3種點(diǎn)火藥點(diǎn)火性能試驗(yàn)研究

趙寶明，劉 波，何昌輝，靳建偉，張鄒鄒，陳 琪

3種點(diǎn)火藥點(diǎn)火性能試驗(yàn)研究

趙寶明1，劉 波1，何昌輝1，靳建偉1，張鄒鄒1，陳 琪2

（1.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065； 2.北京交通大學(xué)，北京，100044）

以常用點(diǎn)火藥劑NC（硝化棉）、奔奈和BP（2#小粒黑）作為點(diǎn)火藥，以點(diǎn)火延遲時(shí)間及特征點(diǎn)火藥量作為點(diǎn)火性能判據(jù)，考察了3種點(diǎn)火藥的點(diǎn)火性能。點(diǎn)火性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：BP點(diǎn)火延遲時(shí)間最短，電熱鎳鎘橋絲點(diǎn)火時(shí)間約23ms；奔奈點(diǎn)燃發(fā)射藥的能力最強(qiáng)，點(diǎn)燃RGD7A基發(fā)射藥特征點(diǎn)火藥量較NC和BP少6%；使用BP和奔奈作為點(diǎn)火藥，可使裝藥的點(diǎn)火燃燒速度提高。

點(diǎn)火藥；點(diǎn)火性能；點(diǎn)火延遲時(shí)間；燃燒速度

發(fā)射裝藥的點(diǎn)火由點(diǎn)火藥劑來完成，點(diǎn)火藥劑的種類、藥量的確認(rèn)及點(diǎn)火藥在裝藥中的位置設(shè)計(jì)等對(duì)裝藥的點(diǎn)火效果影響很大，從而影響整個(gè)內(nèi)彈道性能[1-4]。

目前中大口徑火炮彈藥所使用的點(diǎn)火藥主要為奔奈或黑火藥，另外，硝化棉作為一種潔凈燃燒火藥，也常作為點(diǎn)火藥劑使用。這3種點(diǎn)火藥由于其配方組分不同，所以點(diǎn)火性能差異較大[5]。3種點(diǎn)火藥相比，硝化棉比容及爆熱最大，具有較高的產(chǎn)氣能力和燃燒熱量，但缺點(diǎn)是其燃燒無殘?jiān)瑳]有熱粒子生成，主要依賴燃燒火焰的熱輻射對(duì)發(fā)射藥表面進(jìn)行傳熱，不利于快速點(diǎn)火。黑火藥比容及爆熱最小，但燃燒時(shí)產(chǎn)生56%的固體熱粒子，這些灼熱固體粒子接觸到發(fā)射藥表面時(shí)，將熱量集中傳給某一點(diǎn)，使火藥局部迅速升溫，達(dá)到熱分解溫度及燃點(diǎn)開始燃燒。奔萘藥的主要組成為：40%NC、44%KNO3、6.5%S、9.5%C，為NC和黑火藥的混合物，因此，奔奈比容、爆熱及熱粒子含量介于硝化棉與黑火藥之間。美國在傳火管裝藥中普遍采用黑火藥，但在硝基胍火藥裝藥中較多地采用了奔奈點(diǎn)火藥。這是由于奔奈點(diǎn)火藥熱量高，有利于難點(diǎn)火的硝基胍火藥點(diǎn)火。針對(duì)在發(fā)射裝藥確定的條件下如何選擇點(diǎn)火藥，本文對(duì)硝化棉、奔奈及2#小粒黑3種點(diǎn)火藥的點(diǎn)火性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果為根據(jù)，為發(fā)射裝藥的點(diǎn)傳火設(shè)計(jì)提供借鑒參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑及儀器

奔奈：工業(yè)級(jí)，西安北方惠安精細(xì)化工有限公司；NC：含氮量12%，GJB 3204-1998，西安近代化學(xué)研究所；BP：HY-2(2#小粒黑)，GJB1056-2004，西安近代化學(xué)研究所；雙芳-3-16/1發(fā)射藥，配方：NC（56%），NG（26.5%）、C2（3%）、其它（14.5%），西安近代化學(xué)研究所。RGD7A基發(fā)射藥，配方：NC+NG（55.2%）、RDX（26.63%）、NQ（15.73%）、其它（2.8%），西安近代化學(xué)研究所。

壓力傳感器：6213B型壓電傳感器，Kistler公司；數(shù)據(jù)采集器：3020型數(shù)據(jù)采集器，采樣頻率20kHz，DEWETRON公司；電子天平：CPA223S型電子天平，精確度0.000 1g，賽多利斯公司。

1.2 點(diǎn)火速度對(duì)比實(shí)驗(yàn)

分別取1.1g NC、奔奈、BP作為點(diǎn)火藥，電熱鎳鎘橋絲外包點(diǎn)火藥，給電熱鎳鎘橋絲通電，電壓30V，在100mL密閉爆發(fā)器中進(jìn)行密閉點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)。通過壓力傳感器記錄點(diǎn)火燃燒過程——曲線。

1.3 點(diǎn)火能力對(duì)比實(shí)驗(yàn)

發(fā)射藥點(diǎn)火性能試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示(自制)。該裝置容積100mL，內(nèi)徑40mm，外徑80mm，長度80mm。將點(diǎn)火藥用硫酸鋇紙包裹制成點(diǎn)火藥包，點(diǎn)火藥包置于裝置左側(cè)底端中心，正對(duì)測試樣品，保證點(diǎn)火藥燃燒產(chǎn)物均勻覆蓋發(fā)射藥樣品初始燃面。根據(jù)Bruceton升降法[6-7]調(diào)整點(diǎn)火藥量進(jìn)行試驗(yàn)，直到點(diǎn)火與不點(diǎn)火藥量相差0.002g為止。將恰好點(diǎn)燃裝藥的點(diǎn)火藥量作為實(shí)驗(yàn)條件下試樣的特征點(diǎn)火藥量（也稱臨界點(diǎn)火藥量），該特征點(diǎn)火藥量應(yīng)連續(xù)3次點(diǎn)燃發(fā)射藥。最終以特征點(diǎn)火藥量作為發(fā)射藥樣品的點(diǎn)火性能衡量指標(biāo)之一。本文使用20g RGD7A基發(fā)射藥作為被點(diǎn)火發(fā)射藥樣品。

圖1 發(fā)射藥點(diǎn)火性能試驗(yàn)裝置示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 3種點(diǎn)火藥點(diǎn)火速度比較

圖2為點(diǎn)火速度對(duì)比實(shí)驗(yàn)獲得的3種點(diǎn)火藥點(diǎn)火燃燒過程——曲線。電熱鎳鎘橋絲通電后發(fā)熱，引燃點(diǎn)火藥，使點(diǎn)火藥點(diǎn)火燃燒。表1為3種點(diǎn)火藥點(diǎn)火速度對(duì)比結(jié)果。

圖2 3種點(diǎn)火藥點(diǎn)火燃燒過程P——t曲線

表1 3種點(diǎn)火藥點(diǎn)火延遲時(shí)間

Tab.1 Ignition delay time result of the three ignition powders

注：0V為點(diǎn)火電壓0V時(shí)刻；29V為點(diǎn)火電壓29V時(shí)刻；0.2MPa為壓力到達(dá)0.2MPa時(shí)刻。假設(shè)電熱鎳鎘橋絲達(dá)到29V電壓后才對(duì)所接觸的點(diǎn)火藥劑傳熱，延遲為29V起至0.2MPa（認(rèn)為點(diǎn)火藥劑表面產(chǎn)生火焰，點(diǎn)火藥燃燒使得壓力增長）。

由表1可看出，2#小粒黑點(diǎn)火延遲時(shí)間最短，點(diǎn)燃速度最快。硝化棉和奔奈的點(diǎn)火延遲時(shí)間出現(xiàn)反常，可能由于硝化棉為粉狀，在同樣的熱效率下（吸收同樣熱量），硝化棉藥粒單元由于粒徑小，藥粒表面溫度上升速率高，較快達(dá)到其燃點(diǎn)溫度，因此，粉狀硝化棉點(diǎn)火延遲時(shí)間較粒狀奔奈短。

2.2 3種點(diǎn)火藥點(diǎn)火能力對(duì)比

表2為3種點(diǎn)火藥點(diǎn)火能力對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表2 3種點(diǎn)火藥點(diǎn)火能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 Ignition strength of the three ignition materials

由表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在相同裝藥條件下，采用最少質(zhì)量的奔奈作為點(diǎn)火藥，即可點(diǎn)燃RGD7A基發(fā)射藥，說明奔奈點(diǎn)火藥點(diǎn)火能力最強(qiáng)，同樣發(fā)射裝藥條件下，需要的點(diǎn)火藥量最少。其次是BP（2#小粒黑），其點(diǎn)火時(shí)間較NC短；NC作為點(diǎn)火藥，點(diǎn)燃發(fā)射裝藥的能力最差。

表3為3種點(diǎn)火藥能量示性數(shù)。

表3 3種點(diǎn)火藥能量示性數(shù)[5]

Tab.3 Energy characteristics of the three ignition materials

注：Q為爆熱；1為比容；為火藥力。

奔萘藥的主要組成為：40%NC、44%KNO3、6.5%S、9.5%C。相比BP，奔萘藥中硝化棉的加入，提高了其爆熱和比容。奔萘藥集NC和BP傳質(zhì)（熱粒子多）、傳熱（燃燒熱大）、傳壓（比容大）的優(yōu)勢(shì)于一體，能量傳導(dǎo)效率高、速度快，燃燒室中火藥接受能量多，熱量積聚快，容易達(dá)到發(fā)火點(diǎn)著火，因此表現(xiàn)出較強(qiáng)的點(diǎn)火能力。

加熱層點(diǎn)火理論認(rèn)為，要使火藥裝藥點(diǎn)燃并持續(xù)地燃燒下去，不但要使火藥表面達(dá)到著火溫度，而且要建立起適當(dāng)厚度的加熱層?！斑m當(dāng)厚度的加熱層”其本質(zhì)是強(qiáng)迫點(diǎn)火理論中[1]最小熱量的含義，即點(diǎn)火藥單位時(shí)間傳遞的熱量低于該最小熱量值時(shí)，即使火藥表面溫度達(dá)到著火溫度，火藥在著火后還有可能終止。將發(fā)射裝藥假設(shè)為厚度相同的一層一層均質(zhì)火藥[8]，如圖3所示，圖3中1、2、3表示厚度相同的第1層、第2層及第3層火藥。當(dāng)?shù)?層火藥受到點(diǎn)火藥能量流作用，表面溫度達(dá)到著火溫度，且加熱層吸收的熱量大于穩(wěn)定燃燒所需的最低熱量Q，則第1層火藥可持續(xù)穩(wěn)定燃燒。第2層的火藥要穩(wěn)定燃燒，同樣需滿足上述2個(gè)條件：著火溫度和最低熱量Q。由于奔奈和2#小粒黑燃燒后有固體殘?jiān)礉M足圖3中固體熱粒子對(duì)發(fā)射藥表面的傳熱，固體熱粒子落在發(fā)射藥表面，對(duì)發(fā)射藥表面進(jìn)行持續(xù)熱傳導(dǎo)，一方面，可能由于固體熱粒子接觸式導(dǎo)熱較火焰熱輻射及氣體傳熱效率高，因此表現(xiàn)出NC點(diǎn)火藥（無燃燒殘?jiān)┨卣鼽c(diǎn)火藥量最大、點(diǎn)火時(shí)間最長，而有燃燒殘?jiān)谋寄魏?#小粒黑點(diǎn)火時(shí)間較短。另一方面，固體熱粒子傳熱集中于與發(fā)射藥表面接觸點(diǎn)，可將有限的熱量傳遞于該點(diǎn)發(fā)射藥，使該點(diǎn)發(fā)射藥第1層、第2層……達(dá)到持續(xù)穩(wěn)定燃燒條件。而火焰熱輻射及高溫氣體覆蓋大部分發(fā)射藥表面區(qū)域，熱量過于分散，不利于快速達(dá)到發(fā)射藥第1層、第2層……穩(wěn)定燃燒條件，因此NC點(diǎn)火藥點(diǎn)火最慢。

圖3 火藥分層點(diǎn)火過程示意圖

2.3 3種點(diǎn)火藥點(diǎn)燃雙芳-3發(fā)射藥的區(qū)別

利用3種點(diǎn)火藥在相同裝藥條件下對(duì)雙芳-3-16/1分別進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證點(diǎn)火藥不同是否會(huì)影響發(fā)射裝藥的燃燒。裝藥條件為：100mL 密閉爆發(fā)器中，點(diǎn)火藥1.1g，雙芳-3-16/1裝填密度0.2g /mL，——曲線如圖4所示。

圖4 3種點(diǎn)火藥點(diǎn)燃雙芳-3過程P——t曲線

由圖4（a）曲線可以看出，3種點(diǎn)火藥點(diǎn)燃雙芳-3的燃燒壓力曲線基本一致，燃燒時(shí)間均為20ms左右。由于硝化棉火藥力最大，BP（2#小粒黑）火藥力最小，表現(xiàn)為硝化棉點(diǎn)火藥曲線峰值壓力最高，BP（2#小粒黑）最低。由圖4（b）可看出，在10MPa以下的低壓段，BP（2#小粒黑）壓力上升速率最高，硝化棉壓力上升速率最低。說明在點(diǎn)火初始的低壓段，采用黑火藥建壓快，點(diǎn)火速度迅速。圖5為3種點(diǎn)火藥點(diǎn)燃裝藥的——曲線。

圖5 3種點(diǎn)火藥點(diǎn)燃雙芳-3過程v——P曲線

從圖5中可看出，在10～200MPa壓力范圍，BP和奔奈點(diǎn)燃裝藥的燃速均高于NC，說明使用BP和奔奈作為點(diǎn)火藥，可使裝藥的點(diǎn)火燃燒速度提高。原因可能在于BP和奔奈點(diǎn)火初期建壓快，壓力的增加可使暗區(qū)和混合相區(qū)壓縮，高溫火焰區(qū)接近雙芳-3發(fā)射藥的表面，加速了火焰區(qū)向發(fā)射藥表面的傳熱作用，從而促進(jìn)了固相發(fā)射藥的分解速度。此外，壓力增加也加大了氣相物質(zhì)的密度，加速了氣相化學(xué)反應(yīng)速度和氣相熱傳導(dǎo)系數(shù)，有利于雙芳-3發(fā)射藥的點(diǎn)火燃燒。并且可使藥室裝藥的點(diǎn)火同時(shí)性提高，有利于降低較長藥室裝藥的負(fù)壓差，提高身管武器的發(fā)射安全性。另外，由于2#小粒黑提高了裝藥點(diǎn)火的同時(shí)性，有利于消除裝藥燃燒的不穩(wěn)定性，從而提高武器初速精度。因此，相比NC點(diǎn)火藥，黑火藥和奔奈具有降低負(fù)壓差的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

（1）點(diǎn)火速度對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，BP（2#小粒黑）點(diǎn)火延遲時(shí)間最短，點(diǎn)燃速度最快，電熱鎳鎘橋絲點(diǎn)火時(shí)間約23ms。

（2）點(diǎn)火能力對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，奔奈點(diǎn)燃發(fā)射藥的能力強(qiáng)于NC和BP，點(diǎn)燃RGD7A基發(fā)射藥特征點(diǎn)火藥量較NC和BP少6%，NC點(diǎn)火能力最差。因此，對(duì)于難點(diǎn)火的發(fā)射藥，選擇奔奈點(diǎn)火藥較為合適。

（3）密閉爆發(fā)器試驗(yàn)結(jié)果表明，在10～200MPa壓力范圍，BP和奔奈點(diǎn)燃裝藥的燃速均高于NC，說明使用BP和奔奈作為點(diǎn)火藥，可使裝藥的點(diǎn)火燃燒速度提高。

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The Ignition Performance of Three Kinds of Ignition Powder

ZHAO Bao-ming1, LIU Bo1, HE Chang-hui1,JIN Jian-wei1, ZHANG Zou-zou1, CHEN Qi2

(1.Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an,710065；2. Beijing Jiaotong University, Beijing, 100044)

The ignition performance of common ignition material NC, benzene naphthalene drug and BP (2#small black powder) as ignition powder have been studied, by contrast experiment of ignition performance including characteristics of ignition charge and the ignition delay time. The experiment result shows that the ignition delay time of BP is the shortest and the ignition strength of benzene naphthalene drug is the strongest among the three ignition materials. The ignition delay time of BP is 23ms by an electrically heated wire. Characteristic mass of ignition charge of benzene naphthalene drug is cut down 6% compared with NC and BP on igniting RGD7A propellant, and by use of BP and benzene naphthalene drug as ignition powder, the burning rate of the gun propellant can be effectively improved.

Ignition powder；Ignition performance；Ignition delay time；Burning rate

TQ562

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.06.006

1003-1480（2019）06-0021-04

2019-10-18

趙寶明（1978-），男，副研究員。主要從事發(fā)射藥點(diǎn)傳火研究工作。