劉所恩,周偉良,趙效民,趙美玲 ,張景林,呂春玲，張國(guó)輝

(1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.山西北方興安化學(xué)工業(yè)有限公司，山西 太原 030008；3.中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051)

1 引 言

隨著配方中大量高能硝胺炸藥的加入，推進(jìn)劑的安全性受到越來越多的關(guān)注。過去30多年中，美、英各種作戰(zhàn)平臺(tái)(包括航母、軍艦、飛機(jī)、坦克)頻繁發(fā)生火災(zāi)，造成彈藥烤燃、爆炸等嚴(yán)重傷亡事故，慘痛的教訓(xùn)促使西方各國(guó)軍方于20世紀(jì)80年代開始重視降低彈藥感度的問題[1-5]。從2000年美國(guó)報(bào)道的1940～1999年81起固體推進(jìn)劑重大事故[6]可以看出，貯存大量固體推進(jìn)劑及裝有固體推進(jìn)劑導(dǎo)彈火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，在生產(chǎn)和使用過程中一旦發(fā)生事故，其后果觸目驚心。國(guó)外對(duì)降低推進(jìn)劑危險(xiǎn)性的研究十分重視，20世紀(jì)90年代已研究開發(fā)了大量的鈍感推進(jìn)劑配方，并逐步在戰(zhàn)術(shù)武器上獲得應(yīng)用[7-8]。

螺壓硝胺改性雙基推進(jìn)劑是以雙基組分硝化棉(NC)與硝化甘油(NG)為粘合劑體系，以高能硝胺炸藥黑索今(RDX)或奧克托今(HMX)及少量高熱值金屬粉(鋁粉)等為填料，以傳統(tǒng)無溶劑螺旋擠壓成型工藝制備的一類綜合性能優(yōu)良的固體推進(jìn)劑。該類推進(jìn)劑具有能量高、特征信號(hào)低、制造工藝成熟、易實(shí)現(xiàn)批量化、均勻性及一致性好、滿足自由裝填等特點(diǎn)，是武器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“遠(yuǎn)程精確打擊、高效毀傷”首選的動(dòng)力能源，因此在世界各國(guó)得到了大力開發(fā)與應(yīng)用。硝胺改性雙基推進(jìn)劑在其能量越來越高的同時(shí)，其危險(xiǎn)性也越來越大，給制造、廢品銷毀、儲(chǔ)存、運(yùn)輸及使用帶來危險(xiǎn)，國(guó)外雖然開展了降低推進(jìn)劑感度的工作[1,4]，但都未較系統(tǒng)地研究硝胺改性雙基推進(jìn)劑的安全性[3,9]，因此，本研究探討了該類推進(jìn)劑在沖擊波激勵(lì)條件下的安全性能，以期提高人們對(duì)該類推進(jìn)劑有關(guān)危險(xiǎn)性的認(rèn)識(shí)，并對(duì)提高其制造、銷毀、儲(chǔ)存、運(yùn)輸及使用過程的安全性有所幫助。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)樣品

按照推進(jìn)劑配方中RDX加入量的不同，通過無溶劑螺旋擠壓成型工藝制備了7個(gè)推進(jìn)劑樣品進(jìn)行了試驗(yàn)研究，其主要配方組成見表1。

表1 7個(gè)推進(jìn)劑樣品的配方組成Table 1 Main compositions of 7 propellant samples %

2.2 試驗(yàn)方法

對(duì)7個(gè)推進(jìn)劑樣品分別進(jìn)行4項(xiàng)沖擊波激勵(lì)試驗(yàn)：雷管感度試驗(yàn)、沖擊波感度(卡片式隔板)試驗(yàn)、爆轟安全性試驗(yàn)以及爆速試驗(yàn)。

雷管感度試驗(yàn)。采用GB14372-1993《危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸爆炸品分級(jí)試驗(yàn)方法和判據(jù)》中雷管感度試驗(yàn)方法進(jìn)行了試驗(yàn)，溫度為-5 ℃，相對(duì)濕度30%，雷管為工業(yè)8號(hào)電雷管。

沖擊波感度試驗(yàn)。采用GJB772A-1997方法規(guī)定的沖擊波感度(卡片式隔板法)進(jìn)行試驗(yàn)，主發(fā)炸藥(特屈兒)密度(1.57±0.02)g·cm-3,隔板材料為三醋酸酐維素酯片，溫度為12 ℃，相對(duì)濕度40%。

爆轟安全性試驗(yàn)。將不同直徑的實(shí)芯藥柱按直徑遞減的順序配裝在相應(yīng)尺寸的鋼見證板上，從藥柱的最大直徑端起爆，以見證板上的爆轟痕跡表征爆轟在配裝藥柱中的傳播，判定推進(jìn)劑的爆轟臨界直徑，試驗(yàn)環(huán)境溫度為5 ℃，相對(duì)濕度為40%。

爆速試驗(yàn)。采用GJB772A-1997方法規(guī)定的爆速電測(cè)法進(jìn)行試驗(yàn)，藥柱直徑為18 mm，長(zhǎng)度為125 mm。

3 結(jié)果與討論

3.1 雷管感度試驗(yàn)

7個(gè)推進(jìn)劑樣品在-5℃下的雷管感度測(cè)試結(jié)果見表2和圖1 。

圖1a分別是1#、2#、3#樣品進(jìn)行雷管感度試驗(yàn)以后在相應(yīng)的鋼見證板上留下的痕跡，圖1b是4#、5#、6#、7#樣品進(jìn)行雷管感度試驗(yàn)以后在相應(yīng)的鋼見證板上留下的痕跡。由圖1可知，RDX含量較高的4#、5#、6#、7#推進(jìn)劑樣品均在雷管起爆后爆炸，見證板被擊穿，而RDX含量較低的2#、3#推進(jìn)劑樣品和不含RDX的1#推進(jìn)劑樣品都沒有發(fā)生爆炸，見證板雖有不同程度變形，但未被擊穿。說明隨著改性雙基推進(jìn)劑中高能硝胺炸藥RDX的加入，推進(jìn)劑的雷管感度呈上升趨勢(shì)，在-5℃環(huán)境下，當(dāng)RDX含量達(dá)到34%時(shí)就可以被雷管直接引爆。

表2 7個(gè)推進(jìn)劑樣品對(duì)雷管起爆的響應(yīng)Table 2 Response to detonator initiating for 7 propellant samples

a.Not breakdown of test plates(1#，2#，3#)

b.Breakdown of test plate(4#，5#，6#，7#)

圖1 7個(gè)推進(jìn)劑樣品雷管感度測(cè)試結(jié)果
Fig.1 Results of detonator sensitivity test for 7 propellant samples

3.2 沖擊波感度試驗(yàn)

7個(gè)推進(jìn)劑樣品在12 ℃下的沖擊波感度測(cè)試結(jié)果見表3。圖2是試驗(yàn)后見證板的典型圖片。

表3 7個(gè)推進(jìn)劑樣品沖擊波感度試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of shock sensitivity test for 7 propellant samples

由表3可以看出，在隔板厚度小于一定值時(shí),所有參試樣品均可被主發(fā)炸藥引爆，并將見證板擊穿,如圖2a所示，圖2b為隔板厚度大于臨界值時(shí)，樣品未被主發(fā)炸藥引爆，未被擊穿的見證板。不含RDX的1#樣品試驗(yàn)測(cè)得臨界隔板厚度值最小，只有隔板厚度值小于7.6 mm時(shí)才能引爆試驗(yàn)樣品，說明1#樣品的沖擊波感度相對(duì)較低。而含有RDX的2#～7#樣品試驗(yàn)測(cè)得的臨界隔板厚度值都較大。含有18.0%RDX的2#樣品測(cè)試臨界隔板厚度值快速增加到18.9 mm，配方中含有27.1%RDX的3#樣品測(cè)試臨界隔板厚度進(jìn)一步增加到27.2 mm，而配方中RDX含量分別為34.2%、38.0%、49.2%、54.0%的4#、5#、6#、7#樣品的測(cè)試臨界隔板厚度由30.5 mm增加至33.5 mm，趨勢(shì)減緩，但隨著配方中RDX含量的增加，總的趨勢(shì)是試驗(yàn)隔板厚度臨界值繼續(xù)呈增大趨勢(shì)，說明配方中RDX的加入不僅促使推進(jìn)劑的沖擊波感度升高，而且RDX含量越高，其沖擊波感度也越高，即在沖擊波激勵(lì)下的安全性越低。

a.detonation picture

b.non-detonation picture

圖2 7個(gè)推進(jìn)劑樣品沖擊波感度測(cè)試結(jié)果
Fig.2 Typical photos of the shock sensitivity test for 7 propellant samples

3.3 爆轟臨界直徑測(cè)定試驗(yàn)

7個(gè)推進(jìn)劑樣品的爆轟臨界直徑測(cè)定結(jié)果見表4。圖3是推進(jìn)劑起爆和未起爆鋼見證板對(duì)比。

表4 7個(gè)推進(jìn)劑樣品爆轟臨界直徑測(cè)定結(jié)果Table 4 Results of detonation critical diameter for 7 propellant samples

a.trace after detonation (2#、3#、4#、5#、6#、7#)

b.trace after non-detonation(1#)

圖3 7個(gè)推進(jìn)劑樣品爆轟臨界直徑測(cè)試結(jié)果
Fig.3 Typical photos of the detonation critical diameter for 7 propellant samples

由表4與圖3可知，在相同的試驗(yàn)條件下，不含RDX的1#樣品沒有被雷管引爆，鋼見證板沒有破毀，而含有RDX的2#～7#樣品都被雷管起爆，鋼見證板被炸毀，且爆轟傳播臨界直徑隨著樣品中RDX含量增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，由2#樣品的20 mm遞減到7#樣品的8 mm，盡管由于試驗(yàn)條件及方法存在局限性，所測(cè)得每個(gè)樣品的爆轟傳播臨界直徑不是十分精確，但試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)明顯，說明螺壓硝胺改性雙基推進(jìn)劑中RDX的引入降低了其爆轟安全性，而且隨著RDX含量的增加，爆轟安全性呈遞減趨勢(shì)。

3.4 爆速測(cè)定

7個(gè)推進(jìn)劑樣品的爆速測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果見表5 ,爆速變化趨勢(shì)見圖4 。

表5 推進(jìn)劑樣品爆速測(cè)定結(jié)果Table 5 Detonation velocity of 7 propellant samples

由表5及圖4可以看出，不含RDX的1#樣品爆速為6961 m·s-1,而含有RDX的2#～7#樣品，其爆速都明顯高于1#樣品，且隨著高能炸藥RDX含量的增加，推進(jìn)劑的爆速基本呈升高趨勢(shì)。當(dāng)RDX含量達(dá)到55%時(shí)(7#)，推進(jìn)劑的爆速已經(jīng)超過8000 m·s-1，說明加入RDX的改性雙基推進(jìn)劑在爆炸時(shí)能量釋放速度很快。

圖4 試驗(yàn)樣品爆速變化趨勢(shì)
Fig.4 Change of detonation velocity for 7 propellant samples

4 結(jié) 論

(1) 隨著推進(jìn)劑中高能硝胺炸藥RDX含量的加入，推進(jìn)劑的雷管感度呈升高趨勢(shì)，在-5 ℃環(huán)境下，當(dāng)RDX含量達(dá)到34%時(shí),推進(jìn)劑樣品就可被雷管直接引爆。

(2) 在隔板厚度小于一定值時(shí)，不含或含RDX的推進(jìn)劑樣品均可被主發(fā)炸藥引爆，并將見證板擊穿。不含RDX的推進(jìn)劑樣品試驗(yàn)測(cè)得臨界隔板厚度值最小，只有7.6 mm，沖擊波感度相對(duì)較低。而含有RDX的推進(jìn)劑樣品試驗(yàn)測(cè)得的臨界隔板厚度值都較大?？偟内厔?shì)是隨著配方中RDX含量的增加，試驗(yàn)隔板厚度臨界值呈增大趨勢(shì)，說明配方中RDX的加入不僅促使推進(jìn)劑的沖擊波感度升高，而且RDX含量越高，其沖擊波感度也越高，即在沖擊波激勵(lì)下的安全性越低。

(3) 在相同的試驗(yàn)條件下，不含RDX的推進(jìn)劑樣品沒有被雷管引爆，鋼見證板沒有破毀，而含RDX的推進(jìn)劑樣品則都被雷管起爆，鋼見證板被炸毀，且爆轟傳播臨界直徑隨著樣品中RDX含量增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，當(dāng)RDX含量達(dá)到55.1%時(shí)，爆轟傳播臨界直徑只有8 mm，說明改性雙基推進(jìn)劑中RDX的引入降低了其爆轟安全性，而且隨著RDX含量的增加，爆轟安全性呈遞減趨勢(shì)。

(4)含RDX的推進(jìn)劑樣品爆速都明顯高于不含RDX的推進(jìn)劑樣品，且隨著高能炸藥RDX含量的增加，推進(jìn)劑的爆速基本呈升高趨勢(shì)。當(dāng)RDX含量達(dá)到55.1%時(shí)，推進(jìn)劑的爆速已經(jīng)超過8000 m·s-1，說明加入RDX的改性雙基推進(jìn)劑在爆炸時(shí)能量釋放速度很快。

參考文獻(xiàn):

[1] Andrew C.Victor.Insensitive munitions technology for tactical rocket motors[M]∥Paul Zarchan Editor-in-chief.Progress in Astronautic and Aeronautic,1996,170:273-361.

[2] 劉栓虎,程根旺,駱廣梁.高能推進(jìn)劑鈍感含能材料研究現(xiàn)狀[J].化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料，2010,8(2):5-10.

LIU Shuan-hu,CHENG Gen-wang,LUO Guang-liang.Research status of insensitive energetic materials used in high-energy propellant[J].ChemicalPropellants&PolymericMaterials,2010,8(2):5-10.

[3] 李辰芳，鈍感彈藥技術(shù)及其在推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].飛航導(dǎo)彈,1996,9:43-44.

LI Chen-fang.The applied research of insensitive ammunition technology in propulsion system[J].WingedMissilesJournal,1996,9:43-44.

[4] 石小兵，龐維強(qiáng)，蔚紅建,鈍感推進(jìn)劑研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J].化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料,2007,5(2):24-28.

SHI Xiao-bing,PANG Wei-qiang,WEI Hong-jian.Research progress and development trends of insensitive propellant[J].ChemicalPropellants&PolymericMaterials,2007,5(2):24-28.

[5] 秦能,廖林泉,范紅杰,等.幾種典型固體推進(jìn)劑的危險(xiǎn)性能實(shí)驗(yàn)研究[J].含能材料.2010,18(3):324-329.

QIN Neng,Liao LIN-quan,FAN Hong-jie,et al.Experimental study on several typical solid propellants hazard classification[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao),2010,18(3):324-329.

[6] Boggs T L,Atwood A I,Lindfors A J,et al.Hazards Associated with Solid Propellants[M]∥Paul Zarchan Editor- in-chief.Progress in Astronautic and Aeronautic,2000:185.

[7] Gilles Fonblanc,Bruno Herran.A new insensitive and non-toxic double base propellant for rocket motors[C]∥30thAIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference.Indianapolis,2004.

[8] Charles E Hanrod.An insensitive nitrocellulose based high performance minimum smoke propellant[C]∥Proc.of Insensitive Munitions Technology Symposium,Williamsburg:ADPA,1994:221-228.

[9] 秦能,裴江峰,王明星.一種RDX-CMDB推進(jìn)劑危險(xiǎn)性能研究[J].含能材料,2011,19(6):725-729.

QIN Neng,PEI Jiang-feng,WANG Ming-xing.Hazard property of RDX-CMDB propellant[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao),2011,19(6):725-729