發煙彈裝藥貯存環境應力分析與老化動力學

張興高，安文書，程萬影，蓋希強，馬士洲，郝雪穎，李紅欣，趙 新

(軍事科學院防化研究院， 北京 102205)

彈藥系統一般由引信、彈丸、藥筒、發射藥和底火五大部分組成，任何部分失效均會導致彈藥系統的失效。高溫高濕是造成彈藥失效的主要環境因素，某軍械研究所通過30年的彈藥長期貯存試驗得出在高溫高濕地區彈藥的貯存壽命要短得多，如某型迫彈在沿海庫房貯存的可靠預估貯存壽命只有在西北庫房貯存的一半。彈藥的包裝形式主要有密封包裝和非密封包裝。密封包裝是一種較好的結構形式，能夠有效減輕環境因素對彈藥的影響，特別是在南方潮濕環境、沿海、海島環境下，其效果特別顯著。

圍繞彈藥的失效問題，國內外開展了廣泛研究[1-6]。北大西洋公約組織(NATO)——加拿大、德國、法國、荷蘭、波蘭、英國、美國成立了彈藥監測合作研究小組，旨在推動監測新技術的應用[3-6]。國內潘文庚等[7]從失效物理的角度出發，分析了庫房貯存中的航空彈藥部件(如引信、戰斗部等)中裝藥的失效模式和失效機理，確立了環境溫濕度是保障彈藥貯存質量的關鍵因素，探討了航彈裝藥受庫存環境溫濕度的影響。鄧科等[8]提出了一種吸濕效率較高的新型防潮劑。劉恒春等[9]論述了彈藥包裝可靠性研究的意義，重點分析了彈藥包裝可靠性對彈藥貯存可靠性的影響。宣衛芳等[10]開展了某小口徑彈藥塑料包裝箱材料在戶外、棚下和庫內暴露試驗，分析研究了環境對塑料的力學性能、微觀形貌及紅外光譜的影響。國內外對發煙彈藥的老化研究較多，Williama等人[11]研究了煙火藥TiH2/KClO4(THPP)和Zr/KClO4(ZPP)的加速老化， Guidotti[12]開展了Fe/KClO4(88/12)煙火藥的老化，但有關發煙彈裝藥是受溫度單環境應力影響還是溫度濕度雙環境應力影響不清楚，有關裝藥的老化動力學也未見報道，本文圍繞這些問題開展研究。

1 實驗

發煙彈彈體、爆管、發煙彈裝藥紅磷發煙劑為國營9932廠提供，彈體爆管和連接螺加環氧樹脂膠密封。實驗儀器有老化箱，上海福瑪實驗設備有限公司。

發煙彈藥密封老化前后逐件做氣密性檢查，內充壓縮空氣，壓強為0.245 MPa，平放于水深約10 cm的槽內，30 s內不得有氣泡產生。充氣氣密性檢查試驗系統如圖1所示。

圖1 充氣氣密性檢查試驗系統

磷含量的測定依據的是國家標準 GB 4947—90《工業紅磷》中所推薦的分析方法。其試驗原理為紅磷在硝酸和高氨酸的作用下，氧化為磷酸根，加水稀釋后則成磷酸。加入喹鉬檸酮試劑后，形成磷鉬酸喹啉沉淀。由沉淀重量即可得知紅磷中的磷含量。

將發煙彈彈體爆管和連接螺涂敷環氧樹脂膠密封，然后裝配爆管，將密封好的彈體放入71 ℃恒溫試驗箱中進行老化試驗，定期取出彈體進行密封性檢查。

發煙彈裝藥分別采用鋁塑袋密封后放入60 ℃、70 ℃、80 ℃、90 ℃四個老化箱中進行老化試驗，定期取出鋁塑袋開封后進行磷含量測試。

2 實驗結果與討論

2.1 發煙彈裝藥環境應力分析

我國幅員遼闊，溫濕度較高的南方地區和北方地區的環境不同，對發煙彈裝藥進行貯存老化，首先需明確常用的發煙彈螺紋密封膠的老化情況，這決定發煙彈裝藥是受溫度單環境應力影響還是溫度濕度雙環境應力影響。

試驗結果發現，71 ℃貯存106 d的密封沒有發生漏氣。因此，71 ℃貯存106 d的密封仍能正常作用。計算71 ℃的加速系數為143.49，計算式如下所示[13]：

τ=γ(T1-T2)/A=2.7(71-21)/10=143.49

利用71 ℃的加速系數，計算常溫(21 ℃)下的儲存時間為：

t0=τ×t1=143.49×106=15 210 d=41.7 a

加速老化試驗結果表明：發煙彈螺紋密封膠常溫下的有效密封可達41.7a，發煙彈作為特種彈藥，采用密封膠有效地保護了發煙彈裝藥不受外界潮濕空氣的影響，發煙彈戰斗部的密封儲存期大于15a，因此發煙彈的戰斗部裝藥是受溫度單環境應力影響，外界的潮濕空氣對其無影響。

2.2 發煙彈裝藥熱加速老化規律

發煙彈裝藥加速老化試驗后磷含量的變化如表1所示。

表1 發煙彈裝藥加速老化試驗后的磷含量

從表1可以看出：隨著老化時間的延長和老化溫度的升高，磷含量呈降低的趨勢，這是因為紅磷在氧化劑高氯酸銨接觸作用下，緩慢氧化形成五氧化二磷(P2O5)，而五氧化二磷又可以和藥柱中的少量水分反應。

2.3 發煙彈裝藥老化動力學

高溫加速老化法是假設發煙彈裝藥的某特征性能變化是貯存時間的函數，在加速老化試驗期間可以找到一個與其相適應的老化數學模型，同時假設在試驗與外推的溫度范圍內只有一個化學反應或幾個具有相同活化能的反應，活化能是與溫度無關的常數，發煙彈裝藥某特征性能變化的速度常數與溫度的關系服從阿累尼烏斯方程。選擇發煙彈裝藥中關鍵組分磷含量作為性能變化函數。根據老化數學模型，計算常溫下的貯存期。因此，基本假設如下：

1) 在試驗溫度至常溫區間內發煙彈裝藥的老化機理相同，貯存老化過程中所選定的老化性能評定參數值的變化速率只受溫度影響，與其他因素無關；

2) 高溫加速老化過程中發煙彈裝藥老化性能評定參數值變化速率與溫度的關系服從Arrhenius方程。

常用的老化數學模型有對數模型、線性模型和指數模型[14]，它們分別為

P=P0+Klogt

P=P0+Kt

P=P0e-Kt

其中：P為某一時刻的性能；P0為常數；K為與溫度有關的性能變化速度常數；t為老化時間(d)。

根據對數模型、線性模型和指數模型求解過程，可求得在熱加速老化條件下發煙彈裝藥磷含量的回歸結果，分別如表2、表3和表4所示。

表2 基于對數模型的磷含量隨時間變化的線性回歸方程

由表2～表4中的數據可以看出：在熱加速老化條件下，基于指數模型的發煙彈裝藥磷含量隨時間變化的線性回歸方程線性相關系數最高，在較高的置信水平上相關系數是顯著的，因此選擇指數模型作為老化模型。

利用表4中的數據進行回歸，可得各性能變化速率常數K(T)與熱力學溫度T的關系，如表5所示。

表3 基于線性模型的磷含量隨時間變化的線性回歸方程

表4 基于指數模型的磷含量隨時間變化的線性回歸方程

表5 性能變化速率常數K(T)與熱力學溫度T的關系

可以求得在熱加速老化條件下發煙彈裝藥以磷含量為老化性能評定參數的老化動力學方程式為：

y(T,t)=0.798 8×e[-24.363 8×e(-4 741.3/T)×t]

其中：t為老化時間為天；y(T,t)為溫度T、老化時間t后磷含量的現狀值(%)；T為絕對溫度(K)。

3 結論

發煙彈的戰斗部裝藥是受溫度單環境應力影響，外界的潮濕空氣對戰斗部裝藥無影響。隨著老化時間的延長和老化溫度的升高，發煙彈裝藥磷含量呈降低的趨勢，在熱加速老化條件下發煙彈裝藥以磷含量為老化性能評定參數的老化動力學方程式為y(T,t)=0.798 8×e[-24.363 8×e(-4 741.3/T)×t]。