王恒闖， 陳明華， 樊義偉， 田廣豐， 袁 帥

(1. 軍械工程學(xué)院彈藥工程系， 河北 石家莊 050003； 2. 軍械技術(shù)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(jìn)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(xué)院彈藥工程系， 河北 石家莊 050003； 2. 軍械技術(shù)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(jìn)劑老化后的燃燒性能，在75 ℃恒溫條件下對(duì)該雙基推進(jìn)劑進(jìn)行了老化處理，并對(duì)老化后的樣品進(jìn)行了密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得的 dp/dt-t曲線計(jì)算了雙基推進(jìn)劑的燃速溫度系數(shù)、壓力指數(shù)，綜合燃燒特性參數(shù)(如氣體生成猛度、壓力全沖量、已燃百分?jǐn)?shù)和火藥力、余容)，以及相對(duì)力、相對(duì)壓力陡度。結(jié)果表明：老化使得雙基推進(jìn)劑的燃燒性能下降，在75 ℃條件下老化50 d以內(nèi)，雙基推進(jìn)劑仍可以安全燃燒，但老化80、120 d的雙基推進(jìn)劑的燃燒存在不安全因素。

雙基推進(jìn)劑；老化；密閉爆發(fā)器；燃燒特性

某型雙基推進(jìn)劑長(zhǎng)期服役于某型火箭彈，具有生產(chǎn)工藝成熟、結(jié)構(gòu)均勻、燃燒穩(wěn)定等特點(diǎn)，但在長(zhǎng)期貯存過程中，受各種復(fù)雜環(huán)境以及組成成分緩慢分解的影響，其燃燒性能可能會(huì)改變，從而使其在使用過程中存在不可預(yù)見的危險(xiǎn)[1-2]，因此研究其貯存后的燃燒性能對(duì)該雙基推進(jìn)劑的可靠使用具有重要意義。為此，筆者對(duì)某型雙基推進(jìn)劑開展老化和密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)，計(jì)算其燃燒特性參數(shù)，研究熱加速老化對(duì)其燃燒性能的影響，為其生產(chǎn)、貯存、使用以及理化性能研究提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

某型雙基推進(jìn)劑的主要成分為：硝化棉55.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，硝化甘油29.3%，二硝基甲苯10.0%等。將某型雙基推進(jìn)劑置于75 ℃恒溫條件下老化10、30、50、80、120 d，并對(duì)老化不同時(shí)間的樣品進(jìn)行密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)。

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

采用的密閉爆發(fā)器本體為100 mL的厚壁鋼制圓筒，經(jīng)標(biāo)定，其容積V0=106.1 mL，兩端分別用測(cè)壓塞頭和點(diǎn)火塞頭密封。在實(shí)驗(yàn)過程中，點(diǎn)火塞上的點(diǎn)火藥包通過點(diǎn)火裝置發(fā)出的點(diǎn)火電流點(diǎn)燃，并點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)樣品，其在本體中產(chǎn)生大量氣體，壓力傳感器將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)電荷放大器放大后由數(shù)據(jù)采集卡采集，得到燃燒過程的dp/ dt-t曲線。

1.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.2.1 藥量計(jì)算

點(diǎn)火藥選用2#NC[3-4]，其藥量計(jì)算公式為

mig=V0( 1 -Δ/ρ)pig/ (fig+pigαig),

(1)

式中：mig為點(diǎn)火藥量(g)；V0為密閉爆發(fā)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(diǎn)火壓力；fig=882 J/g，為點(diǎn)火藥的火藥力；αig=1 cm3/g，為點(diǎn)火藥余容。

推進(jìn)劑的藥量計(jì)算公式為[3-4]

m=Δ(V0-migαig),

(2)

式中：m為推進(jìn)劑裝藥量(g)。

實(shí)驗(yàn)采用低密度(Δ1=0.12 g/cm3)和高密度(Δ2=0.20 g/cm3)裝藥，聯(lián)立式(1)、(2)計(jì)算得到相應(yīng)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(zhǔn)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(fā)。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓力與燃燒時(shí)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(dòng)，排除實(shí)驗(yàn)信號(hào)采集環(huán)節(jié)中噪音的影響，發(fā)現(xiàn)老化后樣品的曲線波動(dòng)較老化前更劇烈，說明老化后的樣品在燃燒過程中不是穩(wěn)定燃燒。這主要是因?yàn)?持續(xù)加熱老化使雙基推進(jìn)劑中的硝酸酯(如硝化纖維素、硝化甘油)發(fā)生緩慢分解，特別是硝化纖維素分解后其分子鏈斷裂，導(dǎo)致某型雙基推進(jìn)劑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響了應(yīng)力分布。

根據(jù)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(shí)間，如表1所示?？梢钥闯觯和ㄟ^密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)獲得的雙基推進(jìn)劑最大壓力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際使用過程的壓力，但其壓力的變化趨勢(shì)很好地表現(xiàn)出熱加速老化對(duì)其燃燒性能的影響；隨著老化時(shí)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(jìn)劑中能量減小，而該雙基推進(jìn)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(chǎn)生熱分解及熱揮發(fā)，且老化時(shí)間越長(zhǎng)，變化越明顯。

表1 2種裝藥密度的最大壓力和燃燒時(shí)間

2.2 燃速溫度系數(shù)和壓力指數(shù)

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

v=a·pn，

(3)

式中：v為燃速(m/s)；a為常數(shù)；p為壓力(MPa)。

根據(jù)式(1)并結(jié)合火藥綜合參數(shù)計(jì)算軟件，得到老化后某型雙基推進(jìn)劑2種裝藥密度的燃速溫度系數(shù)A和壓力指數(shù)n，如表2所示。

從表2可以看出：隨著老化時(shí)間的增加，試樣的燃速溫度系數(shù)減小，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)降低，工作時(shí)間延長(zhǎng)，從而造成推力減小，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常使用；壓力指數(shù)隨老化時(shí)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(shù)均大于0.7，說明此時(shí)的雙基推進(jìn)劑已不能在實(shí)際中使用。

表2 2種裝藥密度的燃速溫度系數(shù)和壓力指數(shù)

2.3 綜合燃燒參數(shù)

為更加綜合地評(píng)價(jià)熱加速老化對(duì)某型雙基推進(jìn)劑燃燒性能的影響，需計(jì)算試樣的壓力全沖量Ie、已燃百分?jǐn)?shù)Ψe、氣體生成猛度Γe、火藥力f和余容α。

雙基推進(jìn)劑燃燒過程的勢(shì)平衡點(diǎn)壓力全沖量Ie為

(4)

在勢(shì)平衡點(diǎn)處雙基推進(jìn)劑燃燒損失的百分比(即已燃百分?jǐn)?shù)Ψe)為

(5)

式中：χ為取決于推進(jìn)劑形狀和尺寸的特征量；σ為相對(duì)燃燒面積；Z為相對(duì)厚度。

在勢(shì)平衡點(diǎn)處雙基推進(jìn)劑的氣體生成猛度Γe為

(6)

通過式(4)-(6)計(jì)算得到某型雙基推進(jìn)劑2種裝藥密度的綜合燃燒參數(shù)，如表3所示。可以看出：隨著老化時(shí)間的增加，Ie、Γe以及Ψe都有相應(yīng)的減小，說明75 ℃條件下的持續(xù)老化使得雙基推進(jìn)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(shù)

火藥力是指1 kg的火藥在定容絕熱條件下燃燒，使燃燒產(chǎn)物的溫度和壓力達(dá)到最大值，此時(shí)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?xì)夥肿颖旧聿豢蓧嚎s的體積[7-8]。因此，火藥力和余容是評(píng)價(jià)火藥燃燒性能的重要參數(shù)。根據(jù)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(jì)算得到某型雙基推進(jìn)劑的火藥力f和余容α，如表4所示?？梢钥闯觯弘S著老化時(shí)間的增加，該雙基推進(jìn)劑的火藥力整體上呈下降趨勢(shì)，但不是很明顯，根據(jù)火藥力的定義，可以證明在老化過程中雙基推進(jìn)劑中的能量成分(即硝化甘油和硝化纖維素)發(fā)生熱分解及熱揮發(fā)；在老化30 d內(nèi)，該雙基推進(jìn)劑的余容隨著老化時(shí)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(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的氣體體積，余容下降說明老化使得雙基推進(jìn)劑組成成分發(fā)生變化。

表4 某型雙基推進(jìn)劑的火藥力和余容

2.4 相對(duì)壓力陡度和相對(duì)力

相對(duì)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(duì)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(píng)價(jià)雙基推進(jìn)劑的強(qiáng)度和燃燒性能[9-11]，根據(jù)定義可以得到

(9)

(10)

式中：n為每組實(shí)驗(yàn)的次數(shù)。

由于本文主要探究某型雙基推進(jìn)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(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，通過式(9)、(10)計(jì)算得到2種裝藥密度的相對(duì)壓力陡度和相對(duì)力，如表5所示?？梢钥闯觯豪匣竽承碗p基推進(jìn)劑的相對(duì)壓力陡度不是很大，老化50 d之前樣品的相對(duì)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(duì)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(duì)力均小于1，且老化時(shí)間越長(zhǎng)，相對(duì)力越小，說明老化使得樣品中的能量成分發(fā)生變化，導(dǎo)致其燃燒的最大壓力下降。

表5 2種裝藥密度的相對(duì)壓力陡度和相對(duì)力

3 結(jié)論

筆者以75 ℃條件下老化處理的某型雙基推進(jìn)劑為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得的dp/dt-t曲線對(duì)該雙基推進(jìn)劑各參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明：各參數(shù)受老化時(shí)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(tǒng)地對(duì)某型雙基推進(jìn)劑的理化性能進(jìn)行研究，下一步將對(duì)其老化后的安定劑含量和安定性變化趨勢(shì)開展實(shí)驗(yàn)，以評(píng)價(jià)其貯存安全性。

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(責(zé)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