硝酸異丙酯對單基發射藥燃燒性能的影響

陳永康，陳明華，張 力，張 濤，王 宇

（1．軍械工程學院，河北石家莊050003；2．軍械工程學院軍械技術研究所，河北石家莊050003；3．江蘇連云港警備區，江蘇 連云港222042）

引 言

云爆彈是一種以氣化燃料在空氣中爆炸產生沖擊波超壓獲得大面積殺傷和破壞效果的彈藥［1］。常用云爆劑的成分為鎂粉和硝酸異丙酯［2］（Isopropyl Nitrate，簡稱IPN）。由于硝酸異丙酯固有的特性以及加工工藝所限，在貯存過程中不可避免地會滲漏出來，對彈藥中的燃爆部件造成危害。發射藥燃燒產生的高溫高壓氣體是推動彈丸運動的能量來源，直接影響彈藥的內彈道性能。云爆劑中的硝酸異丙酯進入發射藥內部后，會影響發射藥的點火、燃燒規律、燃燒壓力以及燃燒時間等參數。曾秀琳［2］用DSC和ARC對硝酸異丙酯的熱穩定性進行研究；宣衛芳等［3］提出利用氣相色譜和原子吸收光譜等方法來檢測分析云爆劑的化學安定性。

本實驗針對云爆劑中主要組分硝酸異丙酯的滲漏問題，用密閉爆發器試驗研究其對單基發射藥燃燒性能的影響，為評估、預防和控制硝酸異丙酯對發射藥燃燒性能的影響提供參考。

1 實 驗

1．1 藥量計算

點火藥量的計算公式［4］為：

式中：mig為點火藥量，g；V0為密閉爆發器體積，mL；Δ 為發射藥裝填密度，g／cm3；ρ為發射藥密度，1．6g／cm3；pig為點火壓力，取10MPa；fig為點火藥火藥力，取882J／g。

發射藥裝藥量的計算公式［4］為：

式中：m為發射藥裝藥量，g；αig為點火藥余容，取1cm3／g。

單基發射藥的裝填密度Δ1＝0．10g／cm3和Δ2＝0．16g／cm3，分別代入式（1）、式（2）計算得到相應的點火藥量和發射藥量：mig1＝1．13g，m1＝10．50g；mig2＝1．08g，m2＝16．80g。將5 組發射藥裝入密閉爆發器，用注射器向其中注入硝酸異丙酯液體，然后盡快擰緊螺栓防止揮發。5組發射藥加入硝酸異丙酯的體積分別為0、0．2、0．4、0．6、0．8mL。

1．2 燃燒性能測試

采用南京理工大學研制的內彈道性能靜態模擬測試系統測試發射藥的燃燒性能，選用100mL的密閉爆發器本體，對本體進行標定，得到其容積V0為106．1mL。點火藥為2號硝化棉。按照GJB770A－97火藥試驗方法中密閉爆發器試驗微分壓力法進行實驗，測得發射藥燃燒時的p－t曲線和dp／dt－t曲線。

2 結果與分析

2．1 最大壓力和燃燒時間

用壓力傳感器測得高密度裝藥條件下（Δ2＝0．16g／cm3）發射藥的p－t曲線和dp／dt－t曲線，結果見圖1。

圖1 高密度裝藥條件下單基發射藥的p－t和dp／dt－t曲線Fig．1 p－t and dp／dt－t curves of single－base gun propellants under the condition of high density charge

根據p－t曲線，得到單基發射藥的最大壓力（pm）和燃燒時間，如表1所示。其中最大壓力是扣除點火壓力并經過熱損失修正后的最大壓力。

表1 單基發射藥的最大壓力和燃燒時間Table 1 Maximum pressure and combustion time of single－base gun propellants

從圖1和表1可以看出，加入硝酸異丙酯后，低密度和高密度裝藥條件下單基發射藥的最大壓力都提高了10MPa左右。楊茜［5］用ARC 研究了硝酸異丙酯的絕熱分解，發現其在156℃發生分解。在密閉爆發器中，硝酸異丙酯先發生氣化由液態變為氣態，發生分解參加燃燒，導致壓力增大。

在低密度裝藥條件下，加入硝酸異丙酯后單基發射藥的燃燒時間略有減小，從10．17ms縮短至9．80ms；在高密度裝藥條件下，加入硝酸異丙酯后單基發射藥燃燒時間縮短，且變化幅度更明顯，從8．23ms縮短至7．63ms。表明加入硝酸異丙酯會縮短發射藥的燃燒時間，影響發射藥的燃燒。

2．2 綜合燃燒特性參數

通過p－t曲線計算得到單基發射藥的綜合燃燒特性參數，結果見表2。

表2 單基發射藥的綜合燃燒參數Table 2 Comprehensive combustion parameters of single－base gun propellants

由表2看出，燃燒參數均沒有發生明顯變化，故認定硝酸異丙酯對單基發射藥的氣體生成猛度、壓力全沖量以及火藥的燃燒量沒有影響。

2．3 火藥力和余容

余容和火藥力［6］是發射藥內彈道性能的重要參數，其計算公式為［7］：

式中：f 為火藥力，J／g；α為余容，cm3／g；pm1為與Δ1對應的平均最大壓力，MPa；pm2為與Δ2對應的平均最大壓力，MPa。

將表1中的試驗結果代入式（3）和（4），得到被測單基發射藥的余容以及火藥力，如表3所示。

表3 單基發射藥的火藥力和余容Table 3 Impetus and covolume of single－base gun propellants

由表3看出，加入硝酸異丙酯后，單基發射藥的余容逐漸變小，而火藥力不斷增大。分析認為，硝酸異丙酯分解放熱，產生一定量氣體導致單基發射藥余容變小，同時產生一定的能量使其火藥力變大。

2．4 燃燒速度定律

通常采用試驗方法測定火藥的燃燒速度，燃燒速度定律也都是指試驗的燃燒速度定律［6］。在密閉爆發器試驗中，對于給定的火藥，在一定的初溫條件下，選擇合適的裝填密度，測出p－t曲線，根據p－t曲線得出火藥的燃燒速度與壓力的關系，即火藥的燃燒速度定律。本研究在高密度裝藥條件下用密閉發器測得單基發射藥的u－p 曲線，見圖2。

圖2 高密度裝藥條件下單基發射藥的u－p 曲線Fig．2 The u－pcurves of single－base gun propellants under the condition of high density charge

表4是通過計算得出的樣品在兩種裝填密度條件下的燃速系數（α）和壓強指數（n）。

表4 單基發射藥的燃速系數和壓強指數Table 4 The burning rate coefficient and pressure exponent for single－base gun propellants

從圖2可以看出，加入硝酸異丙酯后，單基發射藥的燃燒速度發生變化，樣品2、3、5的燃速均大于樣品1。由表4結果發現，加入硝酸異丙酯后低密度裝藥條件下單基發射藥的燃速系數逐步增大，壓強指數逐漸減小；高密度裝藥條件下其燃速系數均大于樣品1，同時壓強指數也均小于樣品1。單基發射藥燃燒時間縮短，燃速增大，體現在燃速定律上則是發射藥的燃速系數變大。

3 結 論

（1）加入硝酸異丙酯和不加硝酸異丙酯的結果差異明顯，而加入硝酸異丙酯的4組試驗結果較為相近，因此由于注射器產生的加量誤差造成的影響可忽略不計，不會影響到最終的判定結果。

（2）加入硝酸異丙酯后，單基發射藥的最大壓力增加，燃燒時間減小，燃速系數增大，壓強指數減小。

（3）加入硝酸異丙酯后，單基發射藥的余容逐漸減小，火藥力不斷增大。勢平衡點的氣體生成猛度、壓力全沖量以及火藥已燃百分數等燃燒參數沒有發生明顯變化。

［1］ 王志軍，尹建平．彈藥學［M］．北京：北京理工大學出版社，2012．

［2］ 曾秀琳．硝酸酯熱安定性的理論與試驗研究［D］．南京：南京理工大學，2007 ZENG Xiu－lin．Experimental and theoretical studies on the thermal stability of nitrates［D］．Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2007．

［3］ 宣衛芳，陳世英，黃閩，等．云爆劑化學穩定性檢測分析方法探討［J］．裝備環境工 程，2008，5（4）：56－58．XUAN Wei－fang，CHEN Shi－ying，HUANG Min，et al．Discussion on stability test method of fuel air explosives［J］．Equipment Environment Engineering，2008，5（4）：56－58．

［4］ GJB770A－97．火藥試驗方法［S］．1997．

［5］ 楊茜，陳利平，陳網樺，等．4種硝酸酯熱安定性的絕熱試驗研究［J］．環境與安全學報，2012，12（1）：186－190．YANG Qian，CHEN Li－ping，CHEN Wang－hua，et al．Research on the thermal stability of four nitrates by accelerating the rate calorimeter［J］．Journal of Safety and Environment，2012，12（1）：186－190．

［6］ 金志明．槍炮內彈道學［M］．北京：北京理工大學出版社，2004．

［7］ 賈昊楠．環境濕度對可燃藥筒燃燒性能影響研究［D］．石家莊：軍械工程學院，2011．JIA Hao－nan．Impact study on burning performance of combustible cartridge case by environmental humidity［D］．Shijiazhuang：Ordnance Engineering College，2011．