硝酸異丙酯對(duì)三基發(fā)射藥的燃燒性能影響

陳永康， 陳明華， 張 力， 葛 強(qiáng)， 王韶光

(1. 軍械工程學(xué)院彈藥工程系，河北 石家莊 050003； 2. 63908部隊(duì)， 河北 石家莊 050000)

硝酸異丙酯對(duì)三基發(fā)射藥的燃燒性能影響

陳永康1， 陳明華2， 張 力1， 葛 強(qiáng)2， 王韶光2

(1. 軍械工程學(xué)院彈藥工程系，河北 石家莊 050003； 2. 63908部隊(duì)， 河北 石家莊 050000)

為研究硝酸異丙酯對(duì)三基發(fā)射藥燃燒性能的影響，利用密閉爆發(fā)器測(cè)試了三基藥在混合了硝酸異丙酯環(huán)境中的燃燒性能。測(cè)得了發(fā)射藥的壓力曲線和微分曲線，確定了最大壓力和燃燒時(shí)間，計(jì)算得到了氣體生成猛度、壓力全沖量、火藥已燃百分?jǐn)?shù)、火藥力和余容等參數(shù)以及燃燒速度定律。通過研究發(fā)現(xiàn)：硝酸異丙酯會(huì)使三基藥的燃燒時(shí)間延長、燃燒速度減慢、燃燒速度系數(shù)減小、壓力指數(shù)增大。

燃燒；密閉爆發(fā)器；硝酸異丙酯；三基藥

云爆彈[1]也稱燃料空氣炸藥，作為一種地面毀傷武器，現(xiàn)已大量裝備部隊(duì)。目前，常用云爆劑的組分為鎂粉和硝酸異丙酯(Isopropyl Nitrate)[2-3]。硝酸異丙酯是一種強(qiáng)氧化劑和強(qiáng)溶劑，具有易揮發(fā)、易燃、易爆和溶解性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)由于受制造工藝限制，戰(zhàn)斗部不完全密封，硝酸異丙酯會(huì)不可避免地從戰(zhàn)斗部與引信室的接口處開始發(fā)生滲漏，從而擴(kuò)散到彈藥內(nèi)部以及周圍的環(huán)境中[4]，對(duì)發(fā)射藥的燃燒性能造成危害，這將直接影響彈藥的可靠使用。自從裝備云爆彈以來，出現(xiàn)了一些問題，尤其是某型云爆彈出現(xiàn)了嚴(yán)重的不爆現(xiàn)象，給軍隊(duì)和工廠造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失，其原因就是硝酸異丙酯的滲漏。

曾秀琳[2]利用熱分析實(shí)驗(yàn)測(cè)試了硝酸異丙酯的熱穩(wěn)定性，宣衛(wèi)芳等[5]提出利用氣相色譜和原子吸收光譜等方法檢測(cè)云爆劑的化學(xué)安定性。但關(guān)于硝酸異丙酯對(duì)發(fā)射藥燃燒性能影響的研究還鮮有報(bào)道。針對(duì)這一問題，本文利用密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)研究硝酸異丙酯對(duì)三基藥燃燒性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

密閉爆發(fā)器[6-7]是定容、閉氣、耐高壓的容器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 密閉爆發(fā)器結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)選用100 mL的本體，經(jīng)標(biāo)定，容積V0=106.1 mL。

1.2 樣品準(zhǔn)備

樣品為三基發(fā)射藥，點(diǎn)火藥為2#NC。點(diǎn)火藥藥量[8]為

mig=V0(1-Δ/ρ)pig/(fig+pigαig)，

(1)

式中：Δ為裝填密度(g/cm3)；fig=882 J/g，為點(diǎn)火藥火藥力；αig=1 cm3/g，為點(diǎn)火藥余容；ρ=1.6 g/cm3，為點(diǎn)火藥密度；pig=10 MPa，為點(diǎn)火壓力。

發(fā)射藥裝藥量[8]為

m=Δ(V0-migαig)。

(2)

分別將裝填密度為低密度Δ1=0.10 g/cm3和高密度Δ2=0.16 g/cm3代入式(1)、(2)，計(jì)算得到相應(yīng)的點(diǎn)火藥藥量和發(fā)射藥藥量：在低密度裝藥條件下，點(diǎn)火藥藥量mig1=1.13 g，發(fā)射藥藥量m1=10.50 g；在高密度裝藥條件下，點(diǎn)火藥藥量mig2=1.08 g，發(fā)射藥藥量m2=16.80 g。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備5組樣品，將發(fā)射藥樣品裝入本體后，分別將不同量的硝酸異丙酯與之混合。具體各組樣品所混合硝酸異丙酯的體積VIPN如表1所示。

表1 樣品所混合硝酸異丙酯的體積

1.3 燃燒性能實(shí)驗(yàn)

圖2-5分別是在低密度、高密度裝藥條件下各組樣品的P-t曲線和dP/dt-t曲線。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得P-t曲線，得到相應(yīng)的最大壓力和燃燒時(shí)間，如表2所示，其中最大壓力是扣除點(diǎn)火壓力并經(jīng)過熱損失修正后的最大壓力。

圖2 低密度裝藥條件下樣品的P-t曲線

圖3 低密度裝藥條件下樣品的dP/dt-t曲線

圖4 高密度裝藥條件下樣品的P-t曲線

圖5 高密度裝藥條件下樣品的dP/dt-t曲線

從以上結(jié)果可以看出：樣品混合硝酸異丙酯后，在低密度和高密度裝藥條件下的最大壓力均有所增大。這是由于在密閉爆發(fā)器中硝酸異丙酯參加燃燒并發(fā)生分解，導(dǎo)致了壓力增大。

表2 2種裝藥條件下樣品的最大壓力和燃燒時(shí)間

由表2可知：在低密度裝藥條件下，樣品的燃燒時(shí)間由原樣的19.33 ms最大延長至25.15 ms；在高密度裝藥條件下，樣品的燃燒時(shí)間由原樣的16.50 ms最大延長至19.40 ms。這表明：硝酸異丙酯會(huì)明顯延遲三基藥的燃燒時(shí)間，減慢三基藥的燃燒速度。

2 結(jié)果與分析

2.1 綜合燃燒特性參數(shù)

表3是計(jì)算得到的2種裝藥條件下樣品的綜合燃燒特性參數(shù)，其計(jì)算公式分別如下。

火藥已燃百分?jǐn)?shù)Ψe：

(3)

式中：χ為火藥形狀特征量，取決于火藥形狀和尺寸；σ為相對(duì)燃燒面積；Z為相對(duì)厚度。

勢(shì)平衡點(diǎn)氣體生成猛度，即勢(shì)平衡點(diǎn)處火藥燃?xì)馍傻拿投圈：

(4)

勢(shì)平衡點(diǎn)壓力全沖量Ie：

。 (5)

通過比較表3中各個(gè)樣品的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：硝酸異丙酯對(duì)三基藥的火藥已燃百分?jǐn)?shù)、氣體生成猛度、壓力全沖量沒有明顯的影響。

2.2 火藥力和余容

火藥力和余容[9]是發(fā)射藥重要的能量性能參數(shù)，其計(jì)算公式分別為[10]

(6)

(7)

式中：f為火藥力(J/g)；α為余容(cm3/g)；Pm1為與Δ1對(duì)應(yīng)的平均最大壓力(MPa)；Pm2為與Δ2對(duì)應(yīng)的平均最大壓力(MPa)。

將表2中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果代入到式(6)、(7)中，得到被測(cè)樣品的火藥力以及余容,結(jié)果如表4所示。

表4 樣品的火藥力和余容

由表4可見：混合硝酸異丙酯后，樣品的余容不斷減小，火藥力不斷增大，這是由于硝酸異丙酯分解放熱，產(chǎn)生一定量氣體和能量。

2.3 燃燒速度定律

在密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于給定的火藥，在一定的初溫條件下，選擇合適的裝填密度，測(cè)出P-t曲線，根據(jù)該曲線計(jì)算得出火藥的燃燒速度u與壓力P之間的關(guān)系，即火藥的燃燒速度定律[9]。

u=APν,

(8)

式中：A為燃燒速度系數(shù)；ν為壓力指數(shù)。

圖6是低密度裝藥條件下樣品的u-P曲線。

圖6 低密度裝藥條件下樣品的u-P曲線

對(duì)式(8)兩邊各取對(duì)數(shù)，代入燃燒速度和壓力值，通過擬合曲線可得到A和ν。表5是通過計(jì)算得出的低密度和高密度裝藥條件下的A和ν。

從圖6可以看出:混合硝酸異丙酯后,樣品的燃燒速度變化明顯，3#、4#、5#樣品的燃燒速度明顯下降。由表5可見：在低密度和高密度裝藥條件下混合硝酸異丙酯后，樣品的燃燒速度系數(shù)都顯著減小，同時(shí)壓力指數(shù)增大。這是由于燃燒時(shí)間增加，導(dǎo)致燃燒速度變慢；同時(shí)，由于最大壓力增大，導(dǎo)致壓力指數(shù)增大。

表5 2種裝藥條件下樣品的燃燒速度系數(shù)和壓力指數(shù)

3 結(jié)論

在混合硝酸異丙酯之后，由于硝酸異丙酯的分解參加燃燒，產(chǎn)生一定的氣體與能量，導(dǎo)致樣品的最大壓力增大，從而使火藥力增大、余容減??；同時(shí)，樣品的燃燒時(shí)間延長，燃燒速度減慢。然而，筆者曾在研究硝酸異丙酯對(duì)單基發(fā)射藥的燃燒性能影響[11]時(shí)發(fā)現(xiàn)：在混合硝酸異丙酯后，單基發(fā)射藥的燃燒時(shí)間縮短，燃燒速度加快。將單基藥與三基藥的成分進(jìn)行對(duì)比，分析認(rèn)為：硝化甘油或硝基胍與硝酸異丙酯作用，從而延緩了三基藥的燃燒。

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(責(zé)任編輯:尚彩娟)

Influence of Isopropyl Nitrate on Combustion Performance of Triple-base Propellant

CHEN Yong-kang1, CHEN Ming-hua2, ZHANG Li1, GE Qiang2, WANG Shao-guang2

(1. Department of Ammunition Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China;2. Troop No.63908 of PLA, Shijiazhuang 050000, China)

In order to study the influence of isopropyl nitrate on combustion performance of triple-base propellant, the closed bomb is used to test the combustion performance of triple-base propellant in the environment of isopropyl nitrate. Pressure-time curves and their differential curves are obtained, and maximum pressure and combustion time are determined by analyzing curves. Combustion performance parameters including gas generated brisance, pressure impulse, percentage of gunpowder burned out, impetus, covolume and combustion velocity law are calculated. It is shown that isopropyl nitrate can make the combustion velocity slowed, combustion time prelonged, combustion rate coefficient reduced and pressure index increased.

combustion; closed bomb; isopropyl nitrate; triple-base propellant

1672-1497(2015)02-0061-04

2014-12-31

陳永康(1991-)，男，博士研究生。

TQ560.72

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.02.012