催化劑對(duì)太根發(fā)射藥燃速的影響

馬方生,趙 軍,堵 平,廖 昕,王澤山

(南京理工大學(xué)化工學(xué)院,江蘇 南京 210094)

引 言

提高炮口動(dòng)能是發(fā)射藥裝藥研究的主要技術(shù)路線。發(fā)射藥的作功過程是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換的過程,發(fā)射藥有規(guī)律的燃燒生成高溫、高壓氣體,高溫高壓氣體作為作功介質(zhì)作膨脹功,實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)化,將彈丸推送到目標(biāo)[1-3]。因此,發(fā)射藥燃?xì)馍梢?guī)律是影響其在能量釋放過程中功能轉(zhuǎn)化效率的重要因素,而對(duì)于一定藥型的發(fā)射藥其燃?xì)馍梢?guī)律由燃速及其變化規(guī)律決定,因此,研究調(diào)節(jié)發(fā)射藥燃速的技術(shù)具有重要意義。李利、堵平等[4-5]利用鈍感技術(shù)對(duì)發(fā)射藥樣品表面進(jìn)行鈍感處理,并對(duì)發(fā)射藥的初始燃燒速度進(jìn)行了調(diào)節(jié);賀增弟、蕭忠良等[6-8]對(duì)變?nèi)妓侔l(fā)射藥進(jìn)行了研究,采用物理復(fù)合的方式制備了雙層單孔結(jié)構(gòu)的變?nèi)妓侔l(fā)射藥,該發(fā)射藥外層為低燃速配方、內(nèi)層為高燃速配方,使用內(nèi)外燃速的差異調(diào)節(jié)發(fā)射藥的燃?xì)馍梢?guī)律。

通過向發(fā)射藥基礎(chǔ)配方中引入催化劑,可以在鈍感技術(shù)和變?nèi)妓偌夹g(shù)的基礎(chǔ)上利用化學(xué)催化調(diào)節(jié)發(fā)射藥的燃速及其變化規(guī)律,從而進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)射藥的燃?xì)馍梢?guī)律、促進(jìn)發(fā)射藥裝藥技術(shù)的發(fā)展。本實(shí)驗(yàn)以密閉爆發(fā)器試驗(yàn)為基礎(chǔ),對(duì)比研究不同催化劑對(duì)太根發(fā)射藥燃速的調(diào)節(jié)作用。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料及儀器

太根藥吸收藥片,瀘州北方化學(xué)工業(yè)公司;丙酮、乙醇,化學(xué)純,中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司。6種自制催化劑:二茂鐵、三氧化二釔、氫氧化鎳、硝酸鎳、碳酸鎳和鐵酸鎳。

ZJB230型油壓機(jī),天津市第二鍛壓機(jī)床廠;成套壓藥和切藥模具,自制;JH2500型捏合機(jī),上海紅星化工機(jī)械廠。

1.2 太根發(fā)射藥的制備及性能測(cè)試

太根發(fā)射藥的基礎(chǔ)配方為以硝化棉為黏結(jié)劑,二縮三乙二醇二硝酸酯(TEGDN)為增塑劑,在基礎(chǔ)配方的基礎(chǔ)上分別添加不同催化劑制成待測(cè)發(fā)射藥,催化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為 1.0%。

太根發(fā)射藥的制備工藝采用半溶劑法,主要包括吸收、壓片、塑化及壓伸成型,其中硝化棉與溶劑的質(zhì)量比為1∶(0.24～ 0.27),乙醇和丙酮混合溶劑的質(zhì)量比為 1∶1;考慮到單孔藥的燃燒較接近于恒面燃燒,選擇的藥型為單孔管狀藥。

將火藥切成 40mm的藥條,進(jìn)行密閉爆發(fā)器試驗(yàn),裝填密度分別為0.12和0.20g/cm3,點(diǎn)火壓力為10MPa。

2 結(jié)果與分析

2.1 催化劑對(duì)太根發(fā)射藥燃速的影響

圖1 加入不同催化劑后太根發(fā)射藥的p-t曲線Fig.1 p-t curves of TEGDN propellant after adding different catalysts

在密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)中,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所記錄的是一系列等時(shí)間間隔的離散壓力點(diǎn)。用密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行處理 ,得到d p/d t、u、B、I、n等一系列數(shù)據(jù)。其中,最重要的是燃速u1和燃速壓力指數(shù)n,考慮到點(diǎn)火的同時(shí)性和藥型分裂后對(duì)燃燒表面的影響,數(shù)據(jù)處理時(shí)J的取值范圍通常為 0.15到壓力陡度(d p/d t)的最大值之間。加入不同催化劑調(diào)節(jié)太根發(fā)射藥的燃速,其 p-t曲線見圖 1,u-p曲線見圖 2。

圖2 加入不同催化劑后太根發(fā)射藥的u-p曲線Fig.2 u-p curves of TEGDN propellant af ter adding different catalysts

圖1表明,加入二茂鐵后,太根發(fā)射藥壓力上升得比太根空白藥慢。由于密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)中p-t曲線的變化是發(fā)射藥的裝藥量、弧厚、燃速共同作用的結(jié)果,因此,p-t曲線不能比較不同發(fā)射藥間燃速的大小。圖2表明,催化劑三氧化二釔、硝酸鎳、碳酸鎳、鐵酸鎳可以提高太根發(fā)射藥的燃速,二茂鐵和氫氧化鎳會(huì)降低發(fā)射藥的燃速。其中碳酸鎳對(duì)太根發(fā)射藥燃速的提高最大,二茂鐵對(duì)太根發(fā)射藥燃速降低的程度最明顯。

為研究不同壓力下含催化劑的太根發(fā)射藥燃速的變化,對(duì)圖 2中的u-p曲線進(jìn)行了回歸,計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1結(jié)果表明,碳酸鎳可以有效提高太根發(fā)射藥的燃速,50MPa時(shí)可以提高19.31%,100MPa時(shí)可以提高9.62%,150M Pa時(shí)可以提高8.60%;二茂鐵可以明顯降低太根發(fā)射藥的燃速,50MPa時(shí)可以降低 10.34%,100MPa時(shí)可以降低 16.42%,150M Pa時(shí)可以降低 12.16%。

表 1 催化劑對(duì)太根發(fā)射藥燃速的調(diào)節(jié)Table 1 Adjusting results of catalysts on burning rateof TEGDN propellant

將太根發(fā)射藥燃燒的 u-p數(shù)據(jù)取對(duì)數(shù),得到ln u-ln p曲線的斜率,即太根發(fā)射藥的燃速壓力指數(shù),不同催化劑調(diào)節(jié)太根發(fā)射藥燃速的ln u-ln p曲線見圖 3。

圖3 加入不同催化劑后太根發(fā)射藥的ln u-ln p曲線Fig.3 ln u-ln p curves of TEGDN propellant after adding different catalysts

圖 3顯示,6種催化劑催化太根發(fā)射藥燃燒的ln u-ln p曲線幾乎平行,表明 6種催化劑對(duì)太根發(fā)射藥的燃速壓力指數(shù)沒有明顯的改變。

2.2 催化劑對(duì)太根發(fā)射藥燃速壓力指數(shù)的影響

表 2為太根發(fā)射藥催化燃燒密閉爆發(fā)器的試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)果表明,不同催化劑對(duì)太根發(fā)射藥的燃速壓力指數(shù)(n)的影響均小于 0.02。

在發(fā)射藥燃燒過程中,若在低壓范圍內(nèi)燃速提高幅度較大,而在高壓范圍內(nèi)燃速降低,則燃速壓力指數(shù)就減小;反之,在低壓范圍內(nèi)燃速降低幅度大,而在高壓范圍內(nèi)燃速增加,則燃速壓力指數(shù)增大。本研究中,催化劑三氧化二釔、硝酸鎳、碳酸鎳、鐵酸鎳在整個(gè)壓力段能夠提高太根發(fā)射藥的燃速,而二茂鐵和氫氧化鎳在整個(gè)壓力段能夠降低發(fā)射藥的燃速,所以催化劑對(duì)太根發(fā)射藥燃速壓力指數(shù)的影響不大。

表 2 太根發(fā)射藥催化燃燒密閉爆發(fā)器的試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of TEGDN propellant with different catalysts from closed bomb test

3 結(jié) 論

(1)在太根發(fā)射藥基礎(chǔ)配方中添加燃燒催化劑,可以有效調(diào)節(jié)發(fā)射藥在高壓狀態(tài)下的燃速。

(2)密閉爆發(fā)器試驗(yàn)結(jié)果表明,在 50～150MPa,碳酸鎳可以使太根發(fā)射藥的燃速提高 8%以上,二茂鐵可使太根發(fā)射藥的燃速降低10%。

(3)不同催化劑對(duì)發(fā)射藥燃速壓力指數(shù)的影響均小于 0.02。

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