HTPB推进剂冲击发火判据的试验研究

杨 明，黄卫东，刘丙杰，李高春，李金飞

(1.海军潜艇学院，山东 青岛266000； 2. 航天工程大学，北京 101400；3.海军航空大学，山东 烟台 264001)

引 言

固体火箭发动机在运输、吊装等过程中可能会受到冲击、跌落、振动等外界机械力的影响，如果意外发火、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。

含能材料的撞击起爆过程通常分为点火和爆轰成长两个阶段。撞击感度试验反映的是试样受撞击后是否容易发火[1]，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[2]，目前，落锤试验仍为研究含能材料感度的主要方法[3]。高立龙等[4]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方法测试的结果进行对比，得到不同炸药感度的相关规律；马平[5]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，结果表明力学性能可以影响撞击感度；王玉玲[6]对HMX基高聚物炸药进行热老化，发现其撞击感度有所降低；南海[7]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；陈皓[8]通过对典型药柱撞击感度的试验研究，发现药柱尺寸和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[9]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，增大AP颗粒和减小HMX、RDX颗粒可降低撞击感度；赵娟[10]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厚度增大而变大，药粉感度大于药柱感度。

固体推进剂的冲击发火机理是一个十分复杂的问题，涉及到多门学科，且推进剂各向异性，受冲击压缩后其内部结构变化情况不是十分清楚。章冠人[11]利用一维粘弹塑性模型的解析解，再加上孔隙内表面炸药燃烧的假设，推导出著名的冲击起爆判据σ2τ=常数，从细观孔隙受压缩的模型出发，没有应用能量的概念而直接应用了压力，从细观上证明了这个宏观起爆判据，可以说两者殊途同归，达到了宏细观的统一。另外，覃金贵[12]通过SHPB-砧骨试验，验证了PBX炸药在低压(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：σ2τ=K(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。

对于推进剂冲击反应的研究，限于应力测量手段的缺乏，往往止步于冲击感度的研究。为探究固体推进剂的冲击发火条件及冲击发火判据，本研究应用设计的应力测量系统采集落锤试验下药柱受到的应力情况，并对比基于SHPB(分离式霍普金森压杆)设备的推进剂冲击发火试验，综合不同应力加载方式，分析推进剂的冲击发火判据，为固体发动机冲击安全性评定提供一定的理论依据。

1 试 验

1.1 试剂与仪器

某型HTPB固体推进剂方坯药，中国航天科工集团第六研究院。

HGZ-I型撞击感度仪，落锤质量为10kg，天力敏科技有限公司。

1.2 样品制备

根据航天工业部制定的试验标准QJ1271-86要求[13]，将某型推进剂制成直径8mm、厚度1.0～1.1mm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。

1.3 落锤冲击发火试验

为测量推进剂落锤撞击过程的应力变化情况，在撞击感度仪的底座上安装应力传感器，且对原底座进行改造，方便安装PVDF压电薄膜，如图1所示。

图1 底座改进安装图Fig.1 Diagram of base modification and installation

试验开始前，让落锤空打3～10次，消除击柱的塑性变形，然后在撞击感度仪中装入应力传感器及推进剂试样，根据QJ1271-86[13]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，并采用应力测量系统采集推进剂试件受到的应力情况。

1.4 基于SHPB的冲击发火试验

采用分离式霍普金森压杆进行试验，为了保证此次试验与落锤冲击发火试验的可对比性，推进剂试件依旧采用与落锤试验中一样的规格尺寸，并采用落锤试验中的击柱与击套将推进剂试件夹在中间，目的是在推进剂受冲击发火后，避免了入射杆与透射杆端面直接受到推进剂的发火冲击，在一定程度上起到保护SHPB设备的作用。试件安装如图2所示。

图2 推进剂试件安装图Fig.2 Assembling installation of propellant specimen

试验中，采用尺寸分别为20、30和40cm的入射子弹、以不同入射速度射击入射杆，观测推进剂试样的发火情况，采集不同条件下推进剂试件50%冲击发火的应力—时间信息，并绘制应力—时间曲线。

2 结果与讨论

2.1 落锤试验结果分析

通过应力测量系统测得推进剂40cm落高条件下的应力情况，并对试验数据进行拟合，如图3所示。

图3 推进剂应力测试及拟合曲线Fig.3 The stress testing and fitting curves of propellant

由图3可以看出，碰撞时间为0.001s，应力在落锤撞击过程中呈现先上升后下降的趋势。图3中红色的光滑曲线为拟合曲线，为一个周期的正弦曲线，并满足如下关系式：

σ(t)=0.5σmax+0.5σmax×sin[2π×(t-T/4)/T]
R2=0.995

(1)

式中：σmax为应力峰值；T为落锤的作用时间。

式(1)所示的正弦曲线可以很好地表示落锤冲击情况下推进剂受到的应力情况。根据落锤作用时间T以及应力峰值σmax，可得到任意落高下推进剂的冲击应力信息。

综上可知,落锤的碰撞时间T=0.001±0.0001s，由于周期T与应力峰值无关，因此取T值为0.001s进行计算。统计试验中应力峰值与落高的关系，并进行拟合，应力峰值与落高的关系如图4所示。

图4 落高与应力关系曲线Fig.4 Relation curve between the drop height and the stress

应力峰值与落高的0.5次方成正比，关系满足：

σ=175.09H0.5
R2=0.982

(2)

通过50%特性落高的方法，可知推进剂的50%特性落高H50为75cm，50%发火冲击感度值H50×W为73.5J，100%不发火的最大落高H0为68cm，100%不发火冲击感度值H0×W为66.64J。

2.2 基于SHPB冲击发火试验结果分析

通过一系列基于SHPB设备的冲击发火试验，可以得到推进剂试件在不同冲击加载方式下(不同尺寸子弹的撞击可产生不同的加载方式)的50%冲击发火应力信息，如图5所示。

图5 不同尺寸子弹撞击条件下推进剂50%冲击发火的应力—时间曲线Fig.5 Stress—time curves of 50% impact ignition for propellants with different bullet sizes

由图5可知，推进剂冲击发火试验应力为近似矩形的脉冲信号。且在20、30和40cm子弹冲击条件下，推进剂50%冲击发火的应力平台值分别为2760、2410和2120MPa，作用的持续时间分别为76、100和130μs。随着入射子弹尺寸和质量的增加，50%冲击发火条件下推进剂受到的应力值减小，作用时间增长。

2.3 冲击发火判据

由于推进剂无论在落锤还是SHPB的冲击下，其应力加载均属于低压、宽脉冲的加载。且由SHPB冲击发火试验可知，推进剂在不同加载条件下的临界应力与作用时间存在一定的变化规律，即应力越大、作用时间越短。这一规律可以理解为，当推进剂受到的能量达到一定的阈值，便有可能发生冲击发火，故本研究采用σ2τ=常数来表征推进剂的冲击发火判据。

根据上述分析，选取能量的概念作为推进剂的冲击发火判据，即：

σnτ=K

(3)

式中：系数n一般取值为2，但需要根据推进剂的特性来最终确定n的值。故应用式(3)对试验数据进行拟合，使其满足式(4)：

(4)

由此可得，n取值为2，K值为581MPa2·s。即在SHPB冲击作用下，该型HTPB固体推进剂的冲击发火判据为：

σ2τ=581

(5)

对于落锤试验，其推进剂试件受到的应力为近似正弦曲线(见图3)。若想求其落锤冲击下的冲击发火判据，首先需对应力进行处理。由于σ2τ=K判据为从能量角度出发提出的判据，以推进剂受到的应力均值为参考进行计算，即

(6)

由于该型推进剂的50%特性落高为75cm，该落高下应力的峰值为1516MPa，故根据式(6)，其应力均值为758MPa，则落锤冲击下，推进剂的冲击发火判据为：

(7)

式(5)和式(7)的K值十分接近，说明在SHPB冲击或落锤冲击下，推进剂的低压(小于10GPa)、宽脉冲(大于10μs)条件下的冲击发火判据可以用σ2τ=K来表达，且K值为574.6MPa2·s(取较小值)。

该型推进剂的100%冲击不发火落高为68cm，该落高下应力的峰值可由式(2)求得为1444MPa，故其均值为722MPa，则由落锤冲击下的冲击发火判据σ2τ=K可知，该型推进剂100%冲击不发火的K值为521.3MPa2·s。

由此，可以判断推进剂受冲击后是否会发火，可根据推进剂受到的应力求K值，若求得的K值大于574.6MPa2·s，则认为有冲击发火的危险，若小于521.3MPa2·s，则认为完全不会发生冲击发火反应。

3 结 论

(1)通过50%特性落高试验得到该型推进剂的50%冲击发火落高为75cm，最大100%不起爆落高为68cm，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曲线分布。

(2)通过基于SHPB的冲击发火试验可知，推进剂的应力为脉冲波，且临界冲击发火条件(临界发火应力与作用时间)随入射子弹尺寸的变化而变化。

(3)应用σ2τ=K判据可以较好地表征推进剂在低压宽脉冲条件下的50%冲击发火，且K值为574.6MPa2·s。