p(BAMO-AMMO)熱塑性高能推進劑燃燒轉爆轟試驗研究

張　超，趙鳳起,金朋剛，宋秀鐸，馬　亮，秦　能，曹　鵬，李宏巖,陳俊波，袁志鋒

(西安近代化學研究所 燃燒與爆炸技術重點實驗室， 陜西 西安 710065)

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p(BAMO-AMMO)熱塑性高能推進劑燃燒轉爆轟試驗研究

張超，趙鳳起,金朋剛，宋秀鐸，馬亮，秦能，曹鵬，李宏巖,陳俊波，袁志鋒

(西安近代化學研究所 燃燒與爆炸技術重點實驗室， 陜西 西安 710065)

采用燃燒轉爆轟(DDT)管法研究了p(BAMO-AMMO)熱塑性推進劑主要固體組分RDX和AP含量、AP粒度及級配等對其燃燒轉爆轟響應規律的影響。結果表明，在相同試驗條件下，含質量分數65%AP的p(BAMO-AMMO)推進劑發生了燃燒轉爆轟響應，而含等量RDX的p(BAMO-AMMO)推進劑僅發生了燃燒反應。當RDX質量分數從65%增加到85%時，樣品由燃燒反應變為燃燒轉爆轟反應。含等量細粒度(d50=1.0μm)AP的推進劑發生燃燒轉爆轟的傾向較含粗粒度AP(d50=105μm)的低。當粗、細AP以質量比為10∶3級配時，p(BAMO-AMMO)推進劑未發生燃燒轉爆轟反應。

固體推進劑；p(BAMO-AMMO)；燃燒轉爆轟；DDT；熱塑性高能推進劑

引　言

燃燒轉爆轟(DDT)是固體推進劑危險性能的一項重要指標[1]，研究其規律對新型高能推進劑的制造安全、實驗、運輸、使用以及燃燒性能的控制等均具有重要意義[2]，也是固體推進劑研究的熱點。Krier H等[3]對燃燒轉爆轟的形成過程作了深入研究，認為爆轟是由加速的對流燃燒引起試樣的局部“熱爆炸”產生的；Price.D等[4]研究了雙基高能推進劑的燃燒轉爆轟機理，發現壓力在很短時間內的突變能誘發試樣的爆轟；秦能等[5]對雙基推進劑、改性雙基推進劑、復合推進劑的燃燒轉爆轟進行了試驗研究，探索了影響固體推進劑發生燃燒轉爆轟的因素；趙孝彬[6]、賈瑞祥等[7]對NEPE推進劑的燃燒轉爆轟特性進行了試驗研究和理論分析，認為NEPE推進劑在混合過程中存在燃燒轉爆轟的可能性,在弱的約束條件下由于側向稀疏作用，推進劑較難發生由燃燒到爆轟的轉變；劉德輝等[8]研究了HMX對丁羥復合推進劑燃燒轉爆轟特性的影響，發現 HMX的加入增加了推進劑發生燃燒轉爆轟的能力；董樹南等[9]研究了含ACP改性雙基推進劑的燃燒轉爆轟特性，認為在改性雙基推進劑中添加快燃物能夠增大其燃燒轉爆轟的傾向；陳曉明等[10]對單、雙、三基發射藥進行了燃燒轉爆轟試驗，結果表明，加強約束條件更易使發射藥發生燃燒轉爆轟。

新型p(BAMO-AMMO)熱塑性高能推進劑是當今高能推進劑發展的重要方向[11-16]，該類推進劑配方體系采用新型含能熱塑性彈性體，配方中的固體質量分數達50%～90%。目前對該類推進劑的安全性研究，特別是燃燒轉爆轟性能研究較少。推進劑的危險性是推進劑能否使用的關鍵性能，主要表現在其爆轟危險性[17]。為了掌握該類推進劑的燃燒轉爆轟規律，加速該類新型高能推進劑的安全應用，本研究采用DDT管法對p(BAMO-AMMO)熱塑性推進劑燃燒轉爆轟反應規律進行了試驗研究，研究了主要固體組分RDX和AP的含量、AP粒度及級配等對其燃燒轉爆轟響應規律的影響，以期為該類高能推進劑的安全制備及應用提供依據。

1　實　驗

1.1材料、儀器及試驗裝置

3，3-二疊氮甲基氧雜環丁烷( BAMO)與3-甲基-3-疊氮甲氧基氧雜環丁烷( AMMO)嵌段共聚物p(BAMO-AMMO)，數均相對分子質量25000，西安近代化學研究所；RDX，甘肅銀光化學工業集團有限公司;高氯酸銨(AP)，粒徑(d50)分別為105μm和1.0μm，西安航天化學動力廠;黑火藥，山西北方晉東化工有限公司。

MP型不定時序爆速測試儀，江西東華計量測試研究所。樣品管為無縫鋼管，內徑40mm,長500mm,壁厚4.0mm；鋼管兩端用螺帽封閉，一端螺帽有直徑2mm的孔用于穿點火線。

試驗裝置示意圖見圖1。電離探針主要由絕緣材料隔開的同軸金屬芯和金屬套構成,其導通是依靠裝藥發生化學反應時產生的正負離子。各電離探針的孔間距均為40mm，1號電離探針孔距裝藥點火端距離為50mm。

圖1　燃燒轉爆轟裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of deflagration-to-detonation transition test equipment

1.2p(BAMO-AMMO)推進劑藥柱的制備

p(BAMO-AMMO)推進劑樣品配方見表1。

表1　p(BAMO-AMMO)推進劑樣品配方

將p(BAMO-AMMO)在無水乙醇中溶解后加入捏合機內，在50℃下捏合20min,然后加入RDX或AP及工藝助劑，在此溫度下捏合2h，出料后由油壓機壓伸成Φ39.80mm×450mm的藥柱。將藥柱在50℃烘箱內干燥、驅溶7d，得到試驗樣品。

1.3性能測試

按照GJB770B-2005方法706.1測試BA-1和BA-4樣品在6～18MPa下的燃速；采用最小二乘法計算燃速壓強指數；按照GJB770B-2005方法401.2測試密度。

藥床位置(x)和導通時刻(t)采用電離探針記錄。利用Origin軟件對x和t作圖可得x-t關系曲線。

1.4實驗過程及判據

將試驗樣品和點火藥(黑火藥)裝進樣品管中。將點火線從DDT管上堵頭的孔中穿出，擰緊上堵蓋。為了更好收集試驗響應后的證據，防止樣品管碎片被爆轟波拋射得太遠，將裝配好的樣品管平放在預先挖好的沙坑中，連接電離探針與爆速測試儀，連接點火線路。點火,記錄爆速、藥床位置(x)和導通時刻(t)，觀察試驗現象,并收集殘片殘藥。

研究表明[18]，推進劑發生燃燒轉爆轟時，樣品管內瞬間的壓強可高達106～109Pa，因此，在燃燒轉爆轟試驗研究中，一般通過對樣品管殘片及周圍環境的破壞程度等綜合因素分析來判斷是否發生了燃燒轉爆轟，如果發生了燃燒轉爆轟，樣品管會被炸為碎片且被拋射到較遠的距離；如果裝藥僅發生燃燒反應，樣品管一般只會被撕裂成較大的條塊，管中也不會形成穩定爆速。本研究規定樣品管炸碎或試驗中測得穩定爆速，表示發生了燃燒轉爆轟。

2　結果與分析

2.1p(BAMO-AMMO)推進劑DDT響應結果

p(BAMO-AMMO)推進劑DDT響應特性如表2和圖2所示，x-t曲線如圖3所示。

表2　p(BAMO-AMMO)推進劑DDT試驗結果

圖2　p(BAMO-AMMO)推進劑樣品的DDT試驗結果Fig.2　DDT test results of p(BAMO-AMMO)propellant samples

圖3　p(BAMO-AMMO)推進劑的x-t關系曲線Fig.3　The x-t curves of p(BAMO-AMMO) propellants

2.2固體組分種類及RDX含量對p(BAMO-AMMO)推進劑燃燒轉爆轟響應的影響

由圖2和圖3可知，含質量分數65%RDX的BA-1樣品點火后，DDT管被撕裂成較大條塊，x-t曲線未見明顯拐點，表明樣品BA-1未發生燃燒轉爆轟反應。含等量AP的BA-4樣品反應后，DDT管均被炸成碎塊，沙坑周圍的沙土向四周呈噴灑狀，沙袋被炸裂，x-t曲線在藥床180mm處出現明顯拐點，可判斷BA-4樣品發生了燃燒轉爆轟反應。可見，推進劑固體組分種類是影響其發生燃燒轉爆轟響應的重要因素。

推進劑由燃燒轉為爆轟一般可分為壓縮波形成期、沖擊波形成期和沖擊轉爆轟期3個階段[19]。其中壓縮波形成期是發生DDT反應的關鍵，在這一階段推進劑被點燃后火焰區產生的氣體不能很快排出，在燃燒波陣面后產生急劇的壓力增長，使推進劑由平行層燃燒轉變為對流燃燒，壓力進一步激增形成壓縮波。推進劑的燃速越高、燃速壓強指數及氧平衡系數越大，其燃燒速率增加越快，DDT管內壓力上升梯度(dp/dt)就越大，越有利于壓縮波的形成和發展,壓力驟增形成的壓縮波穿過燃燒波陣面進入未燃的藥床后疊加形成沖擊波，最后沖擊波強度達到某一臨界值則誘發爆轟。

表3為樣品BA-1和BA-4的燃燒性能測試結果。

由于RDX的氧平衡小于AP(二者的氧平衡值分別為0.216和0.342[20]),由表3可知,含AP的p(BAMO-AMMO)推進劑的燃速及壓強指數大于含RDX的p(BAMO-AMMO)推進劑。因此，含AP的p(BAMO-AMMO)推進劑發生了燃燒轉爆轟反應。

表3　樣品BA-1和BA-4的燃燒性能及密度測試結果

由圖3可看出，當RDX質量分數從65%增加到75%時，BA-2樣品的x-t曲線斜率增大，但曲線變化比較平緩，沒有明顯拐點，說明僅發生了燃燒反應；當RDX質量分數增至85%時，BA-3樣品的x-t曲線在藥床240mm處出現拐點，發生突變，急劇變陡，另外從試驗后回收的DDT管殘片及沙坑、沙袋的破壞程度來看(見圖2(c))，推進劑發生了燃燒轉爆轟反應，說明隨著RDX含量增加，推進劑發生燃燒轉爆轟的傾向增大，分析原因可能隨著RDX含量的增加，配方中的p(BAMO-AMMO)含量減少，其對RDX在外力作用下所起到的緩沖、潤滑作用降低，RDX顆粒間在壓實過程中局部形成“熱點”的概率增加。

2.3AP粒度及級配對p(BAMO-AMMO)推進劑燃燒轉爆轟響應的影響

比較圖3中BA-4和BA-5樣品的x-t曲線可知，含粗粒度AP(粒度為105μm)的BA-4樣品的x-t曲線拐點出現在藥床180mm處，含細粒度AP(粒度為1.0μm)的BA-5樣品的x-t曲線拐點出現在藥床220mm處，可見AP粒度對推進劑發生燃燒轉爆轟的傾向也有影響，含等量細粒度AP的p(BAMO-AMMO)推進劑發生燃燒轉爆轟的傾向較含粗粒度AP的小。

p(BAMO-AMMO)推進劑中所含AP粒徑減小，其發生燃燒轉爆轟的傾向也變小，這可能與不同粒徑顆粒造成推進劑中的孔隙不同有關。推進劑中固體顆粒的粒徑越大，這些堆積顆粒間的孔隙就越大，推進劑點火后形成的高壓壓縮波會在孔隙間發生多次反射與撞擊造成孔隙塌陷，孔隙中的氣體受到壓縮形成局部“熱點”，隨著熱點的迅速增多使某處藥床突然發生熱爆炸誘發爆轟。細粒度AP可以有效降低推進劑中的孔隙數目及其大小，從而減少“熱點”的形成。由圖3可知，含細粒度AP的推進劑僅僅是發生爆轟反應的藥床位置后移，其和含粗粒度AP的推進劑最終響應結果相同，均發生了爆轟反應。這可能是因為雖然細顆粒降低了推進劑中的孔隙率，但細顆粒的比表面積卻增大，文獻[21]認為，比表面積越大的含能材料表觀活化能越低，在熱分解過程中反應速率常數增加，質量燃耗率增大，最終導致爆轟反應的發生。

由圖3也可看出，當粗、細AP顆粒以質量比為10∶3級配時，BA-6樣品x-t曲線變化較平緩，沒有出現明顯拐點，未發生爆轟響應，說明粗粒度AP與細粒度AP級配后可以有效阻止推進劑發生燃燒轉爆轟反應。

粗粒度AP與細粒度AP按一定比例級配后，細粒度AP可以進入大顆粒AP堆積形成的孔隙中，形成較好的填充作用，使得推進劑在受到外界強壓時形成“熱點”的數目大大減少，發生熱爆炸的概率大大降低，因而，推進劑就不易發生爆轟響應。為了降低推進劑發生燃燒轉爆轟的傾向，提高推進劑的安全性，在選擇AP時，盡量采用級配的形式。

3　結　論

(1)推進劑配方組分及含量是影響其發生燃燒轉爆轟響應的重要因素。相同試驗條件下含質量分數65%AP的p(BAMO-AMMO)推進劑發生了燃燒轉爆轟響應，而含等量RDX的p(BAMO-AMMO)推進劑僅發生了燃燒反應；隨著配方中RDX含量的增加，p(BAMO-AMMO)推進劑發生燃燒轉爆轟的傾向增加，當RDX質量分數從65%增加到85%時，樣品由燃燒反應變為燃燒轉爆轟響應。

(2)AP粒度及級配對p(BAMO-AMMO)推進劑燃燒轉爆轟響應有明顯的影響，含等量細粒度AP推進劑發生燃燒轉爆轟的傾向較含粗粒度的低;細粒度AP與粗粒度AP級配，能夠有效降低p(BAMO-AMMO)推進劑發生燃燒轉爆轟的傾向。當粗、細AP以質量比10∶3級配時，p(BAMO-AMMO)推進劑未發生燃燒轉爆轟反應。

(3)p(BAMO-AMMO)推進劑在一定條件下，特別是其質量燃耗率較大時容易發生燃燒轉爆轟反應，應加強該類推進劑研發、制造、實驗、運輸、使用等過程的安全防護。

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Experimental Study on Deflagration to Detonation Transition (DDT) in p(BAMO-AMMO) Thermoplastic High Energy Propellants

ZHANG Chao,ZHAO Feng-qi , JIN Peng-gang,SONG Xiu-duo, MA Liang,QIN Neng, CAO Peng,LI Hong-yan, CHEN Jun-bo,YUAN Zhi-feng

(Science and Technology on Combustion and Explosion Laboratory，Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China)

The effects of contents of main componens RDX and AP for p(BAMO-AMMO) thermoplastic high energy propellants, AP sizes and gradation on the response law of deflagration to detonation transition (DDT) were investigated by DDT tube method. The results show that under the same experimental conditions, the DDT response takes place in propellants containing 65%(mass fraction) AP ,while the popellants containing equal amount of RDX only occur combustion reaction. When the mass fraction of RDX increases from 65% to 85%, the sample occurs transfortion from combustion reaction to DDT reaction. The trendency of DDT occurrence for propellant containing equal amount of fine AP withd50=1.0μm is lower than that of propellant containing coarse AP withd50=105μm. When the mass ratio of coarse and fine AP gradation is 10∶3, the DDT reaction of p(BAMO-AMMO) propellant does not happen.

solid propellant; p(BAMO-AMMO);deflagration to detonation transition;DDT;thermoplastic high energy propellant

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.04.018

2016-01-05；

2016-02-24

火炸藥燃燒國防科技重點實驗室基金項目(9140C350404140C35162)

張超(1975-)，男，碩士，副研究員，從事固體推進劑配方與工藝技術研究。

TJ55;V512

A

1007-7812(2016)04-0092-05