃速压强指数为0.41，可满足发动机试验要求。

2.3 HTPE推进剂对子弹撞击响应特性

本研究选用12.7mm口径的自动步枪进行子弹撞击试验，结果见图2。

图2 HTPE推进剂的12.7mm子弹撞击试验前后照片Fig.2 Photographs of HTPE propellants before and after the bullet impact tests

HTPE推进剂钝感弹药响应特性的改善，可通过使用与HTPE相容的含能增塑剂，在保持HTPE推进剂能量水平的同时降低其固含量。从图2可以发现，HTPE推进剂子弹撞击试验的响应剧烈程度较低，大多为燃烧反应。在推进剂装药条件相同的条件下，HTPE推进剂在受到不同方向子弹撞击后的响应剧烈程度不同，当采用Φ50mm药柱和径向子弹撞击时，试验结果无反应，见证板完好，壳体被撕裂，壳体内部有大量残药，沿135°方向飞出约3m；当采用Φ50mm药柱和轴向撞击时，试验结果为燃烧反应，见证板完好，壳体被撕裂，沿180°方向飞出约2m；对于Φ75mm药柱，试验结果为燃烧反应，见证板完好，壳体被撕裂，但径向撞击有少量残药，轴向撞击则无残药，可知试样的径向撞击响应剧烈程度明显低于轴向撞击。同为径向撞击，一端设有薄弱部位的HTPE推进剂装药的响应剧烈程度明显低于两端密封的HTPE推进剂装药，这是因为铝薄片封端装药在子弹撞击刺激下，铝薄片作为薄弱部位有利于试验过程中推进剂反应产生的气体的释放，降低了推进剂试样的响应剧烈程度。

2.4 HTPE推进剂对快速烤燃响应特性

依据《非核弹药的危险性评估试验》MIL-STD-2105C中的STANAG 4240方法，将推进剂试样装在模拟弹壳内，悬挂在航空煤油火焰中进行快速烧烤，观察和比较其在快速烤燃刺激下推进剂试样的响应特性，试验结果见图3。

图3 HTPE推进剂的快速烤燃试验前后照片Fig.3 Photographs of HTPE propellants before and after the fast cook-off tests

从试验结果可以发现，HTPE推进剂装药的快速烤燃试验的响应剧烈程度均为燃烧反应，而且对不同装药直径的HTPE推进剂，当其装药直径从Φ75mm减至Φ50mm时，其响应剧烈程度没有发生明显变化，均表现为壳体完整，一个端盖被剪切破坏，另一个端盖鼓包，有完整的残药，一块见证板被撞开一端。对于一端设有薄弱部位的HTPE推进剂，当其装药直径从Φ75mm减至Φ50mm时，其响应均为燃烧反应，但两头端盖被破坏，Φ75mm的见证板变形比Φ50mm严重，快速响应剧烈程度明显低于两端密封的HTPE推进剂装药，这可能是由于HTPE推进剂装药所有壳体均在一个端盖设置有薄弱部位，这种装药结构有利于试验过程中推进剂反应产生气体的释放，从而降低了推进剂的响应剧烈程度。