硝酸異丙酯對三基發射藥的燃燒性能影響

陳永康， 陳明華， 張 力， 葛 強， 王韶光

(1. 軍械工程學院彈藥工程系，河北 石家莊 050003； 2. 63908部隊， 河北 石家莊 050000)

硝酸異丙酯對三基發射藥的燃燒性能影響

陳永康1， 陳明華2， 張 力1， 葛 強2， 王韶光2

(1. 軍械工程學院彈藥工程系，河北 石家莊 050003； 2. 63908部隊， 河北 石家莊 050000)

為研究硝酸異丙酯對三基發射藥燃燒性能的影響，利用密閉爆發器測試了三基藥在混合了硝酸異丙酯環境中的燃燒性能。測得了發射藥的壓力曲線和微分曲線，確定了最大壓力和燃燒時間，計算得到了氣體生成猛度、壓力全沖量、火藥已燃百分數、火藥力和余容等參數以及燃燒速度定律。通過研究發現：硝酸異丙酯會使三基藥的燃燒時間延長、燃燒速度減慢、燃燒速度系數減小、壓力指數增大。

燃燒；密閉爆發器；硝酸異丙酯；三基藥

云爆彈[1]也稱燃料空氣炸藥，作為一種地面毀傷武器，現已大量裝備部隊。目前，常用云爆劑的組分為鎂粉和硝酸異丙酯(Isopropyl Nitrate)[2-3]。硝酸異丙酯是一種強氧化劑和強溶劑，具有易揮發、易燃、易爆和溶解性強等特點，同時由于受制造工藝限制，戰斗部不完全密封，硝酸異丙酯會不可避免地從戰斗部與引信室的接口處開始發生滲漏，從而擴散到彈藥內部以及周圍的環境中[4]，對發射藥的燃燒性能造成危害，這將直接影響彈藥的可靠使用。自從裝備云爆彈以來，出現了一些問題，尤其是某型云爆彈出現了嚴重的不爆現象，給軍隊和工廠造成了重大的經濟損失，其原因就是硝酸異丙酯的滲漏。

曾秀琳[2]利用熱分析實驗測試了硝酸異丙酯的熱穩定性，宣衛芳等[5]提出利用氣相色譜和原子吸收光譜等方法檢測云爆劑的化學安定性。但關于硝酸異丙酯對發射藥燃燒性能影響的研究還鮮有報道。針對這一問題，本文利用密閉爆發器實驗研究硝酸異丙酯對三基藥燃燒性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗裝置

密閉爆發器[6-7]是定容、閉氣、耐高壓的容器，其結構如圖1所示。

圖1 密閉爆發器結構

實驗選用100 mL的本體，經標定，容積V0=106.1 mL。

1.2 樣品準備

樣品為三基發射藥，點火藥為2#NC。點火藥藥量[8]為

mig=V0(1-Δ/ρ)pig/(fig+pigαig)，

(1)

式中：Δ為裝填密度(g/cm3)；fig=882 J/g，為點火藥火藥力；αig=1 cm3/g，為點火藥余容；ρ=1.6 g/cm3，為點火藥密度；pig=10 MPa，為點火壓力。

發射藥裝藥量[8]為

m=Δ(V0-migαig)。

(2)

分別將裝填密度為低密度Δ1=0.10 g/cm3和高密度Δ2=0.16 g/cm3代入式(1)、(2)，計算得到相應的點火藥藥量和發射藥藥量：在低密度裝藥條件下，點火藥藥量mig1=1.13 g，發射藥藥量m1=10.50 g；在高密度裝藥條件下，點火藥藥量mig2=1.08 g，發射藥藥量m2=16.80 g。實驗準備5組樣品，將發射藥樣品裝入本體后，分別將不同量的硝酸異丙酯與之混合。具體各組樣品所混合硝酸異丙酯的體積VIPN如表1所示。

表1 樣品所混合硝酸異丙酯的體積

1.3 燃燒性能實驗

圖2-5分別是在低密度、高密度裝藥條件下各組樣品的P-t曲線和dP/dt-t曲線。根據實驗所得P-t曲線，得到相應的最大壓力和燃燒時間，如表2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。

圖2 低密度裝藥條件下樣品的P-t曲線

圖3 低密度裝藥條件下樣品的dP/dt-t曲線

圖4 高密度裝藥條件下樣品的P-t曲線

圖5 高密度裝藥條件下樣品的dP/dt-t曲線

從以上結果可以看出：樣品混合硝酸異丙酯后，在低密度和高密度裝藥條件下的最大壓力均有所增大。這是由于在密閉爆發器中硝酸異丙酯參加燃燒并發生分解，導致了壓力增大。

表2 2種裝藥條件下樣品的最大壓力和燃燒時間

由表2可知：在低密度裝藥條件下，樣品的燃燒時間由原樣的19.33 ms最大延長至25.15 ms；在高密度裝藥條件下，樣品的燃燒時間由原樣的16.50 ms最大延長至19.40 ms。這表明：硝酸異丙酯會明顯延遲三基藥的燃燒時間，減慢三基藥的燃燒速度。

2 結果與分析

2.1 綜合燃燒特性參數

表3是計算得到的2種裝藥條件下樣品的綜合燃燒特性參數，其計算公式分別如下。

火藥已燃百分數Ψe：

(3)

式中：χ為火藥形狀特征量，取決于火藥形狀和尺寸；σ為相對燃燒面積；Z為相對厚度。

勢平衡點氣體生成猛度，即勢平衡點處火藥燃氣生成的猛度Γe：

(4)

勢平衡點壓力全沖量Ie：

。 (5)

通過比較表3中各個樣品的數據發現：硝酸異丙酯對三基藥的火藥已燃百分數、氣體生成猛度、壓力全沖量沒有明顯的影響。

2.2 火藥力和余容

火藥力和余容[9]是發射藥重要的能量性能參數，其計算公式分別為[10]

(6)

(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2中的實驗結果代入到式(6)、(7)中，得到被測樣品的火藥力以及余容,結果如表4所示。

表4 樣品的火藥力和余容

由表4可見：混合硝酸異丙酯后，樣品的余容不斷減小，火藥力不斷增大，這是由于硝酸異丙酯分解放熱，產生一定量氣體和能量。

2.3 燃燒速度定律

在密閉爆發器實驗中，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，根據該曲線計算得出火藥的燃燒速度u與壓力P之間的關系，即火藥的燃燒速度定律[9]。

u=APν,

(8)

式中：A為燃燒速度系數；ν為壓力指數。

圖6是低密度裝藥條件下樣品的u-P曲線。

圖6 低密度裝藥條件下樣品的u-P曲線

對式(8)兩邊各取對數，代入燃燒速度和壓力值，通過擬合曲線可得到A和ν。表5是通過計算得出的低密度和高密度裝藥條件下的A和ν。

從圖6可以看出:混合硝酸異丙酯后,樣品的燃燒速度變化明顯，3#、4#、5#樣品的燃燒速度明顯下降。由表5可見：在低密度和高密度裝藥條件下混合硝酸異丙酯后，樣品的燃燒速度系數都顯著減小，同時壓力指數增大。這是由于燃燒時間增加，導致燃燒速度變慢；同時，由于最大壓力增大，導致壓力指數增大。

表5 2種裝藥條件下樣品的燃燒速度系數和壓力指數

3 結論

在混合硝酸異丙酯之后，由于硝酸異丙酯的分解參加燃燒，產生一定的氣體與能量，導致樣品的最大壓力增大，從而使火藥力增大、余容減小；同時，樣品的燃燒時間延長，燃燒速度減慢。然而，筆者曾在研究硝酸異丙酯對單基發射藥的燃燒性能影響[11]時發現：在混合硝酸異丙酯后，單基發射藥的燃燒時間縮短，燃燒速度加快。將單基藥與三基藥的成分進行對比，分析認為：硝化甘油或硝基胍與硝酸異丙酯作用，從而延緩了三基藥的燃燒。

[1] 王志軍, 尹建平. 彈藥學[M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2012:405-407.

[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.

[3] 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.

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[5] 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.

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[9] 祝明水, 龍新平, 蔣小華. 不同粒徑RDX的燃燒特性研究[J]. 含能材料, 2004, 12(1): 40-42.

[10] 金志明. 槍炮內彈道學[M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2004:19-21.

[11] 陳永康, 陳明華, 張力, 等. 硝酸異丙酯對單基發射藥燃燒性能的影響[J]. 火炸藥學報, 2014, 37(4):84-86.

(責任編輯:尚彩娟)

Influence of Isopropyl Nitrate on Combustion Performance of Triple-base Propellant

CHEN Yong-kang1, CHEN Ming-hua2, ZHANG Li1, GE Qiang2, WANG Shao-guang2

(1. Department of Ammunition Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China;2. Troop No.63908 of PLA, Shijiazhuang 050000, China)

In order to study the influence of isopropyl nitrate on combustion performance of triple-base propellant, the closed bomb is used to test the combustion performance of triple-base propellant in the environment of isopropyl nitrate. Pressure-time curves and their differential curves are obtained, and maximum pressure and combustion time are determined by analyzing curves. Combustion performance parameters including gas generated brisance, pressure impulse, percentage of gunpowder burned out, impetus, covolume and combustion velocity law are calculated. It is shown that isopropyl nitrate can make the combustion velocity slowed, combustion time prelonged, combustion rate coefficient reduced and pressure index increased.

combustion; closed bomb; isopropyl nitrate; triple-base propellant

1672-1497(2015)02-0061-04

2014-12-31

陳永康(1991-)，男，博士研究生。

TQ560.72

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.02.012