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        DNTF-CMDB推進劑性能的實驗研究

        2015-09-18 05:29:32王寶成桑軍鋒張富平王江寧
        火炸藥學(xué)報 2015年4期
        關(guān)鍵詞:呋咱燃速安定性

        田 軍,王寶成,桑軍鋒,張富平,鄭 偉,王江寧

        (1.西安近代化學(xué)研究所,陜西 西安 710065;2.海軍駐西安導(dǎo)彈設(shè)備軍事代表室,陜西 西安 710065)

        引 言

        3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)是呋咱類高能量密度化合物,其綜合性能優(yōu)于HMX,與CL-20相當(dāng),由于其具有能量高、無氯等優(yōu)點,可作為低特征信號推進劑的高能添加劑[1-2]。近年來,關(guān)于DNTF改性雙基推進劑的基礎(chǔ)性能研究較多。趙鳳起[3]、龐軍[4]、鄭偉[5]研究了含DNTF改性雙基推進劑的燃燒性能,結(jié)果表明用鉛銅鹽復(fù)合催化劑可以調(diào)節(jié)其燃燒性能,但DNTF含量對燃燒性能的影響顯著;鄭偉等[6]研究了含DNTF改性雙基推進劑的化學(xué)安定性,探索了提高其化學(xué)安定性的途徑;王江寧[7-8]研究了含DNTF改性雙基推進劑的熱分解特性,發(fā)現(xiàn)NC/NG黏合劑體系的熱分解產(chǎn)物對DNTF的熱分解影響明顯,同時,還研究了含DNTF改性雙基推進劑的力學(xué)性能,指出DNTF對雙基黏合劑體系具有增塑作用[9];李亮亮[10]采用動態(tài)熱機械(DMA)研究了含DNTF改性雙基推進劑的動態(tài)力學(xué)性能,探討了DNTF改善改性雙基推進劑力學(xué)性能的機理。

        本研究利用無溶劑螺旋壓伸工藝獲得DNTFCMDB推進劑藥柱,并對推進劑的能量特性、燃燒性能、安全性能、力學(xué)性能及內(nèi)彈道性能進行了實驗研究,以期為DNTF在改性雙基推進劑中的應(yīng)用提供參考。

        1 實 驗

        1.1 樣品制備

        DNTF,西安近代化學(xué)研究所,純度大于99%。

        采用傳統(tǒng)的雙基推進劑無溶劑螺旋壓伸工藝制備推進劑藥柱。藥柱外徑46mm、內(nèi)徑8mm。為了便于比較,同時制備了 HMX-CMDB推進劑藥柱。推進劑配方如表1所示。

        表1 推進劑配方Table 1 Formulations of propellants

        1.2 實驗方法

        依據(jù)GJB770B-2005方法測試推進劑的能量性能、燃燒性能、安全性能、力學(xué)性能及內(nèi)彈道性能。撞擊感度用特性落高H50表示,摩擦感度用爆炸概率P表示。內(nèi)彈道性能測試條件:溫度20℃,發(fā)動機內(nèi)徑50mm,點火藥為2號黑火藥,藥量5g。

        2 結(jié)果和討論

        2.1 能量性能

        推進劑的能量采用GJB/Z84-96方法進行計算。DNTF-CMDB推進劑配方的能量示性參數(shù)的計算結(jié)果見表2。

        表2 DNTF-CMDB推進劑能量示性參數(shù)計算結(jié)果(10MPa)Table 2 Calculated results of energetic parameters of DNTF-CMDB propellant(10MPa)

        由表2可知,DNTF-CMDB推進劑的比沖和特征速度與 HMX-CMDB推進劑相當(dāng),但由于DNTF的密 度(1.937g/cm3)比 HMX(1.900g/cm3)大,因此其理論計算密度比 HMX-CMDB推進劑大。

        DNTF-CMDB推進劑的爆熱、比容和密度的測試結(jié)果見表3。由表3可知,與HMX-CMDB推進劑相比,DNTF-CMDB推進劑的爆熱低、比容高,所以兩者的理論比沖相差不大。由表2與表3可知,DNTF-CMDB推進劑比 HMX-CMDB推進劑的理論密度大,而實測密度較小。測試結(jié)果表明,DNTF-CMDB和HMX-CMDB的線膨脹系數(shù)分別為2.21×10-4、1.78×10-4℃-1,采用螺旋壓伸工藝成型的DNTF-CMDB推進劑具有更大的線膨脹系數(shù)和更明顯的出口脹大效應(yīng),導(dǎo)致推進劑實測密度值較小。

        表3 DNTF-CMDB和HMX-CMDB推進劑的爆熱、比容和密度Table 3 Explosion heat,specific volume and density of DNTF-CMDB and HMX-CMDB propellants

        2.2 燃燒性能

        DNTF-CMDB推進劑的燃燒性能見表4。

        表4 不同壓強下推進劑的燃速及壓強指數(shù)Table 4 Burning rate and pressure exponent of propellants at different pressures

        由表4可知,燃速為20~23mm/s(6~18MPa)時,DNTF-CMDB推進劑的壓強指數(shù)為0.06(6~18MPa),8~14MPa出現(xiàn)麥撒燃燒,壓強指數(shù)為-0.02。與 HMX-CMDB推進劑相比,DNTF-CMDB推進劑的燃速較高,且壓強指數(shù)較?。?~18MPa)。

        為了考察溫度對推進劑燃燒性能的影響,研究了不同溫度下推進劑的燃速,結(jié)果見圖1。

        由圖1可知,推進劑高溫與常溫燃速的差值比低溫與常溫的燃速差值大。高溫時,推進劑的平臺燃燒區(qū)間為6~16MPa,壓強指數(shù)為0.05,且16~18MPa下的壓強指數(shù)明顯增加。低溫時的平臺燃燒區(qū)間與常溫時的平臺燃燒區(qū)間保持一致,均為6~18MPa,壓強指數(shù)均為0.06。

        圖1 不同溫度下DNTF-CMDB推進劑的燃速-壓強曲線ig.1 The burning rate-pressure curves of DNTF-CMDB propellant at different temperatures

        以上結(jié)果表明,20~50℃的燃速溫度敏感系數(shù)較大。今后應(yīng)對DNTF-CMDB推進劑在發(fā)動機中工作的環(huán)境適應(yīng)性做進一步研究。

        2.3 安全性能

        DNTF-CMDB推進劑的化學(xué)安定性和機械感度測試結(jié)果見表5。

        表5 DNTF-CMDB和 HMX-CMDB推進劑的化學(xué)安定性和機械感度Table 5 Chemical stability and mechnical sensitivities of DNTF-CMDB and HMX-CMDB propellants

        由表5可知,在相同的熱環(huán)境條件下,DNTFCMDB推進劑對熱刺激的響應(yīng)比HMX-CMDB推進劑敏感。由含DNTF-CMDB推進劑的熱分解曲線[8]和化學(xué)安定性研究的結(jié)果[6]可知,NC/NG 的熱分解產(chǎn)物對DNTF的分解有很強的促進作用,所以DNTF-CMDB推進劑對熱刺激更敏感。機械感度的測試結(jié)果表明,與HMX-CMDB推進劑相比,DNTF-CMDB推進劑對機械刺激的敏感性有所降低。DNTF能溶解于NG中(100g NG大約能溶解18g DNTF),從而使DNTF-CMDB推進劑的溶棉比(溶劑含量與NC質(zhì)量比)大于HMX-CMDB推進劑。溶棉比增大時,基體藥料變軟會使推進劑對機械刺激的敏感程度降低。

        2.4 力學(xué)性能

        DNTF-CMDB推進劑抗壓力學(xué)性能的測試結(jié)果見表6。

        表6 DNTF-CMDB和HMX-CMDB推進劑的力學(xué)性能Table 6 Mechanical properties of DNTF-CMDB and HMX-CMDB propellants

        由表6可知,常溫時DNTF-CMDB推進劑與HMX-CMDB推進劑的抗壓強度相當(dāng),壓縮率大。高溫時DNTF-CMDB推進劑的抗壓強度小于HMX-CMDB推進劑,壓縮率大于 HMX-CMDB推進劑。低溫時DNTF-CMDB推進劑的抗壓強度大于HMX-CMDB推進劑,壓縮率小于HMX-CMDB推進劑。DNTF對 NC/NG 體系的增塑作用[9-10]在抗壓力學(xué)性能數(shù)據(jù)上體現(xiàn)為推進劑在常溫和高溫時壓縮率增大(彈性增加),強度降低(物料變軟);低溫時抗壓力學(xué)性能可能與脆化參數(shù)相關(guān)[10]。

        2.5 內(nèi)彈道性能

        DNTF-CMDB推進劑的Φ50mm標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機內(nèi)彈道性能試驗結(jié)果見表7,p-t曲線如圖2所示。

        圖2 DNTF-CMDB推進劑的p-t曲線Fig.2 p-t curve of DNTF-CMDB propellant

        表7 Φ50mm標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機內(nèi)彈道性能的測試結(jié)果Table 7 Experimental results of inner ballistic properties inΦ50mm motor for DNTF-CMDB propellant

        由表7可知,4發(fā)試驗數(shù)據(jù)的重復(fù)性較好,推進劑在10MPa下的平均比沖約為2 162.7N·s/kg(220.7s),燃速約為19mm/s,動態(tài)燃速比靜態(tài)燃速低約2.5mm/s。由圖2可知,推進劑點火性能良好,發(fā)動機工作穩(wěn)定。

        3 結(jié) 論

        (1)與 HMX-CMDB推進劑相比,DNTF-CMDB推進劑的比容較大、爆熱和密度較小。

        (2)DNTF-CMDB推進劑具有較好的燃燒性能,20~50℃的燃速溫度敏感系數(shù)較大。

        (3)與 HMX-CMDB推進劑相比,DNTF-CMDB推進劑對熱刺激較為敏感,但機械感度較低。20℃和50℃時壓縮率較高,-40℃時抗壓強度較大。

        (4)Φ50mm 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機實測 DNTF-CMDB推進劑的比沖約為2 162.7N·s/kg(10MPa),點火性能良好,發(fā)動機工作穩(wěn)定。

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