新型高能疊氮硝胺發(fā)射藥高壓燃燒穩(wěn)定性研究

石先銳，閆光虎，王 勇，胡 睿，賈永杰，王宏戰(zhàn)，張玉成

(1.西南科技大學 環(huán)境友好能源材料國家重點實驗室，四川 綿陽 621010；2.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065; 3.遼寧慶陽特種化工有限公司，遼寧 遼陽 111002)

引 言

隨著高膛壓身管武器系統(tǒng)的發(fā)展，高能發(fā)射藥膛內(nèi)燃燒穩(wěn)定性的問題越來越受到重視。嚴重的膛內(nèi)燃燒穩(wěn)定性問題不僅制約了高性能高膛壓身管武器性能的發(fā)揮，甚至會造成膛漲、炸膛等發(fā)射安全性問題，嚴重影響了操作人員的生命安全[1-4]。

為了研究高能發(fā)射藥膛內(nèi)燃燒規(guī)律，促進高能發(fā)射藥的設計和應用，西安近代化學研究所自主設計建立了高壓30mm模擬試驗裝置，研究和考核了多種高能發(fā)射藥高壓環(huán)境下燃燒穩(wěn)定性和內(nèi)彈道性能穩(wěn)定性。黃振亞等[5]以單基藥為參照樣品，研究了RGD7發(fā)射藥的膛內(nèi)壓力波特征和低溫動態(tài)燃燒活性，表明RGD7發(fā)射藥具備良好使用安全性。楊麗俠等[6]結(jié)合點火模擬裝置試驗，研究了鈍感和包覆的疊氮硝胺發(fā)射藥膛內(nèi)起始燃燒性能，并分別提出了鈍感和包覆方法改善壓力波強度的機理。楊建興等[7]結(jié)合密閉爆發(fā)器靜態(tài)試驗，以制式單基藥為對比，研究了DAGRl25發(fā)射藥的靜態(tài)和動態(tài)燃燒特性，并討論了DAGR125發(fā)射藥內(nèi)彈道穩(wěn)定性的機制。

1,5二疊氮基-3-硝基氮雜戊烷(DIANP)與NC相容性良好，不僅對NC具有優(yōu)異的增塑性能，且具有低燃溫、低燃氣相對分子質(zhì)量、高產(chǎn)氣量等特點[8-10]。我國研究人員將DIANP引入到發(fā)射藥體系，分別研制出了高能低燒蝕疊氮硝胺發(fā)射藥[11]和高能高強度疊氮硝胺發(fā)射藥[7]，較好地解決了提高能量和降低燒蝕、提高強度之間的矛盾，在高性能身管武器系統(tǒng)中具有良好的應用前景。

本研究以NC、NG、DIANP、RDX等為基本組成，設計制備了一種火藥力高達1240J/g的新型高能疊氮硝胺發(fā)射藥(ADR)。采用高壓密閉爆發(fā)器研究了ADR發(fā)射藥不同溫度條件下的定容燃燒穩(wěn)定性。以30mm高壓模擬試驗裝置為試驗平臺，在相同的點傳火結(jié)構(gòu)和裝藥結(jié)構(gòu)條件下，對比了ADR發(fā)射藥和RGD7發(fā)射藥的膛內(nèi)高壓燃燒特征，并研究了裝填密度、溫度、石墨光澤等因素對ADR發(fā)射藥高壓燃燒穩(wěn)定性的影響，分析了高壓燃燒穩(wěn)定性的影響機理，以期為新型高能疊氮硝胺發(fā)射藥在高膛壓環(huán)境中的應用提供技術(shù)支撐。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

試驗所采用的發(fā)射藥樣品如表1所示，均為七孔粒狀藥。ADR發(fā)射藥火藥力、低溫力學性能均優(yōu)于RGD7發(fā)射藥，爆溫低于RGD7發(fā)射藥?？瞻譇DR發(fā)射藥經(jīng)1.5‰石墨光澤處理，得到石墨光澤ADR發(fā)射藥。

表1 試驗用發(fā)射藥樣品

高壓密閉爆發(fā)器：西安近代化學研究所自主設計，試驗壓力上限700MPa，容積100mL；30mm高壓模擬試驗裝置：藥室容積 0.315dm3，身管內(nèi)膛直徑0.30dm，彈丸行程16.6dm，彈質(zhì)量(200±0.2)g，可同步測試膛底、藥室坡膛位置的p—t曲線，該試驗系統(tǒng)可用來研究發(fā)射藥在不同裝藥條件下的膛內(nèi)動態(tài)燃燒過程。

1.2 試驗方法及條件

定容燃燒試驗：按照GJB770B方法703.1 密閉爆發(fā)器試驗微分壓力法，獲得發(fā)射藥燃氣壓力變化率(dp/dt)-時間(t)曲線，并通過計算獲得壓力(p)-時間曲線(t)和動態(tài)燃燒活度(L)變化曲線。

動態(tài)燃燒試驗：參考GJB2973A-2008火炮內(nèi)彈道試驗方法和GJB2179-94炮用發(fā)射藥與裝藥內(nèi)彈道試驗方法，采用30mm高壓模擬試驗裝置，在相同裝藥及點傳火結(jié)構(gòu)條件下，獲得膛底壓力、坡膛壓力隨時間的變化曲線。參考文獻[4]計算膛內(nèi)壓力波曲線特征參數(shù)平均值，對比研究不同條件對ADR發(fā)射藥的膛內(nèi)燃燒規(guī)律的影響。

定容燃燒試驗：裝填密度0.30g/cm3，點火藥為1.1g硝化棉，點火壓力10MPa，高低常溫試驗樣品各3發(fā)，保溫時間均大于4h。

動態(tài)燃燒試驗：試驗采用自主設計的30mm高壓模擬試驗裝置，裝藥結(jié)構(gòu)為自主設計的全可燃藥筒結(jié)構(gòu)，點傳火方式采用中心傳火管方式，裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。點火藥為小粒黑火藥，藥量為裝藥質(zhì)量的1%。高低常溫試驗樣品各5發(fā)，保溫時間均大于4h。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of charge structure for different gun propellants

2 結(jié)果與討論

2.1 ADR發(fā)射藥定容高壓燃燒性能

采用高壓密閉爆發(fā)器研究了ADR發(fā)射藥高膛壓下的定容燃燒性能。圖2為不同溫度下ADR發(fā)射藥高壓燃燒p—t曲線、dp/dt—t曲線和L—B曲線。

圖2 ADR發(fā)射藥典型高壓燃燒p—t曲線、dp/dt—t曲線和L—B曲線Fig.2 The representative p—t, dp/dt—t and L—B curves of the static combustion of ADR gun propellants

由圖2可知，不同溫度下，發(fā)射藥樣品p—t曲線光滑無轉(zhuǎn)折；隨著溫度的增加，最大膛壓從515MPa分別上升4MPa和7MPa，略有增加，燃燒時間從3.48ms逐漸減小3.32ms和3.26ms；另外，不同壓力階段，試驗溫度越高，樣品膛內(nèi)壓力上升速率dp/dt越大。由L—B曲線可見，起始階段，由于點火過程的影響，發(fā)射藥燃燒活度出現(xiàn)一定波動；隨著試驗溫度的增加，發(fā)射藥燃燒活度變大。不同試驗溫度下，B大于0.2時，發(fā)射藥燃燒活度均平穩(wěn)增加，且均在B=0.72時達到燃燒分裂點，燃燒活度逐漸減小，可見發(fā)射藥在不同溫度條件下燃燒一致性較好。因此，最大壓力大于500MPa，定容條件下，ADR發(fā)射藥不同溫度的靜態(tài)燃燒性能穩(wěn)定性良好，燃燒過程未見異常。

2.2 裝填密度對ADR發(fā)射藥膛內(nèi)燃燒規(guī)律的影響

圖3為RGD7發(fā)射藥和不同裝填密度ADR發(fā)射藥典型膛內(nèi)膛底壓力(pt)、坡膛壓力(pd)、壓差(Δp=pd-pt)隨時間(t)的變化曲線。

圖3 RGD7發(fā)射藥和不同藥量ADR發(fā)射藥典型膛內(nèi)燃燒壓力變化曲線Fig.3 The representative pt—t, pd—t and Δp—t curves of RGD7 and ADR gun propellants with different charges

由圖3可見，不同裝填密度條件下，ADR發(fā)射藥膛內(nèi)燃燒壓力均出現(xiàn)不同程度的波動，而膛底壓力曲線較為光滑，各曲線中膛底壓力(pt)最大值均大于坡膛壓力(pd)最大值，說明ADR發(fā)射藥在試驗裝藥條件下，膛內(nèi)燃燒穩(wěn)定性較好。試驗中采用了內(nèi)置傳火藥條的中心傳火管，該傳火管為可燃材質(zhì)，頂端密封，管壁不含傳火孔。傳火藥條被點燃后，會迅速在傳火管內(nèi)由底部向頂部傳播。由于黑火藥燃速明顯高于傳火管的燃速[12]，在黑火藥點燃瞬間，傳火管并未破裂，因此會在傳火管內(nèi)建立一定的燃氣壓力。在燃氣壓力以及燃燒的作用下，傳火管最終破裂，并完成裝藥的點火。另外，傳火管長度與裝填密度進行了匹配性設計。因此，該點傳火方式對設計的裝填密度裝藥均具有良好的點火均一性[13-14]。

表2列出了RGD7發(fā)射藥和ADR發(fā)射藥膛內(nèi)燃燒特征值。

表2 RGD7發(fā)射藥和不同藥量ADR發(fā)射藥膛內(nèi)燃燒特征值

由表2可見，隨著裝填密度的增加，ADR發(fā)射藥+DPi、-DPi、+DPmax、FDP及QDP均明顯增大。這是由于隨著裝填密度的增加，發(fā)射裝藥藥床內(nèi)燃氣流動變差，點火燃燒均一性降低，導致壓力波強度變大，壓力波衰減速度變慢，裝藥膛內(nèi)受到的沖擊和擠壓變強。另外，隨著裝填密度的增加，裝藥的起始燃面增大，燃氣生成速率增加，膛內(nèi)壓力上升變快，也會加劇膛內(nèi)壓力波動。然而，裝填密度從0.48g/cm3增至0.57g/cm3，增加了18.75%，起始負壓差增加了208%，而裝填密度從0.57g/cm3增至0.64g/cm3，增加了12.28%，起始負壓差僅增加了6.9%。可見，在膛壓300～580MPa范圍內(nèi)，隨著裝填密度的增加，ADR發(fā)射藥膛內(nèi)燃燒壓力波強度增幅明顯減小。對比RGD7發(fā)射藥，在相同裝填密度時，ADR發(fā)射藥膛內(nèi)壓力波強度和壓力波衰減速度稍小于RGD7發(fā)射藥，但藥床沖擊和擠壓作用稍大于RGD7發(fā)射藥。因此，兩種發(fā)射藥膛內(nèi)高壓燃燒穩(wěn)定性基本相當。

2.3 藥粒溫度對ADR發(fā)射藥膛內(nèi)燃燒規(guī)律的影響

圖4為不同溫度條件下ADR發(fā)射藥(190g)典型膛內(nèi)燃燒壓力變化曲線。由圖4可見，不同溫度下，ADR發(fā)射藥膛內(nèi)燃燒壓力均出現(xiàn)了不同程度的波動，而膛底壓力曲線光滑；隨著溫度的增加，膛內(nèi)最大壓力逐漸增加，且每一發(fā)試驗膛底壓力、坡膛壓力無異常。因此，ADR發(fā)射藥高、低、常溫膛內(nèi)高壓燃燒穩(wěn)定性較好。

圖4 不同溫度條件下ADR發(fā)射藥典型膛內(nèi)燃燒壓力變化曲線Fig. 4 The representative pt—t, pd—t and Δp—t curves of interiorburning process of ADR gun propellants at different temperatures

表3為不同試驗溫度ADR發(fā)射藥膛內(nèi)燃燒特征值。

表3 不同試驗溫度ADR發(fā)射藥膛內(nèi)燃燒特征值

由表3可見，隨著溫度的增加，+DPi和-DPi逐漸減小，壓力波衰減速度呈減小趨勢，QDP則與溫度無明顯關系。在藥床未發(fā)生明顯沖擊擠壓破碎的前提下，膛內(nèi)壓力波強度與藥床起始燃燒一致性有關，藥床起始燃燒一致性較好，壓力波強度越小。發(fā)射藥溫度越高，藥床點火性能越好，在相同的中心傳火管點傳火的條件下，藥床點火均一性越好[15]。因此，ADR發(fā)射藥不僅低溫下高壓動態(tài)燃燒無異常，在高溫條件下，膛內(nèi)燃燒穩(wěn)定性更佳。

2.4 石墨光澤對ADR發(fā)射藥膛內(nèi)燃燒規(guī)律的影響

圖5為石墨光澤ADR發(fā)射藥典型膛內(nèi)燃燒壓力變化曲線。由圖5可見，不同溫度下，石墨光澤ADR發(fā)射藥膛內(nèi)高壓燃燒正常。與未光澤發(fā)射藥相比，石墨光澤ADR發(fā)射藥膛壓曲線較為光滑，膛內(nèi)壓力波動也較小。

圖5 石墨光澤ADR發(fā)射藥典型膛內(nèi)燃燒壓力變化曲線Fig.5 The representative pt—t, pd—t and Δp—t curves of interior burning process of graphite coated ADR gun propellants

表4列出了石墨光澤ADR發(fā)射藥的膛內(nèi)高壓燃燒特征值。

表4 石墨光澤ADR發(fā)射藥膛內(nèi)高壓燃燒特征值

由表4可見，與未光澤ADR發(fā)射藥相比，石墨光澤ADR發(fā)射藥膛內(nèi)燃燒隨溫度的變化規(guī)律基本相同。然而，在裝填密度增加12.3%的情況下，石墨光澤ADR發(fā)射藥-DPi明顯減小，-40、20和50 ℃條件下，-DPi分別降低了40%、36%和44%，QDP分別降低了21%、25%和10%。因此，石墨光澤后，在本試驗的點傳火結(jié)構(gòu)下，ADR發(fā)射藥的膛內(nèi)高壓燃燒穩(wěn)定性明顯增加。

表5列出了ADR發(fā)射藥光澤前后起始階段燃燒平均壓力陡度，反應了裝藥起始階段燃氣生成猛度的變化。

表5 石墨光澤前后ADR發(fā)射藥起始燃燒平均壓力陡度

由表5可見，光澤后，-40、20和50℃條件下，ADR發(fā)射藥在10～30MPa時Q1分別降低了27%、11%和54%，Q2則未見明顯變化。因此，石墨光澤處理，可降低ADR發(fā)射藥10～30MPa范圍內(nèi)的燃氣生成猛度，但對30MPa以上的燃氣生成猛度則無明顯影響。研究表明，表面包覆處理可在發(fā)射藥表面/表層建立緩燃層，可降低發(fā)射藥起始燃速和燃氣生成猛度，從而減小膛內(nèi)壓力波[6, 16-17]。發(fā)射藥藥粒經(jīng)石墨光澤后，片層石墨緊密附著在發(fā)射藥表面，在發(fā)射藥表面形成厚度為微米級的石墨層。由于石墨具有良好的氣體阻隔特性[18]，在燃燒起始階段，可有效延緩燃氣對發(fā)射藥表層的侵蝕，阻礙了表層發(fā)射藥的快速燃燒，從而降低了局部壓力上升速率；隨著膛內(nèi)壓力和溫度的上升，石墨阻隔層的緩燃效果逐漸減小，發(fā)射藥燃燒恢復正常。由于ADR發(fā)射藥配方中含有高比例的RDX，使得ADR發(fā)射藥的起始緩燃特性與DAGR125發(fā)射藥相當[6]，石墨光澤更進一步增加了ADR發(fā)射藥起始緩燃效果，因此，ADR發(fā)射藥具有較好的膛內(nèi)高壓燃燒穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

(1)不同溫度條件下，最大膛壓高于500MPa時，ADR發(fā)射藥定容燃燒過程未見異常，發(fā)射藥靜態(tài)高壓燃燒性能穩(wěn)定性良好。

(2)裝藥中心傳火管點火一致性較好，裝填密度0.48～0.64g/cm3范圍內(nèi)，隨著裝填密度的增加，ADR發(fā)射藥膛內(nèi)壓力波增加幅度逐漸減小；藥體溫度的增加，提高了ADR發(fā)射藥的點火性能和裝藥的點火一致性，增加了ADR發(fā)射藥膛內(nèi)燃燒穩(wěn)定性；ADR發(fā)射藥起始緩燃，石墨光澤處理在發(fā)射藥表面形成阻隔層，進一步增加了ADR發(fā)射藥的起始緩燃效果，使其膛內(nèi)壓力波強度明顯降低。

(3)與RGD7發(fā)射藥相比，ADR發(fā)射藥在火藥力、低溫力學性能、爆溫等方面具有優(yōu)勢，而膛內(nèi)高壓燃燒穩(wěn)定性相當，該發(fā)射藥在高膛壓環(huán)境中應用前景較好。