改性双基推进剂冲击波感度研究

张　超，秦　能，李宏岩， 马　亮，袁志锋，杨立波，陈俊波

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

改性双基推进剂冲击波感度研究

张超，秦能，李宏岩， 马亮，袁志锋，杨立波，陈俊波

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

采用隔板试验法研究了改性双基推进剂配方组成、所含高能炸药RDX粒度、粒度级配等因素对其冲击波感度的影响。研究结果表明，含有NG和RDX等组分的改性双基推进剂具有较高的冲击波感度，当配方中的敏感组分NG和RDX被不敏感的增塑剂TMETN和感度较低的高能量密度材料FOX-7全部取代时，隔板值由41.4mm降至16.5mm，降幅达60%；同时，粗细粒度高能炸药按一定比例级配使用有利于降低推进剂冲击波感度，粗细颗粒质量比为3：1时，降感效果最佳，隔板厚度降低5.3%。

改性双基推进剂；冲击波感度；RDX；粒度级配

为了提高现代武器系统远程打击能力，在为武器系统提供化学动力能源的固体推进剂中加入了大量的硝胺高能炸药（RDX或HMX）。由于硝胺高能炸药对外界刺激敏感，如何保证该类推进剂的安全性是人们非常关注的问题［1-2］。固体推进剂的危险性主要表现在其爆轰危险性［3］，推进剂发生爆轰反应与其冲击波感度有密切的关系［4］。美国长期以来一直使用隔板试验（NOLLSGT）测试推进剂冲击波感度，并以70片厚度为0.254mm（0.01in）的隔板作为区分1.1级（有整体爆轰危险）推进剂和1.3级（仅产生剧烈燃烧）推进剂的一项重要试验［5］。所以，冲击波感度是评价推进剂爆轰特性的主要参量，是评价推进剂危险等级及易损性的重要指标。近年来国内外研究者在炸药及发射药冲击波感度方面开展了大量实验研究工作。Kramer［6］用隔板试验给出了TATB基钝感炸药50%爆炸概率的隔板厚度。王浩［7］与花成［8］等人在炸药的冲击波感度机理方面进行了相关研究；李涛［9］利用隔板试验考察了以HMX为基的高能炸药不发生强烈反应的边界隔板厚度。刘玉存、杨斌林等人［10-11］在研究炸药冲击波试验中认为硝胺炸药粒度及级配对其爆轰性能有明显影响。陈晓明等人［12］在研究发射药冲击波感度时发现配方中的NG和RDX是导致装药爆轰性能高的主要因素，而对含硝胺炸药的改性双基推进剂冲击波感度规律研究的国内外报道很少。为了掌握改性双基推进剂冲击波感度响应规律，提高改性双基推进剂的使用安全性，同时为低感度改性双基推进剂配方设计提供参考，本研究借鉴炸药、发射药冲击波感度研究成果，试验研究了改性双基推进剂配方组成、所含硝胺炸药粒度、级配等因素对其冲击波感度的影响。

1　试验部分

1.1推进剂配方设计及主要原材料

本研究所用配方设计思路为：选择低感度的三羟甲基乙烷三硝酸酯（TMETN）和1，1-二氨基-2，2-二硝基乙烯（FOX-7），逐渐取代改性双基推进剂配方中的硝化甘油（NG）和RDX。TMETN和FOX-7均为西安近代化学研究所合成，化学纯，硝化棉（NC，氮含量12.0%）为泸州北方硝化棉公司生产，RDX选用兰州白银银光化学材料厂生产的B级d50=300μm（粗）和H级d50= 45μm （细）。粗/细级配分别取1/0、3/1、1/1、1/3、0/1。

按上述思路设计的推进剂配方如表1所示， 辅助增塑剂为邻苯二甲酸二乙酯（DEP）和二乙醇硝胺二硝酸酯（吉纳，DINA），配方中的其它组分包括弹道稳定剂、催化剂和中定剂等均为工业品，且这3种原料在各试样中的含量相同。

1.2试样制备

配方中的原材料经过吸收-熟化-驱水-压延-压伸工序制成为外径φ 36.0mm、长度35.0 mm的药柱。

1.3试验器材与方法

本研究冲击波感度测试参考文献［12］中的隔板试验法。用雷管引爆施主药柱，施主药柱爆炸产生的冲击波经隔板衰减后作用于被测推进剂，测定推进剂药柱被引爆时的隔板值，用该隔板厚度值表征试样的相对冲击波感度。隔板值越大，经其衰减后入射到被测试样的相对冲击波压力越小，试样冲击波感度越高；反之，冲击波感度越低。实验中还参考文献［5］，对表1中IC-1、IC-8和 IC-10进行了18mm隔板试验，以初步判断其危险等级。

隔板试验装置示意图见图1，施主药柱、隔板、试样管同轴。试样管采用精拔管45-φ 48mm×φ 36 mm，长度140.0mm；施主药柱为浇铸彭特里特炸药（TNT∶PETN=1∶1），规格：φ 50mm×50mm，密度为1.58g/cm3；采用8号工业电雷管起爆，隔板采用聚甲基丙烯酸（有机玻璃），规格为φ 50.0mm×0.19 mm，验证板为150.0 mm×150.0mm×10.0mm的45号钢板。隔板选取按升降法（GJB/Z 377A-94 感度试验用数据统计方法）进行。

图1　试验装置Fig.1　Gap test set up

如果在一次试验中验证板出现与试样管尺寸相当的圆孔，结果判为“不通过”，否则判为“通过”。验证板上有凸起、裂痕或折弯并不表明结果可判为“不通过”。

2　结果与讨论

2.1试验结果

推进剂冲击波感度试验结果见表1。IC-1、IC-8和IC-10试样 18mm隔板试验结果见图2。由图2可见，IC-1和IC-8的验证板上均出现了直径大于48mm的透孔，IC-1验证板的裂痕与变形程度大于IC-8的验证板，在周围均没有发现未发生反应的余药，判定响应类型为爆轰，IC-1响应后对验证板的破坏程度更大一些；而IC-10验证板平整，且在周围找到几块较大残药，判断IC-10未发生爆轰反应。按文献［5］判据，含RDX及NG的IC-1和IC-8改性双基推进剂危险等级应该为1.1级，NC/TMETN/ FOX-7基IC-10推进剂危险等级为1.3级。

图2　18mm隔板试验验证板Fig.2　The witness plates of 18mm gap test

表1　推进剂的配方及隔板试验结果Tab.1　Propellant composition and the result of gap test

2.2推进剂组成对冲击波感度的影响

根据表1的试验结果，可见推进剂配方组成是影响其冲击波感度的主要因素，用低感度的TMETN和FOX-7逐步替代配方中的NG和RDX，推进剂的冲击波感度降低非常明显，当配方中的敏感组分NG和RDX被TMETN和FOX-7全部取代时，隔板值由41.4mm降至16.5mm，降幅达60%。用3%的含能辅助增塑剂吉纳代替惰性增塑剂DEP后，推进剂的冲击波感度有所增加，可见推进剂配方中含能组分比例越高，含能组分本身越敏感，推进剂的冲击波感度也越高。

研究［13］认为：CHNO炸药对外界刺激的响应与其自身的氧平衡有关，氧平衡越大越敏感，NG的氧平衡为0.44，TMETN的氧平衡为-2.7， NG的氧平衡明显大于TMETN的氧平衡。根据爆炸物起爆理论，爆炸物的起爆难易程度与其吸收外能转化为热量的能力有关，当T=298.15K时，RDX的标准摩尔比热容为251.17J·mol-1·K-1［14］，FOX-7 的标准摩尔比热容为176.02J·mol-1·K-1［15］，RDX的比热容大于FOX- 7，RDX转化热能的能力更强，因此，含RDX及NG等敏感组分的改性双基推进剂冲击波感度较高。本研究中的18mm隔板试验结果也说明这点，IC-1和IC-8中RDX含量不同，这并没影响其响应类型，皆发生了爆轰反应，RDX含量高的破坏效应程度更大。因此，在高能改性双基推进剂配方设计时，不能片面追求高能量单项指标，应在满足使用情况下，尽量选取低感度的增塑剂和低感度的高能量密度材料，这是降低该类推进剂冲击波感度的最有效途径。

2.3RDX粒度对冲击波感度的影响

比较表1中IC-1和 IC-5试验结果可知，RDX粒度对冲击波感度有明显影响。含等量细粒度RDX推进剂冲击波感度较粗粒度低。

试验结果与文献［10］研究结论一致，随着试样中所含硝胺炸药粒径减小，试样的冲击波感度呈现下降趋势。这可以用热点起爆机理来解释［16］，推进剂中由于大量固体颗粒的存在而存在一定的孔隙，在受到冲击加载时，由于受到冲击波的多次反射与猛烈撞击造成孔隙塌陷产生射流形成局部热点，这些热点以高速燃烧波的形式向周围传播；随着热点的迅速增多，高速燃烧波强度不断提高，最后发展成爆轰波。样品中所含固体颗粒越大，样品中孔隙越大，形成的热点强度越高，越容易被起爆。

细颗粒硝胺炸药可以降低改性双基推进剂的冲击波感度，但文献［17］研究认为随着硝胺类炸药（RDX，HMX，PETN ）粒度越小，炸药的比表面积显著增大，从而在热分解过程中反应速率常数增加、表观活化能降低，使粒度小的炸药样品在较低温度下便具有较高的热分解反应速率，烤燃敏感性增加。为了使改性双基推进剂具有良好的综合感度，最好采取级配的方式降低其冲击波感度。

2.4RDX粒度级配对冲击波感度的影响

从表1中可以看出，细颗粒与粗颗粒按一定的比例级配可以降低推进剂的冲击波感度，当粗细颗粒比为3：1时效果最好，随着细颗粒比例的进一步的增加，感度又有所增加，当粗颗粒被完全取代后，达到最大值，但总体感度还是低于粗颗粒。因此，采取级配的方式可以降低推进剂冲击波感度。

粗细颗粒级配后，由于细颗粒对大颗粒形成的孔隙有填充作用，使得推进剂中的固体颗粒堆积更加密实，冲击波刺激时，推进剂中的热点数目相应减少，冲击波感度下降。当细颗粒炸药添加到一定量时，推进剂冲击波感度又有所上升，分析原因认为可能是在本研究的配方体系中，当粗细颗粒比为3：1时，该配方体系中的所有固体颗粒（包括催化剂、弹道稳定剂）在成型挤压过程中互相填充交错，堆积状态达到最佳，推进剂中的孔隙大小及数量达到最小，由孔隙引起的爆轰概率降低；当细颗粒数目达到一定数量时，由大颗粒引起的孔隙因细颗粒的填充而减少，但因为细颗粒自身形成的更小孔隙数目却增加了，因而，冲击波感度又有所增加。

3　结论

（1）推进剂配方组成是影响其冲击波感度的主要因素，配方中含能组分比例越高，含能组分本身越敏感，推进剂的冲击波感度也越高。降低改性双基推进剂冲击波感度的最有效途径是用不敏感的增塑剂替代配方中的NG，用感度较低的高能量密度材料取代RDX 或 HMX，当配方中的敏感组分NG和RDX被不敏感的增塑剂TMETN和感度较低的高能量密度材料FOX-7全部取代时，隔板值由41.4mm降至16.5mm，降幅达60%。（2）含有硝化甘油或RDX的推进剂对冲击波刺激敏感，在18mm隔板试验中均发生了爆轰反应。（3）改性双基推进剂中所含硝胺炸药的粒度及粒度级配对推进剂冲击波感度有显著影响。含等量细粒度硝胺炸药推进剂冲击波感度较含粗粒度的低，细颗粒与粗颗粒按一定的比例级配混合，可以降低推进剂的冲击波感度，粗细颗粒质量比为3：1时，降感效果最佳，隔板厚度降低5.3%。

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Study on the Shock Wave Sensitivity of Modified Double Base Solid Propellants

ZHANG Chao，QIN Neng，LI Hong-yan， MA liang，YUAN Zhi-feng， YANG Li-bo，CHEN Jun-bo
（Xi’an Modern Chemistry Research Institute，Xi’an，710065）

The influence on shock wave sensitivity of modified double-base propellant， including formulation containing，particle size and distribution of high energy explosive（RDX） were investigated by gap test. The result showed propellant formulation containing NG and RDX had higher shock wave sensitivity，when the sensitive component NG or RDX were replaced by low sensitive plasticizer TMETN or high energy density insensitive material FOX-7，the gap value had a drop of 60%，from 41.4mm to 16.5mm. Meanwhile， according to a certain proportion of high energy explosive particle sizes，the shock wave sensitivity reduced when the mass ratio of coarse and fine particle was 3：1， which was found the best effect on dropping shock wave sensitivity， and the thickness of gap decreased 5.3%.

Modified double base solid propellants；Shock wave sensitivity；RDX；Grain size distribution

V512+.2

A

1003-1480（2015）02-0014-04

2014-12-02

张超（1975-），男，副研究员，从事固体推进剂配方与工艺技术研究。

总装十二五跨行业预研基金（NO.51328040501）