發(fā)射藥藥型結(jié)構(gòu)對燃速測試結(jié)果的影響

汪俊杰，黃振亞，何 飛，劉 靖

（南京理工大學(xué) 化工學(xué)院，南京210094）

隨著發(fā)射藥裝藥技術(shù)的發(fā)展，對發(fā)射藥燃速測試結(jié)果的準(zhǔn)確性提出了越來越高的要求。大量的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，利用密閉爆發(fā)器測試的燃速參數(shù)進(jìn)行火炮內(nèi)彈道設(shè)計(jì)時，設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)際彈道試驗(yàn)結(jié)果有時存在較大的偏差，其中，不準(zhǔn)確的發(fā)射藥燃速測試結(jié)果是造成上述偏差的主要原因之一［1］。Richardson S L和Oberle W F研究了微型密閉爆發(fā)器中單孔藥裝填密度對燃速測試結(jié)果的影響，結(jié)果表明，低裝填密度（＜0.15g／cm3）的燃速與高裝填密度的燃速有較大的差異［2］。準(zhǔn)確地測試發(fā)射藥的燃速參數(shù)，對發(fā)射藥裝藥設(shè)計(jì)具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價值。密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)作為發(fā)射藥燃速測試的主要方法，其測試原理是發(fā)射藥遵循平行層燃燒規(guī)律，但內(nèi)孔長徑比較大的發(fā)射藥中止燃燒后內(nèi)孔近似呈雙錐喇叭狀，說明其燃燒偏離了平行層燃燒規(guī)律［3］。

本文以高能硝胺發(fā)射藥為研究對象，采用密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)測試了4種藥型及其不同內(nèi)孔長徑比的燃速特性，研究發(fā)射藥內(nèi)孔長徑比對燃速參數(shù)測試結(jié)果的影響關(guān)系，并對比分析不同燃速特性發(fā)射藥對侵蝕燃燒的影響關(guān)系，通過中止燃燒實(shí)驗(yàn)觀測分析發(fā)射藥內(nèi)孔長徑比與侵蝕燃燒的影響關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

高能硝胺發(fā)射藥基本組分：NC（45%）、NG（25%）、RDX（25%）、其它（5%）。制備工藝：原料在捏合機(jī)中捏合2.5h，通過油壓機(jī)和成型模具擠壓成型，藥型為18／1管狀、6／7圓柱形、6／19花邊形和18／19花邊形，經(jīng)適當(dāng)晾干后切成一定的長度，在一定工藝條件下驅(qū)除揮發(fā)性溶劑，藥型參數(shù)見表1。表中內(nèi)孔長徑比的實(shí)際值有一定的偏差，但偏差較??；表中L為藥長，L／d為內(nèi)孔長徑比。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品藥型參數(shù)

1.2 密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)

壓力傳感器的量程為400MPa，國營江西傳感器廠生產(chǎn)；電荷放大器的最大輸出電壓為10V，型號為SYC－4000，揚(yáng)州無線電二廠生產(chǎn)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)型號為52系列，成都縱橫測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)；點(diǎn)火藥為C級NC；發(fā)射藥裝填密度為0.18g／cm3；實(shí)驗(yàn)溫度為常溫20℃。

1.3 侵蝕燃燒實(shí)驗(yàn)

中止燃燒儀容積為100cm3，中止燃燒樣品為18／1高能硝胺發(fā)射藥，長度分別為40mm、60mm和80mm，質(zhì)量均為20g；點(diǎn)火藥采用2／1樟發(fā)射藥，質(zhì)量分別為3.5g和5g；銅片厚度為2mm，中止壓力為80MPa左右。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 燃速特性參數(shù)的數(shù)據(jù)處理

燃速隨壓力的變化規(guī)律是表征發(fā)射藥燃燒性能的主要特征量［4］。目前，基本都采用指數(shù)式燃速定律來表征發(fā)射藥的燃速特性，當(dāng)燃速壓力指數(shù)接近于1時，也可采用正比式燃速定律來表征，其表達(dá)式分別為

式中：A為指數(shù)式燃速系數(shù)，n為燃速壓力指數(shù)，u1為正比式燃速系數(shù)，p為壓力。

國內(nèi)外相關(guān)研究表明，發(fā)射藥的燃速特性參數(shù)（特別是燃速壓力指數(shù)）在不同燃燒階段是不同的［5－6］。通過密閉爆發(fā)器實(shí)測p－t曲線處理發(fā)射藥的燃速特性參數(shù)時，選擇不同的壓力范圍對處理結(jié)果有明顯的影響。在發(fā)射藥點(diǎn)火燃燒的初始階段，由于點(diǎn)火不一致的影響，發(fā)射藥的實(shí)際燃燒面積小于理論燃燒面積，熱損失的影響也較大，這導(dǎo)致處理得到的燃速值偏低；在發(fā)射藥燃燒后期，由于藥型尺寸的偏差（偏孔等）及侵蝕燃燒的影響，發(fā)射藥的實(shí)際燃燒面積小于理論燃燒面積，處理得到的燃速值也偏低。目前，國內(nèi)外在根據(jù)密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)的p－t曲線處理燃速特性參數(shù)時，對壓力起始值和終止值的選擇并沒有明確的規(guī)定或規(guī)范。不同的研究者往往采用不同的選擇方式，這導(dǎo)致現(xiàn)有發(fā)射藥燃速特性參數(shù)的可比性較差。

本實(shí)驗(yàn)是基于火藥平行層燃燒理論處理燃速參數(shù)，壓力范圍選擇相對燃燒質(zhì)量ψ＝0.15的壓力值至最大壓力陡度（dp／dt）max的壓力值［7－8］。選擇ψ＝0.15的壓力值作為起始值，目的是盡可能排除點(diǎn)火不一致的影響；根據(jù)發(fā)射藥的燃?xì)馍梢?guī)律，當(dāng)（dp／dt）達(dá)到最大值以后開始下降時，發(fā)射藥的燃燒面開始減少，處理得到的燃速值將偏離實(shí)際值，因此選擇對應(yīng)于（dp／dt）max的壓力值作為終止值較為合理。

2.2 密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1）藥型對燃速測試結(jié)果的影響。

內(nèi)孔長徑比分別為20和40的18／1、6／7和6／19發(fā)射藥，密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)測試的燃速參數(shù)結(jié)果見表2，lnu－lnp曲線如圖1和圖2所示。如6／19H－5表示長度為5mm的6／19花邊型發(fā)射藥。

加熱元件是電阻爐的核心，關(guān)系到爐子的工作性能和使用壽命。由于鉬在還原氣氛中，抗腐蝕性極好，耐高溫，電阻率較小，電阻溫度系數(shù)高，因此在高溫氫氣爐中選擇鉬作為加熱元件非常合適。表2列出了鉬在不同溫度時的電阻率。

表2 不同藥型發(fā)射藥的燃速參數(shù)

表2的結(jié)果表明，不同藥型測試得到的燃速參數(shù)存在一定差別。在內(nèi)孔長徑比相同的條件下，隨著發(fā)射藥內(nèi)孔數(shù)量增加，正比式燃速系數(shù)u1減小，燃速壓力指數(shù)n減小，指數(shù)式燃速系數(shù)A相應(yīng)地增大。

圖1 L／d＝20的lnu－lnp曲線

圖2 L／d＝40的lnu－lnp曲線

根據(jù)圖1和圖2可以看出，6／7和6／19發(fā)射藥的lnu－lnp曲線都有明顯的彎曲現(xiàn)象，而18／1的lnu－lnp曲線更接近于一條直線，說明18／1發(fā)射藥的燃速壓力指數(shù)幾乎不受壓力的影響，而6／7和6／19發(fā)射藥由于孔數(shù)較多，燃燒層厚度存在一定的偏差，燃燒后期藥型分裂對燃速測試結(jié)果有一定的影響。

2）內(nèi)孔長徑比對燃速測試結(jié)果的影響。

以18／1、6／7、6／19和18／19藥型為研究對象，分別改變它們的內(nèi)孔長徑比，密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)測試的燃速參數(shù)結(jié)果見表3，表中Δu1為u1的變化幅度。lnu－lnp曲線如圖3～圖6所示。

表3 不同內(nèi)孔長徑比高能硝胺發(fā)射藥的燃速參數(shù)

表3的結(jié)果表明，在藥型相同的條件下，隨著發(fā)射藥內(nèi)孔長徑比的增大，正比式燃速系數(shù)u1增大，燃速壓力指數(shù)n減小，指數(shù)式燃速系數(shù)A相應(yīng)地增大；內(nèi)孔長徑比變化10的條件下，正比式燃速系數(shù)u1的最大變化幅度為2.5%。在發(fā)射藥燃燒過程中，發(fā)射藥孔內(nèi)生成的燃?xì)馐箍變?nèi)壓力增大，孔內(nèi)與孔外存在壓力差，孔內(nèi)生成的燃?xì)庀蚩淄饬鲃?，高速氣流對發(fā)射藥燃面的沖刷使其燃速增大，即發(fā)射藥侵蝕燃燒現(xiàn)象。內(nèi)孔長徑比越大，孔內(nèi)外的壓力差越大，孔內(nèi)的氣體流速越大，氣流沖刷的燃面燃速越大。侵蝕燃燒隨著燃燒過程內(nèi)孔的增大而逐漸減弱，在藥型相同的條件下，內(nèi)孔長徑比較大的前期燃速相對較大，后期燃速相對較小，發(fā)射藥燃速－壓力曲線相對較平緩，lnu－lnp曲線斜率相對較小，即燃速壓力指數(shù)n較小，相應(yīng)的指數(shù)式燃速系數(shù)A較大。

圖3 18／1發(fā)射藥的lnu－lnp曲線

圖4 6／7發(fā)射藥的lnu－lnp曲線

圖5 6／19發(fā)射藥的lnu－lnp曲線

圖6 18／19發(fā)射藥的lnu－lnp曲線

根據(jù)圖3～圖6可以看出，18／1發(fā)射藥lnu－lnp曲線接近于直線，而6／7、6／19和18／19發(fā)射藥的lnu－lnp曲線都有明顯的彎曲現(xiàn)象，說明18／1發(fā)射藥的燃速壓力指數(shù)幾乎不受壓力的影響，6／7、6／19和18／19發(fā)射藥的燃速壓力指數(shù)受壓力的影響較大。

2.3 侵蝕燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證測試過程中發(fā)射藥的侵蝕燃燒現(xiàn)象，采用18／1單孔管狀藥進(jìn)行中止燃燒實(shí)驗(yàn)。圖7和圖8為發(fā)射藥中止燃燒前后的圖片。由圖7和圖8可以看出，發(fā)射藥中止燃燒前后的表面形態(tài)基本沒有變化，原因是實(shí)驗(yàn)選取的控壓銅片較薄，破孔壓力值較低，發(fā)射藥燃燒質(zhì)量有限，中止燃燒后藥型結(jié)構(gòu)完整，其表面形態(tài)基本不變。因此，可通過測量中止燃燒前后藥型尺寸的變化規(guī)律來研究侵蝕燃燒現(xiàn)象及其影響關(guān)系。

圖7 中止燃燒前發(fā)射藥端面圖

圖8 3.5g點(diǎn)火藥中止燃燒后發(fā)射藥端面圖

由于中止燃燒實(shí)驗(yàn)發(fā)射藥的裝填密度較低，管狀藥的外表面基本無侵蝕燃燒現(xiàn)象，表4為發(fā)射藥燃燒前后內(nèi)孔尺寸的變化規(guī)律，表中d為中止燃燒前孔徑，d3.5為3.5g點(diǎn)火藥燃燒后孔徑，d5.0為5.0g點(diǎn)火藥燃燒后孔徑。為了能夠直觀地看出發(fā)射藥內(nèi)孔長徑比與侵蝕燃燒的關(guān)系，分別作出中止燃燒后樣品中間和兩端的內(nèi)孔孔徑變化規(guī)律圖，如圖9和圖10所示，圖中l(wèi)為發(fā)射藥上各點(diǎn)距A端的軸向距離。

表4 18／1發(fā)射藥中止燃燒前后的內(nèi)孔尺寸

圖9 發(fā)射藥中止燃燒后孔徑變化規(guī)律（3.5g點(diǎn)火藥）

圖10 發(fā)射藥中止燃燒后孔徑變化規(guī)律（5.0g點(diǎn)火藥）

由表4看出，單孔管狀藥中止燃燒后兩端的孔徑均大于中間的孔徑，存在明顯的侵蝕燃燒現(xiàn)象。從圖9和圖10看出，內(nèi)孔長徑比越大則內(nèi)孔喇叭狀越明顯。原因是隨著內(nèi)孔長徑比的增大，孔內(nèi)外的壓力差增大，發(fā)射藥孔內(nèi)生成的燃?xì)庀蚩淄饬鲃铀俣仍龃?，侵蝕燃燒效應(yīng)加劇，中止燃燒后發(fā)射藥內(nèi)孔喇叭狀越明顯。

為了比較發(fā)射藥的燃速特性對侵蝕燃燒的影響關(guān)系，采用相同長徑比的18／1藥型，對比了高能硝胺發(fā)射藥和太根發(fā)射藥的侵蝕燃燒對燃速測試結(jié)果的影響，結(jié)果如表5所示。

表5 不同燃速特性發(fā)射藥對侵蝕燃燒的影響

由表5可以看出，相同內(nèi)孔長徑比條件下，太根發(fā)射藥的燃速壓力指數(shù)n明顯比高能硝胺發(fā)射藥的小，指數(shù)式燃速系數(shù)A和正比式燃速系數(shù)u1都明顯比高能硝胺發(fā)射藥的大，在內(nèi)孔長徑比增加幅度相同的條件下，太根發(fā)射藥的正比式燃速系數(shù)u1提高幅度較大。原因是高能硝胺發(fā)射藥含有RDX，在低壓條件下燃燒較慢，即高能硝胺發(fā)射藥的起始燃速較低，而太根發(fā)射藥的起始燃速高于高能硝胺發(fā)射藥，這導(dǎo)致太根發(fā)射藥的侵蝕燃燒相對更嚴(yán)重一些，對燃速參數(shù)測試結(jié)果的影響也更大一些。

3 結(jié)論

藥型結(jié)構(gòu)對發(fā)射藥燃速測試結(jié)果影響較大。隨著內(nèi)孔長徑比的增大，正比式燃速系數(shù)u1增大，燃速壓力指數(shù)n減小，指數(shù)式燃速系數(shù)A相應(yīng)地增大；在內(nèi)孔長徑比相同的條件下，隨著發(fā)射藥內(nèi)孔數(shù)量的增加，正比式燃速系數(shù)u1減小，燃速壓力指數(shù)n減小，指數(shù)式燃速系數(shù)A相應(yīng)地增大。

發(fā)射藥內(nèi)孔長徑比較大時，其燃燒與平行層燃燒規(guī)律產(chǎn)生偏差，內(nèi)孔長徑比變化10的條件下，正比式燃速系數(shù)u1的最大變化幅度為2.5%；在一定內(nèi)孔長徑比范圍內(nèi)，侵蝕燃燒隨內(nèi)孔長徑比的增大而增大；發(fā)射藥的燃速特性對侵蝕燃燒現(xiàn)象有明顯的影響，在內(nèi)孔長徑比相同的條件下，燃速高的發(fā)射藥侵蝕燃燒現(xiàn)象更嚴(yán)重一些。

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