低壓環(huán)境下高密度壓實(shí)黑火藥柱燃速規(guī)律研究

程龍， 劉攀， 楊洪濤， 朱緒強(qiáng)， 楊月， 成一， 宋東明

(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， 陜西 西安 710065)

0 引言

中國(guó)早在公元808年以前就已發(fā)明黑火藥，黑火藥既是一種火藥，也是一種炸藥，更是一種火工藥劑，現(xiàn)在黑火藥主要用作點(diǎn)火藥、傳火藥、推進(jìn)劑和做功藥。黑火藥具有火焰感度高、燃燒產(chǎn)物氣體比容大、燃燒熱較小等特點(diǎn)。其中黑火藥的燃速是其燃燒性能的重要指標(biāo)，當(dāng)黑火藥柱密度較小時(shí)，燃速較快，同時(shí)燃速波動(dòng)大。這是因?yàn)槊芏刃?，藥柱?nèi)部有較多的空隙，燃燒時(shí)的火焰和生成的氣體容易進(jìn)入空隙，使燃燒面積擴(kuò)大，同時(shí)氣體會(huì)增大空隙中的氣體壓力而使藥柱破碎，進(jìn)一步擴(kuò)大燃燒面積，致使燃速加快，破壞燃速的規(guī)律性。當(dāng)黑火藥柱的密度較大時(shí)，其燃速明顯變小，當(dāng)密度達(dá)到1.90 g/cm3以上時(shí)，黑火藥柱的燃速會(huì)趨于穩(wěn)定，在1個(gè)大氣壓下大約為7～10 mm/s. 即使在很大的壓藥壓力下，黑火藥柱也能有規(guī)律地逐層穩(wěn)定燃燒，這是黑火藥的一大特點(diǎn)。其原因是當(dāng)密度足夠大時(shí)，黑火藥柱內(nèi)部的空隙很小，火焰和生成物不易傳入內(nèi)部，燃燒面積得不到擴(kuò)大，燃燒只能沿著藥面逐層燃燒[1-2]。

黑火藥在民用和軍用上都有很廣的用途，至今仍在發(fā)揮其不可替代的作用[3-4]。前人對(duì)黑火藥也有比較系統(tǒng)的研究，但是科學(xué)工作者們大都研究其在常壓或高壓下的燃燒性能[5-6]，很少有人對(duì)其低壓環(huán)境下的燃燒性能進(jìn)行研究。如今黑火藥越來(lái)越多地應(yīng)用于高空武器系統(tǒng)中，黑火藥在高空環(huán)境中的燃燒性能[7]受到越來(lái)越多的關(guān)注，因此了解其在高空環(huán)境中的燃燒性能是十分重要的。高空環(huán)境相比于地面環(huán)境，低氣壓和低溫度是其最主要的環(huán)境特征[8]，所以研究黑火藥柱在低壓環(huán)境下的燃燒性能是很有意義的。本文在前人對(duì)黑火藥柱燃速規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，采用光- 電靶法[9]測(cè)得不同藥柱密度和溫度的黑火藥柱在低壓環(huán)境下的燃速，分析和研究了環(huán)境壓力、藥柱密度和溫度對(duì)黑火藥柱燃速的影響，重點(diǎn)研究了環(huán)境壓力和溫度這兩個(gè)主要因素對(duì)黑火藥柱燃速的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 藥劑與實(shí)驗(yàn)設(shè)備

黑火藥為3號(hào)小粒藥；點(diǎn)火頭為Si/Pb3O4點(diǎn)火藥；T型管為鐵質(zhì)，內(nèi)徑3.5 mm、外徑6.5 mm、高17 mm；圓筒型真空罐為鋁質(zhì)，內(nèi)徑300 mm、高度300 mm；真空泵采用T0103227/750D型藤原微電腦負(fù)壓無(wú)油低噪音真空泵，臺(tái)州奇博工具有限公司產(chǎn)；低溫實(shí)驗(yàn)箱采用DW-60型低溫實(shí)驗(yàn)箱，北京中科路建儀器有限公司產(chǎn)；光- 電轉(zhuǎn)換器為南京理工大學(xué)化工學(xué)院自制。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

將黑火藥壓制在T型管中，其結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。采用光- 電靶法測(cè)試黑火藥柱的燃燒時(shí)間，測(cè)試裝置如圖1(a)所示。

該測(cè)試裝置包括：真空系統(tǒng)、電點(diǎn)火系統(tǒng)、燃燒固定裝置、光- 電轉(zhuǎn)換器、電信號(hào)接收器、瞬態(tài)記錄儀和計(jì)算機(jī)。其中真空系統(tǒng)包含真空泵、圓筒型真空罐、數(shù)字壓力表和塑化玻璃蓋。

1.3 T型點(diǎn)火具的制作

首先稱(chēng)取300 mg黑火藥裝入T型管內(nèi)，選用與T型管內(nèi)徑相匹配的沖頭(直徑3.2 mm)，用C型液壓機(jī)壓制，藥柱的密度分別為1.85 g/cm3、 2.00 g/cm3和2.15 g/cm3. 然后用游標(biāo)卡尺測(cè)量T型管中黑火藥柱長(zhǎng)度L. 之后在T型管外包附上一層保溫棉，以延緩T型管內(nèi)黑火藥柱在高溫、低溫保溫后藥溫的變化。再將點(diǎn)火頭插入T型管內(nèi)，使其與黑火藥柱藥面接觸，用膠帶將其固定。最后用膠帶封住T型管的另一端，以阻絕低溫保溫后空氣中的水蒸氣與黑火藥柱接觸。裝填有黑火藥柱的T型管和點(diǎn)火頭統(tǒng)稱(chēng)為T(mén)型點(diǎn)火具。

1.4 黑火藥柱在不同環(huán)境壓力和溫度下的燃速測(cè)定

為了重點(diǎn)研究環(huán)境壓力和溫度對(duì)黑火藥柱燃速的影響，本文選取密度為2.15 g/cm3的黑火藥柱和5個(gè)不同的溫度，分別是低溫-40 ℃和-20 ℃，常溫15 ℃，高溫40 ℃和60 ℃. 處理方法是將T型點(diǎn)火具(1.3節(jié)中制備)分別置于-40 ℃、-20 ℃的低溫實(shí)驗(yàn)箱和15 ℃、40 ℃、60 ℃的恒溫實(shí)驗(yàn)箱中保溫1 h.

快速取出T型點(diǎn)火具并記錄時(shí)間，將其固定在真空罐中，用大功率真空泵給真空罐快速抽真空，使氣壓達(dá)到指定數(shù)值(101 kPa、80 kPa、60 kPa、40 kPa、20 kPa)，2 min后用恒流源(1.2 A，30 ms)給點(diǎn)火頭通電。在點(diǎn)火系統(tǒng)給鎳鉻電阻絲通電的瞬間，電信號(hào)記錄儀記錄下此時(shí)的時(shí)間t1，當(dāng)T型管中黑火藥柱燒完，光- 電轉(zhuǎn)換器接收到光信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)記錄儀記錄下此時(shí)的時(shí)間t2，兩個(gè)時(shí)間的差值就是點(diǎn)火頭和黑火藥柱燃燒的總時(shí)間Δt. 由于點(diǎn)火頭的平均燃燒時(shí)間(20 ms左右)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于黑火藥柱的燃燒時(shí)間(2 s左右)，所以可以認(rèn)為黑火藥柱的燃燒時(shí)間就是Δt. T型管內(nèi)壓裝的黑火藥柱只有一個(gè)端面燃燒，其他表面與T型管內(nèi)壁緊密貼合，在藥柱燃燒過(guò)程中不會(huì)發(fā)生任何串火現(xiàn)象，故黑火藥柱長(zhǎng)度L除以其燃燒時(shí)間Δt就可以作為該條件下黑火藥柱的燃速[10]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

常溫條件下，測(cè)試3種不同密度的黑火藥柱在不同環(huán)境壓力下的燃速，每個(gè)條件下重復(fù)測(cè)試3次，求取平均值，得到燃速數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

表1 不同密度黑火藥柱的燃速

注：當(dāng)環(huán)境壓力達(dá)到20 kPa時(shí)，67%的T型點(diǎn)火具不能被點(diǎn)火頭點(diǎn)燃(瞎火)；33%的T型點(diǎn)火具被點(diǎn)燃后不能穩(wěn)定持續(xù)燃燒(熄火)。

選取最高密度2.15 g/cm3的黑火藥柱，在不同的環(huán)境壓力和溫度下測(cè)試黑火藥柱的燃速。每個(gè)條件下重復(fù)測(cè)試3次，求取平均值，得到T型點(diǎn)火具中黑火藥柱的燃速，見(jiàn)表2.

表2 不同溫度黑火藥柱的燃速

采用Si/Pb3O4點(diǎn)火頭，是因?yàn)槠渚哂斜群诨鹚幐用土业娜紵^(guò)程和燃燒速度，火焰更加明亮而且大。這樣可以保證點(diǎn)火頭能夠有效地點(diǎn)燃黑火藥柱。黑火藥柱的燃速測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，在一定的環(huán)境壓力和溫度下，高密度黑火藥柱能夠穩(wěn)定持續(xù)地燃燒，且火焰強(qiáng)度高、明亮，同時(shí)生成大量氣體。但是隨著環(huán)境壓力的下降，黑火藥柱燃燒趨于不穩(wěn)定。當(dāng)環(huán)境壓力降到20 kPa時(shí)，黑火藥柱不能被點(diǎn)火頭點(diǎn)燃或出現(xiàn)燃燒中斷的現(xiàn)象。原因是當(dāng)環(huán)境壓力過(guò)低時(shí)，點(diǎn)火頭燃燒的產(chǎn)物會(huì)迅速向四周擴(kuò)散，同時(shí)帶走大量的熱量，致使黑火藥得不到足夠的熱量，故不能被點(diǎn)燃，出現(xiàn)瞎火的現(xiàn)象；同樣在低壓條件下，黑火藥的燃燒熱會(huì)向周?chē)h(huán)境迅速擴(kuò)散，黑火藥柱穩(wěn)定持續(xù)燃燒的熱量不能得到補(bǔ)充，因此會(huì)出現(xiàn)熄火的現(xiàn)象[1,11]。

2.1 藥柱密度對(duì)黑火藥柱燃速的影響

本文選取了1.85 g/cm3、2.00 g/cm3和2.15 g/cm33個(gè)不同的密度，在常溫下測(cè)試環(huán)境壓力對(duì)黑火藥柱燃速的影響，得到不同藥柱密度的黑火藥柱燃速與環(huán)境壓力關(guān)系圖，如圖2所示。

圖2中的公式由線性擬合得來(lái)，其中u為黑火藥柱的燃速(mm/s)，p為環(huán)境壓力(kPa)，R2為線性相關(guān)系數(shù)。

從圖2可知：在溫度為常溫且低壓密閉的條件下，隨著藥柱密度的增大，黑火藥柱燃速逐漸變小，且黑火藥柱燃速與環(huán)境壓力的線性相關(guān)性逐漸變好(R2越來(lái)越趨于1)。另外，隨著環(huán)境壓力的降低，藥柱燃速隨壓力的下降而減小的趨勢(shì)越來(lái)越大，也就是說(shuō)環(huán)境壓力越小，藥柱密度對(duì)燃速的影響越大。

下面選取密度為2.15 g/cm3的黑火藥柱，重點(diǎn)研究環(huán)境壓力和溫度對(duì)黑火藥柱燃速的影響。

2.2 燃速與環(huán)境壓力的關(guān)系

為了研究低壓環(huán)境對(duì)黑火藥柱燃速的影響，將不同溫度黑火藥柱的燃速對(duì)環(huán)境壓力的關(guān)系作圖，并擬合曲線，得到圖3.

從圖3可以看出，當(dāng)溫度恒定時(shí)，隨著環(huán)境壓力的下降，黑火藥柱的燃速呈線性迅速減小，這是因?yàn)榈蛪簵l件下黑火藥燃燒的生成物，尤其是大量的氣體生成物容易向四周擴(kuò)散，同時(shí)帶走大量的熱量，使火焰的溫度和黑火藥的表面溫度降低，導(dǎo)致黑火藥柱燃速變小[1,12]。當(dāng)環(huán)境壓力達(dá)到20 kPa時(shí)，黑火藥柱的燃燒就會(huì)熄滅。

2.3 燃速與溫度的關(guān)系

為了研究溫度對(duì)黑火藥柱燃速的影響，將不同環(huán)境壓力下黑火藥柱的燃速對(duì)溫度的關(guān)系作圖，得到圖4.

從圖4可以看出：在同一環(huán)境壓力下，隨著溫度的升高，黑火藥柱的燃速呈現(xiàn)緩慢變大的趨勢(shì)；但是隨著環(huán)境壓力的逐漸降低，這種趨勢(shì)變得越來(lái)越平緩，當(dāng)環(huán)境壓力達(dá)到40 kPa時(shí)，溫度對(duì)黑火藥柱燃速的影響很小。40 kPa下黑火藥柱的平均燃速為4.84 mm/s，是常壓(101 kPa)下黑火藥柱燃速(8.37 mm/s)的0.516倍。

比較圖2、圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)境壓力對(duì)黑火藥柱燃速的影響比較明顯，藥柱密度和溫度對(duì)黑火藥柱燃速的影響比較小。此外，溫度對(duì)黑火藥柱燃速的影響會(huì)隨著環(huán)境壓力的降低逐漸變小，這與低壓下藥柱密度對(duì)黑火藥柱燃速的影響隨著環(huán)境壓力的下降而變大正好相反。

2.4 燃速與環(huán)境壓力和溫度雙因素的數(shù)學(xué)擬合方程

綜合考慮環(huán)境壓力和溫度對(duì)黑火藥柱燃速的影響，從圖3可以得到，黑火藥柱的燃速和環(huán)境壓力呈線性關(guān)系。其燃速可以用以下方程表示：

溫度為-40 ℃時(shí)，

u1=0.050 5p+2.76，R2=0.959 0；

(1)

u2=0.056 5p+2.60，R2=0.965 4；

(2)

溫度為15 ℃時(shí)，

u3=0.061 1p+2.51，R2=0.984 2；

(3)

溫度為40 ℃時(shí)

u4=0.062 8p+2.47，R2=0.992 5；

(4)

溫度為60 ℃時(shí)，

u5=0.064 2p+2.46，R2=0.995 9.

(5)

對(duì)比(1)式～(5)式可以發(fā)現(xiàn)：隨著溫度的升高，擬合曲線的線性相關(guān)系數(shù)越來(lái)越趨于1，也就是說(shuō)高溫條件下的線性比低溫下的線性要好。對(duì)比曲線的斜率，發(fā)現(xiàn)斜率隨溫度升高而緩慢變大，以常溫15 ℃作為參照，可知黑火藥柱在-40 ℃、-20 ℃下的燃速分別是15 ℃下燃速的0.826倍和0.925倍，在40 ℃和60 ℃下的燃速分別是15 ℃下燃速的1.03倍和1.05倍。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是黑火藥的藥溫越高，傳熱引燃過(guò)程所需熱量[13]越少，升溫達(dá)到著火溫度的時(shí)間也就越短，故黑火藥柱燃速變快。

上述(1)式～(5)式可以表達(dá)為一個(gè)線性關(guān)系通式：

u=a×p+b，

(6)

式中：a為斜率；b為截距。(6)式不同于通常采用的黑火藥柱燃速- 壓力方程的通式：

u=u0pn，

(7)

式中：u0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的燃速；n為壓力指數(shù)。(7)式是一個(gè)指數(shù)關(guān)系。比較(6)式與(7)式可以發(fā)現(xiàn)黑火藥柱在不同環(huán)境壓力區(qū)間的燃速規(guī)律是不一樣的。

首先停用華法林。①大多患者在停用華法林后，癥狀會(huì)逐漸緩解直至痊愈；②少數(shù)患者需要換用抗凝藥物，例如治療劑量的低分子肝素，繼續(xù)治療一段時(shí)間會(huì)好轉(zhuǎn)。

(6)式中斜率a和截距b會(huì)隨溫度而變化。斜率a隨溫度的上升而緩慢增大，截距b隨溫度的上升呈現(xiàn)緩慢減小的趨勢(shì)。

將(1)式～(5)式中斜率a和截距b與溫度T進(jìn)行擬合，可以得到其隨溫度的變化規(guī)律[14]，如圖5所示。

斜率a隨溫度的變化規(guī)律為

a=0.036 8lnT-0.148，R2=0.926 2.

(8)

截距b隨溫度的變化規(guī)律為

b=15.4T-0.318，R2=0.857 3.

(9)

將(8)式和(9)式代入(6)式中，得到黑火藥柱(密度為2.15 g/cm3)在不同環(huán)境壓力和溫度下的燃速表達(dá)式為

u=(0.0368lnT-0.148)p+15.4T-0.318，

(10)

式中：T為233～333 K.

根據(jù)(10)式，可以估算出密度為2.15 g/cm3的高密度黑火藥柱在不同環(huán)境壓力和溫度下的燃速，這可以為以后的科學(xué)工作者對(duì)黑火藥的研究提供理論參考依據(jù)。

3 結(jié)論

本文采用光- 電靶法，研究了不同環(huán)境壓力(40～101 kPa)和溫度(233～333 K)下高密度壓實(shí)黑火藥柱(密度為2.15 g/cm3)的燃速，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與處理，得到有關(guān)T型點(diǎn)火具中黑火藥柱在低壓時(shí)的燃燒規(guī)律：

1) 環(huán)境壓力為20 kPa時(shí),黑火藥柱會(huì)出現(xiàn)瞎火或熄火的現(xiàn)象。

2) 在低壓下，黑火藥柱的燃速與環(huán)境壓力呈線性關(guān)系，這與通常大多數(shù)的研究確認(rèn)黑火藥柱的燃速與壓力呈指數(shù)關(guān)系是不同的。

3) 環(huán)境壓力下降，黑火藥柱的燃速快速變小，黑火藥柱在40 kPa壓力下的燃速是在101 kPa(常壓)下燃速的0.516倍；溫度升高，黑火藥柱燃速緩慢變大，黑火藥柱在-40 ℃下的燃速是15 ℃下燃速的0.826倍，在60 ℃下的燃速是15 ℃下燃速的1.05倍。

4) 低壓環(huán)境下，藥柱密度對(duì)黑火藥柱燃速的影響會(huì)隨著環(huán)境壓力的降低逐漸變大；溫度對(duì)黑火藥柱燃速的影響會(huì)隨著環(huán)境壓力的降低逐漸變小；環(huán)境壓力對(duì)黑火藥柱燃速的影響比藥柱密度和溫度對(duì)黑火藥柱燃速的影響都要大。

5) 重點(diǎn)考慮環(huán)境壓力和溫度對(duì)黑火藥柱燃速的影響，得到黑火藥柱在低壓環(huán)境中環(huán)境壓力和溫度的雙因素燃速公式：

u=(0.036 8lnT-0.148)p+15.4T-0.318.

)

[1] 晉東. 黑火藥[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 1978.

JIN Dong. Black powder[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1978. (in Chinese)

[2] 成一, 陳守文. 點(diǎn)火藥點(diǎn)火性能的研究[J]. 火工品, 2001(4):22-23.

CHENG Yi, CHEN Shou-wen. Study on ignition characteristics of ignition compositions[J]. Initiators & Pyrotechnics, 2001(4):22-23. (in Chinese)

[3] 羅祖春. 黑火藥的由來(lái)及在石材礦山上的應(yīng)用[J]. 石材, 2005, 23(5):38-41.

LUO Zu-chun. The origin of black powder and its application in stone mine[J]. Stone, 2005, 23(5):38-41. (in Chinese)

[4] 盧文忠, 張磊, 冀海燕. 某型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火藥盒的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J]. 四川兵工學(xué)報(bào), 2013, 34(7):1-3.

LU Wen-zhong, ZHANG Lei, JI Hai-yan. The improved design of igniter cartridge on some solid rocket motor[J]. Journal of Sichuan Ordnance, 2013, 34(7):1-3. (in Chinese)

[5] 唐桂林, 趙家玉, 吳煌, 等. 黑火藥的改進(jìn)研究[J]. 火工品, 2002, 24(4):25-27.

TANG Gui-lin, ZHAO Jia-yu, WU Huang, et al. Study on the improvement of black powder[J]. Initiators & Pyrotechnics, 2002, 24(4):25-27. (in Chinese)

[6] 崔慶忠, 焦清介, 陳燕, 等. 低煙霧信號(hào)特征的無(wú)硫黑火藥研究[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2010, 31(10):1333-1336.

CUI Qing-zhong, JIAO Qing-jie, CHEN Yan, et al. Research on sulfur-free black powder with low smoke signature[J]. Acta Armamentarii, 2010, 31(10):1333-1336. (in Chinese)

[7] 曹曉宏, 許又文. 黑火藥燃燒性能及煙火效應(yīng)研究[J]. 礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā), 1990, 10(3):24-29.

CAO Xiao-hong, XU You-wen. An investigation on combustion properties and pyrotechnic effect of black powder[J]. Mining Research and Development, 1990, 10(3):24-29. (in Chinese)

[8] 張明慧, 劉衛(wèi)國(guó). 高空條件下永磁無(wú)刷直流電機(jī)溫度場(chǎng)研究[J]. 微電機(jī), 2017, 50(2):11-16.

ZHANG Ming-hui, LIU Wei-guo. Thermal field analysis of permanent magnet brushless DC motor used in high altitude conditions[J]. Micromotors, 2017, 50(2):11-16.(in Chinese)

[9] Zhang B Y, Huang C, Yan S, et al. Enhanced reactivity of boron, through adding nano-aluminum and wet ball milling[J]. Applied Surface Science, 2013, 286(12):91-98.

[10] Li Y, Cheng Y, Hui Y, et al. The effect of ambient temperature and boron content on the burning rate of the B/PbO delay compositions[J]. Journal of Energetic Materials, 2010, 28(2):77-84.

[11] 潘功配,楊碩. 煙火學(xué)[M]. 北京:北京理工大學(xué)出版社, 1997.

PAN Gong-pei, YANG Shuo. Pyrotechnics[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 1997. (in Chinese)

[12] 勞允亮, 盛滌倫. 火工藥劑學(xué)[M]. 北京:北京理工大學(xué)出版社, 2011.

LAO Yun-liang, SHENG Di-lun. The science of initiating explosives and relative composition[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 2011. (in Chinese)

[13] 裴慶, 趙鳳起, 郝海霞, 等. RDX-CMDB推進(jìn)劑燃速溫度敏感系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 火炸藥學(xué)報(bào), 2016, 39(4):73-76.

PEI Qing, ZHAO Feng-qi, HAO Hai-xia, et al. Experimental research on temperature sensitivity coefficient of burning rate for RDX-CMDB propellant[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2016, 39(4):73-76. (in Chinese)

[14] 成一, 惠云龍, 李艷春, 等. 硼/氧化銅延期藥的燃速與數(shù)值模擬[J]. 含能材料, 2010, 18(1):68-71.

CHENG Yi, HUI Yun-long, LI Yan-chun, et al. Numerical simulation and burning rate of B/CuO delay compositions[J]. Chinese Journal of Energetic Materials,2010, 18(1):68-71. (in Chinese)