（一）反应形式与相互转化

HTPB推进剂虽然通过燃烧使弹箭总体获得动力，但燃烧不是其唯一的化学反应形式。在特定的环境下，其具有三种不同的化学反应形式：热分解、爆燃和爆轰。这三种反应形式产生不同的物理化学效应，并与各自产生的必要条件相对应。例如，热分解是HTPB推进剂的最低化学反应形式，通常出现在贮存过程中，表现为常温下的缓慢氧化，并成为推进剂失效的主要原因之一；燃烧较热分解更高一级，往往由受热或火焰引起，也是HTPB推进剂最常见的反应形式；爆炸/爆轰是HTPB推进剂最为剧烈的反应形式，通常发生在外界强激发源作用下，经历起爆阶段的不稳定到稳定的过程，并在周围介质中形成冲击波的传播，如图4.3所示。国外研究人员指出，HTPB推进剂最易发生爆炸而不是爆轰，如美国北极星导弹和民兵导弹以往的事故中见到的大多是剧烈的爆炸。由于爆轰与爆炸反应时间不同，因此有不同的爆炸效果，爆炸产生的爆炸波甚至比爆轰产生的爆轰波更为严重。研究表明：发生爆轰时压力很高，但压力衰减的很快；发生爆炸时，爆炸速度较慢，但压力下降慢，正压维持时间长，因而有更大的破坏力。可以预料，推进剂爆炸时产生的爆炸波破坏要大于相同当量的TNT炸药。

图4.3　爆轰波阵面示意图

依照爆炸理论，推进剂爆轰时爆轰波在推进剂装药上稳定传播而形成的冲击波，在瞬间迅速释放出全部化学能，将反应的气体产物立即加热到数千摄氏度，并在气体产物中造成数十吉帕的压力，从而导致爆炸产生的气体产物迅速向四周膨胀做功。因此，HTPB推进剂的爆轰过程应具备三个特征，即放热性、高速度和产生大量的气体产物。

（1）衡量一个反应是否具有爆炸性，与其反应放出的热量有很大关系。只有放热反应并且放出的热量很大才有可能具有爆炸性。通过高氯酸铵的分解反应可知，HTPB推进剂整体发生的放热反应，这是构成爆炸反应的第一个必要条件，即

（2）爆炸反应与一般化学反应突出的不同点在于反应过程中的高速度。普通化学反应也可以释放热量，甚至比炸药爆炸时更多，但由于其放热过程比较缓慢，因此不能发生爆轰。根据文献记载，HTPB推进剂的爆轰反应非常迅速，消耗1吨推进剂仅需0.1 ms，因此具备了爆轰的高速性。

（3）爆炸瞬间有大量气体产生，能够膨胀做功并对周围介质造成破坏，其衡量的标准称为爆容。由反应方程式可知，HTPB推进剂爆炸时会产生大量的气体，如N2、CO、CO2、HCl等。

三种反应形式之间存在密切联系，如果外界条件发生改变，它们之间可以相互转化。如热分解产生的热量积聚可以转变为爆燃，而在密闭条件下爆燃又可能转化为爆轰。从安全角度考虑，希望HTPB推进剂按照预定的反应形式进行化学反应，即使反应形式发生转变，也应在可控范围内，否则会引起预想不到的事故。如下式所示：

（二）DDT过程转化的瓶颈

作为一种高能推进剂，衡量HTPB推进剂能量特性的主要指标为密度比冲，而QV V 0×10-6（威力）则成为衡量民用炸药能量参数的重要指标之一。将密度比冲数值转化为威力表达后，如图4.4所示，HTPB推进剂的能量特性完全具备普通民用炸药的水平，能够满足作为民用炸药组分的要求。只是在正常点火激励时，其能量释放速率异于民用炸药，只能出现均匀地爆燃而非爆炸。这是由于受结构等因素的影响，二者的做功方式存在很大的区别。

1.结构形式的差异(www.daowen.com)

HTPB推进剂有异质火药之称，设计之初具有适当的内聚力，以便在较宽的应力和应变速度范围内维持结构的完整性。而民用炸药则是易于破碎的，无内聚力设置并且被故意制成在预应力状态下低于理论密度的产品，因此起爆所需要的冲击激励并不太大。有内聚力的材料存在着一个可燃表面，其后退的速度受推进剂内的热扩散所控制；而无内聚力的体系，火焰流动的路线直通炸药的本体，如果点火产生的气体使材料进一步破碎，那么在很多情况下，爆燃反应转化为爆炸，通常被称为DDT过程。因此两个系统对于点火激励的反应显著不同，前者的做功方式为爆燃，而后者的做功方式为爆轰。国内外研究者通过大量试验，旨在找到推进剂的DDT规律，但都以失败告终，因此不经处理的HTPB推进剂很难发生DDT现象。

图4.4　HTPB推进剂与常见民用炸药的威力对比

1—黑火药；2—岩石铵锑炸药；3—煤矿铵锑炸药；4—HTPB推进剂

2.黏合剂的钝感作用

黏合剂使推进剂受冲击产生的热点浓度大大小于炸药装药中产生的热点浓度，其钝感作用体现在以下几个方面。

（1）吸热作用。黏合剂可以熄灭热点。由于它具有比民用炸药更大的体积比热和较小的导热系数，其吸热作用是钝感的重要原因。因为它们从热点吸收了足够的热量，阻止了导致爆炸的自加速反应，使起爆感度下降。

（2）绝热作用。黏合剂对炸药的起爆率影响不大，而对传爆率影响很大。撞击产生的热点虽然可以使热点处的推进剂产生激烈反应，但是立即衰减或熄灭，此时，黏合剂便发挥绝热作用。

（3）缓冲作用。当黏合剂的塑性较好、硬度较小且易于变形时，能使推进剂表面受到的剪切力向黏合剂层转移，使应力分布较均匀，大大减少了应力集中现象，黏合剂就能吸收外界能量，使外界作用力受到缓冲，导致了热点产生的概率下降，从而降低了机械感度。

3.其他因素的影响

HTPB推进剂药柱的气孔率非常小，这就使推进剂受冲击发热到局部温升的起爆机理产生相当低的功效，因为根据热点起爆机理，高温通常发生在环境中有空气泡或气泡的地方。普通民用炸药的装药密度大约为理论值的95%，而固化好的HTPB推进剂的装药密度为理论值的99%，基本排除了这种可能性。此外，在黏合剂的潜能释放之前，要求黏合剂蒸发且与氧化剂气态产物相混合，而氧化剂AP爆炸时，其分解动力学比起典型猛炸药要缓慢得多。这个过程需要较长时间，因此它有力地限制了反应过程中能量的汇集，而对于爆轰而言，这种汇集是至关重要和不可或缺的。

（三）粉碎处理的必要性

如果点火后反应产生的气体能使HTPB推进剂内部进一步破碎，那么在这种情况下，爆燃反应就很有可能转化为爆炸，通常被称为爆燃爆炸。这种爆炸发生在燃烧之后，是能量积聚到一定程度时一种释放。HTPB推进剂制备民用炸药的关键在于如何将其做功方式由爆燃转化为爆轰。研究结果表明，DDT过程通常由下列两种情况引起：①推进剂受到强冲击波后被打碎；②在新形成表面上的燃烧传播。这两种情况均产生非常大的总表面积，使得质量燃耗率和能量释放率增大，因此在燃烧区域中压力急剧增加，从而进一步促使燃速的增加，总的能量释放率和压力变得异常大，尽管这样支配的燃烧速率仍然低于爆轰速变，但是净质量的燃耗率可以与爆轰速率相比拟，最终导致推进剂达到爆轰。由此可见，影响冲击波传播，导致HTPB推进剂无法被正常引爆或不完全爆轰的原因在于致密的结构，如果人为破坏了这种结构便可以将燃烧转化为爆炸。因此，制备的前提在于将其粉碎至小粒径以促使反应中热点的形成，增加反应的表面积，就可满足DDT条件，实现反应形式的转化。