典型單基發射藥的沖擊波感度特性

Shock Wave Sensitivity Characteristics of Typical Single Base Propellants

WEI Junru①， XIE Muyang②，LU Chunling④， ZUO Linwei①① School of Environmental and Safety Engineering，North University of China （Shanxi Taiyuan，030051）② Luzhou North Chemical Industry Co.，Ltd.（Sichuan Luzhou，646003）

[ABSTRACT]Inorder to studytheresponse characteristics of propellants to shock waves，atest method forthe shock wavesensitivityof propellnts was designed.Onthis basis，shock wavesensitivitytests were conductedonfour single base propelants，including3/1Z，4/7S，DF-12，andDF-14.Theresultsshowthat with the increaseofrestraintstrengthof the charge，the pressureaccumulationofcombustionreaction productsafter ignitionof the propelant promotes the transition fromcombustion to detonation reaction zone，resulting ina significant increase in shock wave sensitivity.When theloading density increases，theshock wavesensitivityofsinglebasepropellants issignificantlyimproved.Theobstructionandlossof energytransfer ofincident shock waves caused by loading gaps reduce the actual shock wave energy received bythe propellantbody.Meanwhile，thereleasedenergfromthecombustionreactionafterinitial ignition willbe sparsebythegaps and cannot accumulate into a detonation reaction.The shape of propelant has a significant impact on shock wave sensitivity， especially the high specific surface areaof the propelant particles plays adecisiverole in thecombustionrateafter impact ignition，promoting the transition from high-speed combustion to the chemical reaction zone of detonation.

[KEYWORDs]single base propellant； shock wave sensitivity;；restraint strength; loading density； propellant shape

0 引言

隨著軍事技術的不斷進步，武器系統面臨的戰場環境越來越復雜多變，武器系統的性能要求也日益提高。其中，發射藥的性能更是直接關系到武器系統的整體效能。因此，對發射藥的安全性和可靠性提出了更高要求[1]。作為武器推進系統的核心組成部分，發射藥的主要功能是在點火后迅速釋放能量，產生高溫、高壓氣體以推動彈丸射出，還伴隨著強烈的沖擊波效應。這一效應對發射藥及武器系統的安全性和穩定性提出了嚴峻挑戰。

常規情況下，發射藥只會發生燃燒，不會發生爆炸或爆轟。但是在增加高能量組分或強約束的情況下，發射藥也會被沖擊波引發燃燒轉爆轟。發射藥出現燃燒轉爆轟是先燃燒，產生超高壓和沖擊波，從而誘發其余藥床發生爆轟，對沖擊波感度有很大的影響[2]。因此，沖擊波感度對評價發射藥的爆轟特性具有十分重要的意義，是評價發射藥危險性及易損性的重要參數，也是所有反映爆轟特性試驗中唯一可以量化的指標。

研究表明，在驗證分級試驗的試驗方法時，樣品大都使用單質炸藥[3]，很少使用火藥。在國內外感度試驗和分級研究中發現，只有少量關于炸藥沖擊波感度的試驗分析[4-5]。對火藥（發射藥和推進劑）而言，沖擊波感度試驗通常集中在推進劑特性的研究上，對于發射藥的危險性評估，單獨的測試項目并不常見，只有少量關于危險性的單項試驗[6]。目前，國內外對發射藥的危險分級缺乏明確的研究與說明，在推進劑方面也只有籠統的危險分級說明，即推進劑通常屬于第1類爆炸材料，通常為1.1類（大規模爆炸）或1.3類（大規模火災、小規模爆炸或碎片）。1.1類推進劑主要是由機械沖擊和傳播到相鄰炮彈引起的爆炸，而1.3類推進劑主要是無意中點燃，火焰蔓延和燃燒，偶爾會引起爆炸[7]。單基藥的燃燒危險等級屬于1.3級，雙基和三基發射藥的爆轟危險等級屬于1.1級，關于不同藥型的發射藥的危險性目前還沒有系統的試驗研究，這顯然對不同藥型發射藥的安全操作缺乏指導意義。

深入研究發射藥的沖擊波感度，即對外部沖擊或爆炸波的敏感程度，成為提高武器系統安全性、保障軍事行動順利進行的重要課題。通過對發射藥沖擊波感度的系統研究，可以深入了解發射藥的物理化學性質、燃燒機理及沖擊波傳播特性，為發射藥的配方優化、生產工藝改進及安全防護措施的制定提供科學依據，補充該領域認識的不足；同時，為發射藥危險等級的確定提供依據。因此，對典型發射藥的沖擊波感度及影響因素進行了比較系統的試驗研究，為發射藥的配方設計及安全使用提供參考。

1沖擊波感度試驗

1.1 試驗方法

1.1.1 試驗原理

目前，關于發射藥的沖擊波感度試驗無可依據的標準方法。因此，參考混合炸藥和推進劑沖擊波感度卡片式隔板法，初步設計了發射藥的沖擊波感度試驗方法。基本原理是：主發裝藥的沖擊波能量經惰性隔板衰減后，作用于被發裝藥端面，通過改變惰性隔板的厚度，獲得不同強度的入射沖擊波；觀察鑒證板，判定試樣是否發生爆轟；采用敏感性測試統計方法，獲得被發裝藥 50% 概率發生爆轟的臨界隔板厚度，以此表征被發裝藥的沖擊波感度

1.1.2 試驗裝置

發射藥沖擊波感度試驗裝置如圖1所示。

1.1.3 試驗器件

常用的主發裝藥有特屈兒、彭托利特和鈍化RDX。考慮到在生產和使用特屈兒過程中的高毒性以及壓制彭托利特藥柱時存在太安這類高感度危險性物質的因素[8]，選用鈍化RDX作為主發裝藥。

常用的惰性隔板材料有三醋酸纖維素酯片、聚甲基丙烯酸甲酯片（PMMA）和鋁合金片。三醋酸纖維素酯片價格昂貴，規格單一。鋁合金片的裁切平整性不好，會導致產生隔板間隙。因此，選擇多規格的PMMA作為惰性隔板。

一般發射裝藥筒材質為 45^# 鋼，壁厚約 2～3 mm 。因此，選擇被發裝藥筒的材料為 45^# 鋼，內部尺寸為 ?25mm×75mm ，壁厚為 2～3mm 。

鑒證板材料硬度過高，會使鑒證板發生脆裂甚至碎裂；硬度過低，會導致鑒證板僅發生黏塑性變形而無法形成穿孔。故鑒證板材料選擇硬度適中的Q235A級鋼。

發射藥類型繁多，能量輸出差異性較大，必須保證低能量輸出發射藥的沖擊波感度試驗判據合理且有效。因此，對鑒證板厚度的選定進行了試驗研究。選取3/1Z和4/7S2種典型的單基發射藥作為受主裝藥，選取 1、3、4mm 共3種不同厚度的鑒證板進行了沖擊波感度“0\"隔板摸底試驗。3/1Z發射藥試驗后鑒證板狀態如圖2所示。4/7S發射藥試驗后鑒證板狀態如圖3所示。

試驗結果表明： 1mm 厚的鑒證板和3個 1mm 厚的鑒證板試驗后發生的形變大，鑒證效果差，并不適用于后續試驗； 4mm 厚的鑒證板試驗后，被撕裂開的區域大小適中且完整。因此，厚度選擇 4mm 比較合適，鑒證板的尺寸確定為 100mm×100 mm×4mm 。

1.1.4 敏感性測試統計方法

傳統的沖擊波感度卡片式隔板法所采用的敏感性測試統計方法為布魯特升降法。該方法試驗工作量大，成本高。而采用0.618黃金分割法可以用最少的試驗樣本量，快速縮小 100% 爆轟與不爆轟的隔板厚度范圍，并確定該范圍內 50% 爆轟隔板臨界厚度，即單峰函數的峰值拐點。對于發射藥而言，確定 ^-0mm，60mm] 作為 50% 爆轟隔板臨界厚度原始峰值范圍， [0mm，1mm] 作為 n 次試驗后 50% 爆轟隔板臨界厚度的峰值拐點范圍。

隔板試驗0.618黃金分割法的試驗精度

式中： ?_?A 為 n 次測試后的峰值拐點范圍； B 為原始的峰值范圍。

將已確定的2個范圍代入式（1），計算出0.618黃金分割法的隔板試驗精度 δ_?n≈0.017 。

另外，0.618黃金分割法的試驗精度與試驗次數的關系為： δ_?n=0.618^n-1 。

將所需要的沖擊波隔板試驗精度代入式（2），

計算確定 50% 爆轟隔板臨界厚度所需要的有效試驗次數

因此，為了滿足試驗精度要求，并考慮到試驗的失誤概率，將試樣樣本量增加為12個，則可以滿足有效試驗樣本量達到10的要求。

1.2 試驗樣品

選取3/1Z、4/7S、DF-12和DF-144種單基發射藥，藥型、單發裝藥藥量、單發裝藥孔隙率及藥粒比表面積如表1所示。其中，單發試驗藥量為單個被發裝藥筒能裝填的最大發射藥量。單發裝藥孔隙率和藥粒比表面積為理論計算數據。樣品實物狀態如圖4所示。

1.3 試驗結果及數據處理

按照1.1確定的沖擊波感度試驗方法，對4種發射藥進行了沖擊波感度試驗，獲得了 50% 爆轟臨界隔板厚度。另外，選用 4/7S 發射藥進行了約束強

度對沖擊波感度的影響試驗。其中，被發裝藥的套筒有3種壁厚規格，分別為2.10、2.70mm和3.15mm 。

沖擊波在惰性有機玻璃隔板中的衰減規律為

p=17.0e^-0.0537x

式中： p 為沖擊波壓力； x 為試驗得到的 50% 爆轟臨界隔板厚度。

依據式（3），將試驗獲得的 50% 爆轟臨界隔板厚度轉換為沖擊波壓力，結果如表2所示

2 分析與討論

2.1裝藥約束強度對沖擊波感度的影響

從表2試驗結果可看出：對于 4/7S 發射藥，當裝藥套筒的壁厚由 2.10mm 增加到 2.70mm 和3.15mm 時， 50% 爆轟臨界隔板厚度從 6.92mm 逐步增加到 8.53mm 和 9.84mm ;相對應的 50% 爆轟臨界沖擊波壓力則從 11.72GPa 逐步降低到了10.75GPa 和 10.02GPa 。這說明，隨著裝藥約束強度增強，沖擊波感度有明顯增大趨勢。

目前，被普遍認可的沖擊波起爆機理是熱點點火和熱點引起的化學反應成長為爆轟的二階段理論。爆炸物的起爆過程不僅包含熱點的形成，還包括了熱點的發展過程，即形成穩定爆轟的過程[9]對于發射藥而言，當在無約束條件下受到強沖擊波作用時，可能會被沖擊點火，但由于燃燒化學反應區產生的燃氣壓力很快得以釋放，所以無法使得點火燃燒成長為爆轟輸出模式[10]。但是，當發射藥被增加了強約束條件時，強沖擊波作用下的點火會快速形成為爆轟成長過程；而且隨著約束強度的增強，發射藥點火后的燃燒轉爆轟過程發生的概率更高[11]這是因為，在約束條件增強的情況下，鋼管承受破壞所需的壓力亦隨之增大，這有利于藥床燃燒時產生更為顯著的燃氣壓力，這種增強的燃氣壓力進一步促進了藥床燃速的提高，從而更容易誘發藥床的爆轟反應。

2.2 裝填密度對沖擊波感度的影響

表2中，從成分組成上分類，3/1Z、4/7S和DF-143種發射藥均屬于單基發射藥，但藥粒尺寸差異性較大，導致被發裝藥筒內發射藥的實際裝填密度有較大差異。從表1中的單發試驗實際裝藥質量可以看出，3/1Z藥粒尺寸最小，裝填質量為 36.8g ，裝填孔隙率為 24.1% ，裝填密度最大。DF-14藥粒最大，裝填質量為 21.1g ，裝填孔隙率為 58.2% ，裝填密度最小。3/1Z發射藥的 50% 爆轟臨界沖擊波壓力為 6.74GPa ，而DF-14發射藥的 50% 爆轟臨界沖擊波壓力為 15.53GPa 。顯然，對于同一類型的單基發射藥，藥粒大小不同時，實際裝填密度對沖擊波感度有顯著影響。且藥粒越小，裝填密度越大，沖擊波感度越高。

發射裝藥內部存在較多孔隙時，孔隙影響和阻礙了人射沖擊波能量的傳遞，同時，還會造成反應釋放能量的較大損失[12]。當沖擊波傳播到孔隙處時，孔隙中的氣體成分會消耗并分散能量，導致部分的能量被吸收或散射，阻止能量完全傳遞到未參與反應的區域，對爆轟的成長產生顯著影響[13]。因此，較多的孔隙使得發射藥本體實際所吸收到的能量遠低于實際入射的沖擊波能量，沖擊點火和燃燒轉爆轟的成長過程均會受到影響[14]

另一方面，發射藥受到沖擊波作用后，從點火燃燒向爆轟狀態的過渡過程本質上是一個能量快速積聚、促進反應成長的過程。當裝藥中有較多孔隙存在時，初始點火后的燃燒反應釋放能量會因孔隙稀疏而無法積聚成長[15]

顯然，就3/1Z和DF-14發射藥而言，3/1Z的粒度很小，裝藥的總體比表面積較大，且藥粒的燃燒層厚度較小，在沖擊點火后的燃燒速度更高，更容易向爆轟反應區過渡

另外，對比4/7S和DF-12的試驗結果可知， 4/ 7S裝填質量 35.8g ，裝填孔隙率 39.0% ，小于 DF-12的 40.4% ，裝填密度高于DF-12，但是 50% 爆轟臨界沖擊波壓力為 10.75GPa ，又比DF-12的9.61GPa 略高。這2組數據的對比結果與其他裝填密度對沖擊波感度的影響規律有些不符。

從表1可以看出，除了裝填密度的差異，DF-12的單發裝藥總比表面積是 4/7S 的2.8倍，具有顯著差異。因此，當2種發射裝藥密度差異沒有足夠大時，比表面積的顯著差異可能會導致高比表面積的發射藥在點火后的成長過程更快，燃速更高，更容易向爆轟反應區過渡[16] O

2.3 藥型對沖擊波感度的影響

從表2中的 50% 爆轟臨界沖擊波壓力測試結果可以看出，在相同的約束條件下，3/1Z、4/7S、DF-12和DF-144種不同單基發射藥的沖擊波感度具有明顯差異，且隨著單發裝藥總比表面積的增大，沖擊波感度呈現明顯升高的趨勢。

其中，DF-12發射藥的藥粒較小，裝填密度比DF-14稍高一些，但是， 50% 爆轟臨界沖擊波壓力為9.61GPa ，相比DF-14發射藥的 15.53GPa 臨界起爆壓力，感度的提高幅度遠遠超過了裝填密度對沖擊波感度的影響。結合表1中的比表面積計算數據可以看出，DF-12發射藥藥粒的比表面積大約是DF-14的5倍，單發裝藥的總比表面積大約是DF-14發射藥的715倍。顯然，DF-12發射藥的高比表面積對發射藥沖擊波點火后燃速的快速成長起到了決定性的作用，并且與裝填密度對沖擊波的影響效應進行了充分的疊加。

綜上分析，裝填密度和裝藥比表面積均對發射藥的沖擊波感度有顯著影響，但影響程度取決于這2個因素的差異性大小，差異性大的影響因素對沖擊波感度起決定性作用

3結論

1）隨著裝藥約束強度增強，發射藥點火后的燃燒反應產物壓力積聚，推進了燃燒向爆轟反應區的過渡，導致單基藥的沖擊波感度呈明顯增大趨勢2）裝填密度增大時，單基發射藥的沖擊波感度有顯著升高。裝填孔隙在阻礙入射沖擊波能量傳遞過程中增大了能量損耗，降低了發射藥本體實際接收的沖擊波能量；同時，有較多孔隙存在時，初始點火后的燃燒反應釋放能量會因孔隙稀疏而無法積聚成長為爆轟反應。3）發射藥藥型對沖擊波感度有顯著影響。尤其是藥粒的高比表面積對于沖擊點火后的燃速起到了決定性的作用，促進了高速燃燒向爆轟化學反應區的過渡。4）裝填密度和裝藥比表面積均對發射藥的沖擊波感度有顯著影響，但影響程度取決于這2個因素的差異性大小。差異性大的影響因素對沖擊波感度起決定性作用。

參考文獻

［1］咼娓伙．典型含能物質能量與安全性綜合效應評定及 應用[D]．長沙：中南大學，2012. GUO W C. Evaluation and application of energy and safety comprehensive effects of typical energetic materials [D].Changsha：Central South University，2012.

[2］陳曉明，趙瑛，宋長文，等．發射藥燃燒轉爆轟的試 驗研究[J]．火炸藥學報，2012，35（4）：69-72. CHEN X M，ZHAO Y，SONG C W，et al. Experimental studyon deflagration todetonation transitionof gun propellants［J]. Chinese Journal of Explosives amp; Propellants，2012，35（4） ： 69-72.

［3］王曙光，朱建生，陳棟，等．炸藥爆炸理論基礎［M]. 北京：北京理工大學出版社，2020. WANG SG，ZHU JS，CHEN D，et al. The theoretical basis of explosive detonation[M].Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2020.

[4]KOSTYUKOV E N，NIKIFOROVA M S， SPIRIN I A，et al.Dependence of acoustic emission parameters and shock-wave sensitivity of plastic-bonded HMX on filler particle size［J]．Combustion，Explosion，and Shock Waves，2023，59：362-366.

[5］花成，黃明，黃輝，等．RDX/HMX 炸藥晶體內部缺 陷表征與沖擊波感度研究［J]．含能材料，2010，18 （2） ：152-157. HUA C，HUANG M，HUNAG H，et al. Intragranular defects and shock sensitivity of RDX/HMX [J]. Chinese Journal of Energetic Materials，2010，18（2）： 152-157.

[6]NEELAM S，NARANG R，NARANG P K，et al. New approach to hazard classification testing of propellants [C]//33th International Pyrotechnics Seminars.Fort Collins，CO，US， 2006.

[7]YANG K，CHEN L， LIU D Y，et al. Quantitative prediction and ranking of the shock sensitivity of explosives via reactive molecular dynamics simulations [J]. Defence Technology，2022，18（5） ： 843-854.

［8］柳夢輝．固含量對改性雙基推進劑沖擊波起爆特性影 響研究［D]．太原：中北大學，2023. LIU M H. Effect of solid content on shock wave initiation ofmodified double propellant［D].Taiyuan：North University of China，2023.

[9］呂春玲，狄建華，劉玉存．沖擊波起爆熱點點火階段 的影響因素[J]．火工品，2000（4）：10-15. LU C L，DI JH，LIU Y C. Influence factors of hot spot ignition period in shock wave initiation [J]. Initiators amp; Pyrotechnics，2000（4） ： 10-15.