快_慢烤试验中复合推进剂内部温度场的分布.pdf

第4 6 卷第3 期 2 0 1 7 年6 月 爆破器材 E x p l o s i v eM a t e r i a l s V 0 1 ．4 6N o ．3 J u n ．2 0 1 7 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 8 3 5 2 ．2 0 1 7 ．0 3 ．0 0 4 快／慢烤试验中复合推进剂内 盎R0 日 日I 皿度场的分布米 张杰凡①徐森①③刘大斌①李苗苗②李辉②陈愿①李文海① D 南京理工大学化工学院 江苏南京，2 1 0 0 9 4 ②上海航天动力技术研究所 浙江湖州，3 1 3 0 0 0 ③国家民用爆破器材质量监督检验中心 江苏南京，2 1 0 0 9 4 [ 摘要]为了研究不同烤燃条件下复合推进剂 P B T ／H M X ／A 1 ／A P ／B U 的响应特性，采用D S C 研究了复合推进 剂及单组分的热分解特性。复合推进剂的初始分解温度为1 8 7 ．2 7 ℃，单组分中B U 初始分解温度最低，为1 9 2 ．9 5 ℃，表明复合推进剂的热分解过程是从B U 开始；分别测量了在快／慢烤试验中，复合推进剂内部温度的变化。结果 表明1 快烤试验中，样品内部温度分布极不均匀。点火9 0S 后，样品发生反应，此时样品中心的温度为8 5 ℃，钢 管端盖破裂，样品发生燃烧反应。2 慢烤试验中，样品内部温度分布均匀，几乎无温度差，样品发生反应时，样品内 部温度与环境温度均为1 3 3 ℃，试验后样品钢管完全破碎，样品发生了爆轰。由此可见，慢烤试验中，由于样品内 部温度分布均匀，发生反应时，大部分样品都处于临界反应温度，一旦激发，破坏效应比快烤试验更严重。 [ 关键词]复合推进剂；慢速烤燃试验；快速烤燃试验；热爆炸 [ 分类号] T J 4 1 0 I n t e r n a lT e m p e r a t u r eF i e l dD i s t r i b u t i o no ft h e C o m p o s i t eP r o p e l l a n td u r i n gF a s t ／S l o wC o o k - o f fT e s t Z H A N GJ i e f a n ①，X US e n ∞，L I UD a b i n ①，L IM i a o m i a o ②，L IH u i ，C H E NY u a n ①，L IW e n h a i ① 重 S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n g ，N a n j i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y J i a n g s uN a n j i n g ，2 1 0 0 9 4 窆 S h a n g h a iA e r o s p a c eP r o p u l s i o nT e c h n o l o g yR e s e a r c hI n s t i t u t e Z h e j i a n g H u z h o u ，3 1 3 0 0 0 要 N a t i o n a lQ u a l i t yS u p e r v i s i o na n dI n s p e c t i o nC e n t e rf o rI n d u s t r i a lE x p l o s i v eM a t e r i a l s J i a n g s uN a n j i n g ，2 1 0 0 9 4 [ A B S T R A C T ] I no r d e rt o s t u d yt h er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i co fc o m p o s i t ep r o p e l l a n t P B T ／H M X ／A L ／A P ／B U u n d e r d i f f e r e n tc o o k o f fc o n d i t i o n s ，D S Cw a su s e dt om e a s u r et h et h e r m a ld e c o m p o s i t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h ec o m p o s i t ep r o p e l l a n t a n de a c ho fi t ss i n g l ec o m p o n e n t s ．T h ei n i t i a ld e c o m p o s i t i o nt e m p e r a t u r eo ft h ep r o p e l l a n ti s1 8 7 ．2 7 ℃．a n dt h a to fB Ui s 1 9 2 ．9 5o Cw h i c hi st h e l o w e s ta m o n ga l lc o m p o n e n t s ．T h u s ．t h et h e r m a ld e c o m p o s i t i o np r o c e s si ss t a r t e df r o mB U ．T h e i n t e r n a lt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o no ft h ec o m p o s i t ep r o p e l l a n ts u b j e c t e dt of a s t ／s l o wc o o k o f ft e s tw a sa l s os t u d i e d ． R e s u l t si n d i c a t et h a tt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h ep r o p e l l a n ti sn o n - u n i f o r mi nt h ef a s tc o o k o f ft e s t ．9 0Sa f t e rt h e i g n i t i o n ，t h ec e n t r a lt e m p e r a t u r eo ft h es a m p l ei so n l y8 5o C ，t h ep i p ec a pi sr u p t u r e da n dt h ec o m b u s t i o nr e a c t i o no c c u r s ． W h i l s tt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h ep r o p e l l a n ti su n i f o r mi nt h es l o wc o o k - o f ft e s t ，t h ei n t e r n a la n dt h ee n v i r o n m e n t a l t e m p e r a t u r e sa t eb o t h1 3 3 ℃．T h ep i p ew a sc o m p l e t e l yb r o k e n 。a n dad e t o n a t i o nr e a c t i o nh a p p e n e d ．T h u s ，i nt h es l o w c o o k o f ft e s t ，s i n c et h ei n t e r n a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni su n i f o r m ，a n dm o s to ft h es a m p l e sa r ei nt h ec r i t i c a lr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，o n c ea ne x c i t a t i o no c c u r s ，t h ed e s t r u c t i v ee f f e c tw i l lb em o r es e r i o u st h a nt h a ti nt h ef a s tc o o k - o f ft e s t ． [ K E Y W O R D S ] c o m p o s i t i o np r o p e l l a n t ；s l o wc o o k - o f ft e s t ；f a s tc o o k o f ft e s t ；t h e r m a le x p l o s i o n 引言 未来作战环境对导弹武器及其使用平台的战场 生存能力提出了越来越高的要求，钝感似低易损性 I M ／L O V E 是高能固体推进剂发展的重要方向。 关于弹药低易损特性评估标准，国内主要是参考美 国国防部制定的军标，目前版本是M I L ．S T D 一2 1 0 5 D 。 亲收稿日期2 0 1 7 - 0 1 ．i t 作者简介张杰凡 1 9 9 2 一 ，男，硕士，主要从事推进剂安全性能研究。E - m a i l z h a n g i f _ 9 2 6 1 9 1 6 3 ．c o n 通信作者徐森 1 9 8 1 一 ，男，副教授，主要从事含能材料的安全性评估及测试技术。E - m a i l x u s e n n j u s t ．e d u ．c n 万方数据 爆破器材第4 6 卷第3 期 该标准主要是根据战场环境可能带来的意外刺激， 形成了6 组试验，分别是快速烤燃、慢速烤燃、殉爆、 子弹撞击、破片撞击和射流，其中快速烤燃和慢速烤 燃是考察低易损弹药在遭受火灾或者热辐射条件下 的危险特性。 国内外研究人员对钝感弹药在快／慢烤试验的 响应特性开展了大量研究[ 1 引，G i l l a r d 等[ 10 ] 对复合 推进剂在慢烤试验中的热传导特性和非均相反应机 理开展了系统研究。H a m e e d 等[ 1 利用烤燃试验研 究了双基推进剂的热爆炸温度。Y a n g 等[ 1 2 ] 开展了 A 1 ／H T P B 复合推进剂的快烤试验的数值模拟研究， 结果表明，A P ／H T P B 推进剂烤燃响应最初开始的地 方都在排气口附近的环形区域。S h e n [ 1 3 一研究了浇 注改进双基推进剂在小型烤燃试验中的反应特性。 为了探索快／慢烤试验中复合推进剂热响应特性，笔 者主要研究复合推进剂在快／慢烤条件下。推进剂内 部温度场的分布及变化特性。 1 试验 1 ．1 试验样品 复合固体推进剂的主要成分钝感黏结剂P B T 单质炸药H M X ／氧化剂A P ／还原剂A 1 ／增塑剂B U ， 固含量为8 2 ％。将样品浇注在内径1 0 0m m 、壁厚3 m m 、长度2 0 0m m 的钢管中，用厚度为3 ．0n l m 钢端 盖通过螺纹密封上下端盖用两块钢板通过螺栓链 接固定钢管材质为4 5 4 钢。在端盖中心和靠近钢 管内壁处预留两个温度传感器安装孑L ，将热电偶预 埋其中。保持热电偶敏感源位于钢管的中部，孑L 隙用 环氧树脂密封。 具体样品实物见图1 。 1 ．2 差示扫描量热 D S C 试验 对复合推进剂中会发生热分解的单组分开展 D S C 试验。试验的升温速率1 0 。C ／m i n 。铝粉不会 发生热分解，所以本文中未测其D S C 。 1 ．3 快烤试验 将试验样品装在燃烧架上，用煤油进行快速烤 燃试验，试验装置见图2 。利用温度传感器．测量火 焰、样品中心和钢管内壁处样品的温度。 1 ．4 慢烤试验 将试验样品装入慢烤箱中，利用空气循环对样 品进行慢速加热。加热程序慢烤炉从室温经1h 升温至8 0q c ．烤燃弹在8 0 ℃恒温2h ，然后温度由 8 0 ℃经过1 0 0h 按照3 ．3 ℃／h 的升温速率升温至 4 1 0o c 。试验过程中利用温度传感器测量样品中 心、钢管内壁样品、钢管外壁和试验箱内部环境温度 的变化。 试验装置见图3 。 图l 样品的实物 F i g ．1P h o t o g r a p ho ft e s ts a m p l e 图2 样品的快烤装置 F i g ．2 F a s tc o o k o f fe x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 图3 样品的慢烤装置 F i g ．3 S l o wc o o k o f fe x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 2 试验结果与分析 2 ．1D S C 试验 复合推进剂各组分的D S C 试验结果见图4 和 表1 。 由表l 可以发现。复合推进剂组分中热分解温 度最低的是增塑剂B U ，其次是黏结剂P B T 。对比分 析复合推进剂的D S C 结果，可以发现样品有两个放 热峰，起始放热峰的温度分别为1 8 7 ．2 7 ℃和2 4 0 ．4 6 ℃，这两个峰对应的组分分别是B U 和P B T 。由此 一曩 一 k-l_裹蘸餐豳 一 一一盛黑蝼- 万方数据 2 0 1 7 年6 月快／慢烤试验中复合推进剂内部温度场的分布张杰凡，等 ≥ 曩 最 } ．i ． 八二芏 i ；．几⋯_ ～I一 ．、＼ ．。＼ 一 ＼ j ／＼ 叫j ；jL ～{ 八／／、； O5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 04 5 05 0 0 刀℃ 图4 复合推进剂及各组分的D S C 曲线 F i g ．4 D S Cc u r v e so fc o m p o s i t ep r o p e l l a n t a n di t sc o m p o n e n t s 表1用D S C 测得的复合推进剂及 各组分的分解温度 T a b ．1 D e c o m p o s i t i o nt e m p e r a t u r eo ft h e c o m p o s i t ep r o p e l l a n ta n de a c hc o m p o n e n t d e t e c t e db yD S C℃ 样品增掣 A PH M xP B T 复合推进剂 蓉誓釜1 9 2 ．9 5 s 拽s 。2 8 6 ．6 12 3 6 ．8 61 8 7 ．2 72 4 叫6 可以推测．在受热条件下，增塑剂B U 会首先发生受 热分解，由于推进剂配方中B U 含量极少，B U 分解 放热并未直接引起其他组分的热分解；随着环境温 度的升高，P B T 会随后发生受热分解并放热，导致其 他组分发生分解放热反应。 2 ．2 快烤试验 复合推进剂快烤试验的温度曲线见图5 。试验 后的试验钢管见图6 。 试验中。有较大的爆响声。随后样品发生了剧烈 燃烧。由图6 可知，试验后样品钢管一侧端盖发生 脱落，其他部分完好，试验样品完全烧完。由此可 见，爆响是由于部分推进剂受热，快速分解产气，钢 管内部压力过大，钢管端盖破裂泄压所致，但推进剂 样品并未发生爆炸。 由图5 中的试验曲线可以发现，试验燃料在2 8 0 0 7 0 0 6 0 0 5 0 0 p4 0 0 裔3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 ．1 0 0 图5 快烤试验的温度曲线 F i g ．5T e m p e r a t u r ec urveo ff a s tc o o k o f ft e s t 图6 快烤试验后的试验钢管 F i g ．6P i p ea f t e rf a s tc o o k o f ft e s t m i n 时开始燃烧。温度为7 0 0o C ，钢管内部样品的温 度上升缓慢。在燃料燃烧1m i n 后，钢管侧壁处的 样品温度为8 5 ℃，样品中心温度几乎没有发生变 化燃烧1 ．5m i n 左右时，样品中心温度快速上升到 8 5 ℃此后样品中心温度快速上升，表明推进剂样 品开始发生放热，在燃烧了2m i n 左右时，钢管被高 温高压气体冲破。 结合前面D S C 的结果可知，钢管破裂时样品中 心内部温度还未达到推进剂各组分的热分解温度， 表明此时大部分推进剂并未发生放热分解反应。可 以推测快速烤燃试验中，样品内部的温度分布极不 均匀。由于试验燃料的火焰温度高达7 0 0 ℃，在快 烤试验中，火焰直接烧烤钢管，由于钢管的导热性良 好，导致与钢管接触部分的推进剂会在极短时间内 发生受热分解，并产生大量气体，从而导致样品钢管 在2m i n 左右就发生了破裂。同时，由于推进剂是 热不良导体，在如此短的试验时间内，大部分样品的 温度并未达到热分解温度，所以在钢管发生破裂时， 大部分推进剂样品未发生分解反应，这也在钢管破 裂后大量样品的持续燃烧中得到验证。 2 ．3 慢烤试验 由于复合推进剂中P B T 和B U 的热分解温度较 低．为了分析P B T 和B U 对复合推进剂慢烤试验结 钙如o 2 m ，o o2如””加踮o o郴拼Ⅲ - l 1 2 l 万方数据 爆破器材 第4 6 卷第3 期 果的影响。对P B T 和P B T B U 混合物分别开展敞 开体系下的慢烤试验。黏结剂P B T 、P B T B U 混合 物、复合推进剂的慢烤试验结果见图7 一图9 。慢烤 试验后的复合推进剂样品钢管照片见图1 0 。 由图7 与图8 可知，P B T 在慢烤条件下，在1 8 2 ℃开始放热．P B T B U 混合体系则在1 5 5 ℃开始发 生放热反应。由图9 可知，复合推进剂在1 3 3 ℃发 生反应。由图1 0 可知，试验后烤燃弹两端夹板变 形，固定螺杆断裂变形，钢管破碎，无残药剩余。根 据文献『1 4 ] 可知，复合推进剂在慢烤试验中发生了 爆轰。与D S C 的结果相比，在慢烤试验中P B T 、B U 和复合推进剂发生反应的温度分别降低了5 4 、3 7 ℃ 和5 4 ℃。比较图7 与图8 ，在慢烤试验过程中，P B T t ／h 图7P B T 的慢烤试验曲线 F i g ．7 S l o wc o o k o f fCHrVeo fP B T t ／h 图8P B T B U 的慢烤试验曲线 F i g ．8 S l o wc o o k o f fcurveo fP B Ta n dB U 图9 复合推进剂的慢烤试验曲线 F i g ．9 S l o wc o o k o f fC H I ’v eo fc o m p o s i t ep r o p e l l a n t 图1 0 试验后的样品钢管 F i g ．1 0P i p ea f t e rs l o wc o o k o f ft e s t 和P B T B U 体系的升温速率与设定的环境升温速 率一致。在图9 中，复合推进剂样品经过4h 缓慢 升温以后，样品中心、样品表面和钢管外壁的温度变 化与试验环境设定的升温程序一致。 比较快／慢烤试验的结果，复合推进剂在慢速烤 燃试验中的反应更为强烈。在快烤试验中，样品内 部不同位置的温度分布不均匀，由于外部高温火焰 的快速烤燃，导致样品发生反应时，样品中心温度仅 8 5q C ；在慢烤试验中，样品内部不同位置的温度基 本相同，样品发生反应时，样品中心温度与环境温度 基本一致。达到1 3 3 ℃。由此可见，在快烤试验中局 部样品受热发生反应时，中心位置的样品仍远未达 到其反应温度，即反应瞬间发生反应的样品量较小， 产生破坏效应也较弱。在慢烤试验中，由于内部温 度分布基本一致，一旦发生反应，大部分样品都会同 时发生反应，从而产生严重破坏效应。 3结论 1 快速烤燃试验中，样品内部的温度分布极不 均匀，局部靠近钢管的样品发生反应时，会有大量样 品因温度较低而来不及参加反应。 2 慢烤试验中。样品内部的温度分布非常均 匀．局部样品发生热分解反应时，会引起大部分样品 瞬间发生反应。 3 一般而言，含能材料在慢烤试验中响应等级 会比快烤试验中更严重。 参考文献 [ 1 ] K O M A II ，S A T OW ．R e a c t i o nm e c h a n i s mi ns l o wc o o k o f ft e s to fG A P ．A Pp r o p e l l a n t s [ C ] ／／I n s e n s i t i v eM u n i - t i o n sa n dE n e r g e t i cM a t e r i a l sS y m p o s i u m I M E M T S ． 万方数据 2 0 1 7 年6 月快／慢烤试验中复合推进剂内部温度场的分布张杰凡．等．2 1 ． B r i s t o l ，2 0 0 6 ． [ 2 ] C A R ORI ，B E L L E R B YJM ．B e h a v i o ro fh y d r o x y l t e r m i n a t e dp o l y e t h e r H T P E c o m p o s i t er o c k e tp r o p e l l a n t si n s l o wc o o k o f f [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fE n e r g e t i cM a t e r i a l sa n dC h e m i c a lP r o p u l s i o n ，2 0 0 8 ，7 3 1 7 1 1 8 5 ． [ 3 ]陈中娥，唐承志，赵孝彬．H T P B ／A P 推进剂的慢速 烤燃特征[ J ] ．含能材料，2 0 0 6 ，1 4 2 1 5 5 1 5 7 ． C H E NZE ，T A N GCZ ，Z H A OXB ．C h a r a c t e r i s t i c so f H T P B ／A Pp r o p e l l a n t si ns l o wc o o k o f f [ J ] ．C h i n e s eJ o u r - n a lo fE n e r g e t i cM a t e r i a l s ，2 0 0 6 ，1 4 2 1 5 5 1 5 7 ． [ 4 ]陈中娥，唐承志，赵孝彬．固体推进剂的慢速烤燃行 为与热分解特性的关系研究[ J ] ．含能材料，2 0 0 5 ，1 3 6 3 9 3 3 9 6 ． C H E NZE ，T A N GCZ ，Z H A OX B ．R e l a t i o n s h i pb e t w e e ns l o wc o o k o f fb e h a v i o ra n dt h e r m a ld e c o m p o s i t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fs o l i dp r o p e l l a n t [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo f E n e r g e t i cM a t e r i a l s ，2 0 0 5 ，1 3 6 3 9 3 3 9 6 ． [ 5 ] 赵孝彬，李军，程立国，等．固体推进剂慢速烤燃特 性的影响因素研究[ J ] ．含能材料，2 0 1 1 ，1 9 6 6 6 9 ． 6 7 2 ． Z H A OXB ，L IJ ，C H E NLG ，e ta 1 ．I n f l u e n c ef a c t o r so f s l o wc o o k o f fc h a r a c t e r i s t i cf o rs o l i dp r o p e l l a n t [ J ] ． C h i n e s eJ o u r n a lo fE n e r g e t i cM a t e r i a l s ，2 0 11 ，1 9 6 6 6 9 - 6 7 2 ． [ 6 ]廖林泉，胥会祥，李勇宏，等．H T P B 推进剂危险性实 验研究[ J ] ．火炸药学报，2 0 1 0 ，3 3 4 2 8 ．3 1 ． L I A OLQ ，X UH X ，L IYH ，e ta 1 ．E x p e r i m e n t a ls t u d y o nh a z a r do fH T P Bp r o p e l l a n t s [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo f E x p l o s i v e s ＆P r o p e l l a n t s ，2 0 1 0 ，3 3 4 2 8 - 3 1 ． [ 7 ] H OSY ，F E R S C H LT ，F O U R E U RJ ．C o r r e l a t i o no f c o o k o f fb e h a v i o ro fr o c k e t p r o p e l l a n t s w i t ht h e n n o m e c h a n i c a la n dt h e r m o c h e m i c a lp r o p e r t i e s A D A 2 7 4 9 8 3 [ R ] ．M R LT e c h n i c a lR e p o r t ，1 9 9 3 ． [ 8 ] S U M R A L LTS ．L a r g es c a l ef a s tc o o k o f fs e n s i t i v i t yr e s u i t so fam e l tc a s t a b l eg e n e r a lp u r p o s ei n s e n s i t i v eh i g h e x p l o s i v e [ J ] ．P r o p e l l a n t s ，E x p l o s i v e s ，P y r o t e c h n i c s ， 1 9 9 9 ，2 4 2 6 1 6 4 ． [ 9 ] S C H O L T E SG ，V A N D E RSA ，B O U M AR HB ，e ta 1 ． T h ei n f l u e n c eo ft h ef r e e v o l u m eo nt h ec o o k o f fr e s p o n s e [ C ] ／／3 0 t hI n t e r n a t i o n a l A n n u a lC o n f e r e n c eo fI C T ． K a r l s r u h e F e d e r a lR e p u b l i co fG e r m a n y ，1 9 9 9 6 1 - 6 11 ． [ 1 0 ] G I L L A R DP ，L O N G U E TB ．I n v e s t i g a t i o no fh e a tt r a n s f e ra n dh e t e r o g e n e o u sr e a c t i o n sd u r i n gt h es l o wc o o ko f f o fac o m p o s i t ep r o p e l l a n t [ J ] ．J o u r n a lo fL o s sP r e v e n t i o n i nt h eP r o c e s sI n d u s t r i e s ，2 0 1 3 ，2 6 6 1 5 0 6 1 5 1 4 ． [ 11 ] H A M E E DA ，A Z A V E D OM ，P I T C H E RP ．E x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no fac o o k o f ft e m p e r a t u r ei nah o tb a r r e l [ J ] ．D e f e n c eT e c h n o l o g y ，2 0 1 4 ，1 0 2 8 6 - 9 1 ． [ 1 2 ] Y A N GHW ，Y uYG ，Y ER ．C o o k - o f f t e s ta n dn u m e r - i c a ls i m u l a t i o no fA P ／H T P Bc o m p o s i t es o l i dp r o p e l l a n t 『J ] ．J o u r n a lo fL o s sP r e v e n t i o ni nt h eP r o c e s sI n d u s ． t r i e s ，2 0 1 6 ，4 0 1 9 ． 1 3 | S H E NJD ．E x a m i n a t i o no ft h es m a l l s e a l es l o wc o o k o f f b e h a v i o ro fac a s tm o d i f i e dd o u b l eb a s ep r o p e l l a n t [ D ] ． U r b a n a U n i v e r s i t yo fI l l i n o i s a t U r b a n a C h a m p a i g n ， 2 0 1 5 ． [ 1 4 ]李军，程立国，赵孝彬，等．固体推进剂低易损性试 验方法及评价技术研究[ c ] ／／第六届含能材料与钝 感弹药技术学术研讨会论文集．成都，2 0 1 4 1 3 1 ． 1 3 8 ． L IJ ，C H E N GLG ，Z H A OXB ，e ta 1 ．S t u d yo nt e s t m e t h o da n de v a l u a t i o n p r o c e d u r eo fl o w - v u l n e r a b i l i t y p r o p e r t i e sf o r s o l i dp r o p e l l a n t [ C ] ／／P r o c e e d i n g so ft h e 6 t hS y m p o s i u mo nE n e r g e t i cM a t e r i a l sa n dI n s e n s i t i v e A m m u n i t i o nT e c h n o l o g y ．C h e n g d u 。2 0 1 4 1 3 1 - 1 3 8 ． 万方数据