某型雙基推進劑的老化燃燒性能研究

王恒闖， 陳明華， 樊義偉， 田廣豐， 袁 帥

(1. 軍械工程學院彈藥工程系， 河北 石家莊 050003； 2. 軍械技術研究所， 河北 石家莊 050000； 3. 山西江陽化工有限公司， 山西 太原 030041； 4. 中國人民解放軍駐763廠軍事代表室， 山西 太原 030041)

某型雙基推進劑的老化燃燒性能研究

王恒闖1， 陳明華2， 樊義偉3， 田廣豐4， 袁 帥2

(1. 軍械工程學院彈藥工程系， 河北 石家莊 050003； 2. 軍械技術研究所， 河北 石家莊 050000； 3. 山西江陽化工有限公司， 山西 太原 030041； 4. 中國人民解放軍駐763廠軍事代表室， 山西 太原 030041)

為研究某型雙基推進劑老化后的燃燒性能，在75 ℃恒溫條件下對該雙基推進劑進行了老化處理，并對老化后的樣品進行了密閉爆發器實驗，通過實驗測得的 dp/dt-t曲線計算了雙基推進劑的燃速溫度系數、壓力指數，綜合燃燒特性參數(如氣體生成猛度、壓力全沖量、已燃百分數和火藥力、余容)，以及相對力、相對壓力陡度。結果表明：老化使得雙基推進劑的燃燒性能下降，在75 ℃條件下老化50 d以內，雙基推進劑仍可以安全燃燒，但老化80、120 d的雙基推進劑的燃燒存在不安全因素。

雙基推進劑；老化；密閉爆發器；燃燒特性

某型雙基推進劑長期服役于某型火箭彈，具有生產工藝成熟、結構均勻、燃燒穩定等特點，但在長期貯存過程中，受各種復雜環境以及組成成分緩慢分解的影響，其燃燒性能可能會改變，從而使其在使用過程中存在不可預見的危險[1-2]，因此研究其貯存后的燃燒性能對該雙基推進劑的可靠使用具有重要意義。為此，筆者對某型雙基推進劑開展老化和密閉爆發器實驗，計算其燃燒特性參數，研究熱加速老化對其燃燒性能的影響，為其生產、貯存、使用以及理化性能研究提供理論依據。

1 實驗部分

某型雙基推進劑的主要成分為：硝化棉55.0%(質量分數，下同)，硝化甘油29.3%，二硝基甲苯10.0%等。將某型雙基推進劑置于75 ℃恒溫條件下老化10、30、50、80、120 d，并對老化不同時間的樣品進行密閉爆發器實驗。

1.1 實驗原理

采用的密閉爆發器本體為100 mL的厚壁鋼制圓筒，經標定，其容積V0=106.1 mL，兩端分別用測壓塞頭和點火塞頭密封。在實驗過程中，點火塞上的點火藥包通過點火裝置發出的點火電流點燃，并點燃實驗樣品，其在本體中產生大量氣體，壓力傳感器將壓力轉換為電信號，經電荷放大器放大后由數據采集卡采集，得到燃燒過程的dp/ dt-t曲線。

1.2 實驗準備

1.2.1 藥量計算

點火藥選用2#NC[3-4]，其藥量計算公式為

mig=V0( 1 -Δ/ρ)pig/ (fig+pigαig),

(1)

式中：mig為點火藥量(g)；V0為密閉爆發器容積(mL)；Δ為裝填密度(g/cm3)；ρ=1.61 g/cm3，為樣品密度；pig=10 MPa，為點火壓力；fig=882 J/g，為點火藥的火藥力；αig=1 cm3/g，為點火藥余容。

推進劑的藥量計算公式為[3-4]

m=Δ(V0-migαig),

(2)

式中：m為推進劑裝藥量(g)。

實驗采用低密度(Δ1=0.12 g/cm3)和高密度(Δ2=0.20 g/cm3)裝藥，聯立式(1)、(2)計算得到相應的藥量：mig1=1.10 g，m1=11.41 g；mig2=1.04 g，m2=21.01 g。

1.2.2 樣品準備

將樣品切成5 mm厚的半圓柱，低密度和高密度裝藥各3發。

2 結果與分析

2.1 壓力與燃燒時間

圖1 低密度裝藥的 dp/dt-t曲線

圖1-4分別是低密度、高密度裝藥的 dp/dt-t曲線和P-t曲線。

圖2 低密度裝藥的P-t曲線

圖3 高密度裝藥的 dp/dt-t曲線

圖4 高密度裝藥的P-t曲線

從圖1、3可以看出：所有曲線都有略微波動，排除實驗信號采集環節中噪音的影響，發現老化后樣品的曲線波動較老化前更劇烈，說明老化后的樣品在燃燒過程中不是穩定燃燒。這主要是因為:持續加熱老化使雙基推進劑中的硝酸酯(如硝化纖維素、硝化甘油)發生緩慢分解，特別是硝化纖維素分解后其分子鏈斷裂，導致某型雙基推進劑的內部結構發生變化，從而影響了應力分布。

根據圖2、4中的P-t曲線，得到燃燒過程中2種裝藥密度的最大壓力和燃燒時間，如表1所示。可以看出：通過密閉爆發器實驗獲得的雙基推進劑最大壓力，遠遠大于實際使用過程的壓力，但其壓力的變化趨勢很好地表現出熱加速老化對其燃燒性能的影響；隨著老化時間的增加，2種裝藥密度的最大壓力逐漸減小，說明老化使得推進劑中能量減小，而該雙基推進劑的能量主要來源于硝化甘油和硝化纖維素，即老化使得硝化甘油和硝化纖維素產生熱分解及熱揮發，且老化時間越長，變化越明顯。

表1 2種裝藥密度的最大壓力和燃燒時間

2.2 燃速溫度系數和壓力指數

環境溫度的微小變化和與之對應的燃速變化的比值稱為燃速溫度系數[5]。壓力指數是推進劑的重要參數之一，在理想情況下，壓力指數n=1，即燃速不受壓力的影響[5-6]；但在一般情況下，系統的能量越大，推進劑的燃速也就越大。當n>0.7時，即使推進劑具有較高的能量，其也將不能在實際中使用。燃速與壓力指數的關系為

v=a·pn，

(3)

式中：v為燃速(m/s)；a為常數；p為壓力(MPa)。

根據式(1)并結合火藥綜合參數計算軟件，得到老化后某型雙基推進劑2種裝藥密度的燃速溫度系數A和壓力指數n，如表2所示。

從表2可以看出：隨著老化時間的增加，試樣的燃速溫度系數減小，導致發動機工作時燃燒室內壓強降低，工作時間延長，從而造成推力減小，影響發動機的正常使用；壓力指數隨老化時間增加逐漸變大，且在75 ℃條件下老化80、120 d后2種裝藥密度的壓力指數均大于0.7，說明此時的雙基推進劑已不能在實際中使用。

表2 2種裝藥密度的燃速溫度系數和壓力指數

2.3 綜合燃燒參數

為更加綜合地評價熱加速老化對某型雙基推進劑燃燒性能的影響，需計算試樣的壓力全沖量Ie、已燃百分數Ψe、氣體生成猛度Γe、火藥力f和余容α。

雙基推進劑燃燒過程的勢平衡點壓力全沖量Ie為

(4)

在勢平衡點處雙基推進劑燃燒損失的百分比(即已燃百分數Ψe)為

(5)

式中：χ為取決于推進劑形狀和尺寸的特征量；σ為相對燃燒面積；Z為相對厚度。

在勢平衡點處雙基推進劑的氣體生成猛度Γe為

(6)

通過式(4)-(6)計算得到某型雙基推進劑2種裝藥密度的綜合燃燒參數，如表3所示。可以看出：隨著老化時間的增加，Ie、Γe以及Ψe都有相應的減小，說明75 ℃條件下的持續老化使得雙基推進劑的綜合燃燒性能下降。

表3 2種裝藥密度的綜合燃燒參數

火藥力是指1 kg的火藥在定容絕熱條件下燃燒，使燃燒產物的溫度和壓力達到最大值，此時的壓力和容積的乘積值為火藥的定容火藥力；火藥的余容是指1 kg火藥燃氣分子本身不可壓縮的體積[7-8]。因此，火藥力和余容是評價火藥燃燒性能的重要參數。根據表1中Pm1、Pm2可得到[6]：

f=Pm2/Δ2-αPm2；

(7)

α=(Pm2/Δ2-Pm1/Δ1)/(Pm2-Pm1)。

(8)

通過式(7)、(8)計算得到某型雙基推進劑的火藥力f和余容α，如表4所示。可以看出：隨著老化時間的增加，該雙基推進劑的火藥力整體上呈下降趨勢，但不是很明顯，根據火藥力的定義，可以證明在老化過程中雙基推進劑中的能量成分(即硝化甘油和硝化纖維素)發生熱分解及熱揮發；在老化30 d內，該雙基推進劑的余容隨著老化時間的增加迅速下降，但是之后基本保持不變，余容表征雙基推進劑燃燒產生的氣體體積，余容下降說明老化使得雙基推進劑組成成分發生變化。

表4 某型雙基推進劑的火藥力和余容

2.4 相對壓力陡度和相對力

相對壓力陡度是在相同壓力下P-t曲線斜率的比值，用RQ表示；相對力是樣品與參照藥的最大壓力比值，用RF表示。二者可以用來評價雙基推進劑的強度和燃燒性能[9-11]，根據定義可以得到

(9)

(10)

式中：n為每組實驗的次數。

由于本文主要探究某型雙基推進劑老化后燃燒性能的改變，故將未老化的樣品作為參照藥，每組實驗重復3次，通過式(9)、(10)計算得到2種裝藥密度的相對壓力陡度和相對力，如表5所示。可以看出：老化后某型雙基推進劑的相對壓力陡度不是很大，老化50 d之前樣品的相對壓力陡度均小于1，說明其能夠安全燃燒，老化80、120 d樣品的相對壓力陡度大于1，說明其在燃燒過程中存在一定的安全隱患[5]；老化后樣品的相對力均小于1，且老化時間越長，相對力越小，說明老化使得樣品中的能量成分發生變化，導致其燃燒的最大壓力下降。

表5 2種裝藥密度的相對壓力陡度和相對力

3 結論

筆者以75 ℃條件下老化處理的某型雙基推進劑為研究對象，對其進行了密閉爆發器實驗，通過實驗測得的dp/dt-t曲線對該雙基推進劑各參數進行了計算，結果表明：各參數受老化時間影響較大，老化80 d后已不能滿足安全使用條件。為了系統地對某型雙基推進劑的理化性能進行研究，下一步將對其老化后的安定劑含量和安定性變化趨勢開展實驗，以評價其貯存安全性。

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(責任編輯：尚彩娟)

Research on an Aging Combustion Properties of a Certain Type of Double Base Propellant

WANG Heng-chuang1, CHEN Ming-hua2, FAN Yi-wei3, TIAN Guang-feng4, YUAN Shuai2

(1. Department of Ammunition Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China；2. Ordnance Technology Research Institute, Shijiazhuang 050000, China；3. Jiangyang Chemical Industrial Co. Ltd, Taiyuan 030041, China; 4.PLA Military Representative Office Stationed in 763 Factory , Taiyuan 030041, China)

In order to research on an aging combustion properties of a certain type of double base propellant, the double base propellant is aged under 75 ℃, and the closed bomb test on aging double base propellant is taken. The burning rate temperature coefficient and burning rate pressure exponent, comprehensive combustion characteristic parameters ( like gas generate brisance, total pressure impulse, percentage of burned out, impetus and capacity) as well as relative force and relative pressure gradient are calculated by dp/dt-tcurves gotten from the closed bomb test. The results show that aging makes the combustion properties of the double base propellant reduced, the propellant can burn safely when aging is over 50 d under 75 ℃, but it has an insecurity factor in combustion when aging is 80 d and 120 d.

double base propellant; aging; closed bomb test; combustion properties

1672-1497(2016)05-0060-04

2016-07-28

王恒闖(1990-)，男，碩士研究生。

V512

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.05.012