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(shù)的不斷進(jìn)步,武器系統(tǒng)面臨的戰(zhàn)場環(huán)境越來越復(fù)雜多變,武器系統(tǒng)的性能要求也日益提高。其中,發(fā)射藥的性能更是直接關(guān)系到武器系統(tǒng)的整體效能。因此,對發(fā)射藥的安全性和可靠性提出了更高要求[1]。作為武器推進(jìn)系統(tǒng)的核心組成部分,發(fā)射藥的主要功能是在點(diǎn)火后迅速釋放能量,產(chǎn)生高溫、高壓氣體以推動彈丸射出,還伴隨著強(qiáng)烈的沖擊波效應(yīng)。這一效應(yīng)對發(fā)射藥及武器系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
常規(guī)情況下,發(fā)射藥只會發(fā)生燃燒,不會發(fā)生爆炸或爆轟。但是在增加高能量組分或強(qiáng)約束的情況下,發(fā)射藥也會被沖擊波引發(fā)燃燒轉(zhuǎn)爆轟。發(fā)射藥出現(xiàn)燃燒轉(zhuǎn)爆轟是先燃燒,產(chǎn)生超高壓和沖擊波,從而誘發(fā)其余藥床發(fā)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(fā)射藥的爆轟特性具有十分重要的意義,是評價發(fā)射藥危險性及易損性的重要參數(shù),也是所有反映爆轟特性試驗(yàn)中唯一可以量化的指標(biāo)。
研究表明,在驗(yàn)證分級試驗(yàn)的試驗(yàn)方法時,樣品大都使用單質(zhì)炸藥[3],很少使用火藥。在國內(nèi)外感度試驗(yàn)和分級研究中發(fā)現(xiàn),只有少量關(guān)于炸藥沖擊波感度的試驗(yàn)分析[4-5]。對火藥(發(fā)射藥和推進(jìn)劑)而言,沖擊波感度試驗(yàn)通常集中在推進(jìn)劑特性的研究上,對于發(fā)射藥的危險性評估,單獨(dú)的測試項(xiàng)目并不常見,只有少量關(guān)于危險性的單項(xiàng)試驗(yàn)[6]。目前,國內(nèi)外對發(fā)射藥的危險分級缺乏明確的研究與說明,在推進(jìn)劑方面也只有籠統(tǒng)的危險分級說明,即推進(jìn)劑通常屬于第1類爆炸材料,通常為1.1類(大規(guī)模爆炸)或1.3類(大規(guī)?;馂?zāi)、小規(guī)模爆炸或碎片)。1.1類推進(jìn)劑主要是由機(jī)械沖擊和傳播到相鄰炮彈引起的爆炸,而1.3類推進(jìn)劑主要是無意中點(diǎn)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(fā)射藥的爆轟危險等級屬于1.1級,關(guān)于不同藥型的發(fā)射藥的危險性目前還沒有系統(tǒng)的試驗(yàn)研究,這顯然對不同藥型發(fā)射藥的安全操作缺乏指導(dǎo)意義。
深入研究發(fā)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(tǒng)安全性、保障軍事行動順利進(jìn)行的重要課題。通過對發(fā)射藥沖擊波感度的系統(tǒng)研究,可以深入了解發(fā)射藥的物理化學(xué)性質(zhì)、燃燒機(jī)理及沖擊波傳播特性,為發(fā)射藥的配方優(yōu)化、生產(chǎn)工藝改進(jìn)及安全防護(hù)措施的制定提供科學(xué)依據(jù),補(bǔ)充該領(lǐng)域認(rèn)識的不足;同時,為發(fā)射藥危險等級的確定提供依據(jù)。因此,對典型發(fā)射藥的沖擊波感度及影響因素進(jìn)行了比較系統(tǒng)的試驗(yàn)研究,為發(fā)射藥的配方設(shè)計及安全使用提供參考。
1沖擊波感度試驗(yàn)
1.1 試驗(yàn)方法
1.1.1 試驗(yàn)原理
目前,關(guān)于發(fā)射藥的沖擊波感度試驗(yàn)無可依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)方法。因此,參考混合炸藥和推進(jìn)劑沖擊波感度卡片式隔板法,初步設(shè)計了發(fā)射藥的沖擊波感度試驗(yàn)方法?;驹硎牵褐靼l(fā)裝藥的沖擊波能量經(jīng)惰性隔板衰減后,作用于被發(fā)裝藥端面,通過改變惰性隔板的厚度,獲得不同強(qiáng)度的入射沖擊波;觀察鑒證板,判定試樣是否發(fā)生爆轟;采用敏感性測試統(tǒng)計方法,獲得被發(fā)裝藥 50% 概率發(fā)生爆轟的臨界隔板厚度,以此表征被發(fā)裝藥的沖擊波感度
1.1.2 試驗(yàn)裝置
發(fā)射藥沖擊波感度試驗(yàn)裝置如圖1所示。
1.1.3 試驗(yàn)器件
常用的主發(fā)裝藥有特屈兒、彭托利特和鈍化RDX??紤]到在生產(chǎn)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(zhì)的因素[8],選用鈍化RDX作為主發(fā)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(guī)格單一。鋁合金片的裁切平整性不好,會導(dǎo)致產(chǎn)生隔板間隙。因此,選擇多規(guī)格的PMMA作為惰性隔板。
一般發(fā)射裝藥筒材質(zhì)為 45# 鋼,壁厚約 2~3 mm 。因此,選擇被發(fā)裝藥筒的材料為 45# 鋼,內(nèi)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(fā)生脆裂甚至碎裂;硬度過低,會導(dǎo)致鑒證板僅發(fā)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(fā)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(fā)射藥的沖擊波感度試驗(yàn)判據(jù)合理且有效。因此,對鑒證板厚度的選定進(jìn)行了試驗(yàn)研究。選取3/1Z和4/7S2種典型的單基發(fā)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(jìn)行了沖擊波感度“0\"隔板摸底試驗(yàn)。3/1Z發(fā)射藥試驗(yàn)后鑒證板狀態(tài)如圖2所示。4/7S發(fā)射藥試驗(yàn)后鑒證板狀態(tài)如圖3所示。
試驗(yàn)結(jié)果表明: 1mm 厚的鑒證板和3個 1mm 厚的鑒證板試驗(yàn)后發(fā)生的形變大,鑒證效果差,并不適用于后續(xù)試驗(yàn); 4mm 厚的鑒證板試驗(yàn)后,被撕裂開的區(qū)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(tǒng)計方法
傳統(tǒng)的沖擊波感度卡片式隔板法所采用的敏感性測試統(tǒng)計方法為布魯特升降法。該方法試驗(yàn)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(yàn)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(nèi) 50% 爆轟隔板臨界厚度,即單峰函數(shù)的峰值拐點(diǎn)。對于發(fā)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(yàn)后 50% 爆轟隔板臨界厚度的峰值拐點(diǎn)范圍。
隔板試驗(yàn)0.618黃金分割法的試驗(yàn)精度
式中: ??A 為 n 次測試后的峰值拐點(diǎn)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(yàn)精度 δ?n≈0.017 。
另外,0.618黃金分割法的試驗(yàn)精度與試驗(yàn)次數(shù)的關(guān)系為: δ?n=0.618n-1 。
將所需要的沖擊波隔板試驗(yàn)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(yàn)次數(shù)
因此,為了滿足試驗(yàn)精度要求,并考慮到試驗(yàn)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(yàn)樣本量達(dá)到10的要求。
1.2 試驗(yàn)樣品
選取3/1Z、4/7S、DF-12和DF-144種單基發(fā)射藥,藥型、單發(fā)裝藥藥量、單發(fā)裝藥孔隙率及藥粒比表面積如表1所示。其中,單發(fā)試驗(yàn)藥量為單個被發(fā)裝藥筒能裝填的最大發(fā)射藥量。單發(fā)裝藥孔隙率和藥粒比表面積為理論計算數(shù)據(jù)。樣品實(shí)物狀態(tài)如圖4所示。
1.3 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理
按照1.1確定的沖擊波感度試驗(yàn)方法,對4種發(fā)射藥進(jìn)行了沖擊波感度試驗(yàn),獲得了 50% 爆轟臨界隔板厚度。另外,選用 4/7S 發(fā)射藥進(jìn)行了約束強(qiáng)
度對沖擊波感度的影響試驗(yàn)。其中,被發(fā)裝藥的套筒有3種壁厚規(guī)格,分別為2.10、2.70mm和3.15mm 。
沖擊波在惰性有機(jī)玻璃隔板中的衰減規(guī)律為
p=17.0e-0.0537x
式中: p 為沖擊波壓力; x 為試驗(yàn)得到的 50% 爆轟臨界隔板厚度。
依據(jù)式(3),將試驗(yàn)獲得的 50% 爆轟臨界隔板厚度轉(zhuǎn)換為沖擊波壓力,結(jié)果如表2所示
2 分析與討論
2.1裝藥約束強(qiáng)度對沖擊波感度的影響
從表2試驗(yàn)結(jié)果可看出:對于 4/7S 發(fā)射藥,當(dāng)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(yīng)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(qiáng)度增強(qiáng),沖擊波感度有明顯增大趨勢。
目前,被普遍認(rèn)可的沖擊波起爆機(jī)理是熱點(diǎn)點(diǎn)火和熱點(diǎn)引起的化學(xué)反應(yīng)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(diǎn)的形成,還包括了熱點(diǎn)的發(fā)展過程,即形成穩(wěn)定爆轟的過程[9]對于發(fā)射藥而言,當(dāng)在無約束條件下受到強(qiáng)沖擊波作用時,可能會被沖擊點(diǎn)火,但由于燃燒化學(xué)反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生的燃?xì)鈮毫芸斓靡葬尫?,所以無法使得點(diǎn)火燃燒成長為爆轟輸出模式[10]。但是,當(dāng)發(fā)射藥被增加了強(qiáng)約束條件時,強(qiáng)沖擊波作用下的點(diǎn)火會快速形成為爆轟成長過程;而且隨著約束強(qiáng)度的增強(qiáng),發(fā)射藥點(diǎn)火后的燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程發(fā)生的概率更高[11]這是因?yàn)?,在約束條件增強(qiáng)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(chǎn)生更為顯著的燃?xì)鈮毫Γ@種增強(qiáng)的燃?xì)鈮毫M(jìn)一步促進(jìn)了藥床燃速的提高,從而更容易誘發(fā)藥床的爆轟反應(yīng)。
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(fā)射藥均屬于單基發(fā)射藥,但藥粒尺寸差異性較大,導(dǎo)致被發(fā)裝藥筒內(nèi)發(fā)射藥的實(shí)際裝填密度有較大差異。從表1中的單發(fā)試驗(yàn)實(shí)際裝藥質(zhì)量可以看出,3/1Z藥粒尺寸最小,裝填質(zhì)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(zhì)量為 21.1g ,裝填孔隙率為 58.2% ,裝填密度最小。3/1Z發(fā)射藥的 50% 爆轟臨界沖擊波壓力為 6.74GPa ,而DF-14發(fā)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(fā)射藥,藥粒大小不同時,實(shí)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(fā)射裝藥內(nèi)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(yīng)釋放能量的較大損失[12]。當(dāng)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(dǎo)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(yīng)的區(qū)域,對爆轟的成長產(chǎn)生顯著影響[13]。因此,較多的孔隙使得發(fā)射藥本體實(shí)際所吸收到的能量遠(yuǎn)低于實(shí)際入射的沖擊波能量,沖擊點(diǎn)火和燃燒轉(zhuǎn)爆轟的成長過程均會受到影響[14]
另一方面,發(fā)射藥受到?jīng)_擊波作用后,從點(diǎn)火燃燒向爆轟狀態(tài)的過渡過程本質(zhì)上是一個能量快速積聚、促進(jìn)反應(yīng)成長的過程。當(dāng)裝藥中有較多孔隙存在時,初始點(diǎn)火后的燃燒反應(yīng)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(fā)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(diǎn)火后的燃燒速度更高,更容易向爆轟反應(yīng)區(qū)過渡
另外,對比4/7S和DF-12的試驗(yàn)結(jié)果可知, 4/ 7S裝填質(zhì)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(shù)據(jù)的對比結(jié)果與其他裝填密度對沖擊波感度的影響規(guī)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(fā)裝藥總比表面積是 4/7S 的2.8倍,具有顯著差異。因此,當(dāng)2種發(fā)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(dǎo)致高比表面積的發(fā)射藥在點(diǎn)火后的成長過程更快,燃速更高,更容易向爆轟反應(yīng)區(qū)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(jié)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(fā)射藥的沖擊波感度具有明顯差異,且隨著單發(fā)裝藥總比表面積的增大,沖擊波感度呈現(xiàn)明顯升高的趨勢。
其中,DF-12發(fā)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(fā)射藥的 15.53GPa 臨界起爆壓力,感度的提高幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了裝填密度對沖擊波感度的影響。結(jié)合表1中的比表面積計算數(shù)據(jù)可以看出,DF-12發(fā)射藥藥粒的比表面積大約是DF-14的5倍,單發(fā)裝藥的總比表面積大約是DF-14發(fā)射藥的715倍。顯然,DF-12發(fā)射藥的高比表面積對發(fā)射藥沖擊波點(diǎn)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(yīng)進(jìn)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(fā)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(jié)論
1)隨著裝藥約束強(qiáng)度增強(qiáng),發(fā)射藥點(diǎn)火后的燃燒反應(yīng)產(chǎn)物壓力積聚,推進(jìn)了燃燒向爆轟反應(yīng)區(qū)的過渡,導(dǎo)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(fā)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(fā)射藥本體實(shí)際接收的沖擊波能量;同時,有較多孔隙存在時,初始點(diǎn)火后的燃燒反應(yīng)釋放能量會因孔隙稀疏而無法積聚成長為爆轟反應(yīng)。3)發(fā)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(diǎn)火后的燃速起到了決定性的作用,促進(jìn)了高速燃燒向爆轟化學(xué)反應(yīng)區(qū)的過渡。4)裝填密度和裝藥比表面積均對發(fā)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。
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