基于落锤试验的固体推进剂冲击发火判据研究*

丁 彪 黄 锋 杨 明 赵 鹏 胡 迪

（1.海军航空大学职业教育中心 烟台 264001）（2.91515部队110分队 三亚 582016）（3.海军航空大学研究生三队 烟台 264001）

1 引言

固体火箭发动机在运输、吊装等过程有可能受到冲击、跌落、振动等外界机械力的影响，如若意外发火、燃烧甚至爆炸，会造成武器装备的损坏、人员伤亡和巨大的经济损失，直接影响战斗力。所以准确掌握固体发动机装药的撞击感度对于判断其安全性尤为重要。

对于含能材料撞击感度问题的研究，前人做了许多工作。金韶华［2］等对含能材料机械撞击感度判据的发展进行了综述，在上百年的时间内，“判据”经历了“爆炸概率”、“特性落高”及“临界压力、厚度”三个阶段；含能材料的撞击起爆理论认为，起爆过程通常状态下分为点火和爆轰成长两个阶段。在撞击感度测试中，仅需区分试样是否容易发火，而不区分试样的反应激烈程度，因此试验实质反映的是试样受撞击后是否容易发火［3］，影响点火阶段的因素就是决定其撞击感度高低的关键因素［4］。于占龙［9］指出落锤试验仍是研究含能材料感度的主要研究手段。高立龙［1］等利用400kg落锤加载装置对多种炸药进行了撞击感度试验，将结果与GJB772A-97方法测试的炸药撞击感度进行分析，得到不同炸药感度的相关规律；徐洪涛［5］建立了新的感度测试系统，对不同尺寸的推进剂进行了撞击试验，结果表明气体检测判定的方法好于传统方法，尺寸的不同会导致结果不一致。马平［6］通过改变基体的模量，应用50%特性落高的方法测试了一系列PBX的撞击感度，结果表明改善力学性能可以改善撞击感度。代晓淦［7］建立了可以测量大药片落锤感度的试验方法，并应用其测量了不同炸药的感度。张涛［8］研究了粒度及制备方式对撞击感度的影响。王玉玲［10］发现热老化对HMX基高聚物炸药的撞击感度有降低的作用。南海［11］运用扫描电镜表征技术证明了吸热型包覆材料有利于降低AP颗粒的撞击感度。赵省向［12］从热爆炸理论出发，计算了几种炸药的热点尺寸和临界点火温度，应用落锤试验测量的撞击感度验证了临界热点参数的排序。陈皓［13］通过对典型药柱撞击感度的试验研究，发现药柱高度和药柱温度对其感度影响很大，而粉末装药和药柱的感度基本一致。李健［14］应用落锤试验仪研究了物性对含能材料撞击起爆感度的影响，结果表明AP较HMX、RDX更易爆发，大颗粒的AP和小颗粒的HMX、RDX可降低撞击感度。赵娟［15］研究了不同装药条件对落锤撞击响应的规律，结果表明起爆阈值随着药柱的厚度增大而变大，药粉感度大于药柱感度。

现有的研究多数集中于撞击感度，仅仅考虑落锤质量以及落高对感度的影响，忽略了撞击过程药柱受到的应力情况。本文设计了一套基于PVDF压电膜的应力测量系统，采集落锤撞击过程中装药的冲击应力变化情况，分析应力和落高的关系，进而分析落锤冲击条件下推进剂冲击发火的机理及判据，为固体发动机冲击安全性评定提供一定的理论依据。

2 试验准备及方案

1）基于PVDF的应力测量系统

设计的应力测量系统包含PVDF压电膜、号转换放大电路、号采集三个部分，示意图如图1所示。PVDF压电膜受压产生电荷，并经由积分放大电路转换为电压信号，最终通过信号采集部分采集信号。其中第一部分采用锦州科信电子有限公司生产的PVDF压电薄膜，直径10mm，第二部分电荷信号处理采用美国Dynasen公司生产的CI-50-0.1型信号积分放大器，其反馈电容Cf为0.1μF，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量Q成正比，与电容 Cf成反比。图2（a）和（b）所示的为PVDF压电薄膜和信号积分放大器。

图2 应力测量系统部件

第三部分应用数字示波器采集电压信号。利用示波器来采集PVDF传感器输出的电信号，数字存储示波器会将采集到的电信号进行数模转换，一方面将结果进行存储，便于后续的处理计算。另一方面也会把采集的数据以波的形式输出便于我们观察判断是否采集的是正确有效地信号。在本次要做的实验中压力冲击时间非常短，所以采用数字存储示波器来观察、存储PVDF传感器的输出信号。如图3所示。

图3 数字示波器

经过标定，可知该应力测量系统受力产生的电压满足下式：

式中σ为应力大小，U为示波器采集的电压信号；应力与采集的信号为正比关系。

2）落锤试验

试验在HGZ—I型撞击感度仪上完成，其落锤质量为10KG，根据航天工业部制定的试验标准QJ1271-86要求［16］，将某型推进剂去掉方坯药表皮，制成直径8mm，厚度1.0mm～1.1mm的圆形薄片，放入干燥箱内恒温（20±2℃）恒湿（60±5%）保存，以待使用。

为了测量推进剂落锤撞击过程的应力变化情况，在落锤试验仪的底座上安装应力传感器，且对原底座进行部分改造（方便安装压电薄膜），如图4所示。

图4 压电薄膜安装

试验开始前，让落锤空打3次～10次，消除击柱的塑性变形，而后在落锤试验仪中装入应力传感器及推进剂试样，安装好的试验设备如图5所示。

图5 试验装置

根据QJ1271-86［16］的要求，按照 50%特性落高试验方法，对推进剂试件进行落锤试验，并应用应力测量系统采集推进剂试件受到的应力情况。

3 试验结果

通过一系列的试验，得到试验数据如表1所示。

表1 试验数据

通过应力测量系统测得的应力情况如图6所示。

图6 40cm落高应力曲线图

由图6可以看出碰撞时间为0.001s，应力在落锤撞击过程的先上升后下降，整体呈正弦曲线的趋势。应力峰值与落高的关系如图7所示。

图7 落高与应力关系曲线

应力峰值与落高的0.55次方成正比，关系满足σ=175.09H0.5，式中σ的单位为MPa，H的单位为cm，R2值为0.982。

文献［17］验证了复合材料在低压（小于1GPa）、宽脉冲（大于50μs）的冲击条件下，其冲击发火判据仍可以通过冲击起爆判据—— p2τ=常数（该判据通常意义下只适用于高压、窄脉冲的冲击起爆）来确定。故本文应用这一判据，求其常数K。对于落锤试验中应力的情况，可对其求均值，即

由于75cm落高下应力的峰值为1516MPa，故其均值为965.8MPa，则由 p2τ=K可知该型推进剂的K值为932.8。

4 结语

1）通过50%特性落高试验方法得到的该型推进剂的50%冲击发火落高为75cm，最大100%不起爆落高为68cm。

2）通过应力传感器测得落锤试验推进剂受到的应力近似服从正弦分布，应用冲击发火判据p2τ=K可知该型推进剂的K值为932.8。