發(fā)煙彈裝藥貯存環(huán)境應(yīng)力分析與老化動力學(xué)

張興高，安文書，程萬影，蓋希強(qiáng)，馬士洲，郝雪穎，李紅欣，趙 新

(軍事科學(xué)院防化研究院， 北京 102205)

彈藥系統(tǒng)一般由引信、彈丸、藥筒、發(fā)射藥和底火五大部分組成，任何部分失效均會導(dǎo)致彈藥系統(tǒng)的失效。高溫高濕是造成彈藥失效的主要環(huán)境因素，某軍械研究所通過30年的彈藥長期貯存試驗(yàn)得出在高溫高濕地區(qū)彈藥的貯存壽命要短得多，如某型迫彈在沿海庫房貯存的可靠預(yù)估貯存壽命只有在西北庫房貯存的一半。彈藥的包裝形式主要有密封包裝和非密封包裝。密封包裝是一種較好的結(jié)構(gòu)形式，能夠有效減輕環(huán)境因素對彈藥的影響，特別是在南方潮濕環(huán)境、沿海、海島環(huán)境下，其效果特別顯著。

圍繞彈藥的失效問題，國內(nèi)外開展了廣泛研究[1-6]。北大西洋公約組織(NATO)——加拿大、德國、法國、荷蘭、波蘭、英國、美國成立了彈藥監(jiān)測合作研究小組，旨在推動監(jiān)測新技術(shù)的應(yīng)用[3-6]。國內(nèi)潘文庚等[7]從失效物理的角度出發(fā)，分析了庫房貯存中的航空彈藥部件(如引信、戰(zhàn)斗部等)中裝藥的失效模式和失效機(jī)理，確立了環(huán)境溫濕度是保障彈藥貯存質(zhì)量的關(guān)鍵因素，探討了航彈裝藥受庫存環(huán)境溫濕度的影響。鄧科等[8]提出了一種吸濕效率較高的新型防潮劑。劉恒春等[9]論述了彈藥包裝可靠性研究的意義，重點(diǎn)分析了彈藥包裝可靠性對彈藥貯存可靠性的影響。宣衛(wèi)芳等[10]開展了某小口徑彈藥塑料包裝箱材料在戶外、棚下和庫內(nèi)暴露試驗(yàn)，分析研究了環(huán)境對塑料的力學(xué)性能、微觀形貌及紅外光譜的影響。國內(nèi)外對發(fā)煙彈藥的老化研究較多，Williama等人[11]研究了煙火藥TiH2/KClO4(THPP)和Zr/KClO4(ZPP)的加速老化， Guidotti[12]開展了Fe/KClO4(88/12)煙火藥的老化，但有關(guān)發(fā)煙彈裝藥是受溫度單環(huán)境應(yīng)力影響還是溫度濕度雙環(huán)境應(yīng)力影響不清楚，有關(guān)裝藥的老化動力學(xué)也未見報(bào)道，本文圍繞這些問題開展研究。

1 實(shí)驗(yàn)

發(fā)煙彈彈體、爆管、發(fā)煙彈裝藥紅磷發(fā)煙劑為國營9932廠提供，彈體爆管和連接螺加環(huán)氧樹脂膠密封。實(shí)驗(yàn)儀器有老化箱，上海?，攲?shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。

發(fā)煙彈藥密封老化前后逐件做氣密性檢查，內(nèi)充壓縮空氣，壓強(qiáng)為0.245 MPa，平放于水深約10 cm的槽內(nèi)，30 s內(nèi)不得有氣泡產(chǎn)生。充氣氣密性檢查試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 充氣氣密性檢查試驗(yàn)系統(tǒng)

磷含量的測定依據(jù)的是國家標(biāo)準(zhǔn) GB 4947—90《工業(yè)紅磷》中所推薦的分析方法。其試驗(yàn)原理為紅磷在硝酸和高氨酸的作用下，氧化為磷酸根，加水稀釋后則成磷酸。加入喹鉬檸酮試劑后，形成磷鉬酸喹啉沉淀。由沉淀重量即可得知紅磷中的磷含量。

將發(fā)煙彈彈體爆管和連接螺涂敷環(huán)氧樹脂膠密封，然后裝配爆管，將密封好的彈體放入71 ℃恒溫試驗(yàn)箱中進(jìn)行老化試驗(yàn)，定期取出彈體進(jìn)行密封性檢查。

發(fā)煙彈裝藥分別采用鋁塑袋密封后放入60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃四個老化箱中進(jìn)行老化試驗(yàn)，定期取出鋁塑袋開封后進(jìn)行磷含量測試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 發(fā)煙彈裝藥環(huán)境應(yīng)力分析

我國幅員遼闊，溫濕度較高的南方地區(qū)和北方地區(qū)的環(huán)境不同，對發(fā)煙彈裝藥進(jìn)行貯存老化，首先需明確常用的發(fā)煙彈螺紋密封膠的老化情況，這決定發(fā)煙彈裝藥是受溫度單環(huán)境應(yīng)力影響還是溫度濕度雙環(huán)境應(yīng)力影響。

試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，71 ℃貯存106 d的密封沒有發(fā)生漏氣。因此，71 ℃貯存106 d的密封仍能正常作用。計(jì)算71 ℃的加速系數(shù)為143.49，計(jì)算式如下所示[13]：

τ=γ(T1-T2)/A=2.7(71-21)/10=143.49

利用71 ℃的加速系數(shù)，計(jì)算常溫(21 ℃)下的儲存時間為：

t0=τ×t1=143.49×106=15 210 d=41.7 a

加速老化試驗(yàn)結(jié)果表明：發(fā)煙彈螺紋密封膠常溫下的有效密封可達(dá)41.7a，發(fā)煙彈作為特種彈藥，采用密封膠有效地保護(hù)了發(fā)煙彈裝藥不受外界潮濕空氣的影響，發(fā)煙彈戰(zhàn)斗部的密封儲存期大于15a，因此發(fā)煙彈的戰(zhàn)斗部裝藥是受溫度單環(huán)境應(yīng)力影響，外界的潮濕空氣對其無影響。

2.2 發(fā)煙彈裝藥熱加速老化規(guī)律

發(fā)煙彈裝藥加速老化試驗(yàn)后磷含量的變化如表1所示。

表1 發(fā)煙彈裝藥加速老化試驗(yàn)后的磷含量

從表1可以看出：隨著老化時間的延長和老化溫度的升高，磷含量呈降低的趨勢，這是因?yàn)榧t磷在氧化劑高氯酸銨接觸作用下，緩慢氧化形成五氧化二磷(P2O5)，而五氧化二磷又可以和藥柱中的少量水分反應(yīng)。

2.3 發(fā)煙彈裝藥老化動力學(xué)

高溫加速老化法是假設(shè)發(fā)煙彈裝藥的某特征性能變化是貯存時間的函數(shù)，在加速老化試驗(yàn)期間可以找到一個與其相適應(yīng)的老化數(shù)學(xué)模型，同時假設(shè)在試驗(yàn)與外推的溫度范圍內(nèi)只有一個化學(xué)反應(yīng)或幾個具有相同活化能的反應(yīng)，活化能是與溫度無關(guān)的常數(shù)，發(fā)煙彈裝藥某特征性能變化的速度常數(shù)與溫度的關(guān)系服從阿累尼烏斯方程。選擇發(fā)煙彈裝藥中關(guān)鍵組分磷含量作為性能變化函數(shù)。根據(jù)老化數(shù)學(xué)模型，計(jì)算常溫下的貯存期。因此，基本假設(shè)如下：

1) 在試驗(yàn)溫度至常溫區(qū)間內(nèi)發(fā)煙彈裝藥的老化機(jī)理相同，貯存老化過程中所選定的老化性能評定參數(shù)值的變化速率只受溫度影響，與其他因素?zé)o關(guān)；

2) 高溫加速老化過程中發(fā)煙彈裝藥老化性能評定參數(shù)值變化速率與溫度的關(guān)系服從Arrhenius方程。

常用的老化數(shù)學(xué)模型有對數(shù)模型、線性模型和指數(shù)模型[14]，它們分別為

P=P0+Klogt

P=P0+Kt

P=P0e-Kt

其中：P為某一時刻的性能；P0為常數(shù)；K為與溫度有關(guān)的性能變化速度常數(shù)；t為老化時間(d)。

根據(jù)對數(shù)模型、線性模型和指數(shù)模型求解過程，可求得在熱加速老化條件下發(fā)煙彈裝藥磷含量的回歸結(jié)果，分別如表2、表3和表4所示。

表2 基于對數(shù)模型的磷含量隨時間變化的線性回歸方程

由表2～表4中的數(shù)據(jù)可以看出：在熱加速老化條件下，基于指數(shù)模型的發(fā)煙彈裝藥磷含量隨時間變化的線性回歸方程線性相關(guān)系數(shù)最高，在較高的置信水平上相關(guān)系數(shù)是顯著的，因此選擇指數(shù)模型作為老化模型。

利用表4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，可得各性能變化速率常數(shù)K(T)與熱力學(xué)溫度T的關(guān)系，如表5所示。

表3 基于線性模型的磷含量隨時間變化的線性回歸方程

表4 基于指數(shù)模型的磷含量隨時間變化的線性回歸方程

表5 性能變化速率常數(shù)K(T)與熱力學(xué)溫度T的關(guān)系

可以求得在熱加速老化條件下發(fā)煙彈裝藥以磷含量為老化性能評定參數(shù)的老化動力學(xué)方程式為：

y(T,t)=0.798 8×e[-24.363 8×e(-4 741.3/T)×t]

其中：t為老化時間為天；y(T,t)為溫度T、老化時間t后磷含量的現(xiàn)狀值(%)；T為絕對溫度(K)。

3 結(jié)論

發(fā)煙彈的戰(zhàn)斗部裝藥是受溫度單環(huán)境應(yīng)力影響，外界的潮濕空氣對戰(zhàn)斗部裝藥無影響。隨著老化時間的延長和老化溫度的升高，發(fā)煙彈裝藥磷含量呈降低的趨勢，在熱加速老化條件下發(fā)煙彈裝藥以磷含量為老化性能評定參數(shù)的老化動力學(xué)方程式為y(T,t)=0.798 8×e[-24.363 8×e(-4 741.3/T)×t]。