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(xué)研究所 燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710065)

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p(BAMO-AMMO)熱塑性高能推進(jìn)劑燃燒轉(zhuǎn)爆轟試驗(yàn)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(xué)研究所 燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710065)

采用燃燒轉(zhuǎn)爆轟(DDT)管法研究了p(BAMO-AMMO)熱塑性推進(jìn)劑主要固體組分RDX和AP含量、AP粒度及級(jí)配等對(duì)其燃燒轉(zhuǎn)爆轟響應(yīng)規(guī)律的影響。結(jié)果表明，在相同試驗(yàn)條件下，含質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%AP的p(BAMO-AMMO)推進(jìn)劑發(fā)生了燃燒轉(zhuǎn)爆轟響應(yīng)，而含等量RDX的p(BAMO-AMMO)推進(jìn)劑僅發(fā)生了燃燒反應(yīng)。當(dāng)RDX質(zhì)量分?jǐn)?shù)從65%增加到85%時(shí)，樣品由燃燒反應(yīng)變?yōu)槿紵D(zhuǎn)爆轟反應(yīng)。含等量細(xì)粒度(d50=1.0μm)AP的推進(jìn)劑發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟的傾向較含粗粒度AP(d50=105μm)的低。當(dāng)粗、細(xì)AP以質(zhì)量比為10∶3級(jí)配時(shí)，p(BAMO-AMMO)推進(jìn)劑未發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟反應(yīng)。

固體推進(jìn)劑；p(BAMO-AMMO)；燃燒轉(zhuǎn)爆轟；DDT；熱塑性高能推進(jìn)劑

引　言

燃燒轉(zhuǎn)爆轟(DDT)是固體推進(jìn)劑危險(xiǎn)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)[1]，研究其規(guī)律對(duì)新型高能推進(jìn)劑的制造安全、實(shí)驗(yàn)、運(yùn)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(jìn)劑研究的熱點(diǎn)。Krier H等[3]對(duì)燃燒轉(zhuǎn)爆轟的形成過(guò)程作了深入研究，認(rèn)為爆轟是由加速的對(duì)流燃燒引起試樣的局部“熱爆炸”產(chǎn)生的；Price.D等[4]研究了雙基高能推進(jìn)劑的燃燒轉(zhuǎn)爆轟機(jī)理，發(fā)現(xiàn)壓力在很短時(shí)間內(nèi)的突變能誘發(fā)試樣的爆轟；秦能等[5]對(duì)雙基推進(jìn)劑、改性雙基推進(jìn)劑、復(fù)合推進(jìn)劑的燃燒轉(zhuǎn)爆轟進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探索了影響固體推進(jìn)劑發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟的因素；趙孝彬[6]、賈瑞祥等[7]對(duì)NEPE推進(jìn)劑的燃燒轉(zhuǎn)爆轟特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析，認(rèn)為NEPE推進(jìn)劑在混合過(guò)程中存在燃燒轉(zhuǎn)爆轟的可能性,在弱的約束條件下由于側(cè)向稀疏作用，推進(jìn)劑較難發(fā)生由燃燒到爆轟的轉(zhuǎn)變；劉德輝等[8]研究了HMX對(duì)丁羥復(fù)合推進(jìn)劑燃燒轉(zhuǎn)爆轟特性的影響，發(fā)現(xiàn) HMX的加入增加了推進(jìn)劑發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟的能力；董樹(shù)南等[9]研究了含ACP改性雙基推進(jìn)劑的燃燒轉(zhuǎn)爆轟特性，認(rèn)為在改性雙基推進(jìn)劑中添加快燃物能夠增大其燃燒轉(zhuǎn)爆轟的傾向；陳曉明等[10]對(duì)單、雙、三基發(fā)射藥進(jìn)行了燃燒轉(zhuǎn)爆轟試驗(yàn)，結(jié)果表明，加強(qiáng)約束條件更易使發(fā)射藥發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟。

新型p(BAMO-AMMO)熱塑性高能推進(jìn)劑是當(dāng)今高能推進(jìn)劑發(fā)展的重要方向[11-16]，該類推進(jìn)劑配方體系采用新型含能熱塑性彈性體，配方中的固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)50%～90%。目前對(duì)該類推進(jìn)劑的安全性研究，特別是燃燒轉(zhuǎn)爆轟性能研究較少。推進(jìn)劑的危險(xiǎn)性是推進(jìn)劑能否使用的關(guān)鍵性能，主要表現(xiàn)在其爆轟危險(xiǎn)性[17]。為了掌握該類推進(jìn)劑的燃燒轉(zhuǎn)爆轟規(guī)律，加速該類新型高能推進(jìn)劑的安全應(yīng)用，本研究采用DDT管法對(duì)p(BAMO-AMMO)熱塑性推進(jìn)劑燃燒轉(zhuǎn)爆轟反應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究了主要固體組分RDX和AP的含量、AP粒度及級(jí)配等對(duì)其燃燒轉(zhuǎn)爆轟響應(yīng)規(guī)律的影響，以期為該類高能推進(jìn)劑的安全制備及應(yīng)用提供依據(jù)。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1材料、儀器及試驗(yàn)裝置

3，3-二疊氮甲基氧雜環(huán)丁烷( BAMO)與3-甲基-3-疊氮甲氧基氧雜環(huán)丁烷( AMMO)嵌段共聚物p(BAMO-AMMO)，數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量25000，西安近代化學(xué)研究所；RDX，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)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(xué)動(dòng)力廠;黑火藥，山西北方晉東化工有限公司。

MP型不定時(shí)序爆速測(cè)試儀，江西東華計(jì)量測(cè)試研究所。樣品管為無(wú)縫鋼管，內(nèi)徑40mm,長(zhǎng)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(diǎn)火線。

試驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖1。電離探針主要由絕緣材料隔開(kāi)的同軸金屬芯和金屬套構(gòu)成,其導(dǎo)通是依靠裝藥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的正負(fù)離子。各電離探針的孔間距均為40mm，1號(hào)電離探針孔距裝藥點(diǎn)火端距離為50mm。

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

1.2p(BAMO-AMMO)推進(jìn)劑藥柱的制備

p(BAMO-AMMO)推進(jìn)劑樣品配方見(jiàn)表1。

表1　p(BAMO-AMMO)推進(jìn)劑樣品配方

將p(BAMO-AMMO)在無(wú)水乙醇中溶解后加入捏合機(jī)內(nèi)，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(jī)壓伸成Φ39.80mm×450mm的藥柱。將藥柱在50℃烘箱內(nèi)干燥、驅(qū)溶7d，得到試驗(yàn)樣品。

1.3性能測(cè)試

按照GJB770B-2005方法706.1測(cè)試BA-1和BA-4樣品在6～18MPa下的燃速；采用最小二乘法計(jì)算燃速壓強(qiáng)指數(shù)；按照GJB770B-2005方法401.2測(cè)試密度。

藥床位置(x)和導(dǎo)通時(shí)刻(t)采用電離探針記錄。利用Origin軟件對(duì)x和t作圖可得x-t關(guān)系曲線。

1.4實(shí)驗(yàn)過(guò)程及判據(jù)

將試驗(yàn)樣品和點(diǎn)火藥(黑火藥)裝進(jìn)樣品管中。將點(diǎn)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(yàn)響應(yīng)后的證據(jù)，防止樣品管碎片被爆轟波拋射得太遠(yuǎn)，將裝配好的樣品管平放在預(yù)先挖好的沙坑中，連接電離探針與爆速測(cè)試儀，連接點(diǎn)火線路。點(diǎn)火,記錄爆速、藥床位置(x)和導(dǎo)通時(shí)刻(t)，觀察試驗(yàn)現(xiàn)象,并收集殘片殘藥。

研究表明[18]，推進(jìn)劑發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟時(shí)，樣品管內(nèi)瞬間的壓強(qiáng)可高達(dá)106～109Pa，因此，在燃燒轉(zhuǎn)爆轟試驗(yàn)研究中，一般通過(guò)對(duì)樣品管殘片及周圍環(huán)境的破壞程度等綜合因素分析來(lái)判斷是否發(fā)生了燃燒轉(zhuǎn)爆轟，如果發(fā)生了燃燒轉(zhuǎn)爆轟，樣品管會(huì)被炸為碎片且被拋射到較遠(yuǎn)的距離；如果裝藥僅發(fā)生燃燒反應(yīng)，樣品管一般只會(huì)被撕裂成較大的條塊，管中也不會(huì)形成穩(wěn)定爆速。本研究規(guī)定樣品管炸碎或試驗(yàn)中測(cè)得穩(wěn)定爆速，表示發(fā)生了燃燒轉(zhuǎn)爆轟。

2　結(jié)果與分析

2.1p(BAMO-AMMO)推進(jìn)劑DDT響應(yīng)結(jié)果

p(BAMO-AMMO)推進(jìn)劑DDT響應(yīng)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(jìn)劑DDT試驗(yàn)結(jié)果

圖2　p(BAMO-AMMO)推進(jìn)劑樣品的DDT試驗(yàn)結(jié)果Fig.2　DDT test results of p(BAMO-AMMO)propellant samples

圖3　p(BAMO-AMMO)推進(jìn)劑的x-t關(guān)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(duì)p(BAMO-AMMO)推進(jìn)劑燃燒轉(zhuǎn)爆轟響應(yīng)的影響

由圖2和圖3可知，含質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%RDX的BA-1樣品點(diǎn)火后，DDT管被撕裂成較大條塊，x-t曲線未見(jiàn)明顯拐點(diǎn)，表明樣品BA-1未發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟反應(yīng)。含等量AP的BA-4樣品反應(yīng)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(xiàn)明顯拐點(diǎn)，可判斷BA-4樣品發(fā)生了燃燒轉(zhuǎn)爆轟反應(yīng)?？梢?jiàn)，推進(jìn)劑固體組分種類是影響其發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟響應(yīng)的重要因素。

推進(jìn)劑由燃燒轉(zhuǎn)為爆轟一般可分為壓縮波形成期、沖擊波形成期和沖擊轉(zhuǎn)爆轟期3個(gè)階段[19]。其中壓縮波形成期是發(fā)生DDT反應(yīng)的關(guān)鍵，在這一階段推進(jìn)劑被點(diǎn)燃后火焰區(qū)產(chǎn)生的氣體不能很快排出，在燃燒波陣面后產(chǎn)生急劇的壓力增長(zhǎng)，使推進(jìn)劑由平行層燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)流燃燒，壓力進(jìn)一步激增形成壓縮波。推進(jìn)劑的燃速越高、燃速壓強(qiáng)指數(shù)及氧平衡系數(shù)越大，其燃燒速率增加越快，DDT管內(nèi)壓力上升梯度(dp/dt)就越大，越有利于壓縮波的形成和發(fā)展,壓力驟增形成的壓縮波穿過(guò)燃燒波陣面進(jìn)入未燃的藥床后疊加形成沖擊波，最后沖擊波強(qiáng)度達(dá)到某一臨界值則誘發(fā)爆轟。

表3為樣品BA-1和BA-4的燃燒性能測(cè)試結(jié)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(jìn)劑的燃速及壓強(qiáng)指數(shù)大于含RDX的p(BAMO-AMMO)推進(jìn)劑。因此，含AP的p(BAMO-AMMO)推進(jìn)劑發(fā)生了燃燒轉(zhuǎn)爆轟反應(yīng)。

表3　樣品BA-1和BA-4的燃燒性能及密度測(cè)試結(jié)果

由圖3可看出，當(dāng)RDX質(zhì)量分?jǐn)?shù)從65%增加到75%時(shí)，BA-2樣品的x-t曲線斜率增大，但曲線變化比較平緩，沒(méi)有明顯拐點(diǎn)，說(shuō)明僅發(fā)生了燃燒反應(yīng)；當(dāng)RDX質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至85%時(shí)，BA-3樣品的x-t曲線在藥床240mm處出現(xiàn)拐點(diǎn)，發(fā)生突變，急劇變陡，另外從試驗(yàn)后回收的DDT管殘片及沙坑、沙袋的破壞程度來(lái)看(見(jiàn)圖2(c))，推進(jìn)劑發(fā)生了燃燒轉(zhuǎn)爆轟反應(yīng)，說(shuō)明隨著RDX含量增加，推進(jìn)劑發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)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(duì)RDX在外力作用下所起到的緩沖、潤(rùn)滑作用降低，RDX顆粒間在壓實(shí)過(guò)程中局部形成“熱點(diǎn)”的概率增加。

2.3AP粒度及級(jí)配對(duì)p(BAMO-AMMO)推進(jìn)劑燃燒轉(zhuǎn)爆轟響應(yīng)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(diǎn)出現(xiàn)在藥床180mm處，含細(xì)粒度AP(粒度為1.0μm)的BA-5樣品的x-t曲線拐點(diǎn)出現(xiàn)在藥床220mm處，可見(jiàn)AP粒度對(duì)推進(jìn)劑發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟的傾向也有影響，含等量細(xì)粒度AP的p(BAMO-AMMO)推進(jìn)劑發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟的傾向較含粗粒度AP的小。

p(BAMO-AMMO)推進(jìn)劑中所含AP粒徑減小，其發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟的傾向也變小，這可能與不同粒徑顆粒造成推進(jìn)劑中的孔隙不同有關(guān)。推進(jìn)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(jìn)劑點(diǎn)火后形成的高壓壓縮波會(huì)在孔隙間發(fā)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(diǎn)”，隨著熱點(diǎn)的迅速增多使某處藥床突然發(fā)生熱爆炸誘發(fā)爆轟。細(xì)粒度AP可以有效降低推進(jìn)劑中的孔隙數(shù)目及其大小，從而減少“熱點(diǎn)”的形成。由圖3可知，含細(xì)粒度AP的推進(jìn)劑僅僅是發(fā)生爆轟反應(yīng)的藥床位置后移，其和含粗粒度AP的推進(jìn)劑最終響應(yīng)結(jié)果相同，均發(fā)生了爆轟反應(yīng)。這可能是因?yàn)殡m然細(xì)顆粒降低了推進(jìn)劑中的孔隙率，但細(xì)顆粒的比表面積卻增大，文獻(xiàn)[21]認(rèn)為，比表面積越大的含能材料表觀活化能越低，在熱分解過(guò)程中反應(yīng)速率常數(shù)增加，質(zhì)量燃耗率增大，最終導(dǎo)致爆轟反應(yīng)的發(fā)生。

由圖3也可看出，當(dāng)粗、細(xì)AP顆粒以質(zhì)量比為10∶3級(jí)配時(shí)，BA-6樣品x-t曲線變化較平緩，沒(méi)有出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，未發(fā)生爆轟響應(yīng)，說(shuō)明粗粒度AP與細(xì)粒度AP級(jí)配后可以有效阻止推進(jìn)劑發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟反應(yīng)。

粗粒度AP與細(xì)粒度AP按一定比例級(jí)配后，細(xì)粒度AP可以進(jìn)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(jìn)劑在受到外界強(qiáng)壓時(shí)形成“熱點(diǎn)”的數(shù)目大大減少，發(fā)生熱爆炸的概率大大降低，因而，推進(jìn)劑就不易發(fā)生爆轟響應(yīng)。為了降低推進(jìn)劑發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟的傾向，提高推進(jìn)劑的安全性，在選擇AP時(shí)，盡量采用級(jí)配的形式。

3　結(jié)　論

(1)推進(jìn)劑配方組分及含量是影響其發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟響應(yīng)的重要因素。相同試驗(yàn)條件下含質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%AP的p(BAMO-AMMO)推進(jìn)劑發(fā)生了燃燒轉(zhuǎn)爆轟響應(yīng)，而含等量RDX的p(BAMO-AMMO)推進(jìn)劑僅發(fā)生了燃燒反應(yīng)；隨著配方中RDX含量的增加，p(BAMO-AMMO)推進(jìn)劑發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟的傾向增加，當(dāng)RDX質(zhì)量分?jǐn)?shù)從65%增加到85%時(shí)，樣品由燃燒反應(yīng)變?yōu)槿紵D(zhuǎn)爆轟響應(yīng)。

(2)AP粒度及級(jí)配對(duì)p(BAMO-AMMO)推進(jìn)劑燃燒轉(zhuǎn)爆轟響應(yīng)有明顯的影響，含等量細(xì)粒度AP推進(jìn)劑發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟的傾向較含粗粒度的低;細(xì)粒度AP與粗粒度AP級(jí)配，能夠有效降低p(BAMO-AMMO)推進(jìn)劑發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟的傾向。當(dāng)粗、細(xì)AP以質(zhì)量比10∶3級(jí)配時(shí)，p(BAMO-AMMO)推進(jìn)劑未發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟反應(yīng)。

(3)p(BAMO-AMMO)推進(jìn)劑在一定條件下，特別是其質(zhì)量燃耗率較大時(shí)容易發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟反應(yīng)，應(yīng)加強(qiáng)該類推進(jìn)劑研發(fā)、制造、實(shí)驗(yàn)、運(yùn)輸、使用等過(guò)程的安全防護(hù)。

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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(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(9140C350404140C35162)

張超(1975-)，男，碩士，副研究員，從事固體推進(jìn)劑配方與工藝技術(shù)研究。

TJ55;V512

A

1007-7812(2016)04-0092-05