HMX对固体推进剂在强烈冲击条件下反应特性的影响①

李文海，张杰凡，徐 森，刘大斌，李苗苗，李 辉，田曜恺

(1.南京理工大学 化工学院，南京 210094；2.中国航天科技集团有限公司四院四十二所，襄阳 441003； 3.上海航天化工应用研究所，湖州 313002；4.兵器工业安全技术研究所，北京 100053)

0 引言

20世纪60～70年代，由于美国航空航母出现多次较大的弹药爆炸事故，造成大量的人员伤亡和巨大的经济损失，美国陆军弹道研究所提出了低易损性弹药(LOVA)的概念，制定了发展低易损性弹药的研究计划和目标[1-2]。弹药的低易损性是指当弹药受到外界不可预测的热、机械、电磁等刺激时，不易产生剧烈的反应，响应等级以及随之产生的二次损害较小[3]。也就是说，在子弹撞击、破片撞击等机械刺激作用下不易引发意外爆炸，且在高温和火焰中不易被烤燃、不殉爆，一旦意外被点燃，只燃烧而不爆轰。

国内弹药低易损性研究起步较晚，近年来国内参照美国(MIL-STD-2105)、法国(DGA/IPE INSTRUCTION N 260)、北约(STANAG 4439)以及联合国关于极不敏感爆轰物质(EIDS)等相关标准[4-6]，对弹药低易损性进行了大量的研究[7-11]。唐桂芳等[12]通过快速烤燃、枪击感度、撞击波感度等试验，研究了浇注PBX的低易损性能。张超等[13]通过空心装药射流试验研究了三种典型固体推进剂易损性特性。最新版美军标规定了快速烤燃试验，慢速烤燃试验，子弹撞击试验，聚能射流撞击试验，破片撞击试验，殉爆试验六项低易损试验来评判弹药的低易损性，该标准的试验方法和判据受到大家的公认。

本文选取两种固体推进剂典型配方，探索HMX对固体推进剂配方的低易损特性的影响。通过不同撞击方向下的子弹撞击、高速破片撞击和聚能射流撞击试验，研究了HMX对固体推进剂在强烈冲击条件下反应特性的影响，可为低易损性推进剂配方设计和研究提供参考。

1 试验

1.1 试验样品

试验样品：PBT复合推进剂A和B，两配方的差异在于A中添加了20%的HMX，B不含有HMX。将样品浇注到内径(100±1.0)mm、壁厚(3.0±0.1)mm、长度(200±1.0)mm的筒体中；用厚度为3.0 mm端盖通过螺纹密封；上下端盖用两块钢板通过螺栓链接固定；端盖及筒体材质均为GB/T 699规定的45优质碳素结构钢。样品结构及实物图如图1所示。

1.2 试验方法

(1)破片撞击试验。采用25 mm火炮，发射直径为12.7 mm，质量为18.6 g的立方体软钢金属破片，25 mm火炮距离样品15 m，破片以(1830±60)m/s速度撞击固体推进剂样品。

(2)子弹撞击试验。采用12.7 mm测速弹道枪，子弹为12.7 mm穿甲燃烧弹，枪距离样品15 m，在样品中心两侧1 m处各放置一块见证板，以850 m/s的射击速度撞击固体推进剂样品。

(3)聚能射流撞击试验。将样品置于一块见证板中心，将直径为81 mm的聚能装药水平放置在距离样品110 mm处，聚能装药中心应对准样品中心，用工业8号电雷管将聚能装药起爆。

采用高速录像记录三种试验的试验过程，分析样品的响应过程，观察样品响应后的持续反应情况。

(a)样品结构

(b)实物图

2 结果与分析

2.1 破片撞击试验结果

固体推进剂A和B在破片撞击后的响应特性如表1所示，轴向破片冲击试验过程高速录像图如图2～图5，试验后的残药和残壳如图6所示。

由表1可知，两种样品在轴向、径向破片撞击试验中均发生了燃烧，并未产生比燃烧更为剧烈的响应。因此，可认为样品A和B在破片撞击试验中响应类型皆为燃烧，根据美军标MIL-STD-2105[6]，可认为两样品通过了破片撞击试验，具有较好的安全性。

从图2～图5可看出，样品A和B在破片撞击试验中的燃烧持续时间有较大的差异，样品A轴向破片撞击后迅速燃烧，燃烧较为剧烈，火焰颜色较白，9 s内完全燃烧，样品A径向破片撞击后燃烧了27 s；相比之下，样品B在轴向破片撞击之后燃烧速度较慢，响应持续时间长达49 s，样品B在径向破片撞击后燃烧了58 s。

表1 破片撞击试验结果

图2 A轴向破片撞击试验历程图 图3 A径向破片撞击试验历程图

图4 B轴向破片撞击试验历程图 图5 B径向破片撞击试验历程图

(a) A轴向破片撞击试验 (b) A径向破片撞击试验

(c) B轴向破片撞击试验 (d) B径向破片撞击试验

对比轴向和径向试验发现，两种样品在轴向试验中响应程度大于径向试验。根据燃烧时间可得，燃烧速率分别增加了200%和18.4%。这是由于在轴向试验中，破片在样品内部穿行距离较长，与样品内部接触面积较大，动能转化为内能较多，造成样品的燃烧面较广，燃烧速率提升。

对比样品A、B成分发现，造成较大的持续时间差异是由于样品A中添加了少量HMX。HMX是单质炸药，属于高能密度材料，相比其他组分，HMX对子弹、破片冲击作用比较敏感。在样品受到冲击后，HMX会快速发生反应，且燃烧速率远高于AP和铝粉，因而HMX的加入显著提高了样品的反应速率。在样品中加入少量HMX可有效提升燃烧速率，轴向和径向试验中燃烧速率分别提升了4.44倍和1.15倍。

2.2 子弹撞击试验结果

样品A、B在子弹撞击后的响应特性如表2所示，试验后的残药和残壳如图7所示。

表2 子弹撞击试验结果

(a) A轴向子弹撞击试验 (b) A径向子弹撞击试验

(c) B轴向子弹撞击试验 (d) B径向子弹撞击试验

由表2、图7可知，两组试验中样品都发生了燃烧反应。其中，在A轴向试验时，样品内的样品被打散成多个部分，散落在试验场不同位置发生燃烧。各次试验中样品两端端盖脱落，壳体完好，无样品剩余。判断A和B的轴向和径向破片冲击试验的最终响应等级皆为燃烧。与破片撞击试验相同，样品A中添加了少量HMX，其燃烧速率与样品B相比有一定的提升，轴向和径向试验中燃烧速率分别提升了14.3%和8.5%。

与破片撞击试验类似，子弹撞击试验中两种样品的燃烧持续时间有差异，轴向试验中的燃烧时间均比径向试验中的短。燃烧速率分别增加了14.9%和14.2%。

2.3 聚能射流撞击试验

固体推进剂A、B在聚能射流撞击试验后的响应特性如表3所示，试验历程如图8、图9所示，试验后的残药和壳体如图10所示。

表3 聚能射流撞击试验结果

由图8、图9可知，样品A在聚能射流撞击试验中产生较大的火球，但样品未发现燃烧现象，试验现场也未找到样品的残骸和残药。综合试验现象，判定样品A在聚能射流撞击试验中的响应类型为爆轰。样品B在聚能装药被引爆之后迅速燃烧，试验区内仍有大量残药，壳体破碎。综合试验现象，判定样品B在聚能射流撞击试验中的响应类型为燃烧。对比样品A与样品B的配方，分析两种样品聚能射流撞击试验中响应类型有较大不同的原因是样品A中含有少量HMX。HMX是单质炸药，相比AP+Al的体系，HMX对射流冲击作用敏感，而AP+Al的体系相对较钝感。当HMX加入后，样品配方在受到射流冲击作用后，配方中的HMX会发生快速反应，从而在配方内部形成热点，从而显著提高样品体系的射流感度。

图9 B聚能射流撞击试验历程图

(a) B射流试验后的残药 (b) B射流试验后的壳体

3 结论

(1)在子弹撞击试验和破片撞击试验中，固体推进剂A和B的响应类型均为燃烧；样品中加入少量HMX未影响其响应等级，但显著提升了其燃烧速率。

(2)在轴向试验中，由于子弹或破片在样品内部贯穿比较深入，与样品内部接触面积较大，造成样品的燃烧面较广，轴向撞击刺激响应程度平均为径向的1.61倍。

(3)在聚能射流试验中，固体推进剂A和B响应类型分别为爆轰和燃烧，添加20%HMX后，样品在射流试验中的响应等级从V级变成I级，即含20%HMX的配方不属于低易损配方，表明HMX的添加量会对固体推进剂配方的易损性产生显著影响。