HTPE鈍感推進劑的子彈撞擊和快速烤燃特性

呂 璽，龐維強，李軍強，王 可，劉芳莉，樊學忠，付小龍，李 煥，楊 建

(1.中國人民解放軍駐845廠軍代室，陜西 西安 710302；2.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

引 言

戰術武器和機載及艦載常規武器等裝備的發展，不僅要求固體推進劑具有較高的能量性能，而且要求固體推進劑鈍感[1-3]。在推進劑彈藥貯存、生產、運輸和使用過程中，可能會遇到外界刺激表現出較高的危險性，造成嚴重的后果，特別是在嚴酷的作戰環境下，固體推進劑作為彈藥的重要組成部件以及自身含能材料的危險性，其易損性對整個武器系統的易損性有著至關重要的影響，因而固體推進劑的易損性受到越來越多的重視[4]。發展不敏感推進劑(亦稱鈍感推進劑)可以顯著提高武器系統的安全可靠性能和戰場生存能力，對今后武器的發展將產生深遠的影響[5-6]。HTPE推進劑具有許多優良性能，可安全用于高速動能彈、超高速導彈等武器系統中，是一類極有發展前途的高能鈍感推進劑[7-9]。子彈撞擊和烤燃試驗作為火炸藥裝藥遭受外部高速沖擊和火焰燒烤時出現的如燃燒、爆燃、爆炸和爆轟等響應程度，是評價固體推進劑易損特性的通用方法，受到國內外研究者的廣泛關注[10-14]。近年來，國內外對HTPB推進劑的易損性進行了大量研究，其中，Komai等[15]研究了HTPB/AP推進劑的小尺寸慢烤(SCO)特性，結果表明，HTPB/AP推進劑具有較劇烈的慢烤響應程度；陳中娥等[16]研究了HTPB推進劑的熱分解行為與慢烤特性的關系，并提出了改善HTPB/AP推進劑慢烤響應特性及技術途徑，結果表明，AP熱分解形成空隙是影響HTPB推進劑慢烤響應劇烈程度的主要因素；楊后文等[17]通過數值模擬和試驗研究了HTPB/AP復合推進劑的快烤特性，結果表明，推進劑熱安全性與AP、RDX的粒徑和真空安定性有關，粒徑越小，真空安定性越差，熱安全性越低；Caro R I等[18]采用小尺寸慢烤裝置(SCTV)研究了HTPE推進劑的響應特性，結果表明，HTPE推進劑中有機相的軟化對慢烤響應特性有重要影響；楊筱等[19]研究了裝藥尺寸及結構對HTPE推進劑烤燃特性的影響，結果表明，HTPE推進劑的烤燃響應時間、響應溫度隨升溫速率的變化趨勢與裝藥尺寸及結構無關，但響應時間和響應溫度的絕對值與裝藥尺寸及結構均有較大關系。目前，對固體推進劑熱安全性的研究主要以小尺寸試驗的烤燃實驗和熱分析為主，對HTPE鈍感推進劑的機械安全性能和易損特性(子彈撞擊、快速烤燃等)報道較少。

本研究計算了以PET/Bu-NENA為黏合劑體系、AP和Al為固體填料的HTPE(端羥基聚醚)鈍感推進劑的理論比沖、特征速度等能量性能，結合推進劑的機械感度研究了HTPE推進劑的子彈撞擊和快速烤燃特性，分析了影響HTPE推進劑子彈撞擊和快速烤燃響應的因素，為該類推進劑的發動機低易損性設計和應用提供參考。

1 實 驗

1.1 原材料及儀器

環氧乙烷-四氫呋喃共聚醚(PET)，相對分子質量為5000，黎明化工研究院；N-丁基甲氧乙基硝胺(Bu-NENA)化學純，黎明化工研究院；2,4-甲苯二異氰酸酯(TDI)化學純，上海試劑廠；鋁粉(Al)，粒徑為29.0μm，純度>99.5%，蓋州市金屬粉末廠；高氯酸銨(AP)，粒徑分別為104～150μm和6～8μm，大連氯酸鉀廠。

真空干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；真空泵，河南省泰康科教儀器廠；2立升行星立式捏合機，西安拓普電氣有限責任公司；真空澆鑄罐、靜態燃速儀、12.7mm子彈撞擊試驗裝置，西安近代化學研究所。

1.2 HTPE推進劑的制備

HTPE推進劑基礎配方(質量分數)為：PET/Bu-NENA黏合劑體系，15%；Al，18%；AP，64%，工藝助劑/鍵合劑，3%。

推進劑采用淤漿澆鑄工藝進行制備。將黏合劑、增塑劑等液體組分和Al粉、AP等固體組分依次加入到捏合機中，在50℃循環水浴和真空條件下捏合約80min，捏合結束后在真空條件下將藥漿澆鑄到設計的發動機殼體中，再移至50℃烘箱中連續固化5d，待用。

1.3 性能測試

機械感度測試：撞擊感度采用H3.5-10W落錘式撞擊感度儀，按照GJB772A-97標準中601.2試驗方法測定推進劑的特性落高(H50)，落錘質量為10kg。每發試驗稱取(35±1)mg火藥，每組試樣25發。摩擦感度按照GJB772A-97標準中602.1方法進行測定，擺角(66±1)°，藥量(20±1)mg，試驗25發。

爆熱測試：根據GJB772A-1997方法701.1，采用GR3500型氧彈式量熱計根據恒溫法在1MPa下的氬氣氣氛中進行測試。其中，推進劑樣品質量約為5g，水當量的測量精度為±0.1%～0.2%，系統測試相對誤差小于1%。

燃速測試：采用GJB770B-2005方法706.1燃速靶線法在充氮調壓式燃速儀中進行，推進劑制備成5mm×5mm×10cm的樣品，用質量分數為8%的聚乙烯醇縮丁醛溶液包覆兩遍，燃速壓強指數采用Vieille方程u=u1pn計算。

密度測試：根據GJB770B-2005方法401.2測試HTPE推進劑的密度。

1.4 試驗殼體設計

推進劑藥柱的子彈撞擊和快速烤燃試驗所用殼體的內徑為Φ75mm或Φ50mm的不銹鋼殼體，殼體壁厚為2.5mm，殼體內層貼2mm的經固化的三元乙丙橡膠絕熱層。其中，HTPE推進劑試樣采用兩種方式密封：(1)兩端均用不銹鋼殼密封；(2)一端用不銹鋼殼密封，另一端用0.1mm鋁薄片封端。

1.5 子彈撞擊和快速烤燃試驗

推進劑12.7mm子彈撞擊試驗裝置主要由發射裝置、測速裝置及監控系統組成，可以發射12.7mm制式標準穿甲燃燒彈，子彈撞擊試驗現場布局圖如圖1所示。其中，發射裝置口徑為12.7mm，子彈著靶速度為(850±20)m/s，測速不確定度≤0.3%，試樣離槍口距離為30m，射擊方向為徑向或軸向射擊。

圖1 HTPE推進劑子彈撞擊試驗布局圖Fig.1 Spot layout photographs of bullet impact test for HTPE propellant

快速烤燃試驗[9,18-20]根據《非核彈藥的危險性評估試驗》MIL-STD-2105C中的STANAG 4240進行。

2 結果與討論

2.1 HTPE推進劑的能量特性

基于最小自由能原理，采用“能星”能量計算軟件計算了HTPE推進劑配方的理論能量性能，測試了其機械感度，并與HTPB復合推進劑進行比較，結果見表1。

從表1可以看出，與HTPB推進劑相比，HTPE推進劑在6.86MPa下的理論比沖為268.0s，實測爆熱(7456J/g)和密度(1.812g/cm3)均大于HTPB復合推進劑(6288J/g和1.766g/cm3)，而機械感度較低，其中摩擦感度為0，明顯低于HTPB推進劑的摩擦感度(88%)，表明HTPE推進劑可以作為高能鈍感推進劑，有望替代HTPB復合推進劑用于鈍感的高價值武器平臺。

表1 6.86MPa下HTPE和HTPB推進劑的理論能量性能Table 1 Theoretical energetic properties of HTPE and HTPB propellants at 6.86MPa

2.2 HTPE推進劑的燃燒性能

據文獻報道[21-22]，含能增塑劑Bu-NENA不僅能提高HTPE推進劑的能量性能，而且對其燃燒性能也有明顯影響。本研究對HTPE推進劑的燃燒性能進行了測試，每個壓力點測試5次取平均值為第一次測試值，第二次測試值用相同方法，結果見表2。

表2 HTPE推進劑的燃速及燃速壓強指數Table 2 Burning rate and pressure exponent of HTPE propellants

從表2可以看出，兩次測試的HTPE推進劑在低壓下(<7MPa)的燃速結果非常接近，表明該推進劑在低壓下可穩定燃燒，而在中壓下的燃速結果相對偏差較低壓下有所增大，且該推進劑在低壓下的燃速壓強指數較低，尤其是在4～7MPa下僅為0.16，之后隨著壓強的增大，燃速壓強指數也增加，從0.38增加到0.60，但在整個壓強區間(1～18MPa)下的燃速壓強指數為0.41，可滿足發動機試驗要求。

2.3 HTPE推進劑對子彈撞擊響應特性

本研究選用12.7mm口徑的自動步槍進行子彈撞擊試驗，結果見圖2。

圖2 HTPE推進劑的12.7mm子彈撞擊試驗前后照片Fig.2 Photographs of HTPE propellants before and after the bullet impact tests

HTPE推進劑鈍感彈藥響應特性的改善，可通過使用與HTPE相容的含能增塑劑，在保持HTPE推進劑能量水平的同時降低其固含量。從圖2可以發現，HTPE推進劑子彈撞擊試驗的響應劇烈程度較低，大多為燃燒反應。在推進劑裝藥條件相同的條件下，HTPE推進劑在受到不同方向子彈撞擊后的響應劇烈程度不同，當采用Φ50mm藥柱和徑向子彈撞擊時，試驗結果無反應，見證板完好，殼體被撕裂，殼體內部有大量殘藥，沿135°方向飛出約3m；當采用Φ50mm藥柱和軸向撞擊時，試驗結果為燃燒反應，見證板完好，殼體被撕裂，沿180°方向飛出約2m；對于Φ75mm藥柱，試驗結果為燃燒反應，見證板完好，殼體被撕裂，但徑向撞擊有少量殘藥，軸向撞擊則無殘藥，可知試樣的徑向撞擊響應劇烈程度明顯低于軸向撞擊。同為徑向撞擊，一端設有薄弱部位的HTPE推進劑裝藥的響應劇烈程度明顯低于兩端密封的HTPE推進劑裝藥，這是因為鋁薄片封端裝藥在子彈撞擊刺激下，鋁薄片作為薄弱部位有利于試驗過程中推進劑反應產生的氣體的釋放，降低了推進劑試樣的響應劇烈程度。

2.4 HTPE推進劑對快速烤燃響應特性

依據《非核彈藥的危險性評估試驗》MIL-STD-2105C中的STANAG 4240方法，將推進劑試樣裝在模擬彈殼內，懸掛在航空煤油火焰中進行快速燒烤，觀察和比較其在快速烤燃刺激下推進劑試樣的響應特性，試驗結果見圖3。

圖3 HTPE推進劑的快速烤燃試驗前后照片Fig.3 Photographs of HTPE propellants before and after the fast cook-off tests

從試驗結果可以發現，HTPE推進劑裝藥的快速烤燃試驗的響應劇烈程度均為燃燒反應，而且對不同裝藥直徑的HTPE推進劑，當其裝藥直徑從Φ75mm減至Φ50mm時，其響應劇烈程度沒有發生明顯變化，均表現為殼體完整，一個端蓋被剪切破壞，另一個端蓋鼓包，有完整的殘藥，一塊見證板被撞開一端。對于一端設有薄弱部位的HTPE推進劑，當其裝藥直徑從Φ75mm減至Φ50mm時，其響應均為燃燒反應，但兩頭端蓋被破壞，Φ75mm的見證板變形比Φ50mm嚴重，快速響應劇烈程度明顯低于兩端密封的HTPE推進劑裝藥，這可能是由于HTPE推進劑裝藥所有殼體均在一個端蓋設置有薄弱部位，這種裝藥結構有利于試驗過程中推進劑反應產生氣體的釋放，從而降低了推進劑的響應劇烈程度。

3 結 論

(1)HTPE推進劑的機械感度較低，其摩擦感度為0，撞擊感度(特性落高H50)大于77cm。

(2)HTPE推進劑在低壓下(1MPa)可穩定燃燒，并且具有較低的燃速壓強指數；在1～18MPa下，n≤0.42。

(3)當推進劑藥柱直徑從Φ75mm減小到Φ50mm時，其快速烤燃響應劇烈程度沒有發生明顯變化，推進劑在受到不同方向(徑向和軸向)子彈撞擊刺激后的響應劇烈程度是不同的，并且一端設有薄弱部位的推進劑藥柱的子彈撞擊和快速烤燃刺激響應均低于兩端密封的推進劑藥柱。

(4)HTPE推進劑具有較低的易損特性，子彈直徑為12.7mm的子彈撞擊試驗和快速烤燃試驗均表現為燃燒反應，可安全用于高速動能彈、超高速導彈等武器系統中，是一類具有發展前途的高能鈍感推進劑。