低易損性推進劑研究進展及發展趨勢

李海濤，錢 勖，龐愛民，汪 越

(1.航天化學動力技術重點實驗室， 湖北 襄陽 441003；2.湖北航天化學技術研究所， 湖北 襄陽 441003；3.航天動力技術研究院， 西安 710000)

1 引言

低易損性推進劑，是指推進劑在受到外界意外刺激(熱、機械、沖擊波等)時，推進劑的危險性響應和隨之出現的二次損傷小。低易損性推進劑的判定標準為推進劑能夠通過慢速烤燃、快速烤燃、子彈沖擊、破片沖擊、聚能射流沖擊、殉爆這六項低易損性試驗考核。低易損性試驗響應結果按照劇烈程度依次為爆轟(I)、部分爆轟(II)、爆炸(III)、爆燃(IV)、燃燒(V)以及燃燒以下(VI)6個等級，其中，聚能射流沖擊和殉爆試驗通過的標準是爆炸(III)及以下，其他四項的標準是燃燒(V)及以下。

2 發展歷程

1909年Schroetter首次設計并合成了鈍感軍用炸藥TNT，揭開了鈍感彈藥的研究序幕。隨后，美國等西方國家逐漸發展并建立了鈍感彈藥的美軍標MIL-STD-2105和北約標準STANAG 4439等，構建了低易損性推進劑試驗方法和評估標準。

國內從20世紀90年代開始關注國外低易損性推進劑的發展動態。從21世紀初開始，以湖北航天化學技術研究所為代表的國內研究機構開始了低易損性推進劑的探索研究，開展了丁羥、聚醚等推進劑的慢速烤燃、破片沖擊等低易損性試驗研究；“十二五”期間，研制出標準實測比沖(BSFΦ315發動機)250 s以上的高能低易損性推進劑，并建立了國內低易損性試驗評估標準；“十三五”期間，主要研究了慢速烤燃試驗響應機理以及發動機尺寸與響應結果的構效關系(如圖1所示)，全尺寸發動機試驗響應相比于小型試驗件更為劇烈，表明隨著推進劑裝藥尺寸增大，試驗響應程度加??；“十四五”以來，開展了破片沖擊試驗響應機理等研究(如圖2所示)，采用模擬仿真方法計算藥柱內部時間-壓力云圖，揭示試驗過程中推進劑內部壓力隨時間變化規律，以及推進劑高燃速與破片沖擊易損性協調等方面的研究。

圖1 大型試驗件快速烤燃試驗響應結果現場圖Fig.1 Fast cook-off response of large test piece

圖2 內控藥柱內部時間-應力云圖Fig.2 Temporal stress cloud of inner hole column

3 研究現狀

3.1 國內總體研究概況

國內已開展低易損性推進劑在背景型號發動機中的研制工作，完成大量低易損性試驗，掌握了推進劑關鍵組分、低易損性試驗條件、發動機結構與尺寸等因素對低易損性試驗響應的影響規律；不斷提升推進劑力學、燃燒等性能水平，完成了大量背景型號發動機常溫、高溫、低溫試車，中能低易損性推進劑技術的工程化應用進程持續推進。國內高能低易損性推進劑預研工作也相繼取得顯著進展，在推進劑高能量與低易損性匹配、改善低溫力學性能、貯存性能研究等方面開展大量工作，推進劑能量水平相對中能低易損性推進劑提升了5 s左右。

但是，在一些基礎性領域，存在部分共性瓶頸尚未充分突破，關鍵機理認識不充分，評價方法和仿真手段不充分，對低易損性推進劑的高效發展和可靠應用形成了制約。具體包括：推進劑主要性能尚未全面滿足先進戰術導彈發動機的發展需求，要在保持推進劑高能量與高安全性的同時，在推進劑寬溫域力學性能改進、燃速拓展、降低高壓強范圍內壓強指數、解決推進劑高燃速與低易損性矛盾性問題尋求獲得新的突破；還需深入研究低易損性試驗響應機理，建立低易損性推進劑配方設計準則，研究并掌握推進劑在低易損性試驗響應中的尺寸效應的影響因素，獲得全尺寸發動機低易損性試驗響應的準確預示方法，為戰術導彈發動機應用安全性的提升提供充分的設計支撐。

3.2 推進劑關鍵性能優化提升

低易損性推進劑的工程化應用，需要實現推進劑能量、燃燒、力學等關鍵性能的提升。

1) 高能量與低易損性協調

突破推進劑高能量與低易損性協調技術才能滿足先進戰術導彈發動機遠射程、高安全性的發展需求。目前，主要從鈍感含能材料應用、提高鋁粉燃燒效率等方面來開展研究。例如，鈍感含能材料TKX-50受到固體推進劑研究領域的廣泛關注。付小龍等研究發現，多種新型鈍感含能材料可有效提高HTPE推進劑的比沖。

提高鋁粉燃燒效率是保持推進劑低易損性條件下提升能量性能的有效技術途徑。氟化物、石墨烯等功能材料能改變鋁粉燃燒機制，從而提高鋁粉燃燒效率。例如，鋁粉/氧化石墨烯(GO)復合材料中GO反應產生氣體降低鋁粉團聚并提高燃燒壓力，產生熱量促進鋁粉氧化物的生成，如圖3所示。

圖3 氧化石墨烯促進鋁粉燃燒過程示意圖Fig.3 GO promote combustion of aluminum

2) 寬壓強范圍內燃燒性能調節

目前，為滿足先進戰術導彈發動機的使用要求，低易損性推進劑的燃速范圍不斷拓展，燃速調節成為低易損性推進劑燃燒性能研究的難題之一。金屬氧化物類、金屬無機鹽類等燃速催化劑和銨鹽類、草酸鹽類、堿類等降速劑的應用是實現推進劑燃速調節的有效途徑。并且，這些燃燒調節劑的納米化技術可以進一步提升它們的作用效能。推進劑燃速升高會導致破片沖擊試驗響應加劇，推進劑高燃速與低易損性之間存在矛盾性，實現推進劑高燃速與低易損性協調也是目前需要解決的問題之一。

3) 推進劑寬溫域力學性能提升

先進艦載、機載等導彈武器的使用環境復雜而苛刻，因此要求低易損性推進劑在-55～70 ℃寬溫域范圍內具有良好的力學性能。低易損性推進劑力學性能提升的常用方法包括：粘合劑基體的網絡調控、粘合劑基體與固體填料界面的鍵合作用調節、固體填料粒度級配調節、推進劑制備工藝優化等。提高推進劑力學性能可以改善其低易損性，例如提高推進劑模量可以提高推進劑抵抗機械沖擊作用的能力，降低推進劑在破片沖擊、子彈沖擊等機械沖擊刺激下的響應程度。

3.3 低易損性試驗響應機理研究

研究低易損性試驗響應機理，掌握推進劑配方組分與試驗響應程度的相關性規律，建立低易損性推進劑配方的設計準則，從而推進低易損性推進劑的工程化應用步伐。低易損性試驗響應機理按照外界刺激源類型不同，可以分為熱刺激和機械刺激條件下的響應機理。

1) 熱刺激下低易損性試驗響應機理

快速烤燃和慢速烤燃試驗是考核推進劑熱刺激條件下的低易損性試驗，其響應機理與推進劑關鍵組分緊密相關，包括粘合劑種類、增塑劑種類、炸藥種類和含量等。例如，推進劑中HMX的含量增加，推進劑初始分解溫度升高，當HMX含量在0～10%時，推進劑慢速烤燃試驗的響應結果為燃燒，當HMX含量在15%時，推進劑響應結果為爆燃。

2) 機械刺激下低易損性試驗響應機理

機械刺激下低易損性試驗響應程度的關鍵影響因素是推進劑的組分，包括粘合劑種類、炸藥粒度和含量等。例如，推進劑加入少量HMX后，破片沖擊試驗中推進劑燃燒速率提升較為明顯，推進劑添加20%的HMX后，聚能射流沖擊試驗的響應為爆轟，而不含HMX的推進劑發生爆燃響應。除推進劑組分外，破片試驗參數(形狀、質量和速度等)也是破片沖擊試驗響應的主要影響因素。

推進劑小尺寸試驗件和縮比發動機能夠通過低易損性試驗考核，但是全尺寸發動機不一定也能通過。低易損性試驗響應存在尺寸效應，推進劑響應結果的劇烈程度隨推進劑裝藥尺寸增大而升高。研究并掌握低易損性試驗響應尺寸效應的作用機理，是低易損性推進劑研究中急需解決的問題之一，揭示推進劑試驗響應尺寸相關性規律，為全尺寸發動機通過低易損性試驗考核提供技術支持。

4 發展前景

低易損性推進劑的發展需要加快其工程化應用步伐，要實現高能量、高燃速與低易損性協調，寬溫域力學性能提升，掌握低易損性試驗響應機理，開展新材料應用研究，建立低易損性配方設計方法。

1)含能粘合劑、含能增塑劑、鈍感含能材料的發展，為固體推進劑實現高能量、高安全性提供有效技術途徑。例如，RDX、HMX的高品質化技術，減少炸藥內部缺陷、空洞和裂紋等，大幅降低炸藥機械感度，從而實現推進劑的高能量和高安全性。針對外界機械和沖擊波等刺激作用，設計鈍感含能材料的微觀結構，例如，通過層間滑移、H鍵結合、層堆積或者π堆積、主客體結構等形式來降低外界刺激引發推進劑內部熱點的幾率，如圖4所示。

圖4 常見鈍感含能材料晶體堆積形式示意圖Fig.4 Crystal packing forms of some common insensitive

2) 采用高效功能助劑是低易損性推進劑提升力學、燃燒等關鍵性能的可靠手段。合成新型金屬氧化物類、金屬鹽類等高效燃燒調節劑是調控推進劑燃速、降低壓強指數的有效技術手段。運用鍵合劑技術是改善推進劑力學性能的一種有效措施。包覆劑降低推進劑機械感度，包括聚多巴胺、碳納米管、石墨烯等。

3) 最后，借鑒相關研究領域的新理論和新技術。例如，運用數值模擬仿真技術研究低易損性試驗響應機理；采用雙基推進劑霍普金森壓桿試驗技術研究機械沖擊條件下的響應機理；使用3D打印等增材制造技術制備推進劑；借鑒其他新型推進技術。

5 結論

1) 低易損性推進劑關鍵性能提升是實現其工程化應用的有效途徑，通過鈍感含能材料應用、提高鋁粉燃燒效率、采用高效功能助劑等方法優化提升推進劑能量、燃燒、力學等關鍵性能。

2) 研究并掌握低易損性試驗響應機理，揭示推進劑粘合劑、增塑劑、炸藥等組分因素對熱刺激和機械刺激作用下推進劑響應的影響規律，可為低易損性推進劑配方設計提供理論支持。

3) 低易損性推進劑的發展需要解決推進劑高能量、高燃速與低易損性協調問題，掌握低易損性試驗響應尺寸效應規律性，開展新材料的應用研究，建立低易損性推進劑的設計準則。