几种典型固体推进剂的燃烧转爆轰实验研究

秦 能,廖林泉,金朋刚,胥会祥,李军强,范红杰

(西安近代化学研究所,陕西 西安 710065)

引 言

高能固体推进剂中含有大量高能炸药,高能炸药本身具有较高的机械感度和冲击波感度,因此,如何保证高能固体推进剂在研究、制造、实验、运输、装卸、贮存、保管及处理过程中的安全性,是人们非常关注的问题[1-2]。改性双基推进剂的危险性主要表现在其爆轰危险性[3]。为了安全使用危险等级较高的改性双基推进剂,应制定详细的安全操作规程,同时开展有关推进剂危险评估技术的研究,从而确定推进剂危险的临界参数和危险效应。

联合国规定的爆炸品危险等级分级程序是目前国际上广泛采用的程序[4],对于火药(固体推进剂),雷管感度实验、燃烧转爆轰实验和标准隔板实验是联合国规程推荐的实验,在固体推进剂分级实验中必不可少。本研究针对 4种不同类型的固体推进剂进行了燃烧转爆轰实验,以期为固体推进剂的分级程序进行试验,以验证联合国规定的燃烧转爆轰实验方法的可行性,但实验效果不佳。之后对样品管进行了改进,不仅增加了壁厚,还在管壁上增加了用来测定爆速的小孔,获得了较好的实验效果。采用改进后的样品管进行燃烧转爆轰实验时,不仅获得了破片证据,还测得了稳定的爆速。

1 实 验

1.1 推进剂配方及性能

CMDB推进剂(粒铸工艺制备及螺压工艺制备)、HTPB复合推进剂(浇铸工艺制备)、NEPE推进剂(浇铸工艺制备)配方见表1,推进剂的部分性能见表 2。

表2 4种推进剂的性能Table 2 Properties of the four propellants

1.2 仪器及试验装置

样品管 I(采用联合国规定的标准):无缝钢管,直径 39.9mm,壁厚 4mm、管长 1200mm,钢管两端用螺帽封闭,螺帽壁厚 4mm,其中一支螺帽有直径2mm的孔用于穿点火线。

样品管 II:壁厚 9mm,螺帽壁厚 9mm,其他与样品管 I相同。

样品管 III:螺帽底部厚 13mm,样品管带测速孔,其他与样品管 I相同。

黑火药:GJB1056小粒黑火药,每发实验用 5g。点火头:雷管用电点火头。见证板:长 1020mm、宽80mm、厚 8mm的铝板。燃烧转爆轰装置示意图见图 1,测速孔直径 2mm。

图 1 燃烧转爆轰装置示意图Fig.1 Deflagration-to-detonation transition test equipment

2 结果与分析

2.1 样品管 I的实验结果及分析

采用样品管 I,4种推进剂均未发生燃烧转爆轰。研究表明[5-6],推进剂发生燃烧转爆轰时压强高达数百兆帕,甚至达到吉帕级。本实验中所用样品管的耐压值为74.5M Pa。图 2和图 3分别为 CMDB推进剂、NEPE推进剂实验后的样品管。由图 2和图 3可知,实验中样品管靠近点火的一端被撕裂或破裂,这是由于推进剂燃烧产生的气体压强超过钢管的耐压值所致。分析认为,要使推进剂产生稳定爆轰,需加强外界约束条件,即增加样品管壁厚,提高样品管的耐压值有两个途径:一是保持样品管外径不变,缩小内径;二是保持内径不变,增大样品管外径。结合本次实验结果,采取增加样品管外径的方法,同时改变螺压 CMDB推进剂的装填形式(由实心药柱改为颗粒),采用增加壁厚的样品管 II再次进行实验。

图2 CMDB推进剂试验后的样品管及见证板Fig.2 The witness plate and sample tubes after the CMDB propellant DDT test

图3 NEPE推进剂实验后的样品管Fig.3 The sample tubeafter the NEPE propellant DDT test

2.2 样品管 II的实验结果及分析

采用样品管 II进行3发实验。其中粒铸 CMDB推进剂药柱 2发实验,1发试样总长1180mm,距管口20mm,管内空出的Φ40mm×20mm空间用于放置点火药及点火头;另 1发试样长1200mm,药柱中间预制Φ20mm×20 mm孔,用于放置点火药及点火头。两发实验结果均为靠近点火端的部分推进剂药柱燃烧,其余大部分药柱(约占 4/5)冲出管外,较完整。样品管完整,两端盖从底部冲开。

螺压 CMDB推进剂药粒进行了 1发实验,装药量 0.88kg,药粒表面距样品管口 48mm,装填高度1 152mm,管内径实测值 39.9mm,堆积密度为0.6109g/cm,装填系数0.3795。结果发生燃烧转爆轰,样品管从点火端开始有 330mm长的一段较完整,但端盖底部仍被冲开,其余样品管爆炸成小碎片,因找不到另一个端盖,不能判断该端盖底部是否被冲开。

虽然螺压 CMDB推进剂药粒发生了燃烧转爆轰,但从破片的破碎程度看,爆速不会太高。分析认为一方面是外界约束条件的加强,样品管由原来74.5MPa的耐压值提高到150MPa以上;另一方面,样品管内样品的装填形式发生改变,从原来的药柱变为颗粒,装填密度仅为原来的37.95%。样品管内的孔隙率增大,推进剂的初始燃面成倍增大,产生气体量提高,压强也相应增大。由于压强的增大,增强了燃烧波在样品管中的传递,在燃烧过程中,随着压强的快速提高,燃烧发生了本质的变化,由平行层燃烧转变为对流燃烧,最终变为爆轰。在相同条件下,粒铸推进剂药柱样品却未出现燃烧转爆轰,样品管内的高压将端盖底部冲开,泄压后,推进剂熄火。出现燃烧转爆轰的样品管 II的一边端盖底部也冲开,说明样品管的端盖仍是薄弱部分。

针对样品管 II的薄弱环节,对钢管的两端盖重新设计加工,使其壁厚大于 13mm,以保证耐压强度;另外在钢管底端沿轴向钻出3个直径 2mm的孔(孔距 100mm,第 1孔离端面 50mm),以便插入探针,测试推进剂燃烧转爆轰时的爆速。这样不仅可以通过破片来判断是否发生爆轰,还可以从是否存在稳定的爆速来判断是否发生爆轰,增加了判断的可靠性。

2.3 样品管 III的实验结果及分析

采用样品管 III进行了 8发试验,结果见表 3。

表 3 采用样品管 III的推进剂燃烧转爆轰试验结果Table 3 DDT test results of propellant adopted the sample tube III

通过改进实验器材和测试手段,测得推进剂燃烧转爆轰时的稳定爆速,从而证实了固体推进剂在一定条件下也能发生燃烧转爆轰。

从发生燃烧转爆轰的推进剂配方看,粒铸CMDB、NEPE推进剂及螺压 CMDB推进剂均含有RDX、NG等感度较高的物质,螺压CMDB推进剂中RDX的质量分数为 18%,其他两种推进剂中 RDX的质量分数在30%以上;另外,推进剂的装填形式对结果影响很大,散装颗粒(粒铸 CMDB推进剂药粒、螺压 CMDB推进剂药粒)以及推进剂内部有孔洞的推进剂(NEPE推进剂)均发生燃烧转爆轰,装填密度为理论密度的 30%～ 64%。可见,装药的密实度(密实或疏松,内部有无裂纹)及装填形式(药柱或颗粒)等对推进剂是否发生燃烧转爆轰有重要影响。

从爆轰产生的破坏程度看,粒铸 CMDB推进剂最强,螺压 CMDB推进剂次之,NEPE推进剂最弱。粒铸 CMDB推进剂稳定爆轰时的爆速高于螺压CMDB推进剂。这主要与推进剂样品的装填密度有关,粒铸 CMDB推进剂装填的是圆柱状非常规则的小颗粒,螺压 CMDB推进剂的颗粒较粗(经过切粒机一次切割的颗粒尺寸大约为 5mm×5mm×5mm,经过切粒机 3次切割的颗粒尺寸大约为3mm×3mm×3mm),NEPE推进剂药柱内部有大量孔洞,在相同的容积下,粒铸 CMDB推进剂的装填密度最大,装药量最多。

图 4 4种推进剂在样品管 III中实验后的药柱及破片Fig.4 Grains and f ragments of four propellants after DDT test in sample tube III

3 结 论

(1)固体推进剂在一定条件下,特别是以颗粒形式装填或内部存在缺陷(气孔、裂纹)等条件下可发生燃烧转爆轰。

(2)当固体推进剂配方中含有 RDX、NG等感度较高的含能材料时,发生燃烧转爆轰的概率提高。

(3)推进剂样品的装填形式(药柱或颗粒)、药柱的密实度(疏松、气孔、裂纹或密实)和外界约束条件(强或弱)等对推进剂是否发生燃烧转爆轰有重要影响。

(4)采用改进后的燃烧转爆轰样品管进行燃烧转爆轰实验,可获得稳定爆轰时的爆速数据,为推进剂的燃烧转爆轰提供直接证据。

[1] 俞统昌,王晓峰 ,王建灵.火炸药危险等级分级程序分析 [J].火炸药学报,2006,29(1):10-14.YU Tong-chang,WANG Xiao-feng,WANG Jianling.Hazard classification procedures for explosive and propellant[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,2006,29(1):10-14.

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[3] 张续柱.双基火药 [M].北京:北京理工大学出版社,1997.

[4] United Nations Committee of Experts on the Transport of Dangerous Goods.UN Recommendations on the Transport of Dangerous Goods.Manual of Tests and Criteria(Fourth revised edition.)[R].New York:[s.n.],1999.

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