模壓可燃藥筒點火特性

鄒偉偉，肖樂勤，周偉良

（南京理工大學(xué) 化工學(xué)院，南京210094）

可燃藥筒作為裝藥的一個重要部件，燃燒特性是其最主要的性能之一[1]，并對內(nèi)彈道性能有很大的影響.點火階段作為燃燒的起始段，對可燃藥筒的整體燃燒特性及炮膛內(nèi)裝藥燃燒過程起著舉足輕重的作用.

可燃藥筒是一種含能的結(jié)構(gòu)功能性多孔材料，孔隙分布不均一，呈現(xiàn)出滲透性燃燒的特點[2～4]，與符合幾何燃燒規(guī)律的火藥相比，具有特殊的燃燒特性.可燃藥筒結(jié)構(gòu)及燃燒規(guī)律的特殊性使得其本身具有獨特的點火特性[5]，所以不能把火藥的點火情況簡單地套用于可燃藥筒.因此，研究可燃藥筒的點火情況對準(zhǔn)確了解可燃藥筒燃燒性能及裝藥設(shè)計均具有重要的意義.本文通過密閉爆發(fā)器試驗分析了可燃藥筒定容點火特性，探討了裝填密度與點火強度對藥筒點火的影響，同時對可燃藥筒與單基藥的點火特性進行了比較.

1 實驗

1.1 試樣

以配方N1可燃藥筒和4/7－單作為研究試樣.N1可燃藥筒含硝化棉、硫酸鹽木漿紙、黏結(jié)劑和助劑，采用抽濾模壓工藝制備，樣品尺寸35 mm×21mm×2.5mm，50℃水浴烘箱干燥24h.

密閉爆發(fā)器中電點火材料選用直徑為0.15～0.20mm的鎳鉻絲，點火藥采用2號硝化棉.

1.2 試驗方法

真密度：采用Micromeritics AccuPycⅡ1340型真密度分析儀測試，測試介質(zhì)為高純氦氣，測試原理為氣體置換法，測試溫度（25±2）℃，可燃藥筒試樣尺寸為35mm×21mm×2.5mm，測試3次求平均值.

比表面積：以Micromeritics AutoPoreⅣ9500型壓汞儀分別表征可燃藥筒、4/7－單的比表面積.測試室溫為（25±2）℃，可燃藥筒試樣尺寸為6.5mm×6.5mm×2.5mm.

熱分解溫度：采用SDT－Q600型TG－DSC分析儀測試，測試氣體為氮氣，體積流量為30mL/min，升溫速率為10℃/min，溫度范圍為50～650℃.

點火特性：以容積為109mL的密閉爆發(fā)器為測試手段，采用 MANFRAMEJV5300A采集系統(tǒng)，SYC－3 000 099 120傳感器，測試方法依據(jù)GJB 5472.9－2005，測試溫度為（25±2）℃，測定結(jié)果以3發(fā)數(shù)據(jù)平均.可燃藥筒試樣尺寸為35mm×21mm×2.5mm.

點火藥量的計算遵照GJB 5472.9－2005標(biāo)準(zhǔn)確定.

N1藥筒與4/7－單的真密度ρ、比表面積Sg、熱分解溫度θ及密閉爆發(fā)器測得的點火時間tk數(shù)據(jù)見表1.點火時間定義為電阻絲通電加熱到點火藥燃燒壓力達到10 MPa時所需要的時間.

表1 可燃藥筒與4/7－單的結(jié)構(gòu)參數(shù)及點火時間

依據(jù)固相點火理論，在點火藥種類與火藥初溫相同的情況下，火藥的熱分解溫度越高，密度越大，火藥越難點燃，所需要的點火時間越長.由表1可知，與4/7－單相比，N1藥筒的密度、熱分解溫度都較低，且藥筒表面粗糙，結(jié)構(gòu)疏松，因此可燃藥筒更容易點火，點火時間縮短，這與密閉爆發(fā)器測得的結(jié)果一致.

圖1、圖2分別為N1藥筒及4/7－單定容燃燒點火階段的p－t曲線和dp/dt－t曲線（圖中曲線為各配方3發(fā)平行試驗數(shù)據(jù)，下同）.

2 結(jié)果與討論

2.1 點火理論

點火是火藥通過外界能量的激發(fā)從非反應(yīng)狀態(tài)到反應(yīng)狀態(tài)的過渡過程，其基本屬性是非定常的[6～8].目前，點火理論主要采用固相點火模型，該模型能夠較真實地描述電熱絲點火和熱固體點火的過程，與密閉爆發(fā)器試驗符合較好，其定性描述點火影響因素的數(shù)學(xué)表達式為

式中，tι為點火藥點火延遲期，λ為火藥的導(dǎo)熱系數(shù)，ρ為火藥的密度，c為火藥的比熱容，h為總傳熱系數(shù)，Tign為火藥點火溫度，Tg為點火藥燃燒產(chǎn)物的溫度，T0為火藥初溫.

2.2 可燃藥筒的定容點火特性

對4/7－單及 N1可燃藥筒進行密閉爆發(fā)器試驗，比較2種火藥的定容點火特性.點火強度為10 MPa，裝填密度為0.12g/cm3.

圖1 N1藥筒與4/7－單點火階段的p－t曲線

圖2 N1藥筒與4/7－單點火階段的dp/dt－t曲線

由圖1、圖2中曲線可知，同一個試樣3發(fā)試驗的結(jié)果具有較好的重現(xiàn)性.由圖1可知，相比4/7－單，N1藥筒點火段的壓力上升迅速，達到10 MPa所需要的時間明顯縮短，這主要是由二者比表面積與密度不同引起的.比表面積大，則裝藥總表面積增加，即吸熱表面增大，熱量散失快；密度與熱傳導(dǎo)系數(shù)有關(guān)，密度大，熱傳導(dǎo)系數(shù)就大，熱量向火藥內(nèi)部的傳輸速度就快，同樣會使得點火段的熱量散失加速.由表1中數(shù)據(jù)可知，N1藥筒的比表面積、密度都較4/7－單小，因而藥筒點火段的熱散失慢，點火藥燃燒速度加快，壓力上升迅速.dp/dt曲線反映了點火段的燃?xì)馍伤俾剩€的峰值表明點火藥的燃燒速率在該點達到極值.圖2中，N1藥筒的dp/dt－t曲線峰值出現(xiàn)在6ms處，6.7ms后可燃藥筒開始燃燒使得壓力速率再次上升，藥筒點燃具有一定的延遲；而4/7－單的dp/dt曲線未出現(xiàn)明顯的峰值，點火延遲時間短，但燃?xì)馍伤俾瘦^緩，壓力上升滯后.

依據(jù)圖2中N1藥筒的dp/dt－t曲線的變化趨勢，可將藥筒的點火過程分為3個階段：①電點火擊發(fā)階段（0～1ms），該過程中電能轉(zhuǎn)化為熱能，時間延長，熱量逐漸積累，點火藥溫度升高，在1ms左右開始燃燒；②可燃藥筒著火階段AB段（1～6.7ms），點火藥燃?xì)庖詿醾鲗?dǎo)的方式和高溫的點火藥氣體以對流及火焰輻射方式，使得藥筒表面層溫度升高，化學(xué)反應(yīng)速度加快，可燃藥筒開始燃燒；③可燃藥筒燃燒的初始階段BC段（6.7～7.13ms），為點火過程的第三階段，該過程中藥筒表面反應(yīng)放出的熱量向內(nèi)層傳遞，使得內(nèi)層溫度升高，反應(yīng)速度加快，火焰加速向內(nèi)層傳播，反映在p－t曲線上即為壓力迅速上升，該過程為點火藥和可燃藥筒共同燃燒階段.

2.3 裝填密度對可燃藥筒點火特性的影響

對N1可燃藥筒進行2種裝填密度（0.12g/cm3和0.20g/cm3）的密閉爆發(fā)器試驗.定容點火時間見表2，表中，pi為點火強度，Δ為裝填密度，tk為點火時間.所得藥筒點火階段的p－t曲線和dp/dt－t曲線分別見圖3和圖4.

表2 N1可燃藥筒不同條件下密閉爆發(fā)器點火時間

圖3 不同裝填密度下N1可燃藥筒點火階段的p－t曲線

圖4 不同裝填密度下N1可燃藥筒點火階段的dp/dt－t曲線

在圖3中，不同裝填密度下N1可燃藥筒點火過程中壓力上升趨勢一致，點火時間基本不變，只是在時間段5～7ms間有一定的區(qū)別.裝填密度提高，裝藥中藥筒的總表面積增加，吸熱表面增大，熱散失較快；點火過程的第二階段壓力上升較慢，但藥筒點燃后，高裝填密度下的壓力迅速增長.可見，點火過程中可燃藥筒參與燃燒，影響點火段的p－t曲線及點火時間.由圖4可知，裝填密度對dp/dt曲線影響較大.低裝填密度下，N1藥筒受熱至開始燃燒，具有一定的延遲，而在高裝填密度下，dp/dt曲線未出現(xiàn)峰值，說明藥筒在峰值6ms前已經(jīng)開始燃燒，點火延遲縮短.

2.4 點火強度對可燃藥筒點火特性的影響

對N1藥筒進行10MPa和20MPa 2種點火壓力下的密閉爆發(fā)器試驗，研究不同點火強度對可燃藥筒點火特性的影響，裝填密度為0.12g/cm3.

不同點火強度下，N1可燃藥筒點火階段的p－t曲線、dp/dt－t曲線見圖5、圖6，點火壓力10 MPa為弱點火，20 MPa為強點火.由圖5和表2可知，強點火條件下，p－t曲線的上升陡度增加，點火時間縮短.而在圖6中，弱點火下dp/dt－t曲線出現(xiàn)峰值，具有較強的燃燒振蕩，且在6ms處出現(xiàn)平臺，該平臺是可燃藥筒受熱而不斷升溫的過程.強點火下，燃?xì)馍伤俾试龃螅境手笖?shù)上升，且dp/dt－t曲線沒有出現(xiàn)峰值，平臺消失，這表明點火強度的增大提高了點火段的燃?xì)馍伤俾剩铀倭它c火藥燃燒產(chǎn)生的高溫氣體產(chǎn)物和火焰沿藥筒表面的傳播速度，縮短了藥筒的定容點火時間.點火壓力的迅速建立不僅保證了可燃藥筒的穩(wěn)定燃燒，而且使可燃藥筒的著火同時性得到提高.

結(jié)合圖4分析結(jié)果可知，裝填密度增加或點火強度提高都會使得藥筒的點火延遲時間縮短，點火過程第二階段末期的燃?xì)馍伤俾恃杆僭黾?

圖5 不同點火強度下N1可燃藥筒點火階段的p－t曲線

圖6 不同點火強度下N1可燃藥筒點火階段的dp/dt－t曲線

3 結(jié)論

①在定容燃燒試驗中，與4/7－單相比，可燃藥筒點火段的壓力上升迅速，燃?xì)馍伤俾矢撸c火時間縮短.

②可燃藥筒的定容點火過程分為3個階段，即電點火擊發(fā)階段、著火階段與藥筒的初級燃燒階段.

③定容燃燒試驗中，裝填密度提高，可燃藥筒點火段壓力上升趨勢不變，點火時間不變，但點火延遲時間縮短.點火強度提高，藥筒點火段的壓力上升陡度增加，燃?xì)馍伤俾侍岣撸c火時間縮短.

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