冷壁效應(yīng)作用下雙基藥的燃燒特征

鄭文芳，郝海霞，藺向陽，潘仁明，高 偉，王成愛

(1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

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冷壁效應(yīng)作用下雙基藥的燃燒特征

鄭文芳1，郝海霞2，藺向陽1，潘仁明1，高 偉1，王成愛1

(1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

為研究冷壁效應(yīng)作用下火藥燃燒過程及其影響規(guī)律，采用常壓燃燒實(shí)驗(yàn)和定容燃燒實(shí)驗(yàn)研究了雙基藥在壁面基體材料冷壁作用下的燃燒特性。結(jié)果表明，常壓與定容燃燒條件下冷壁效應(yīng)作用都會(huì)使雙基藥的燃燒變得不穩(wěn)定，燃燒速率明顯變慢，并在一定條件下燃燒熄滅并形成殘藥；隨著基體材料熱傳導(dǎo)率的提高，冷壁效應(yīng)作用效果逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致雙基藥燃燒時(shí)間延長(zhǎng)，燃燒最大壓力和燃燒速率都逐漸降低。

含能材料；雙基藥；燃燒；冷壁效應(yīng)；熱傳導(dǎo)率

引 言

火藥在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、身管兵器內(nèi)膛等空間燃燒時(shí)，其高燃溫與壁面溫差較大，通常燃燒空間的壁面材料與火藥相比為惰性材料，以抑制并約束火藥燃燒，使壁面成為“冷壁”，吸收火藥燃燒釋放的熱量，當(dāng)吸熱強(qiáng)度足夠高時(shí)，將影響火藥燃燒，形成與壁面性質(zhì)直接相關(guān)的不穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，即為冷壁效應(yīng)下的火藥燃燒。冷壁效應(yīng)在小/微推進(jìn)器和身管武器中的作用尤其明顯。Evgenii B. R.等[1-2]認(rèn)為火藥在微型推進(jìn)器中燃燒，因壁面的吸熱作用會(huì)使火藥燃燒不穩(wěn)定，易造成推進(jìn)器的彈道性能不穩(wěn)定。

針對(duì)冷壁效應(yīng)作用下的火藥燃燒，早期Rybanin S. S.等[3-4]以大體積的金屬材料(主要為銅、鐵等)為基體，將火藥藥片緊貼于基體光滑面上，使火藥的燃燒在距離基體一定距離時(shí)熄滅，形成終止燃燒面，以用于研究其燃燒機(jī)理。Marshakov V. N.等[5]選擇更多種類的金屬材料、樹脂及玻璃等作為基體材料開展研究；趙鳳起等[6-8]也采用類似的研究方法，用金屬銅作基體材料來獲取GAP/AN、NC/TMETN、RDX-CMDB等推進(jìn)劑熄火表面進(jìn)行研究。這些研究利用大體積壁面材料的冷壁效應(yīng)作用于火藥燃燒過程，使燃燒終止，獲取終止燃燒面以分析火藥表面燃燒區(qū)物理、化學(xué)參數(shù)信息，其主要目的是利用冷壁效應(yīng)作用下的火藥燃燒終止這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而針對(duì)冷壁效應(yīng)作用下的火藥燃燒過程及相關(guān)機(jī)理的研究則開展較少。為此，本研究以NC+NG體系雙基藥為對(duì)象，采用常壓燃燒實(shí)驗(yàn)及定容燃燒實(shí)驗(yàn)，研究壁面冷壁效應(yīng)作用下火藥燃燒特征及變化規(guī)律。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

NC+NG雙基藥，自制；丙酮、無水乙醚，AR，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；無水酒精，AR，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；其他材料主要包括銅、鋁、玄武巖等材料制成的圓柱體基體或半圓柱基體等。

體積100mL的密閉爆發(fā)器及相應(yīng)的壓力測(cè)試系統(tǒng)，自制；Nicolet IS-10型傅里葉變換紅外光譜儀，美國賽默飛世爾公司；JVC GC-P100型數(shù)碼攝像機(jī)，杰偉世貿(mào)易(上海)有限公司。

1.2 燃燒實(shí)驗(yàn)樣品制備

取一定量的NC+NG雙基藥，經(jīng)壓延塑化制成厚度約0.35mm的片狀藥，并切成寬8.0mm的藥條和直徑24.9mm的圓形藥片。然后將藥片表面用丙酮潤(rùn)濕軟化后采用4種裝藥方式：(1)藥條垂直粘貼于圓柱體基體上端表面，如圖1(a)所示；(2)藥條置于兩半圓柱銅基體間中心處并夾緊，如圖1(b)所示；(3)藥條垂直粘貼于半圓柱體側(cè)面，如圖1(c)所示；(4)藥片平行粘貼于圓柱體基體上端表面，如圖1(d)所示；并采用聚乙烯醇包覆藥片側(cè)面，備用。此外按照?qǐng)D1(d)所示結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備圓形藥片并將其側(cè)面及底部包覆，作為定容燃燒的空白樣品進(jìn)行對(duì)比研究。

圖1 燃燒實(shí)驗(yàn)樣品結(jié)構(gòu)Fig.1 Sample structure for combustion test

1.3 常壓燃燒實(shí)驗(yàn)

選擇銅作為基體材料，將圖1(a)、(b)、(c)等3種裝藥從藥片上端點(diǎn)燃，利用數(shù)碼攝像機(jī)攝像，記錄樣品的燃燒過程。

1.4 定容燃燒試驗(yàn)

分別采用銅、鋁、玄武巖材質(zhì)作為基體材料并以圖1(d)裝藥為基礎(chǔ)的樣品裝藥。以0.5g的3號(hào)硝化棉作為點(diǎn)火藥，按照GJB 770B-2005密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 冷壁效應(yīng)作用下雙基藥的常壓燃燒特征

首先按照?qǐng)D1(a)裝藥樣品進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，樣品從藥條上端點(diǎn)火后燃燒至銅柱基體上端表面熄滅，整個(gè)過程與未采用銅柱基體的樣品燃燒特征基本一致，不同之處在于在銅柱端面會(huì)有燃燒殘留物，如圖2所示。這主要是因?yàn)楸诿嬷糜谒帡l底端，雖然銅柱端面有燃燒殘留物形成是冷壁效應(yīng)作用結(jié)果的體現(xiàn)，但雙基藥燃燒過程中并未受到冷壁作用影響，冷壁效應(yīng)僅體現(xiàn)在燃燒結(jié)束時(shí)。為進(jìn)一步分析冷壁效應(yīng)作用下雙基藥燃燒過程的變化規(guī)律，分別采用夾層壁面和側(cè)壁面作用下的樣品進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)。

圖2 垂直粘貼基體上端面裝藥樣品的燃燒殘留物Fig.2 Combustion residue of charge sample with vertical bottom wall

2.1.1 夾層壁面作用下的燃燒特征

按圖1(b)裝藥樣品進(jìn)行常壓燃燒實(shí)驗(yàn)，可得到如圖3所示的燃燒過程圖。從燃燒過程可以觀察到，雙基藥燃燒未達(dá)到基體上端面之前，燃燒穩(wěn)定，火焰面積大且光強(qiáng)，如圖3(a)所示；當(dāng)雙基藥燃燒至銅基體上端面處，火焰變得不穩(wěn)定并開始減弱，如圖3(b)所示；隨著燃燒的繼續(xù)，火焰逐漸減弱直至熄滅，如圖3(c)、(d)、(e)所示，同時(shí)裝藥未燃燒完全，留有殘藥。整個(gè)燃燒過程持續(xù)26s，未采用夾層壁面時(shí)的空白藥燃燒時(shí)間為13s。這說明夾層壁面的冷壁效應(yīng)作用會(huì)引起雙基藥燃燒不穩(wěn)定，燃燒速率變慢甚至熄滅。

圖3 銅壁面夾層裝藥燃燒過程Fig.3 Combustion process of charge with copper wall interlayer

2.1.1 側(cè)壁面作用下的燃燒特征

按圖1(c)裝藥樣品進(jìn)行常壓燃燒試驗(yàn)，燃燒過程如圖4所示。

圖4 側(cè)面銅壁面材料裝藥燃燒過程Fig.4 Combustion process of charge with side copper wall

由圖4并結(jié)合實(shí)驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)，雙基藥燃燒未接觸到銅基體之前燃燒平穩(wěn)，其燃燒端面水平，如圖4(a)所示；但當(dāng)燃燒至基體端面時(shí)，靠近基體端面的藥體燃燒逐漸變緩，使燃燒端面開始與側(cè)壁面形成一定角度，如圖4(b)所示，然后隨著燃燒的進(jìn)行，夾角不斷變小至約30° 后基本穩(wěn)定不變，如圖4(c)所示；藥條將燃完時(shí)，角度開始急劇變小，如圖4(d)所示，直至熄滅，并產(chǎn)生一層燃燒殘留物。從該結(jié)果可以看出，側(cè)壁面冷壁效應(yīng)作用下也會(huì)引起雙基藥的燃燒不穩(wěn)定。同時(shí)燃燒端面與壁面間出現(xiàn)的角度則是壁面冷壁效應(yīng)作用的直接體現(xiàn)，距離壁面越近，冷壁效應(yīng)加強(qiáng)，燃燒速率變慢，使得距離壁面越近的燃燒端面燃燒速度減慢，并隨著燃燒的進(jìn)行這種減慢趨勢(shì)逐漸穩(wěn)定從而形成夾角。

2.2 冷壁效應(yīng)作用下雙基藥的定容燃燒特征

以材料熱傳導(dǎo)率為依據(jù)，分別選用銅、鋁、玄武巖3種材料作為冷壁基體材料制備樣品進(jìn)行密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)，得到燃燒的p-t曲線如圖5所示，同時(shí)各樣品燃燒時(shí)間以及3種基體材料熱傳導(dǎo)率數(shù)據(jù)如表1所示。

由圖5可以看出，與空白樣品相比，由于壁面材料的存在，3種樣品燃燒產(chǎn)生的p-t曲線上升趨勢(shì)明顯變緩，并且按照玄武巖、鋁、銅的順序逐漸變緩。結(jié)合表1可知，燃燒時(shí)間由空白樣品的69.32ms逐漸增加至銅基體時(shí)的157.05ms，燃燒最大壓力也由空白樣品的26.98MPa逐漸降低至銅基體時(shí)的21.72MPa。這說明隨著壁面材料熱傳導(dǎo)系數(shù)的增加，雙基藥燃燒受冷壁效應(yīng)的影響越明顯。

圖5 冷壁效應(yīng)下雙基藥定容燃燒的p-t曲線Fig.5 Pressure-time curves of propellant with constant volume combustion

壁面材料λ/(W·m-1·K-1)t/mspmax/MPa空白樣品69．3226．98玄武巖2．70111．1623．74鋁227．95123．3121．98銅383．79157．0521．72

根據(jù)圖5所示p-t曲線經(jīng)理論轉(zhuǎn)換可以得到樣品燃燒過程的燃燒速率隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 冷壁效應(yīng)下雙基藥定容燃燒速率變化曲線Fig.6 Curves of change in constant volume burning-rate of double-base propellant under the cold wall effect

由圖6可以看出，3種樣品的燃燒速率都低于空白樣品，這說明樣品從燃燒起始階段就受到基體壁面冷壁效應(yīng)的影響。同時(shí)，銅基體樣品的燃燒速率下降幅度最大，其次是鋁基體樣品，玄武巖基體樣品降幅最小。結(jié)合表1可發(fā)現(xiàn)，隨著基體材料熱傳導(dǎo)率的逐漸降低，樣品的燃燒速率降幅逐漸減小。此外，在燃燒后期燃燒速率曲線出現(xiàn)交叉，這主要是由于燃燒開始時(shí)樣品燃燒速率不同使得樣品進(jìn)入燃燒末期的時(shí)間不同造成的。

2.3 冷壁效應(yīng)作用下雙基藥燃燒特征形成原因分析

根據(jù)上述常壓燃燒和定容燃燒研究結(jié)果可以看出，冷壁效應(yīng)作用下雙基藥燃燒變得不穩(wěn)定，燃燒速率會(huì)有明顯的下降，并且隨著冷壁基體材料熱傳導(dǎo)速率的增加而表現(xiàn)得更加明顯。

根據(jù)火藥燃燒的加熱層理論，火藥燃燒時(shí)，當(dāng)凝聚相反應(yīng)熱效應(yīng)強(qiáng)度、火焰區(qū)對(duì)燃面的傳熱強(qiáng)度以及環(huán)境與燃面的熱交換強(qiáng)度疊加后還不足以達(dá)到維持穩(wěn)定燃燒所需的臨界熱效應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，將無法建立穩(wěn)定的加熱層，火藥的燃燒強(qiáng)度減弱，甚至熄滅[9-12]。即壁面的吸熱將直接作用于火藥穩(wěn)定燃燒狀態(tài)的維持，使火藥燃燒反應(yīng)釋放的熱量損失影響穩(wěn)定加熱層的建立，從而導(dǎo)致火藥燃燒變得不穩(wěn)定。而壁面的吸熱作用與壁面材料的熱傳導(dǎo)率直接相關(guān)，熱傳導(dǎo)率越大越容易將火藥燃燒經(jīng)熱傳導(dǎo)至藥體以建立加熱層的熱量導(dǎo)走，從而火藥燃燒也就更難穩(wěn)定，當(dāng)基體熱容量足夠大時(shí)，加熱層將無法建立，燃燒將熄滅而殘留剩藥。這與夾層壁面樣品的常壓燃燒實(shí)驗(yàn)所觀察到的結(jié)果相一致。

同時(shí)收集常壓燃燒和定容燃燒的基體壁面殘留的丙酮提取物進(jìn)行紅外光譜分析，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可見，燃燒殘?jiān)腇TIR光譜與雙基藥樣品的主要特征吸收峰沒有明顯改變，說明殘留物中存有部分殘藥，該結(jié)果與前述推斷結(jié)果基本一致。

因此，對(duì)火藥燃燒而言，尤其是在小/微推進(jìn)器或身管武器體系中，燃燒室本體與火藥裝藥或發(fā)射藥粒相比體積巨大，相應(yīng)的熱吸收能力強(qiáng)，使冷壁效應(yīng)作用更加明顯，從而火藥燃燒也就更難穩(wěn)定，可造成推進(jìn)器的彈道性能不穩(wěn)定并引起發(fā)射裝藥燃燒不完全。

3 結(jié) 論

(1)冷壁效應(yīng)作用下雙基藥燃燒變得不穩(wěn)定，燃燒速率會(huì)明顯降低，當(dāng)壁面冷壁效應(yīng)作用足夠強(qiáng)時(shí)，雙基藥的燃燒會(huì)熄滅從而形成殘藥。

(2)基體材料的熱傳導(dǎo)率是決定冷壁效應(yīng)強(qiáng)弱的關(guān)鍵因素，提高熱傳導(dǎo)率會(huì)增強(qiáng)對(duì)雙基藥的冷壁效應(yīng)作用，加劇雙基藥燃燒速率的降低。

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Combustion Characteristics of Double-base Propellant under the Action of Cold Wall Effects

ZHENG Wen-fang1,HAO Hai-xia2,LIN Xiang-yang1,PAN Ren-ming1,GAO Wei1,WANG Cheng-ai1

(1.School of Chemical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China;2.Science and Technology on Combustion and Explosion Laboratory,Xi′an Modern Chemistry Research Institute,Xi′an 710065，China)

To investigate the combustion process and its influence rule under the action of cold wall effect of gunpowder, the combustion characteristics of double-base propellant under the cold wall action of wall matrix materials were studied by normal pressure combustion experiment and constant-volume combustion experiment. The results show that the cold wall effect under the conditions of normal pressure and constant volume combustion makes the combustion of double-base propellant become unstable, the burning rate declines obviously, and the combustion under certain conditions is extinguished with residue. With increasing the thermal conductivity of matrix material, the action of the cold wall effect gradually enhances, making the combustion time of double-base propellant lengthen, maximum combustion pressure and combustion rate gradually decrease.

energetic materials; double-base propellant; combustion; cold wall effect; thermal conductivity

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.05.019

2016-08-07;

2016-08-31

國家自然科學(xué)基金資助(No.51306093，21473130)；國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助(9140C350309150C35160)

鄭文芳(1979-)，男，博士，講師，從事含能材料燃燒及其應(yīng)用研究。E-mail:zwf198181@163.com

TJ55;O643.2

A

1007-7812(2016)05-0115-04