DAGQ發(fā)射藥膛內(nèi)靜態(tài)和動態(tài)燃燒性能

閆光虎，趙煜華，張玉成，劉 毅，崔鵬騰，梁 磊，李 強，肖 霞

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

DAGQ發(fā)射藥膛內(nèi)靜態(tài)和動態(tài)燃燒性能

閆光虎，趙煜華，張玉成，劉 毅，崔鵬騰，梁 磊，李 強，肖 霞

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

為了研究DAGQ發(fā)射藥在膛內(nèi)的燃燒性能，以經(jīng)典內(nèi)彈道理論為基礎(chǔ)，建立了發(fā)射藥膛內(nèi)燃燒測試系統(tǒng)和處理方法，通過密閉爆發(fā)器燃燒試驗和微波干涉法發(fā)射藥膛內(nèi)動態(tài)燃燒性能試驗，研究了DAGQ發(fā)射藥的靜動態(tài)燃燒規(guī)律及不同溫度下的動態(tài)燃燒特性。結(jié)果表明，所建立的試驗系統(tǒng)和處理方法，能夠很好地獲得彈丸在膛內(nèi)的運動過程。DAGQ發(fā)射藥的靜動態(tài)燃速都存在轉(zhuǎn)折現(xiàn)象，靜態(tài)燃速在轉(zhuǎn)折點前壓力指數(shù)大于1，轉(zhuǎn)折點后壓力指數(shù)都遠(yuǎn)小于1，動態(tài)燃速壓力指數(shù)基本都小于1。在膛內(nèi)燃燒過程中，由于高速氣流對發(fā)射藥的燃面沖刷，使得膛內(nèi)的動態(tài)燃速要大于密閉爆發(fā)器內(nèi)的靜態(tài)燃速，并且隨著膛內(nèi)壓力的增大，燃速相差越來越大。

密閉爆發(fā)器；微波干涉儀；DAGQ發(fā)射藥；動態(tài)燃速；燃燒性能

引 言

獲得高能量的發(fā)射藥是身管武器發(fā)展的重要方向和基本要求，在配方中添加高含能材料是提高發(fā)射藥能量的主要技術(shù)途徑。疊氮化合物、多氮化合物及全氮型超高能化合物是含能材料發(fā)展的方向之一[1-3]，其中疊氮硝胺(DIANP)不僅具有優(yōu)異的增塑性能，還具有高能、高燃速、燃?xì)庀鄬Ψ肿淤|(zhì)量小、產(chǎn)氣量大等優(yōu)點，已應(yīng)用于高能量發(fā)射藥中。目前針對疊氮硝胺的優(yōu)良性能，國內(nèi)外開展了廣泛的研究[4-5]。楊建興等[6-7]通過對疊氮硝胺發(fā)射藥靜態(tài)燃燒性能的研究發(fā)現(xiàn)，RDX的引入可降低疊氮硝胺發(fā)射藥的起始燃速及起始燃?xì)馍擅投?，提高其燃燒漸增性；此外含疊氮硝胺的DAGR125發(fā)射藥具有低壓下起始燃燒緩慢，隨著壓力的升高呈漸增性燃燒的特性。但由于密閉爆發(fā)器與火炮膛內(nèi)的裝填條件和燃燒環(huán)境存在差異，測試結(jié)果與膛內(nèi)的實際情況也存在不同，尤其是隨著各種新型發(fā)射藥的出現(xiàn)，燃燒過程變得更加復(fù)雜，難以準(zhǔn)確預(yù)測發(fā)射藥膛內(nèi)動態(tài)燃燒規(guī)律[8-10]。

本研究將硝基胍發(fā)射藥中加入疊氮硝胺，用于替換部分硝化甘油，制成含疊氮的DAGQ發(fā)射藥，通過密閉爆發(fā)器燃燒試驗和微波干涉法發(fā)射藥膛內(nèi)動態(tài)燃燒性能試驗，研究了DAGQ發(fā)射藥的靜動態(tài)燃燒規(guī)律及不同溫度下的動態(tài)燃燒特性，以期為完善現(xiàn)有發(fā)射藥的性能、拓展其應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 實 驗

1.1 樣品與儀器

DAGQ發(fā)射藥，半溶劑法制造，其配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：(NC+NGu+NG+DIANP+RDX)95%，其他5%。

6213B型壓力傳感器，瑞士奇石樂儀器公司；DEWE-2010型數(shù)據(jù)采集儀，奧地利德維創(chuàng)公司；IM-W95型微波干涉儀，中北大學(xué)，波長為3mm，頻率為95GHz。

1.2 測試系統(tǒng)

彈丸在膛內(nèi)運動過程中，微波干涉儀持續(xù)進行微波信號的發(fā)射與接收。發(fā)射出的信號經(jīng)過反射靶板反射進身管；當(dāng)彈丸前端面接觸微波信號后，又將其反射至靶板，繼而由靶板再次反射給干涉儀；干涉儀將接收到的微波通過混頻濾波后，即可得到含有彈丸運動信息的多普勒信號，通過多普勒原理得到彈丸在膛內(nèi)運動的速度—時間(v-t)曲線和彈丸行程—時間(l-t)曲線。彈丸膛內(nèi)運動速度微波干涉儀測試系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 彈丸膛內(nèi)運動速度微波干涉儀測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test system for the projectile velocity in gun chamber with microwave interferometer

1.3 密閉爆發(fā)器試驗

依據(jù)GJB770B-2005火藥密閉爆發(fā)器試驗法，對DAGQ發(fā)射藥進行了靜態(tài)燃燒規(guī)律試驗，密閉爆發(fā)器容積為100mL，裝填密度為0.34g/mL，點火藥包為1.1g硝化棉，點火壓力為10MPa。發(fā)射藥弧厚0.48mm，孔徑0.3mm，長度3.6mm。

1.4 膛內(nèi)燃燒試驗

在30mm高壓滑膛炮上進行了發(fā)射藥膛內(nèi)燃燒試驗，裝藥采用中心傳火管結(jié)構(gòu)，2號小粒黑作為傳火藥，用DD2電底火進行點火。膛底、坡膛、炮口處采用壓電傳感器測量壓力變化，使用微波干涉測試系統(tǒng)測量彈丸在膛內(nèi)的運動過程。30mm高壓滑膛炮的裝填參數(shù)為：藥室容積335mL，截面積7.07cm2，彈丸行程1660mm，彈丸質(zhì)量0.2kg。

1.5 基本原理

發(fā)射藥在火炮膛內(nèi)的燃燒過程是一個非常復(fù)雜的隨機過程，目前尚無法從微觀上進行定量研究，因此首先需要從宏觀上作一些必要的假設(shè)[11-12]：

(1)發(fā)射藥在膛內(nèi)燃燒過程服從平行層幾何燃燒規(guī)律；

(2)火炮膛內(nèi)氣體壓力分布服從拉格朗日假設(shè)；

(3)發(fā)射藥能量轉(zhuǎn)換及彈丸運動過程按經(jīng)典內(nèi)彈道過程進行處理。

發(fā)射藥在火炮膛內(nèi)的燃速方程可以根據(jù)能量守恒方程進行推導(dǎo)：

Sp((l0-Δ(1-Ψ)/ρ-αΔΨ)+l)=

fωΨ-(γ-1)φm1v2/2

(1)

式中：S為炮膛的橫斷面積；l0為藥室縮徑長；α為火藥余容；l為彈丸行程；f為火藥力；ρ為發(fā)射藥密度；Δ為裝填密度；Ψ為火藥已燃百分?jǐn)?shù)；p為平均壓力；γ為絕熱指數(shù)；φ為平均壓力對應(yīng)的次要功系數(shù)；m1為彈丸質(zhì)量；v為彈丸速度。

由式(1)對Ψ進行求解，可得任一時刻的Ψ：

(2)

根據(jù)拉格朗日假設(shè)[9]得出：

(3)

(4)

式中：pt為膛底壓力；m2為裝藥質(zhì)量；φ1為與火炮口徑類型相關(guān)的次要功計算系數(shù)(30mm口徑根據(jù)經(jīng)驗值一般取1.05)。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)，可以求得任一時刻已燃百分?jǐn)?shù)Ψ。為保證求解的準(zhǔn)確性，取發(fā)射藥在分裂前的燃燒過程，即：

Ψ=xZ(1+λZ+μZ2) 0≤Z≤1

(5)

根據(jù)發(fā)射藥的燃燒規(guī)律得[10]：

(6)

通過式(6)可求出發(fā)射藥在膛內(nèi)的燃速系數(shù)u1及壓力指數(shù)n。

2 結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)燃燒規(guī)律

密閉爆發(fā)器所測p-t曲線和計算所得u-p曲線如圖2所示。

圖2 DAGQ發(fā)射藥靜態(tài)燃燒p-t曲線和u-p曲線Fig.2 The p-t and u-p curves for static combustion of DAGQ gun propellant

由圖2(a)和圖2(b)可知，DAGQ發(fā)射藥靜態(tài)燃燒壓力曲線光滑，燃燒穩(wěn)定，燃速壓力指數(shù)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折現(xiàn)象，以指數(shù)形式對曲線進行分段擬合，結(jié)果如表1所示。

表1 DAGQ發(fā)射藥在常溫(20℃)的靜態(tài)燃速擬合結(jié)果

Table 1 The fitting results of static burning rate at normal temperature (20℃)

p/MPanu1/(cm·MPa-n·s-1)R10～601．07200．05480．99460～3000．77120．16920．99710～3000．76690．17310．997

由表1可以看出，DAGQ發(fā)射藥燃速在轉(zhuǎn)折前(小于60MPa壓力段)壓強指數(shù)為1.072，轉(zhuǎn)折后(大于60MPa后)壓強指數(shù)為0.771，遠(yuǎn)小于1，擬合度均大于0.99，說明DAGQ發(fā)射藥能夠較好地符合指數(shù)式燃燒規(guī)律，與已有硝胺類發(fā)射藥燃燒規(guī)律結(jié)果基本一致。

2.2 膛內(nèi)燃燒規(guī)律

DAGQ發(fā)射藥內(nèi)彈道試驗結(jié)果如表2所示。

表2 DAGQ發(fā)射藥內(nèi)彈道試驗結(jié)果

Table 2 Results of the interior ballistic test for DAGQ gun propellant

序號m2/kgpt/MPav/(m·s-1)t/℃10．2031112372020．2033012725030．202811172-40

注：m2為裝藥質(zhì)量；pt為壓力傳感器測得膛底處的最大膛壓；v為微波干涉儀所測彈丸炮口速度。

對DAGQ發(fā)射藥不同溫度內(nèi)彈道試驗結(jié)果進行分析，所得膛內(nèi)燃燒特征曲線如圖3和圖4所示。

圖3 膛內(nèi)燃燒pt-t曲線和彈丸v-t曲線Fig.3 The pt-t curves in bore and the v-t curves of the projectile

圖4 膛內(nèi)彈丸l-t曲線Fig.4 The l-t curves of projectile in bore

從圖3可以看出，由微波干涉儀測得的彈丸出炮口時刻與炮口信號傳感器獲得的出炮口時刻tg一致，圖4中微波干涉儀測得的不同溫度下彈丸膛內(nèi)最大行程分別為1658、1654和1655mm，與火炮行程一致，因此，試驗所得pt-t、v-t和l-t曲線能夠反映發(fā)射藥在膛內(nèi)燃燒和彈丸的運動過程。

利用數(shù)據(jù)采集儀、壓力傳感器及微波干涉儀測試系統(tǒng)測出膛內(nèi)的壓力—時間(p-t)、彈丸運動速度—時間(v-t)及彈丸行程—時間(l-t)曲線，則在膛內(nèi)燃燒過程中任一時刻t，壓力p(t)、彈丸運動速度v(t)及行程l(t)都為已知量，計算得到發(fā)射藥在膛內(nèi)燃燒時的u-p曲線，圖5所示為靜態(tài)燃燒和膛內(nèi)燃燒兩種情況下獲得的u-p曲線對照，兩種情況下燃速擬合結(jié)果見表3，圖6為不同溫度下的DAGQ發(fā)射藥膛內(nèi)燃燒u-p曲線，動態(tài)燃速擬合結(jié)果見表4。

圖5 靜態(tài)燃燒和動態(tài)燃燒u-p曲線Fig.5 The u-p curves for static and dynamic combustion

燃燒狀態(tài)p/MPanu1/(cm·MPa-n·s-1)R靜態(tài)燃燒10～601．07200．05480．994靜態(tài)燃燒60～3000．77120．16920．997靜態(tài)燃燒10～3000．76690．17310．997動態(tài)燃燒30～800．99560．07530．993動態(tài)燃燒80～3000．78570．18750．996動態(tài)燃燒30～3000．79160．18170．996

圖6 不同溫度下的DAGQ發(fā)射藥膛內(nèi)燃燒u-p曲線Fig.6 The u-p curves of combustion in gun chamber of DAGQ gun propellant at different temperatures

由圖5和表3可知，由于組分中硝化棉、硝化甘油與黑索金在熱分解特性上的差異，導(dǎo)致DAGQ發(fā)射藥在靜態(tài)和膛內(nèi)動態(tài)燃燒情況下獲得的燃速都存在轉(zhuǎn)折現(xiàn)象[13]，由于在動態(tài)情況下發(fā)射藥裝填密度遠(yuǎn)大于靜態(tài)情況下，點火的不一致性(發(fā)射藥不能瞬時和全面的點燃)會更嚴(yán)重，所以轉(zhuǎn)折點后移；在整個壓力段，動態(tài)燃速要大于靜態(tài)燃速，在小于50MPa下兩者燃速相差較小，但隨著壓力的增大，兩者的燃速差值也越來越大，在300MPa處，兩者燃速相差3.2cm/s。這是因為，在膛內(nèi)燃燒起始段，彈丸剛開始起動，速度較慢，燃燒環(huán)境和密閉爆發(fā)器試驗基本一致，所以在小于50MPa壓力下，兩者獲得的燃速相差較小，但隨著壓力的增大，彈丸速度加快，燃燒室內(nèi)的氣流運動速度也隨之變快，氣流對發(fā)射藥表面有一定的沖刷作用，導(dǎo)致燃速變大。

由圖6可知，不同溫度下DAGQ發(fā)射藥在膛內(nèi)燃燒時同樣出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折現(xiàn)象，并且與通常的密閉爆發(fā)器試驗結(jié)果不同，在壓力大于125MPa后，低溫下DAGQ發(fā)射藥的燃速高于常溫時的燃速。這可能是因為，在同一壓力下，低溫時的氣流速度要遠(yuǎn)大于常溫(低溫583m/s，常溫370m/s，氣流速度增大了57%)，速度越高，氣流對藥粒表面的沖刷就越大，使得發(fā)射藥的燃速變大，此時氣流與發(fā)射藥的流固耦合作用對燃速的影響大于發(fā)射藥初溫對燃速的影響，所以，同一壓力下低溫的動態(tài)燃速要大于常溫時的動態(tài)燃速。而同一壓力下常溫和高溫的氣流速度相差很小(常溫370m/s，高溫347m/s，高溫氣流速度只減小了6%)，所以兩種溫度下流固耦合作用對燃速的影響較小，兩者燃速的不同主要是由于初始藥溫的不同所致，因此，低溫燃速在某一時刻大于常溫燃速，而常溫燃速卻始終小于高溫燃速。

表4 不同溫度下DAGQ發(fā)射藥動態(tài)燃速擬合結(jié)果

Table 4 The fitting results of dynamic burning rate of DAGQ gun propellant

t/℃p/MPanu1/(cm·MPa-n·s-1)R200～800．99560．07530．9932080～3000．78570．18740．996500～800．96300．09790．9975080～3000．84380．14950．994-400～700．98420．05900．993-4070～2700．82530．15460．998

由表4可以看出，DAGQ發(fā)射藥在不同溫度下動態(tài)燃速壓力指數(shù)都小于1，擬合度均大于0.990。說明DAGQ發(fā)射藥膛內(nèi)燃燒時均能夠非常好地符合指數(shù)式燃燒規(guī)律，且具有很好的燃燒性能。

3 結(jié) 論

(1)建立了微波干涉儀測量膛內(nèi)彈丸運行速度測試系統(tǒng)及處理方法，試驗所得膛內(nèi)彈丸運動的v-t和l-t曲線真實可靠。

(2)發(fā)射藥在膛內(nèi)燃燒時由于氣流的高速運動，使得發(fā)射裝藥膛內(nèi)燃燒流固耦合作用更加明顯，改變了發(fā)射藥的燃速，所以動態(tài)燃速明顯大于靜態(tài)燃速，且氣流速度越大，燃速相差越大。

(3)DAGQ發(fā)射藥由于自身組分熱分解特性不同的原因，靜動態(tài)燃燒都存在壓力指數(shù)轉(zhuǎn)折現(xiàn)象，靜態(tài)燃燒在轉(zhuǎn)折前壓力指數(shù)大于1，在轉(zhuǎn)折后壓力指數(shù)都小于1，而動態(tài)燃燒的壓力指數(shù)都小于1。

(4)DAGQ在不同溫度下均具有很好的動態(tài)燃燒性能，是一種具有良好應(yīng)用前景的發(fā)射藥。

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Static and Dynamic Combustion Performance in Bore of DAGQ Gun Propellant

YAN Guang-hu, ZHAO Yu-hua, ZHANG Yu-cheng, LIU Yi, CUI Peng-teng, LIANG Lei, LI Qiang,XIAO Xia

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China)

To research the combustion performance of DAGQ gun propellant in the gun chamber，based on the classical interior ballistic theory, the testing system and processing method of gun propellant combustion in the gun chamber were established. The static and dynamic combustion rules and dynamic combustion performance under different temperature of DAGQ gun propellant were researched by the closed bomb combustion test and dynamic combustion performance test in chamber of gun propellants with the microwave interference method. The results show that the testing system and processing method established can well obtain the moving process of projectile in the chamber. The static and dynamic burning rate of DAGQ gun propellant have turning phenomenon. Before the turning point, the pressure exponent of static burning rate is bigger than 1, which is less than 1 after the turning point. The pressure exponent of dynamic burning rate is less than 1. In the combustion process in the chamber,the dynamic burning rate in the gun chamber is bigger than the static burning rate in closed bomb because of the effect of burning gas flow with high velocity upon the burning surface of the gun propellant, and with increasing the pressure in the gun chamber, the difference of burning rate is more and more big.

closed bomb； microwave interferometer；DAGQ gun propellant；dynamic burning rate；combustion performance

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.06.018

2015-11-13；

2016-07-04

閆光虎(1983- )，男，工程師，從事發(fā)射藥裝藥及內(nèi)彈道性能研究。E-mail:76958545@qq.com

TJ55;TQ562

A

1007-7812(2016)06-0098-05