AP粒度對底排藥燃速的影響

張洪林,劉寶民,焦宗平,于洪江,余業建

(1.遼寧慶陽特種化工有限公司 ,遼寧 遼陽 111002;2.總裝備部駐遼寧慶陽特種化工有限公司代表室,遼寧 遼陽 111002)

引 言

底排技術作為一種彈丸增程技術廣泛應用于各種超音速彈丸中[1]。底排藥是底排技術中減少彈丸底部阻力的重要能源組成。燃速是底排藥燃燒性能的重要參數,影響底排彈結構、排氣參數及減阻效率[2]。影響底排藥燃速的因素主要有配方、原料性狀、制造工藝、燃速催化劑、燃燒狀態等。底排藥作為在常壓(約0.1M Pa)條件下燃燒的一種火藥,其燃速有自身的特點,并直接影響底排彈的性能,對于復合底排藥,影響其燃速的主要因素是底排藥組分中的 AP,研究 AP粒度對底排藥燃速的影響,對調節和穩定底排藥的燃燒性能具有重要作用。研究表明,氧化劑的粒度對推進劑的燃速有較大影響,其中 AP對推進劑燃速的影響研究較多[3-5]。但關于AP對底排藥燃速影響的報道較少[6]。本實驗利用底排藥試驗裝置,研究了AP粒度及分布對底排藥燃速的影響。

1 實 驗

1.1 樣品及試驗裝置

底排藥,以 AP為氧化劑,HTPB為黏合劑,附加其他組分制成,遼寧慶陽特種化工有限公司。

AP粒度測試采用丹東百特儀器廠 BT9300激光粒度儀。

底排藥試驗裝置結構見圖 1。

1.2 實驗過程

將制備的底排藥裝入試驗裝置中,在常壓(約0.1MPa)、常溫 (20℃ )條件下 ,用 8g 2號黑火藥點燃底排藥,測得底排藥的靜態燃燒時間,由公式(1)獲得底排藥的燃速u。

式中:R為底排藥外徑與內孔徑之差的1/2;t為底排藥的燃燒時間。

圖 1 底排藥試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the base bleed charge test equipment

2 結果與討論

2.1 AP粒度對底排藥燃速的影響

AP對底排藥燃速的影響主要有兩個方面:一是AP熱分解產物對底排藥燃燒氣相反應的影響;另一方面是AP粒度對底排藥燃燒表面形狀的影響。對于AP含量相同的底排藥,AP的熱分解產物是相同的;但相同 AP含量,不同 AP粒度的底排藥,其燃速是不同的[7]。燃速隨 AP粒度的變化曲線見圖 2。

圖2 底排藥燃速隨 AP粒度的變化曲線Fig.2 The u-d curve of the base bleed charge with different particle size of AP

由圖2結果可見,隨著 AP粒度的增加,底排藥的燃速減小。

假設 AP晶粒為球體,可計算出單位質量底排藥中 AP晶粒的總表面積。單位質量底排藥中,AP晶?？倲祅可由下式計算:

式中:a AP為底排藥中 AP的質量分數;d AP為AP密度,其值為 1.95kg/cm3;V AP為單個 AP晶粒的體積,可由式(3)計算:

式中:d AP為 AP晶粒的直徑。

則單位質量底排藥中 AP晶粒總表面積S可由式(4)計算:

單位質量底排藥中 AP晶粒的總表面積隨 AP粒度的變化曲線見圖 3。

圖3 單位質量底排藥中 AP晶?？偙砻娣e隨 AP粒度的變化曲線Fig.3 The relation between the total superficial area of APgrains in the base bleed charge and the particle size of AP

由圖 3可見,在 AP含量相同的條件下,隨著 AP粒度的增加,單位質量底排藥中 AP晶粒的總表面積不斷減小。由圖2和圖3可得到底排藥燃速隨單位質量底排藥中 AP晶?？偙砻娣e的變化曲線,見圖4。

圖4 燃速隨 AP晶?？偙砻娣e的變化曲線Fig.4 Curve of burning ratechanged with total superficial area of APgrains

對底排藥的燃速和單位質量底排藥中 AP晶粒總表面積數據進行回歸計算,可得到燃速u隨總表面積S的變化關系:

由公式(2)可計算出u與 S之間的相關系數r=0.9999。由此可得,底排藥的燃速與單位質量底排藥中 AP晶粒總表面積是線性相關的。

由單位質量底排藥中AP晶粒的總表面積與AP粒度的關系,可得到單位質量底排藥中 AP晶?？偙砻娣e隨 AP粒度的變化率:

由此可得到單位質量底排藥中 AP晶?？偙砻娣e變化率與粒度的關系曲線,見圖5。

圖 5 AP晶粒的總表面積變化率與 AP粒度的關系曲線Fig.5 Curve of total superficial area change rate of AP grains with AP particle size

由圖5可看出,單位質量底排藥中AP晶粒的總表面積變化率與 AP粒度呈非線性變化關系,當 AP粒度較小時,單位質量底排藥中 AP晶?？偙砻娣e變化率的絕對值較大;隨著 AP粒度的增大,這種變化率的絕對值逐漸減小。由于底排藥的燃速與單位質量底排藥中 AP晶粒總表面積的線性相關性,所以,底排藥的燃速隨 AP粒度的變化關系與單位質量底排藥中 AP晶?？偙砻娣e隨 AP粒度變化的關系相似。

底排藥中 AP的燃燒反應是 AP晶粒表面的氣化熱分解反應[8],對于相同 AP含量的底排藥,AP粒度減小,則單位質量底排藥中 AP晶粒的數量增加,AP晶粒總表面積增大[9],增加了 AP晶粒表面反應面積,導致底排藥燃速提高。由單位質量底排藥中 AP晶?？偙砻娣e隨 AP粒度的變化率和底排藥燃速隨單位質量底排藥中 AP晶?？偙砻娣e的變化關系可得,在不同 AP粒度范圍內,AP粒度對底排藥燃速的調節作用不同。AP粒度越小,底排藥的燃速對 AP粒度越敏感[10]。

2.2 AP粒度級配對底排藥燃速的影響

根據底排藥生產工藝要求[11-12],AP需要粒度級配。對用兩種 AP粒度級配的底排藥和用3種AP粒度級配的底排藥進行燃速實驗,結果見表 1。

由表 1可見,對于 AP含量相同的底排藥,不同AP粒度級配其燃速也不同。由于底排藥燃速變化與 AP粒度有關,對用不同 AP粒度級配的底排藥,當單位質量底排藥中 AP的總表面積變化時,會影響底排藥燃速的變化。

對表1中不同 AP粒度級配的單位質量底排藥中 AP的總表面積進行計算,結果見表2。

表1 AP粒度級配對底排藥燃速的影響Table 1 The burning rate of the base bleed charge with different particle size of AP

表2 不同 AP粒度級配的單位質量底排藥中 AP的總表面積計算結果Table 2 Calculated results of the total superficial area of APof the base bleed charge with different particle size of AP

對比表1和表2結果可得,若單位質量底排藥中AP晶粒的總表面積基本相同,則底排藥的燃速也基本相同。表明影響燃速的主要因素是單位質量底排藥中AP晶粒的總表面積。所以,控制單位質量底排藥中 AP晶?？偙砻娣e的一致性是保持底排藥燃速穩定的重要條件。

3 結 論

(1)底排藥燃速變化與 AP粒度密切相關,單位質量底排藥中 AP晶?？偙砻娣e的變化決定了底排藥燃速的變化。

(2)底排藥的燃速變化率隨AP粒度的變化呈非線性,隨著 AP粒度增大,底排藥燃速的變化率減小。

(3)不同粒度 AP級配對底排藥燃速的影響取決于單位質量底排藥中 AP晶?？偙砻娣e的變化量。

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