EI發(fā)射藥的燃燒特性

郭建忠，劉少武，張 研

（1.西北工業(yè)大學(xué)燃燒流動(dòng)和熱結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710069；2.海軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局，陜西 西安710054；3.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安710065））

引 言

發(fā)射藥作為武器系統(tǒng)的動(dòng)力能源，決定著彈丸的初速、有效射程和發(fā)射穩(wěn)定性等彈道特性，隨著新概念武器系統(tǒng)、超高速發(fā)射系統(tǒng)、高精度發(fā)射系統(tǒng)的出現(xiàn)，對發(fā)射藥的要求也在不斷提高，具有高燃燒漸增性的發(fā)射藥得到了發(fā)展，如鈍感發(fā)射藥、程序控制發(fā)射藥、多層變?nèi)妓侔l(fā)射藥、改性單基發(fā)射藥（EI發(fā)射藥）、預(yù)制開裂發(fā)射藥技術(shù)等。其中以硝化棉為主要組分的EI發(fā)射藥，具有低燒蝕、低溫度系數(shù)、高初速特點(diǎn)，能夠大幅度提高火炮炮口的動(dòng)能水平，瑞士已經(jīng)研制成功并已推廣應(yīng)用［1-2］，王瓊林等在燃燒機(jī)理方面研究已取得較大進(jìn)展［3-7］。

本研究通過對EI發(fā)射藥的結(jié)構(gòu)特征分析，建立了相關(guān)藥型燃燒的數(shù)學(xué)模型，對制備的兩種樣品進(jìn)行了密閉爆發(fā)器試驗(yàn)。

1 EI發(fā)射藥燃燒模型的建立

1.1 EI發(fā)射藥的結(jié)構(gòu)特征

EI發(fā)射藥采用壓伸浸漬工藝制備，首先壓出單孔、七孔等不同藥型形狀的以硝化棉為基本能量組分的均質(zhì)單基發(fā)射藥，然后通過浸漬高能組分（主要是硝化甘油）使能量得到大幅度提升，為降低初始燃速，在表面浸漬一薄層鈍感劑，最后在表面包覆一層均勻的高性能改性材料。

EI發(fā)射藥具有如下結(jié)構(gòu)特征：（1）藥粒整體為非均質(zhì)發(fā)射藥；（2）藥粒表層（指發(fā)射藥外圓周面及兩端面）浸漬深度較深，小孔內(nèi)部浸漬深度較淺；（3）浸漬濃度和深度服從一定的規(guī)律；（4）藥粒的外型尺寸比均質(zhì)單基發(fā)射藥粒（基體藥粒）增大；（5）發(fā)射藥內(nèi)層未浸漬部分為均質(zhì)硝化棉層。

1.2 EI發(fā)射藥燃燒數(shù)學(xué)模型的建立

為方便計(jì)算，作以下假設(shè)：（1）EI發(fā)射藥基體為質(zhì)地嚴(yán)格均一的同質(zhì)材料發(fā)射藥；（2）浸漬濃度的分布和浸漬深度以某一函數(shù)的形式給出，其他隨機(jī)因素和工藝細(xì)節(jié)的影響不予考慮；（3）包覆層為表面（不包含小孔內(nèi)部表面）一薄層；（4）各發(fā)射藥藥粒完全相同，所有計(jì)算均不考慮發(fā)射藥的外形偏差；（5）發(fā)射藥燃燒服從幾何燃燒定律，同層發(fā)射藥具有相同的燃速；（6）不同層不均質(zhì)部分具有各自的主要物性參數(shù)，包括火藥力、燃速系數(shù)、壓力指數(shù)、密度，且燃燒產(chǎn)物具有均一的物性；（7）根據(jù)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)，EI發(fā)射藥體積的增大為可忽略的數(shù)值，因此，假定EI發(fā)射藥與空白發(fā)射藥相比體積不變，密度隨浸漬參數(shù)變化，用某一函數(shù)給出（一般為拋物線形式［3］）。

根據(jù)以上假定，對于一定量的5／7空白發(fā)射藥，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%～20%硝化甘油的浸漬量，以浸漬深度x為自變量，則濃度分布cJ（x）=fJ（x），加入0～3%聚酯的浸漬量，則濃度分布cz（x）=fz（x）。

由物理學(xué)中密度的定義知，在任意深度x處有：

組分混合過程中沒有反應(yīng)且火藥力符合加和定律有：

其中假定在某一均質(zhì)基層的體積為V1，在體積V1中浸漬含能組分后，因試驗(yàn)中體積的增量較小，因此忽略體積的變化，則有V1=Vn=Vk，由于鈍感劑組分含量少且為不含能的材料，可以略去不計(jì)，即最后一項(xiàng)近似等于0，化簡后得：

火藥燃燒規(guī)律為：

xb為浸漬深度的邊界值，在燃燒深度大于xb后，為均質(zhì)空白發(fā)射藥的燃燒，服從一般發(fā)射藥燃燒規(guī)律。

為對發(fā)射藥密閉爆發(fā)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合以上EI發(fā)射藥的燃燒特點(diǎn)，有

根據(jù)燃速的定義公式有

公式（5）為EI發(fā)射藥在密閉爆發(fā)器中的燃速關(guān)系式。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 樣品的制備

空白發(fā)射藥為5／7 單基發(fā)射藥，采用浸漬-鈍感-烘干-光澤的工藝處理：（1）在基體藥中浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的NG，經(jīng)工藝處理后再加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%的聚酯進(jìn)行鈍感，得到EI-1發(fā)射藥；（2）在基體藥中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%NG，經(jīng)工藝處理后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%的聚酯進(jìn)行頓感，制得EI-2發(fā)射藥。

2.2 密閉爆發(fā)器試驗(yàn)

密閉爆發(fā)器容積為100mL，裝填密度為0.2g／mL，點(diǎn)火藥包采用1.1g硝化棉，正常點(diǎn)火壓力為10MPa，在此條件下對EI-1、EI-2發(fā)射藥及基體單基發(fā)射藥分別進(jìn)行密閉爆發(fā)器試驗(yàn)。

3 結(jié)果及討論

3.1 浸漬量與浸漬深度的關(guān)系

發(fā)射藥的火藥力、爆熱、藥型系數(shù)測試結(jié)果見表1。

表1 樣品基本性能測試結(jié)果Table1 Basic performance of samples

從表1可知，經(jīng)過浸漬的EI-1發(fā)射藥，爆熱由基體藥的3 798kJ／kg 增加到3 894kJ／kg，增幅2.53%，火藥力由986kJ／kg增加到1 056kJ／kg，增幅7.1%；EI-2發(fā)射藥爆熱由基體藥的3 798kJ／kg增加到4 076kJ／kg，增幅7.32%，火藥力由986kJ／kg增加到1 086kJ／kg，增幅10.14%。表明采用NG 浸漬后，發(fā)射藥能量提高幅度較大，浸漬量為15%時(shí)，火藥力提高了10.14%，工藝方法成熟，增能效果較好。由表1數(shù)據(jù)可知，發(fā)射藥體積基本沒有變化，述假定條件（7）較合理。對EI-2發(fā)射藥進(jìn)行顯微切片照相，EI-2發(fā)射藥顯微橫切照片和顯微剖切照片見圖1（a）和圖1（b）。

圖1 EI-2發(fā)射藥顯微照片F(xiàn)ig.1 Transverse and longitudinal micrographs of EI-2propellant

從圖1（a）可看出，NG 浸漬層外表面的浸漬深度較深，小孔處有一定的浸漬且較均勻，浸漬深度沒有外層浸漬深度大。由圖1（b）知，浸漬層在外圍分布均勻，細(xì)孔中分布不太均勻，兩端浸漬深度要高于中間浸漬深度。EI發(fā)射藥的實(shí)際組成與模型中的假設(shè)基本相符。

3.2 浸漬與燃燒漸增性的關(guān)系

對EI發(fā)射藥和空白發(fā)射藥進(jìn)行了密閉爆發(fā)器試驗(yàn)，采用公式（5）及得到的邊界條件值 對試驗(yàn)曲線進(jìn)行了計(jì)算，圖2（a）為3種發(fā)射藥的p—t曲線，圖2（b）為根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的u—p曲線，圖2（c）為3種發(fā)射藥的L—B曲線。

由圖2（b）和2（c）可知，基體藥經(jīng)增能鈍感后，能量較基體藥有了一定幅度的提高，EI-2發(fā)射藥的最大壓力最高，基體藥和EI-1發(fā)射藥的最大壓力相當(dāng)，圖2（a）中EI-2的曲線起始燃燒及上升明顯快于EI-1，這可能是由于鈍感劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為2.5%，而NG 浸漬量不同所致。當(dāng)NG 浸漬量較大時(shí)，鈍感劑所起的作用并不是呈線性值，因此導(dǎo)致EI-2發(fā)射藥燃燒較快，由于鈍感劑對燃燒影響的復(fù)雜性以及含量少，計(jì)算部分未考慮鈍感劑能量的影響。用公式（5）對EI發(fā)射藥的燃速曲線進(jìn)行求解，結(jié)果如圖2（b）所示，基體藥的燃速高于EI發(fā)射藥，EI-2發(fā)射藥較EI-1 發(fā)射藥的燃速略高，燃燒漸增性能較好，在60MPa以后比較接近，說明未考慮鈍感劑能量影響的數(shù)學(xué)模型在一定程度上與試驗(yàn)結(jié)果吻合，基本上能夠描述EI發(fā)射藥的燃燒過程。由圖2（b）可知，三條曲線在150MPa附近重合，說明在能量較大幅度提高的條件下，EI發(fā)射藥的燃速變化在低壓下較慢，高壓下較快。圖2（c）的L—B曲線中，EI-2的前半部分較EI-1和基體藥的曲線低，而后半部分基本平行，說明EI-2 發(fā)射藥的燃燒漸增性較好。

圖2 三種發(fā)射藥p-t曲線Fig.2 p-t curves of three gun propellants

4 結(jié) 論

（1）基于EI發(fā)射藥的結(jié)構(gòu)組成，提出了藥型燃燒過程的理論模型，并經(jīng)試驗(yàn)證，所建立的理論模型在不考慮鈍感劑能量性能影響的情況下，基本上能夠反應(yīng)EI發(fā)射藥的燃燒特性。

（2）EI發(fā)射藥在實(shí)現(xiàn)高能量的同時(shí)，燃速在低壓力下較小，高壓下較大，實(shí)現(xiàn)了在藥型不變的情況下，具有較強(qiáng)的燃燒漸增性。

（3）在NG 浸漬量和聚酯浸漬量配比合適的條件下，EI發(fā)射藥的火藥力和燃燒漸增性可以做到同步增加。

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