国外研制的几种钝感固体推进剂

推进技术本文2004-03-15收到,作者分别系中国兵器工业第二零四研究所工程师、助理工程师国外研制的几种钝感固体推进剂莫红军 白 娟摘 要 综述了国外研制的几种钝感固体火箭推进剂,主要包括其研制单位、配方体系、性能水平以及应用等方面的内容,另外还总结了改善固体推进剂钝感弹药响应特性的技术途径和具体措施。

主题词 固体推进剂 钝感特性 安全性引言在弹药储存、运输和使用过程中,曾发生过许多因受到意外刺激而引发的灾难性事故,因此弹药的安全问题尤其受到军方的强烈关注。

基于对一系列事故的深刻认识,外军首先提出了钝感弹药(IM)的概念和评估标准[1]。

北约对钝感弹药的最新定义是[2]:一方面必须能按要求可靠地满足其使用、战略和操作要求;另一方面当遭受意外刺激时,要求尽可能降低其意外引爆的可能性和随后对武器平台后勤系统及人员的附带伤害。

更简单地说就是当弹药受到快速或慢速加热、子弹或破片撞击、空心装药射流冲击和其它弹药爆轰作用冲击时,只燃烧不爆轰。

出于对安全问题的强烈关注,弹药使用方对钝感弹药有迫切需求,弹药钝感特性在国外已开始逐步成为一项新的产品技术指标,其测试评估体系也趋于完善[3]。

固体火箭发动机作为重要的弹药组成部分,也必须满足IM 测试的要求。

为了使固体火箭发动机完全达到IM 测试的技术要求,国外的结论是必须使用复合材料发动机壳体和钝感固体推进剂[4]。

目前国外的钝感固体推进剂主要有美国研制的H TPE 推进剂、钝感NEPE 推进剂和法国国营火药与炸药公司研制的钝感低特征信号XLDB 推进剂,其性能已与在战术导弹中大量应用HTPB/AP 推进剂、常规NEPE 和XLDB 推进剂相当,并且在钝感特性方面有很大的改善;另外一系列采用了含能粘合剂、含能增塑剂及新型氧化剂等新型含能材料组分的推进剂配方,也表现出了较好的钝感弹药应用潜力,但这些配方仍处于开发之中。

1 HTPE 推进剂HTPE 推进剂是美国20世纪90年代新研制一类的以端羟基聚醚预聚物(H TPE )为粘合剂、以改善HT PB 复合推进剂钝感弹药特性为目的的战术导弹用固体推进剂,随着研制工作的深入和发展,已由最初的基础型配方发展到了最新的低成本配方。

1.1 基础型HTPE 推进剂[5-6]H TPE 推进剂的基础配方最初是由美国ATK 公司根据美国海军空战中心(NAWC)武器分部的合同研制开发的,主要包括少烟型和含铝型,其主要目的是取代当今大多数战术导弹火箭发动机中大量使用的HT PB/AP 类推进剂,以提高发动机的快速和慢速烤燃响应特性。

后来HT PE 推进剂的制造技术被转给挪威的NAMM O Raufoss AS 公司,以用于改进型海麻雀导弹(ESSM )火箭发动机的联合开发项目。

NAMM O Raufoss AS 公司生产的H TPE 推进剂在能量、力学性能、特征信号和使用寿命等方面已可以满足战术导弹的应用要求,其性能(如比冲、燃速、形变能力和浇铸加工适用期等)在满足战术发动机关键设计参数方面已与HT PB 推进剂相当,甚至某些性能有进一步的提高。

在过去的十年中,采用这种推进剂进行了各种尺寸发动机的钝感弹药性能测试及演示。

在采用不同装药结构的各种缩比和全尺寸模型发动机钝感弹药实验中,HTPE 推进剂都具有良好的钝感特性,尤其是采用石墨复合发动机壳体时,装填该推进剂的发动机完全满足MIL-STD-2105B的技术要求。

装填HTPE推进剂的25cm (10in)ESSM导弹发动机可以通过M IL-STD-2015B的四种主要测试项目,而相应的HTPB推进剂装药仅能通过快速烤燃测试一个项目。

HTPE推进剂也通过了标准和15cm(6in)直径零卡片隔板实验,表明对于装药厚达15cm的发动机而言,都是一种非爆轰推进剂。

另外HTPE推进剂对静电刺激的危险性也远低于HTPB推进剂,因为其电导率要比HTPB 推进剂高好几个数量级。

1.2 高密度比冲HT PE推进剂[6]战术应用有时要求推进剂要具有高密度比冲,所以AT K公司还通过加入10%~21%高密度氧化剂氧化铋研制出了高密度HT PE推进剂。

在应用于体积受限的战术发动机中时,性能较标准含铝HT PE和HT PB推进剂提高了6%,而且推进剂更加钝感,提高了钝感弹药响应特性,储存期更长。

该推进剂通过使用燃速催化剂BR1和超细AP,可使7MPa下燃速从9mm/s提高到29mm/s,使用BR2燃速催化剂时推进剂压力指数随压力和燃速增高而降低。

该配方的加工和浇铸性能完全令人满意,2000年ATK公司获得了含氧化铋氧化剂的HT PE推进剂专利[7]。

1.3 低成本H TPE推进剂[8]ATK公司研制的HTPE推进剂虽然在降低推进剂感度的同时,保持甚至提高了其它性能,但有一个缺点就是费用很高,因为这种基础型H TPE推进剂采用了一种仅有个别制造商能制造的昂贵专利聚合物(TPEG)和昂贵的含能增塑剂Bu-NENA,所以有必要研制低成本H TPE推进剂。

ARC公司在研制低成本HTPE推进剂方面处于领先,2002年11月3日,ARC公司宣布已成功对一装填该公司研制的低成本HTPE推进剂的25cm(10in)全尺寸发动机进行了静态点火测试,得到了预期的结果,为将来HT PE推进剂在钝感弹药中获得广泛应用铺平了道路。

低成本HT PE推进剂与基础型HTPE推进剂的主要区别在于其选用了可通过广泛商业途径获得的H TPE聚合物(用Terathane和聚乙二醇制备)和相对廉价的硝酸酯替代增塑剂。

据报道,ARC所研制H TPE推进剂的所有性能(包括工艺性能、力学性能、弹道性能和能量水平)均达到或超过了ATK公司的基础型HTPE推进剂。

ARC公司也研制了该推进剂的少烟型和含铝型配方,1999年进行的防区外发射扫雷系统(ESMC)实验中选用了高燃速少烟型低成本HTPE推进剂。

另外ARC还将继续开发和演示验证其HTPE推进剂,以获得更高的能量水平以满足未来的高技术要求。

HTPE推进剂改善钝感弹药响应特性的基本方法主要是使用了与HTPE聚合物相容的含能增塑剂,从而在保持其能量水平的同时显著降低了固含量(HT PE推进剂固含量为77%时与固含量89%的H TPB推进剂理论比冲相当,约2597N s/kg),使其总能量在粘合剂体系和填料相间得到了合理分配,另外还采用了低感度氧化剂部分取代AP的方法来降低推进剂的感度。

2 钝感NEPE推进剂[9]NEPE高能推进剂最初仅用于战略导弹,对于高能战术导弹推进剂,通常采用以HTPB为粘合剂的高固含量配方(AP或硝胺填充)。

HTPB粘合剂可使固体推进剂具有优异的弹性,满足了战术导弹在所处温度范围内储存和点火发射时对推进剂力学性能的要求;高能(高固含量)H TPB推进剂的价格也相对较低,因此应用非常广泛。

然而,高固含量TH PB推进剂,尤其是含硝胺的配方,通常会产生猛烈的慢速烤燃反应甚至是爆轰,尽管采用复合发动机壳体可以降低这种反应的猛烈度,但仍不能通过慢烤燃测试。

NEPE推进剂在慢速烤燃反应方面要好于HTPB推进剂,这使得其在钝感弹药应用方面有一定的吸引力。

对于NEPE推进剂,其很大一部分能量由含能的粘合剂体系提供,而含能粘合剂体系的分解温度低于高能固体填料,所以在这些高能固体填料组分达到其分解温度之前,推进剂就发生了点火,这使得NEPE推进剂不会产生HTPB推进剂点火后所伴随的 自加热和 孔隙膨胀 现象。

因此NEPE推进剂意外点火后的反应较H TPB推进剂温和一些。

尽管NEPE推进剂在慢速烤燃方面有较好的结果,但这类推进剂在受到撞击和冲击波刺激时易于爆轰,因此不能通过钝感弹药的冲击和殉爆测试。

为了充分利用表1 开发中的新型固体推进剂配方及性能[10]配方理论比冲/ 9.8N s/kg -1密度比冲/sg cm -3燃速/mm s -1GA P/A P/A1/4929.9(7M Pa)GA P/A P/A1261.5463/GAP/AN /AL -20/A1263.7475/GAP/CL -20/A1273521/GAP/AN D/A1274.2491/GAP/HNF/A1272.6492/Po lyN IM M O/A P/A 1//9.5(7M Pa)P GA/T M ET N /BT T N/RDX(63%)283.5405/GA P/T M ET N /BT T N/RDX(60%)24241114.6(7M Pa)GAP /T M ET N/BT T N/CL -20(60%)25245220(7M P a)NEPE 推进剂在慢烤燃性能方面的优点,并降低其在受到撞击和冲击波刺激后的反应猛度,NAWC 武器分部和Thiokol Propulsion 公司合作研制了一种战术助推用含铝钝感NEPE 推进剂,相对于高能NEPE 推进剂而言,使用了能量较低的硝酸酯增塑剂和商业可得的混合聚醚粘合剂体系,同时降低了硝胺的含量水平。

为了达到与高固含量HT PB 推进剂接近的能量水平,配方中AP 的含量较典型NEPE 推进剂高,但总固含量仍低于HT PB 推进剂。

与能量和燃速相近的HTPB 推进剂相比,该钝感NEPE 推进剂在慢速烤燃反应方面性能要好,而且具有较低的撞击和冲击波感度(海军NOL 大型隔板测试0卡片时推进剂不爆轰)。

该推进剂配方组分主要有:能量和感度较低的硝酸酯增塑剂、商业可得的混合聚醚粘合剂、AP 、A1、硝胺等。

推进剂在较宽温度范围内具有极好的力学性能以及与衬层间良好的适应低温储存的粘结能力,与钝感弹药壳体及其它钝感弹药技术结合,就可能使装填该推进剂的火箭发动机通过M IL -STD -2105B 的钝感弹药测试。

3 法国国营火药与炸药公司的钝感XLDB 推进剂[5]法国国营火药与炸药公司曾开发了一类名为 Nitramites 的高能低特征信号交联改性双基推进剂(XLDB),该类推进剂以硝化甘油增塑的端羟基聚醚或聚酯为粘合剂,以硝胺为填料,不含AP 。

因为填充了大量的硝胺,推进剂对冲击波非常敏感,特别是采用中心开孔装药时,易于出现 燃烧转爆轰 和 孔效应 反应。

为了降低该推进剂的感度,最初法国国营火药与炸药公司分别采用了降低硝胺填料含量、用低感度增塑剂取代NG 、用AN 取代部分硝胺填料等方法,在降低推进剂感度的同时也使比冲降低了1%~2%。

尽管改进配方对热刺激的钝感特性较好,也防止了子弹撞击试验出现的 孔效应 ,但因配方中仍含较大量的硝胺,所以对冲击波刺激仍然易于产生殉爆反应。

后来,在一超高速导弹演示项目中,该公司下属CELERG 公司选择一种名为C1767的新型钝感改性 Nitramites 推进剂,进行了 140发动机钝感弹药试验(按STANAG 标准),快速烧燃试验结果为燃烧反应,子弹撞击试验未发生反应,冲击试验也未产生爆炸反应。