裝填密度對發射藥燃燒性能影響探究*

2016-09-01 09:39:41晁李金呂秉峰

廣州化工 2016年2期

晁李金, 呂秉峰

(中北大學化工與環境學院, 山西　太原　030051)

裝填密度對發射藥燃燒性能影響探究*

晁李金, 呂秉峰

(中北大學化工與環境學院, 山西太原030051)

發射藥；燃燒性能；密閉爆發器；裝填密度

發射藥是身管武器的能源，其能量釋放是通過有規律的燃燒來實現的，為了保證武器的高效率正常使用，研究發射藥的燃燒性能對武器的射速、精度、安全性等有著十分重要的影響。目前國內外通常采用密閉爆發器對火藥燃燒性能進行研究[1-2]，然而大部分的研究側重于藥型和藥方體系的改善[3-5]，如多層發射藥、包覆藥、低易損性發射藥等。國外Robert E.Tompkins等發現裝填密度從0.1～0.4 g/cm3變化，燃速也有一定的變化[6]。Sharon L.Richardson等做了微型密閉爆發器[7]，發現低裝填密度的燃速與高裝填密度的燃速有一定區別。本文根據不同的裝藥密度確定發射藥的質量，在9.8 MPa點火壓力下，分析不同裝藥密度對1#、2#、3#、4#四種發射藥燃燒性能的影響，對于發射藥基礎數據的積累和實際裝藥應用具有重要意義。

1　試驗部分

1.1試驗樣品

點火藥采用烘干的硝化棉，點火壓力為9.8 MPa，用量的計算公式為：

(1)

式中：ρ——火藥試樣密度

fb——點火藥火藥力

Pb——點火壓力

V——密閉爆發器燃燒室體積

mp——火藥試樣裝藥量

αb——點火藥氣體的余容

發射藥使用1#(DAG15-7/7)、2#(單樟6/7)、3#(RP5-7/7)和4#(SF-3)四種，裝填密度分別為0.12 g/cm3、0.16 g/m3、0.20 g/cm3，裝藥量按照公式(2)進行計算。

mp=Δ·(V-mbαb)

(2)

式中：mp——發射藥試樣的裝填量

V——密閉爆發器燃燒室體積

Δ——發射藥裝填密度

mb——點火藥量

αb——點火藥氣體的余容

1.2密閉爆發器實驗

試驗按照GJB770B-2005進行，密閉爆發器燃燒室容積為100 cm3，使用高壓密閉爆發器本體，發射藥裝填密度為0.12 g/cm3、0.16 g/cm3、0.20 g/cm3，點火壓力為9.8 MPa。

2　實驗結果處理與分析

2.1實驗數據處理方法

(1)根據p-t原始數據計算各點對應的導數(dP/dt)；

(2)發射藥燃燒質量分數Ψi：

(3)

(3)計算壓力沖量IK：

(4)

(4)計算燃氣的動態活度值Li：

(5)

2.2實驗結果分析

根據密閉爆發器試驗，可得到1#發射藥的p-t曲線，然后編制程序，按照上述方法對得到的p-t曲線進行處理，結果如圖1所示。

圖1　1#發射藥燃燒的特征曲線

圖1(a)為1#發射藥的p-t曲線，表1為p-t曲線上相關參數，可知隨著裝填密度的增加，發射最大壓力逐漸變大，其p-t曲線越來越陡，燃燒結束時間越早，點火延遲期也相應減少。這是因為隨著裝填密度的增加，發射藥釋放氣體、能量均增加，發射藥著火的同時性得到改善，燃燒速度增加所致，發射能量提高，有助于提高彈丸初速。

表1　曲線相關的參數

圖1(b)為1#發射藥的壓力陡度曲線，可以看出隨著裝填密度的增大，壓力陡度也隨之增大，壓力升高的速度與表1中發射藥的燃燒時間變化是一致的，是這因為壓力升高速度越快，發射藥的燃燒速度越快，燃燒時間也就越短。此外，拐點出略有變化，主要是因為著火時間不一致或者藥粒尺寸的均一性較差，發射藥的燃燒過程與幾何燃燒定律的假設不完全相符。

圖1(c)為1#發射藥的動態活度(L-B)曲線，裝填密度為0.12 g/cm3的發射藥主燃區間的變化趨勢是緩慢下降的,其燃燒漸增性最差,裝填密度為0.16 g/cm3時其雖有一定的漸增性,但其主燃區間明顯0.20 g/cm3窄很多，而裝填密度為0.20 g/cm3的主燃區間很寬，且變化趨勢是逐漸上升的,其燃燒漸增性效果最好。可見隨著裝填密度的增加，燃燒漸增性也提高，也可以利用燃燒漸增性因子進行定量分析得到相同結論，如表2所示。

表2　對1#發射藥L-B曲線處理結果

圖1(d)為1#發射藥的壓力全沖量曲線，整個過程中不同裝填密度下的壓力沖量都幾乎接近，說明裝填密度對其影響不太大，壓力全沖量近似一樣，燃燒過程遵循正比式燃燒速度函數。此外對于其他三種發射藥實驗結果可得到相同的結論，這里不再贅述。

圖2　時四種發射藥的曲線

發射藥種類積分面積1#火藥0.51602#火藥0.49893#火藥0.52734#火藥0.5361

四種發射藥的藥燃燒漸增性的強弱順序為：2#火藥>1#火藥>3#火藥>4#火藥。在0.16 g/cm3、0.20 g/cm3裝填密度下可得到同樣結論。

3　結　論

(1) 隨著裝填密度的升高，四種發射藥的最大壓力明顯增大，燃燒速度均增大，點火延遲期有一定的減少；

(2) 裝填密度增大，基于L-B曲線的燃燒漸增性得到改善；

[1]金志明.槍炮內彈道學[M].北京：北京理工大學出版社,2004:11-19.

[2]溫剛平,廖昕.用密閉爆發器測定發射藥實際燃速的原理和方法[J].火炸藥學報,2011,34(03):57-60.

[3]魏倫,王瓊林,劉少武,等.多層發射藥的燃燒特性[J].火炸藥報,2009,32(02):75-78.

[4]李麗,楊麗俠.低易損性發射藥點火燃燒性能試驗研究[J].彈報,2004,16(04):52-56.

[5]趙軍.新型發射藥燃燒性能及其影響關系研究[D].南京:南京理工大學,2006.

[6]Robert E.Tompkins,Roer E.Bowman,Arpad Juhasz. A study on the effects of variablesurface area to volume ratio on closed bomb bum rates[R]. ADA161826, 2005, 10.

[7]Sharon L.Richardson,William F.Oberle. The influence of propellant loading density on computed burn rate in a mini-closed bomb[R]. ADA353540,1998.

[8]呂秉峰,肖忠良,張麗華,等.基于相對壓力沖量的火藥能量釋放規律[J].火炸藥學報，2008,31(4):57-60.

The Effect of Changing Packing Density on the Combustion Properties of Propellants*

CHAOLi-jin，LVBing-feng

(School of Chemical and Environmental Engineering, North University of China, Shanxi Taiyuan 030051, China)