传统武器和火箭武器推进剂的贮存期限.doc

传统武器和火箭武器推进剂的贮存期限（前南斯拉夫） M.Colakovic 周堃 译 许明 校摘摘 要：要：回顾了固体推进剂安全贮存和使用的预测技术领域的成就作为武器系统最关键的因素，对火箭推进剂给予了特殊关注以其具体成分、形态和药柱尺寸作为一系列缺陷发展的基础表征，这些缺陷在使用期间有灾难性后果关键词：关键词：推进剂 贮存寿命 化学稳定性 物理稳定性 弹道稳定性前言前言弹药是武器系统的要素，武器系统由三种基本成分组成：金属、炸药和推进剂金属在贮存环境中的老化并不严重（腐蚀影响除外） ，炸药（猛炸药）化学分解时需要相对较大的激发能量，故评估弹药贮存期限时，推进剂、固体推进剂必须给予最多的关注推进剂不仅仅是在指定时间燃烧、释放能量并发射战斗部的有机材料，它是有机材料和无机材料的复杂混合物，不同的弹药推进剂也不同这种不同体现在其成分、其物理、化学和弹道性能、其形态和尺寸、以及一系列参数的不同，对于特定的武器它们都有严格的定义推进剂是一种非均相材料，其复杂性导致了弹药在贮存、运输和使用中存在很多限制为了详细研究并改变这些限制，必须区分使用了推进剂的复杂系统（火箭）和简单弹药（传统武器） 。

由此产生了两种基本类型的推进剂Ⅰ. 传统武器推进剂（弹药发射药）Ⅱ. 火箭推进剂（火箭推进剂）推进剂使用期间的检测证明这样划分是合理的，而且推进剂的物理和弹道性能、推进剂药柱尺寸甚至化学组成，也证明了这样划分是合理的传统弹药推进剂形态和尺寸具有普遍特征，一般比火箭推进剂复杂，其主要形态包括各种厚度的板状、条状、棒状、以及单孔管状和多孔管状评估贮存安全性时，这些特征与推进剂化学性质共同起到了决定性作用而且应根据相同的规则控制贮存弹药中推进剂的以下性能：——化学稳定性——物理稳定性——弹道稳定性1. 传统武器推进剂和火箭推进剂的化学稳定性传统武器推进剂和火箭推进剂的化学稳定性控制推进剂稳定性的技术规程只规定了化学稳定性的测控，借此避免各种推进剂贮存时发生自燃进行高温加速试验，(定量或定性)记录气态产物作为化学分解的参数，通常出现的是氮的氧化物由于检查试样时没有考虑推进剂的形态和尺寸，也没有考虑承载推进剂的容器的外形和尺寸，用获得的结果推断贮存情况是没有根据的贮存温度也没有考虑，它是化学分解的引发因素更好的试验方法是监测高温试验后推进剂内剩余稳定剂的含量控制推进剂状态的目的是避免推进剂在弹药中的自燃；也就是说，预计分解释放多少热量时将导致自燃，在固定的系统中（各种口径的弹药或推进剂方坯） ，最恰当的试验方法是测量推进剂分解释放的热和贮存期间与环境交换的热。

热交换环境与推进剂的形态和尺寸有关，根据与环境进行热交换的规律，为使自燃不能发生，对给定的条件（贮存温度，推进剂成分）存在极限值，低于此极限值自然不能发生因此，根据适当的数学模型产生了一个表达式，它把此极限值与推进剂性能和贮存条件的参数联系在一起这个表达式[1]如下：（1）TakrEqRTD024 式中：Dkr ——临界直径，即火箭推进剂方坯的直径（圆柱火箭的肉厚；弹药口径；一般而言，承载推进剂小药柱的容器直径） ；δ ——与推进剂组形态相关的非空间参数；λ ——推进剂导热系数；R ——气体常数；ρ0 ——推进剂密度；T ——贮存温度；E ——推进剂化学分解过程的活化能；qTa ——推进剂在贮存温度化学分解释放的热量其他学者[2]研究了推进剂的物理、化学及热力学性质后，也得到了相似的Dkr表达式根据式（1）的数据，释放热量足以引起推进剂自燃的最短时间也能确定：（2）RTE ERT ACtexp2min式中：C ——推进剂比热A ——包含由推进剂成分、形态和尺寸决定的热累积速度常数现代技术可制造非常精确的仪器，即使比传统试验要求的温度低很多，它也能测量分解热推进剂分解热量的测量值可以反映推进剂的能量状态。

这是决定弹药退役的首要因素之一，以便根据弹道参数变化替换推进剂图 1 显示了 71℃时以 mm 表示的 Dkr值与使用国外生产的一些型号推进剂的传统弹药最大口径的关系图 1表 1 提供了贮存于 20℃和 30℃的十种 10g 传统推进剂以百分比表示的热量值变化表表 1 推进剂10g 贮存于 20℃10g 贮存于 30℃ 1 2 3单基0.2 0.3 0.11.0 1.0 0.5 4 5 6 7 8双基0.2 0.1 0.2 0.5 0.60.7 0.6 0.8 1.7 2.5 9 10三基0.2 0.10.7 0.7结果显示，由于 Dkr远高于最大口径，处理传统弹药时不存在自燃的危险对于弹药维护，不稳定的推进剂从弹药中取出放进弹药仓库的容器中，没有得到处理时要保存几个月（甚至几年） ，这时是存在危险的对作为战争储备的未装弹推进剂给予特殊关注是必要的火箭推进剂筒体的结构和尺寸有问题时，可能会积聚足够热量相比于传统推进剂更早地引发自燃，对于自燃危险的评估，Dkr测定结合推荐试验较为理想但是，对于使用期限和火箭推进剂状态进行评价时，推进剂方坯物理稳定性比化学稳定性更加重要2. 火箭推进剂方坯的物理变化火箭推进剂方坯的物理变化在整个维护过程中应确保火箭系统尽可能达到其最长使用“寿命” 。

系统的“寿命”是指：——贮存和运输期间安全——使用期间安全安全的概念包含：——无自然的危险，以化学稳定性进行表述——使用期间无爆炸危险，经常由贮存期间推进剂的物理变化导致——无错失目标危险，由于推进剂弹道性能的变化导致与传统推进剂不同，火箭推进剂在贮存、运输和使用期间发生这些变化的可能性更大经验显示固体火箭推进剂首先由于物理缺陷变得无法使用（推进剂方坯和包复层中的纵向和横向裂纹；包复层和推进剂脱粘以及推进剂和发动机脱粘；药柱粘结时机械性能的下降） ，接着由于化学稳定性的降低变得无法使用造成这些缺陷的原因种类繁多：推进剂方坯的构造、发动机负荷、维护情况、推进剂方坯个别成分的相容性差、生产工艺的不规范；个别成分的化学分解等等2.1 推进剂化学分解的产物对推进剂方坯出现裂纹的影响贮存期间，硝化棉（NC）和硝化甘油（NGL）推进剂分解的气体产物累积于多孔的推进剂方坯、包复层和火箭系统（如果药柱进行粘结） 这产生了一种压力，它会造成较大或较小的裂纹由于粘结剂与氧化剂的反应，复合推进剂中也会产生气态产物这种裂纹的出现时间能够预测[3]原则上，分解气态产物的压强超过式（2）时，将产生裂纹：（2） 212 P式中：σ——断裂强度（the intermittant hardness）ε——断裂延伸率（the intermittant elongation）高温时在推进剂方坯中心安装毛细 Hg 压力表可以直接测量压强。

因此，分解产物生成速率的数据可以迅速获得根据气体的生成速率和在推进剂中的扩散速率，有学者[3]计算了贮存弹药中推进剂可以产生的最大压强 Pmax整个推进剂方坯的压强表达式可以写成：（3）mmHgFadQP76042maxF——推进剂中气体扩散速率Q——气体产物生成速率d——推进剂密度a——药柱直径还有学者[4]基于 Fick 定律发展了一种数学模型，用于计算压强大小，还可以用于计算各种形态推进剂方坯中分解气体产物的最大浓度对于带状推进剂：（4）DaQC22maxCmax——分解气体产物的最大浓度Q——分解释放的气体产物量a——带的厚度D——扩散常数对于圆柱状推进剂：（5）DaQC42maxa——药柱的半径对于空心圆柱推进剂：（6） 222maxlog//loglog114）（babaDaQCb——药柱内孔直径温度对推进剂方坯出现裂纹的影响是显著的对于确定的温度存在两个临界药柱直径；也就是说，相应的药柱直径存在两个临界温度：——低温，低于此温度，达到临界压强并产生裂纹前，分解的气态产物可以逸出；——高温，高于此温度时扩散可以忽略，而且裂纹的产生时间与方坯的尺寸无关。

温度对推进剂方坯临界直径的影响，可以根据下式[4]进行计算：（7）RTBB AdCDakr‘6 21ln在观测温度范围内，Ckr的变化对临界直径没有影响，因此有：（8）KAdCDkr6kraK 所以有：（9）RTBBKa‘21ln21ln由方程（8）计算某一温度的临界直径，由表达式（9）可以测定其它温度的临界直径对于表达式中的 B－B’，可以通过分解产生的气体量之差进行实验测定，这些气体产物最终通过扩散离开药柱推进剂分解的气态产物临界浓度不能从较高温度到较低温度进行简单的推断它依赖于一系列要素，这些要素产生的影响见图 2图中给出了推进剂中的气体浓度与贮存时间的关系图 2——推进剂方坯中气体的累积A——60℃时不相关扩散的方位角B——30℃时不相关扩散的方位角C——60℃/30℃循环的不相关扩散x, y, z ——相关扩散的浓度——气体产生的临界压强图 3——46℃时推进剂中的气体浓度随直径尺寸的变化各种直径的圆柱状推进剂药柱贮存于 46℃时，其分解气态产物的计算浓度随时间的变化关系如图 3 所示交叉线区域表示由公式（2）计算的这种推进剂的临界压强的大小较大尺寸的推进剂方坯（药柱）压强明显较早达到临界值。

2.2 技术因素对包复层脱离和推进剂药柱裂纹的影响推进剂与包复层的脱离及包复层纵向和横向的裂纹通常表明火箭推进剂的工艺生产条件不规范推进剂和包复层的物理化学相似性，导致增塑剂有可能发生迁移，并导致二者的接触面发生分层以及在推进剂包复层体系中产生永久压力推进剂包复层体系中产生内压的基本原因是包复层在固化和使用期间的收缩使用期间，贮存温度、材料损坏、分子和超分子结构的转变、增塑剂的挥发以及气体和湿气的扩散，这些条件的变化引起了收缩由于实验测定包复层收缩水平有困难（推进剂中仍未固化的包复层有变化的可能性） ，推进剂与包复层接触面上的内应力最好借助有关文献中的方法[5]进行测定，表达式为：（10）2121123 12 6lKffEh KffflhfE式中：f 和 f1——有包复层的推进剂样品的厚度和包复层的厚度E1和 E2——推进剂和包复层的松弛模量h——样品的自由高度l——样品长度K——推进剂——包复层体系中中性线的位置基于此法测定内部压强，可以计算贮存条件下裂纹发生的时间[6]11）RTU0 0expτ0——常数约为 10-3秒U0——推进剂与包复层分离过程的激发能γ——结构系数（体系在恒压下分解的暂时灵敏度）R——气体常数T——实验温度σ——恒压（内部压强）甚至推进剂自身也存在内部压力，特别是在推进剂包含大量的固体推进剂填料时（例如复合推进剂） 。

因而，在粘结剂与 KClO4、Al 和其他组分之间的接触表面产生内部压强此时，药柱上的压强可以按下式计算：（12）  mclcmmc EEMMETaaP/11径向和切线方向的压强：（13）2/arPr（14）2/arPt式中：Ec和 Em——固化粘结剂和填料的弹性模数ac和 am——粘结剂和填料的线性温度系数r，a——药柱的外径和内径ΔT——固化（聚合）温度和压强测定温度的差Mc和 Ml——粘结剂和填料的泊松数除了以上提及的这些因素外，还有其它的因素会影响固体火箭推进剂及推进剂包复层体系的物理稳定性贮存期间推进剂机械性能的降低、NGL 从推进剂移至包复层以及基体聚合物从推进剂移至包复层，在热力学容许极限低的情况下也会使固体火箭推进剂的使用期限受到限制文章探讨了观察这些变化的方法，而且这些变化不应被分开处理2.3 固体火箭推进剂方坯中物理变化控制的现有方法对于控制固体火箭推进剂方坯的物理变化，我们还没有掌握制定这一方法的数据而其它国家声称已经获得了这些数据，且将制定的方法作为标准方法引入了推进剂方坯中物理变化控制技术但就目前所知，对生产者进行了咨询的那些国家，使用了较简单且安全性较低的。