摘要
研究端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂的固体组分因素、燃速性能与其药浆及成品的撞击感度、摩擦感度和静电火花感度之间的关联性,对于固体推进剂的安全生产与性能优化具有重要意义。本研究基于灰色关联分析方法,计算了HTPB推进剂的固体组分因素(铝(Al)含量、高氯酸铵(AP)含量、黑索今(RDX)含量及总固体组分占总质量的比例(固含量,S))及燃速与推进剂药浆及成品不同感度之间的灰色关联度,并确定了各感度的主要影响因素。研究结果表明,AP含量是影响HTPB推进剂药浆撞击感度和静电火花感度的主要因素,而RDX含量对药浆摩擦感度的影响最为显著。在HTPB推进剂成品感度的关联性方面,Al含量是撞击感度的关键影响因素,燃速和固含量分别是HTPB推进剂成品摩擦感度和静电火花感度的主要影响因素。
图文摘要
A gray relational analysis was performed to investigate the relationships between composition, burning rate, and the impact, friction, and electrostatic sensitivities for both uncured HTPB propellants slurry and final cured products.
关键词
端羟基聚丁二烯推进剂简称丁羟推进剂,是以端羟基聚丁二烯(HTPB)为粘合剂,与无机氧化剂、能量添加剂、固化剂及键合剂等组成的复合推进
近年来,众多研究人员将统计方法应用于火炸药安全评价体系来指导实际生
在推进剂的生产过程中,药浆状态至关重
本研究以典型HTPB推进剂药浆及成品为研究对象,采用灰色关联分析方法,分析了影响推进剂药浆及成品撞击感度、摩擦感度和静电火花感度的主要因素,建立了推进剂固体组分因素、燃速性能和药浆及成品的感度性能之间的关联关系,为HTPB推进剂混合工艺优化和产品安全性能提升提供了理论依据。
端羟基聚丁二烯(HTPB),数均分子量为3200,羟值为0.61 mmol·
撞击感度测试仪,HT‑202B,湖北航天化学技术研究所;摩擦感度测试仪,HT‑203B,湖北航天化学技术研究所;静电火花感度测试仪,HT‑201B‑3,湖北航天化学技术研究所。
采用了7种不同类型的配方来考察固体组分因素及燃速性能对HTPB推进剂药浆及成品撞击感度、摩擦感度和静电火花感度的影响程度,具体组成见
mAP / % | mAl / % | mRDX / % | S / % | |
---|---|---|---|---|
HTPB‑1 | 62.00 | 5.50 | 20.00 | 87.50 |
HTPB‑2 | 54.50 | 12.50 | 20.00 | 87.00 |
HTPB‑3 | 61.00 | 8.50 | 18.00 | 87.50 |
HTPB‑4 | 58.30 | 13.50 | 15.00 | 86.80 |
HTPB‑5 | 60.50 | 10.50 | 16.00 | 87.00 |
HTPB‑6 | 69.50 | 16.50 | 0.00 | 86.00 |
HTPB‑7 | 64.50 | 16.00 | 6.00 | 86.50 |
Note: mAP refers to the mass ratio of AP, mAl refers to massratio of Al, mRDX refers to mass ratio of RDX, S refers to the total mass fraction of solid components.
推进剂药浆和成品的机械感度按GJB770B-2022.601.2特性落高法测试,测试环境温度为25摄氏度,其中摩擦感度按照GJB770B-2022中方法602.1爆炸概率法测试,测试条件为摆角66°,压力2.45 MPa,推进剂药浆和成品测试药量均为30 mg;撞击感度测试,锤重5 kg,药浆药量50 mg,成品药量30 mg;静电火花感度按QJ 20019.5-2018标准执行,测试药量50 mg,电容10000 pF,针距1 mm;推进剂燃速性能采用GJB770B靶线法测试,测试压强7.0 MPa。
7种不同类型配方的推进剂药浆的感度测试值及推进剂成品的感度测试值及成品燃速性能如
types | impact sensitivity / J | friction sensitivity / % | electrostatic sensitivity / mJ |
---|---|---|---|
HTPB‑1 | 28.09 | 78 | 40.61 |
HTPB‑2 | 25.34 | 80 | 22.41 |
HTPB‑3 | 20.98 | 34 | 29.02 |
HTPB‑4 | 26.01 | 22 | 19.01 |
HTPB‑5 | 18.07 | 24 | 25.70 |
HTPB‑6 | 34.03 | 0 | 27.21 |
HTPB‑7 | 28.63 | 48 | 19.01 |
types | impact sensitivity / J | friction sensitivity / % | electrostatic sensitivity / mJ | burning rate / mm· |
---|---|---|---|---|
HTPB‑1 | 10.16 | 50 | 74.11 | 11.73 |
HTPB‑2 | 25.03 | 56 | 72.2 | 6.11 |
HTPB‑3 | 25.88 | 28 | 82.58 | 11.42 |
HTPB‑4 | 11.18 | 20 | 61.85 | 5.69 |
HTPB‑5 | 10.76 | 14 | 86.11 | 13.54 |
HTPB‑6 | 13.81 | 48 | 63.19 | 13.12 |
HTPB‑7 | 36.04 | 24 | 76.71 | 5.64 |
在采用灰色关联分析方法对不同配方HTPB推进剂药浆及成品的感度影响因素进行分析时,需依次完成参考序列与比较序列的构建、数据归一化处理、关联系数计算以及灰色关联度的计算。具体流程如下:
将撞击感度、摩擦感度和静电火花感度数据确定为参考序列,将对固体推进剂安全性能影响的因素(配方及燃速)作为比较序列。
其中比较序列为:
(1) |
参考序列为:
(2) |
式中,代表系统的关键变量(感度数据),代表影响该变量的不同因素(推进剂组分、燃速)。其中表示影响因素的个数,表示样本数量。
对由参考序列和比较序列构成的矩阵数据进行量纲一化处理,消除各个指标单位的不同及其数值数量级间的悬殊差别带来的影响。常用的量纲统一化方法有初值法和均值法,因初值法适用于稳定递增或递减的数据,均值法适合没有明显升降趋势现象的数据,本项目进行量纲一化处理时,采用均值法进行分析。
均值法:
(3) |
(4) |
式中,为数据均值,表示第个比较序列在第个样本的数据值,为均值法处理后的数据。
(5) |
(6) |
(7) |
(8) |
式中,和分别表示所有序列间的最小和最大绝对差值。表示参考序列与比较序列在第个数据点的绝对差值。其中为分辨系数,取值范围为(0,1),分辨系数越小时,关联系数间的差异越大,区分能力越强。采用均值分析法进行分析时,的取值通常为0.5。
在药浆阶段,推进剂中的固体组分(如AP、RDX、Al)尚未形成稳定的三维交联网络,而是分散在液相基质中。因此,组分间的直接接触、分布状态及相互作用更直接地影响感度。通过灰色关联分析法,利用

图1 组分及燃速与HTPB推进剂药浆撞击感度,摩擦感度静电火花感度的关联系数及其关联度
Fig.1 Correlation coefficients and overall correlation degree between composition/burning rate with impact sensitivity, friction sensitivity, electrostatic sensitivity for the HTPB propellant slurry
gray correlation | grey relation degree | significant level | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
mAP | mAl | mRDX | S | B | ||
impact | 0.847 | 0.797 | 0.582 | 0.841 | 0.678 | |
friction | 0.599 | 0.577 | 0.632 | 0.593 | 0.547 | |
electrostatic | 0.783 | 0.593 | 0.627 | 0.766 | 0.714 |
Note: S refers to the total mass fraction of solid components. B refers to the burning rate of propellant products.
在推进剂固化过程中,交联结构的逐步形成限制了固体颗粒的移动性,使其被包裹于弹性基体中,界面效应随之增强。为进一步探究固体组分因素及燃速对推进剂成品感度的影响,本研究考察了7种不同配方的固体组分因素及燃速对HTPB推进剂成品撞击感度、摩擦感度和静电火花感度的影响程度(
基于计算结果(如

图2 组分及燃速与HTPB推进剂成品撞击感度;摩擦感度;静电火花感度的关联系数及其关联度
Fig.2 Correlation coefficients and overall correlation degree between composition/burning rate withimpact sensitivity, friction sensitivity, electrostatic sensitivity for the HTPB propellant product
gray correlation | Grey relation degree | significant level | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
impact | 0.618 | 0.650 | 0.599 | 0.635 | 0.601 | |
friction | 0.649 | 0.650 | 0.648 | 0.639 | 0.727 | |
electrostatic | 0.815 | 0.579 | 0.568 | 0.842 | 0.618 |
Note: S refers to the total mass fraction of solid components. B refers to the burning rate of propellant products.
为探讨HTPB推进剂中固体组分因素及成品燃速与其药浆及成品的撞击感度、摩擦感度和静电火花感度之间的关联程度,研究采用灰色关联分析方法,分析了不同因素对推进剂敏感性参数的影响,以及推进剂药浆与成品在不同感度指标上的主要影响因素,并比较了二者之间的关联性差异。研究结果表明:
(1)在HTPB推进剂药浆的感度影响因素中,高氯酸铵含量是影响撞击感度(灰色关联度0.847)和静电火花感度(灰色关联度0.783)的主导因素,而黑索金含量对摩擦感度的影响最为显著(灰色关联度0.632)。此外,成品燃速性能在推进剂药浆的静电火花感度关联性中表现突出,其关联度明显高于撞击感度和摩擦感度,表明燃速对推进剂药浆的放电敏感性具有更大的影响。
(2)在HTPB推进剂成品的感度影响因素方面,铝粉含量对撞击感度的影响最强(灰色关联度0.650),燃速成为摩擦感度的主导影响因素(灰色关联度0.727),而固含量对静电火花感度的影响最为显著(灰色关联度0.842)。
(3)固化过程引发了感度影响权重的重构。与推进剂药浆相比,推进剂在固化后,其影响感度的主要因素发生了显著变化。
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