低溫撞擊破碎高能發射藥結構特征與高壓燃燒性能研究

石先銳，賈永杰，胡 睿，徐 敏，焦旭英，許燦啟

(西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

低溫撞擊破碎高能發射藥結構特征與高壓燃燒性能研究

石先銳，賈永杰，胡 睿，徐 敏，焦旭英，許燦啟

(西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

在-40℃下，通過落錘撞擊制備了不同破碎程度的DAGR125和NR11發射藥，利用染料吸附量表征了發射藥的破碎程度，結合密閉高壓爆發器實驗，分析了破碎發射藥結構特征與高壓燃燒特征的關系。結果表明，隨著小顆粒破碎發射藥的增加，動態活度變化率在燃燒初始階段發生轉折。當破碎程度較小時，初始動態活度、染料吸附量均可衡量發射藥初始燃面和破碎程度；當破碎程度較大時，利用傳統方法獲取的初始動態活度明顯小于實際值，不適合用來表征初始燃面，而染料吸附量法更為準確。初始動態活度變化規律顯示，當落錘高度大于60cm時，發射藥藥粒的破碎程度快速增加；動態活度變化規律顯示，落錘高度分別大于23.0cm和23.1cm時，DAGR125和NR11破碎發射藥整體燃燒過程由增面性轉變為減面性。

發射藥；低溫；落錘；撞擊破碎；初始動態活度；密閉高壓爆發器

引 言

現代高性能火炮對初速、膛壓、裝填密度等方面的要求不斷提高，使得火炮膛內燃燒和力學環境越來越惡劣，發射安全性問題也越來越受到重視。研究表明，相應裝藥結構下的發射裝藥破碎是導致膛內超高壓和膛炸等安全性事故的根本原因，而發射裝藥膛內破碎是藥粒的低溫脆性和彈底發射裝藥著火前受到擠壓作用的共同結果[1-3]。因此，深入研究發射藥破碎燃燒特征及規律對提高發射藥的發射安全性具有重要意義。Cavaletti等[4]利用空氣炮制備了不同程度的破碎發射藥，并進行密閉爆發器試驗，提出用最大相對活度來描述發射藥的破碎程度。陳濤等[5]利用動態活度和動態活度比概念，綜合反映了破碎發射藥的燃氣生成規律以及燃速性能，并能間接反映破碎發射藥初始燃面的變化。牟來峰[6]通過完整藥粒的初始動態活度與初始燃面的關系來推測破碎發射藥初始動態活度與表面積的關系，并指出兩者呈正比關系。馮賓賓等[7]用起始動態活度比定量描述了不同試驗條件下發射藥的破碎程度，建立了最大擠壓應力與裝藥破碎程度之間的定量關系。周敬等[8]通過初始動態活度反映發射藥的破碎度，并提出了配方和工藝優化條件，提高了RDX基高能發射藥的抗撞擊損傷性能。

高能發射藥多為異質結構，力學性能隨著高能填料含量和發射藥能量的提高而不斷惡化[9]，在高膛壓火炮中易存在高壓和低溫撞擊破碎等隱患。為了提高高能發射藥在高膛壓火炮中的發射安全性，需要深入探索破碎高能發射藥的結構和高壓燃燒特征。本研究以RDX基高能發射藥為對象，采用高壓密閉爆發器研究了不同破碎程度發射藥的高壓燃燒性能，通過染料吸附法研究了破碎發射藥相對表面積的變化，結合撞擊能量的變化，探索了破碎高能發射藥結構特征及高壓燃燒特征。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

硝化棉(NC)，四川瀘州化工廠，含氮量12.6%；黑索金(RDX)，蘭州白銀銀光化學材料廠，粒徑30～50μm；硝化甘油(NG)、1,5-二疊氮基-3-硝基氮雜戊烷(DA)，西安近代化學研究所；次甲基藍，上海科敏生物科技有限公司；蒸餾水。

高壓密閉爆發器，西安近代化學研究所；BCJ型落錘撞擊裝置，天津市建儀實驗機有限公司，標尺量程0～100cm；低溫試驗箱，泰安科技有限責任公司；紫外分光光度計，上海譜元儀器有限公司。

1.2 樣品制備

采用常規半溶劑法，通過吸收、壓延、膠化、壓伸、切藥等工序，制備19孔DAGR125、NR11發射藥藥粒，弧厚約1.9mm、長度約16mm。混合溶劑中醇酮質量比為1∶1，溶劑用量為藥片質量的20%。

將樣品在-40℃恒溫箱中保溫2h，然后用落錘實驗裝置撞擊藥粒獲得脆性破碎發射藥碎塊。藥粒豎直放置，錘重2kg，落高分別為10、40、90cm，破碎發射藥分別標記為DAGR125-1、DAGR125-2、DAGR125-3及NR11-1、NR11-2、NR11-3，原始藥柱分別標記為DAGR125-0和NR11-0。撞擊能Ed定義為：

(1)

式中：m為落錘質量；h為落錘高度；S為藥柱端面面積；g為重力加速度。

1.3 表面積測試

取相同質量的發射藥藥粒及碎塊，浸泡在相同體積及濃度的次甲基藍水溶液中，在溶液濃度、溫度、時間、配方等參數一致的條件下，測試染料吸收量，推算表面積相對值：

(2)

式中：V為次甲基藍溶液的總體積；C0為原始溶液濃度；Ci為吸收后溶液濃度；m為加入藥粒的質量；S/k為單位質量藥粒染料吸附量。C0、Ci均通過紫外吸光光度法測得。以原始藥柱(S/k)0值為參考，測試破碎發射藥(S/k)i值，計算染料吸收量的相對值β，表示破碎后藥粒表面積變化情況：

(3)

1.4 高壓密閉爆發器實驗

原始及破碎發射藥藥粒的裝填密度均設為0.32g/cm3，裝藥量為34.32g；點火藥為2號硝化棉；壓力為10MPa；實驗溫度為20℃。采用高壓密閉爆發器測得p-t曲線，并求得L-B曲線。以原始藥粒初始動態活度L0為參考，計算不同破碎程度發射藥初始動態活度Li的相對值Lc。初始動態活度L0的取值方法見文獻[2]，B取值范圍為0.2～0.7：

Lc=Li/L0

(4)

2 結果與討論

2.1 低溫撞擊破碎高能發射藥的形態及表面積

圖1為不同落錘高度、低溫撞擊制備的高能發射藥破碎藥粒及原始藥粒。由圖1可看出，與原始藥粒相比，DAGR125-1和NR11-1樣品中大部分藥粒保持完整，部分碎裂為大碎塊，樣品結構與完整藥粒差別不大；DAGR125-2和NR11-2樣品基本破裂為大碎塊，無小顆粒，破碎程度稍大，結構不規整，但平均燃燒弧厚變化不大；DAGR125-3和NR11-3樣品則基本解體，由小顆粒、小碎塊及大碎塊組成，其中小顆粒比例較小。

圖1 -40℃落錘撞擊破碎發射藥及完整發射藥照片Fig.1 Photos of fragmented gun propellants prepared by impact of dropping hammer at -40℃and original gun propellants

表1列出了不同樣品的染料吸附量及相對值。DAGR125-1和NR11-1樣品吸附量分別增加11%和19%，說明少量發射藥發生破碎；DAGR125-2和NR11-2樣品吸附量分別增加了34%和52%，說明樣品破碎情況較為明顯；DAGR125-3和NR11-3樣品吸附量分別增加了382%和470%，說明發射藥解體嚴重，表面積大幅增加。

表1 DAGR125、NR11破碎藥粒及原始藥粒染料吸附量

2.2 破碎發射藥高壓燃燒特征

圖2為破碎前后發射藥藥粒的p-t曲線和L-B曲線，表2為發射藥燃燒時間及最大壓力。由圖2可看出，DAGR125和NR11發射藥燃燒規律變化相近。DAGR125-1和NR11-1藥粒撞擊破碎后，部分藥粒脆裂，燃面增加，但整體燃燒結構未發生較大變化，因此燃燒活度先緩慢增加，最后快速下降，呈現明顯的燃燒漸增性；DAGR125-2和NR11-2藥粒脆裂后仍保留大部分原始增面燃燒結構，但解體程度也較大，導致其燃燒活度緩慢降低，無燃燒漸增性；DAGR125-3和NR11-3藥粒結構基本解體，減面燃燒主導藥粒燃燒過程，使得藥粒呈現明顯的減面燃燒特征。由表2可看出，由于初始燃面增大，破碎發射藥燃燒時間逐漸減小，而最大壓力基本不變。

表2 DAGR125、NR11破碎藥粒及原始藥粒的燃燒時間及最大壓力

圖2 DAGR125、NR11發射藥藥粒破碎前后的p-t曲線和L-B曲線Fig.2 The p-t and L-B curves of DAGR125 and NR11 gun propellant grains before and after fragmentation

不同階段的動態活度(L)反映了燃燒過程中燃氣釋放的規律，間接反映了燃面的變化情況。由于原始燃燒結構未發生大規模解體，且藥體結構基本一致，在0.1

2.3 發射藥初始動態活度與初始燃面的關系

撞擊破碎后的發射藥表面積難以計算，研究人員多利用動態活度和動態活度比的概念來解決表面積的計算問題。本研究參考文獻[2]取值方法，得到不同破碎程度發射藥的初始動態活度L0，并計算其相對值Lc，與β進行對比，結果列于表3。

表3 DAGR125、NR11破碎藥柱及原始藥柱初始動態活度

由表3可看出，DAGR125-1、DAGR125-2及NR11-1、NR11-2樣品的β/Lc值分別為0.90、1.02和0.98、1.09，均在1附近，說明通過染料吸附量反映發射藥的破碎程度具有一定準確性。然而，DAGR125-3、NR11-3樣品的β/Lc值遠大于1，分別為2.23和2.43。結合DAGR125-3、NR11-3樣品L-B曲線分析發現，由于小顆粒的影響，L-B曲線在初始階段可能會發生明顯轉折。因此，DAGR125-3、NR11-3樣品L0值可能遠小于實際值，從而導致β/Lc值大幅提高。

發射藥破碎程度較低時，藥粒結構基本保持一致，其燃燒過程穩定，初始動態活度值可通過上述方法獲取；若破碎程度較大，特別是當較大部分藥粒初始結構完全解體，燃燒弧厚大幅減小，發射裝藥類似于弧厚相差較大的混合裝藥時，上述方法獲取的初始動態活度值將遠小于真實值。另外，由于點傳火過程的影響，L-B曲線初始階段波動較大，文獻[8]直接取初始階段L最大值作為初始動態活度值也存在較大誤差，而通過染料吸附量來反映表面積的變化可能更為準確。

2.4 發射藥動態活度與撞擊能的關系

圖3(a)為不同落錘撞擊能條件下發射藥初始動態活度的變化情況。初始動態活度L0i值通過式(5)計算，其中βi為各個樣品的β值，L00為原始藥粒初始動態活度：

L0i=βi×L00

(5)

由于影響因素較多，L-B曲線初始階段波動較大，但隨著B值的增大，燃燒活度會表現出線性變化，且在壓力變化的較大區域內保持穩定，該區域內動態活度間接反映了發射藥主要成分的基本結構特征。將該區域內動態活度隨B的變化曲線進行線性擬合，得到擬合后直線的斜率I，并與撞擊能關聯，結果見圖4。

由圖4可見，隨著E值增加，斜率不斷減小，并由正值逐漸減小為負值，反映出發射藥有漸增性燃燒逐漸轉變為減面燃燒。將斜率隨E的變化進行線性擬合，并計算出斜率為0時，DAGR125、NR11破碎發射藥的撞擊能相對值分別為2.30、2.31，即當落錘高度大于23.0cm、23.1cm時，DAGR125、NR11發射藥解體，整體燃燒過程表現為減面性。另外，在相同條件下，隨著破碎程度的增加，NR11發射藥染料吸附量相對值增加幅度、初始動態活度增加速率以及動態活度平臺斜率下降速率均大于DAGR125發射藥，說明DAGR125發射藥的低溫抗沖性能優于NR11發射藥。

圖3 初始動態活度及其變化率隨撞擊能L0相對值的變化曲線Fig.3 Curves of initial dynamic vivacity and its change rate changing with the relative value of impact energy

圖4 發射藥動態活度平臺斜率隨撞擊能相對值的變化Fig.4 Change in slope of the propellant dynamic vivacity platform along with the relative value of impact energy

3 結 論

(1)對于破碎藥粒，隨著破碎程度的增大，發射藥藥粒逐漸解體，燃燒時間逐漸減小，染料吸附量、初始動態活度逐漸上升；當破碎程度不大，藥粒結構基本保持一致時，動態活度基本呈線性變化，隨著弧厚較小的小顆粒破碎發射藥逐漸增多，動態活度會在燃燒初始階段發生轉折。

(2)當破碎程度較小時，初始動態活度和染料吸附量均可作為衡量發射藥破碎程度和初始燃面的參量；當破碎程度較大，特別是破碎后部分藥粒燃燒弧厚大幅度減小時，初始動態活度難以準確測得，通過直線擬合獲取的初始動態活度將明顯小于實際值，而通過染料吸附量來反映表面積的變化可能更為準確。

(3)對于半溶劑法制備的19孔DAGR125和NR11發射藥藥粒，當落錘高度較小時，破碎藥粒動態活度、初始燃面及破碎程度增加幅度較小；當落錘高度大于60cm時，藥粒破碎程度快速增加。落錘高度分別大于23.0cm和23.1cm時，DAGR125、NR11發射藥藥粒整體燃燒過程由增面性轉變為減面性。

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Study on the Structure Feature and High Pressure Combustion Performance of Fragmented High Energy Gun Propellants Prepared by Impact at Low Temperature

SHI Xian-rui,JIA Yong-jie,HU Rui,XU Min,JIAO Xu-ying,XU Can-qi

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute,Xi′an 710065,China)

DAGR125 and NR11 gun propellants with different fragmentation degree were prepared by impact of dropping hammer at -40℃.The fragmentation degree of the gun propellants was characterized by the absorption quality of dye (AQD); Combined with the closed high pressure bomb experiment,the relationship of the structure feature and combustion feature of fragmented gun propellants at high pressure was analyzed.The results show that the change rate of dynamic vivacity occurs a mutation in the initial combustion stage with increasing the quality of small particles gradually.When the fragmentation degree is low,the initial dynamic vivacity and the AQD can be used to measure the initial combustion surface and the fragmentation degree of the gun propellants; When the fragmentation degree is high enough,the initial dynamic vivacity measured by traditional method is obviously lower than actual value,and it is unsuitable to represent the initial combustion surface,however the AQD method is more accurate.The change rule of initial dynamic vivacity shows that the fragmentation degree of propellant grains increases rapidly when the height of dropping hammer is greater than 60cm.The change in dynamic vivacity reveals that the whole combustion process of DAGR125 and NR11 fragmented gun propellants converts from progressive combustion to reduced combustion when the height of dropping hammer is greater than 23.0cm and 23.1cm,respectively.

gun propellant;low temperature; dropping hammer; impact fragment; initial dynamic vivacity; closed high pressure bomb

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.01.020

2015-12-01；

2016-10-17

國家“973”項目

石先銳(1988-)，男，碩士，從事發射藥配方與工藝研究。E-mail:452597471@qq.com

TJ55;TQ562

A

1007-7812(2017)01-0101-06