双基、改性双基推进剂子弹撞击易损性响应研究

孙志刚，张 超，李军强，党永战，武宗凯，陈俊波



双基、改性双基推进剂子弹撞击易损性响应研究

孙志刚，张 超，李军强，党永战，武宗凯，陈俊波

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

采用速度为(850±20)m·s-1的12.7mm标准穿甲弹撞击试样，研究子弹撞击机械刺激下双基、改性双基推进剂的易损性响应特性和影响因素。结果表明：子弹撞击对推进剂的易损性响应程度与推进剂配方组分以及子弹的穿透深度有一定关系，推进剂配方中固体含量越高、组分感度越高，子弹穿过推进剂深度越深，其响应程度越剧烈；本试验中RDX含量25%的RDX-CMDB推进剂在子弹轴向撞击下发生了爆燃响应。

推进剂；子弹撞击；易损性

双基、改性双基推进剂装药具有烟雾特征信号低、燃烧性能稳定、结构完整性优良、勤务处理方便等优点，被广泛应用于各类武器系统的发动机[1-2]。近年来随着我国海军不断走向深蓝，各种大型舰船/航母被大量列装海军，作为高性能武器系统的武装直升机被要求上舰，武装直升机在低空飞行时，挂于机身下方的弹药受到的最大威胁是来自地方的子弹射击[3]，因此，对双基、改性双基推进剂的安全性研究引起了广大科研人员的关注[4-6]。

在美国，子弹撞击试验是弹药交付军方前必做的易损性考核项目之一。子弹撞击试验主要研究含能材料在受到高速飞行的弹丸撞击、穿透作用后引起的反应，可以获得含能材料本身的安全性能，进而为弹药安全防护提供理论指导。Kimura以及Lee等人[7-8]采用枪击试验研究了推进剂、RDX基LOVE发射药的子弹撞击安全性能；国内唐桂芳等[9]采用枪击试验研究了浇注PBX炸药的安全性能；王凯民等[10]采用枪击试验研究了引信爆炸序列的安全性能；杨建等[11]研究了含RDX基发射药的子弹撞击特性，发现RDX基发射药子弹撞击反应剧烈程度和冲击波超压均高于单基发射药；高立龙等[12]研究了12.7mm子弹撞下热塑性炸药PMX-1的易损性响应特性，PMX-1炸药仅发生燃烧反应；代晓淦等[13]研究了装药尺寸对响应的影响，发现装药长度越长反应程度越强烈；韩博等[14]用12.7mm子弹撞击试验考核了某新型发射药的易损性，试验结果为燃烧。根据上述文献可见国内对含能材料子弹撞击试验研究大都集中在发射药与炸药装药方面，对双基、改性双基推进剂的子弹撞击安全性的研究工作却很少开展。因此通过研究典型双基、改性双基推进剂对子弹撞击试验的响应规律，可以获得该类推进剂的安全性数据，为该类推进剂应用过程的安全防护及为低敏感改性双基推进剂的配方设计提供指导。本研究参考美国MIL-STD-2105D中的子弹撞击试验方法，对典型的双基、改性双基推进剂子弹撞击易损性能进行测试。

1 实验部分

1.1 试验装置

发射装置采用自行研制的12.7mm子弹发射药系统，该系统由12.7mm弹道枪、测速装置组成，主要技术指标如下：（1）发射装置口径：12.7mm；（2）弹丸着靶速度：(850±20)m/s；（3）子弹为12.7mm穿甲燃烧弹；（4）测速不确定度：优于0.3％。

1.2 试样制备

试验样品按传统螺压工艺制备，主要工序包括吸收、压延与压伸，样品规格为：Φ45mm×180mm。试样配方主要组成见表1。

图1 12.7mm子弹撞击试验装置

表1 试样配方 (%)

1.3 试样管

试样管由45#钢加工而成，内径Φ50mm，壁厚5mm,管体两端用端盖封堵，端盖与管体通过螺纹连接。

1.4 试验现场布置

试验现场布置如图2所示。

图2 试验现场布置图

将试样放置在距枪口25m远的支架上，分别从径向和轴向两个方向进行撞击，每个方向平行进行2发试验；用壁面压力传感器、数据采集系统记录试验过程中试样产生的冲击波超压，距样弹4m距离处采用壁面传感器测冲击波压力。

1.5 弹道枪速度标定

试验前先用光幕测速装置测量发射装置发射药的弹丸速度，确保距枪口25m处弹丸速度在(850± 20)m/s范围内。测试结果如表2所示。

表2 弹道枪速度标定

Tab.2 Ballistic gun velocity after calibration

表2的速度标定结果表明，该枪发射的弹丸平均速度为860.9m/s，且弹丸速度分布859.3～863.4m/s之间，弹丸的速度均在(850±20)m/s之内，符合试验要求。

2 实验结果与分析

2.1 试验结果

3种样品在子弹撞击后的响应特性如表3所示，试验结果图片见图3。

根据图3中推进剂子弹撞击试验中壳体残骸、见证板的变化以及冲击波压力值，参考MIL-STD-2105D中关于含能材料易损性响应类型的描述，认为ZD-1试样不管是在径向轴向撞击下，推进剂在子弹的冲击下均断裂或破碎，但未发生燃烧反应；ZD-2试样在径向撞击下发生了燃烧反应，轴向撞击下发生了爆燃响应；ZD-3试样在径向、轴向撞击下未发生比燃烧更剧烈的反应，轴向撞击对药柱及壳体的破坏程度更大一些。

表3 固体推进剂子弹撞击试验结果

Tab.3 The response results of the three typical solid propellants with bullet impact

2.2 实验结果分析

对于含能材料在冲击加载下的点火机制，Y.Ha- mate等[15]认为是含能材料在冲击、剪切、摩擦等作用下引起的热点点火现象。该学说认为推进剂、炸药等固体含能材料在外力刺激下热量首先集中在半径约为10-1~101μm的小点上，含能材料以这些热点为中心开始点火向周围反应，随着燃烧速度的增加引起更为剧烈的反应。M.M.Chaudhri等[16]研究认为机械刺激中热点产生的原因主要包括：（1）含能材料受力变形或破碎过程固体组分颗粒间的摩擦、剪切生热，撞击物（子弹或炮弹破片等）在含能材料中行进时的摩擦生热；（2）含能材料中散布空隙的粘塑性塌陷等，摩擦生热和粘塑性塌陷是含能材料起始反应的主要机制。J．Massoni等[17]通过大量的试验研究与分析认为，对于密实的固体推进剂药柱或炸药装药而言，在受到外界较大冲击加载时粘塑性空隙塌陷比摩擦产生的能量更多，粘塑性空隙塌陷是引起密实含能材料点火反应的主要能量来源。含能材料中的热点形成、点火燃烧到快速反应过程可以用E.L.Lee[18]的点火增长模型来描述。该模型将含能材料点火与增长过程分为热点成核-生长-汇合3个阶段，点火、燃烧和快反应3个阶段的反应速率依次如（1）式所示：

式（1）中：为反应速度；和0分别为含能材料的当前密度和初始密度；为压力；、1、2、、、、、、、、和是12个可调系数，3项中的每1项在合适的值时开始或截断。由式（1）可知，含能材料密度越大，点火反应速率越大，压力越大，燃烧及快速反应速率越大。ZD-1试样在径向与轴向子弹射击中均未点火燃烧，在该过程中摩擦、剪切产生的热量还不足以形成热点使推进剂点火，ZD-1推进剂中仅含有3%催化剂固体颗粒，NG对硝化棉塑化后推进剂中的塑性空隙影响很少，因此ZD-1推进剂中的空隙塌陷对热点形成的能量贡献很小。ZD-2试样是在双基药基础上加入了25%的高能固体炸药RDX，固体组分的加入使推进剂的密度增大，固体颗粒堆积过程形成的空隙使推进剂基体中的空隙率增加，推进剂配方中的固体成分增加也使得推进剂的刚性增强，推进剂在受到冲击载荷时更易剪切破碎，推进剂中的空隙也更易塌陷形成热点，大量热点周围的推进剂分解使反应迅速增加，导致整个推进剂点火燃烧。当子弹撞击方向由径向变成轴向后，子弹在推进剂中的穿深距离和作用时间均明显增加，摩擦产生的热量大幅增加，加剧了推进剂的反应，从燃烧转为爆燃。ZD-3试样中用TEGN增塑剂替换NG，由于TEGN的感度比NG低很多，并且TEGN对NC的增塑能力也比NG强，同时TEGN对NC有很好的溶塑效果，降低了NC的刚性，使硝化棉能更好地包覆于表面，这不仅能很好地修饰RDX晶体表面的缺陷，同时使RDX受到外界撞击时能起到一定的缓冲作用，降低了热点形成的概率，因此，ZD-3试样在受到子弹撞击时发生的反应比ZD-2弱。

3 结论

（1）推进剂在子弹撞击条件下易损性响应程度与配方组分有关，配方中加入高能固体炸药RDX后其响应程度增加，用低感度TEGN部分代替配方中的NG，其响应程度降低；（2）推进剂在子弹撞击条件下易损性响应程度与子弹穿透装药深度等有关，子弹穿透装药深度越深，其响应程度越剧烈。（3）本试验中的改性双基推进剂子弹轴向撞击下没有发生比爆燃更为剧烈的响应，通过了12.7mm标准子弹撞击易损试验考核。

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Vulnerabile Response of Double-base and CMDB Propellant by Bullet Impact Test

SUN Zhi-gang，ZHANG Chao，LI Jun-qiang，DANG Yong-zhan，WU Zong-kai，CHEN Jun-bo

(Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an, 710065)

The vulnerability response characteristics and influencing factors of modified double-base propellants under the impact of bullets were studied, by 12.7mm standard penetrator impact specimens with a velocity of (850±20)m/s. The results show that there are obvious correlations with the propellant compositions and the piercing depth in the vulnerability response extents by the bullet impacts．The more the RDX content in the propellant formulation ,the higher the component sensitivity ,the deeper the penetration of the bullet into the propellant ,the more intense the response.The RDX-CMDB propellant containing 25% RDX has a deflagation response under bullet axial impact.

Propellant；Bullet impact；Vulnerability

1003-1480（2019）02-0039-04

V512+.2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.02.010

2018-08-15

孙志刚（1968 -），男，助理研究员，主要从事固体推进剂配方与工艺技术研究。

总装预研项目（41420030501）