趙寶明，張鄒鄒，張　衡，靳建偉，趙宏立，郭　丹，魏學(xué)濤，辛凱迪

(1.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065； 2.中國華陰兵器試驗(yàn)中心，陜西 華陰 714200)

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帶延遲點(diǎn)火部件的發(fā)射藥點(diǎn)火性能試驗(yàn)研究

趙寶明1，張鄒鄒1，張衡1，靳建偉1，趙宏立1，郭丹2，魏學(xué)濤1，辛凱迪1

(1.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065； 2.中國華陰兵器試驗(yàn)中心，陜西 華陰 714200)

為了更好地研究發(fā)射藥的點(diǎn)火性能，在基于密閉爆發(fā)器原理的點(diǎn)火性能測(cè)試裝置基礎(chǔ)上增加了一個(gè)延遲點(diǎn)火部件，構(gòu)建了一個(gè)新型點(diǎn)火性能模擬試驗(yàn)裝置，根據(jù)該裝置建立了簡(jiǎn)單的火藥分層點(diǎn)火過程模型，模擬并對(duì)比了高能太根-18/1、雙芳-3-18/1及NR11-18/1三種發(fā)射藥的點(diǎn)火性能。結(jié)果表明，NR11-18/1發(fā)射藥較易點(diǎn)火，雙芳-3-18/1發(fā)射藥最難點(diǎn)火,點(diǎn)火時(shí)間分別為19和45ms。增加延遲點(diǎn)火部件后，可將點(diǎn)火藥的燃燒和發(fā)射藥的燃燒階段有效區(qū)分，不僅有利于對(duì)比點(diǎn)火性能差異較小的發(fā)射藥之間的區(qū)別，還有助于分析發(fā)射藥低壓段的燃燒速度。隨著延遲點(diǎn)火部件長度的增加，點(diǎn)火時(shí)間也增長。

發(fā)射藥；點(diǎn)火性能；點(diǎn)火延遲時(shí)間；延遲點(diǎn)火部件；密閉爆發(fā)器

引　言

發(fā)射藥裝藥能否獲得所要求的彈道性能，其點(diǎn)火有著很大影響[1-3]。因此，開展發(fā)射藥點(diǎn)火性能的研究很有必要。目前，發(fā)射藥點(diǎn)火性能測(cè)試大多基于半密閉爆發(fā)器原理進(jìn)行。在一定容積的燃燒室中，使用點(diǎn)火藥劑(如黑火藥、奔萘或高能點(diǎn)火藥)點(diǎn)燃發(fā)射藥樣品，進(jìn)行定容燃燒，根據(jù)壓力傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)火延遲時(shí)間、最大壓力時(shí)間及最大壓力等參數(shù)，通過對(duì)點(diǎn)火藥量、點(diǎn)火延遲時(shí)間等參數(shù)的分析來判斷發(fā)射藥的點(diǎn)火性能優(yōu)劣。殷雅俠等[4]利用半密閉爆發(fā)器研究了一種LOVA發(fā)射藥的點(diǎn)火性能，并提出了一種預(yù)估發(fā)射藥點(diǎn)火難易的方法。杜成中等[5]在基于半密閉爆發(fā)器原理的燃燒裝置中考察了NC、NH4CLO4、BP組成的點(diǎn)火藥對(duì)含RDX的硝銨火藥的點(diǎn)火能力。韓博等[6]利用點(diǎn)傳火系統(tǒng)模擬試驗(yàn)裝置及多點(diǎn)測(cè)壓技術(shù)研究了點(diǎn)傳火系統(tǒng)的傳火速度,篩選優(yōu)化合適的點(diǎn)傳火結(jié)構(gòu)方案。

基于半密閉爆發(fā)器原理的點(diǎn)火性能測(cè)試方法雖然也可以測(cè)試發(fā)射藥的點(diǎn)火性能，但由于點(diǎn)火藥正對(duì)發(fā)射藥，點(diǎn)火速度較快，p-t曲線上兩種火藥產(chǎn)生的壓力峰混合在一起，即點(diǎn)火藥未燃盡時(shí)，發(fā)射藥已進(jìn)入點(diǎn)火燃燒階段，該方法點(diǎn)火時(shí)間較短，不易對(duì)比點(diǎn)火性能差異較小的發(fā)射藥。此外，由于現(xiàn)有測(cè)試裝置中點(diǎn)火藥劑的點(diǎn)火燃燒過程和發(fā)射藥的燃燒分解過程基本重合，因此點(diǎn)火初期的壓力增長是由點(diǎn)火藥劑及發(fā)射藥兩者共同作用的結(jié)果，導(dǎo)致無法單純通過測(cè)得的p-t曲線計(jì)算被測(cè)發(fā)射藥低壓段的燃燒速度等性能。為克服這一缺陷，本研究在點(diǎn)火藥劑與發(fā)射藥之間增加了一個(gè)延遲點(diǎn)火部件，使發(fā)射藥的點(diǎn)火燃燒滯后于點(diǎn)火藥燃燒，將點(diǎn)火藥的燃燒和發(fā)射藥的燃燒階段進(jìn)行區(qū)分,以期為發(fā)射藥點(diǎn)火性能的研究提供參考。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1樣品及儀器

硝化棉點(diǎn)火藥，含氮量12%，符合GJB3204-1998標(biāo)準(zhǔn)； DAGR125-18/1發(fā)射藥，配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：(NC+NG)56.3%、RDX25%、其他18.7%；NR11-18/1發(fā)射藥，配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：(NC+NG)62.5%、RDX25%、DIANP及其他12.5%；雙芳-3-18/1發(fā)射藥，配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：NC56%，NG26.5%，C23%，其他14.5%；高能太根-18/1發(fā)射藥，配方含部分RDX。以上樣品均為西安近代化學(xué)研究所提供。

SYC-2000型壓電傳感器，西安近代化學(xué)研究所；3020型數(shù)據(jù)采集器，采樣頻率20kHz，DEWETRON公司；CPA223S型電子天平，精確度0.0001g，賽多利斯公司。

1.2試驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)使用的點(diǎn)火性能模擬試驗(yàn)裝置為自主設(shè)計(jì)研發(fā)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括燃燒本體、延遲點(diǎn)火部件、點(diǎn)火藥、發(fā)射藥、點(diǎn)火螺堵、泄壓螺堵、壓力傳感器等。燃燒本體內(nèi)徑40mm，外徑80mm，長度80mm。延遲點(diǎn)火部件為一圓筒形空腔結(jié)構(gòu)，兩端利用兩個(gè)多孔擋板以螺紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行配合封堵，空腔內(nèi)裝填鋼珠以模擬高裝填密度裝藥的微小孔隙。燃燒本體器壁上安裝有壓力傳感器，用于測(cè)量燃燒本體內(nèi)火藥燃燒后火藥氣體的壓力。泄壓螺堵采用爆破膜泄壓的方式，利用金屬銅片等可進(jìn)行100MPa以下裝藥點(diǎn)火性能模擬試驗(yàn)。

圖1　點(diǎn)火性能模擬試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Schmatic diagram of ignition performance simulation test device structure

1.3試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前，將點(diǎn)火藥、延遲點(diǎn)火部件及發(fā)射藥按圖1方式進(jìn)行放置，即延遲點(diǎn)火部件置于點(diǎn)火藥和發(fā)射藥之間，將二者隔開，嚴(yán)格控制三者位置，保證點(diǎn)火距離等條件一致。通過調(diào)節(jié)延遲點(diǎn)火部件內(nèi)填充的鋼珠數(shù)量來控制延遲點(diǎn)火部件長度。試驗(yàn)時(shí)利用電點(diǎn)火絲引燃點(diǎn)火藥包，通過壓力傳感器記錄發(fā)射藥點(diǎn)火燃燒過程的p-t曲線。由p-t曲線確定發(fā)射藥點(diǎn)火過程壓力上升到規(guī)定壓力時(shí)的點(diǎn)火時(shí)間。利用銅片封堵裝置的泄壓端口，點(diǎn)火后壓力達(dá)到一定程度時(shí)自行破片泄壓。

2　結(jié)果與討論

2.1延遲點(diǎn)火部件對(duì)發(fā)射藥點(diǎn)火過程的影響

對(duì)有、無延遲點(diǎn)火部件的兩種條件在點(diǎn)火性能模擬試驗(yàn)裝置上進(jìn)行試驗(yàn),裝藥條件為：0.3g硝化棉點(diǎn)火藥，2.3g雙芳-3-18/1發(fā)射藥，延遲點(diǎn)火部件長度30mm，內(nèi)腔填滿直徑8mm鋼珠，得到點(diǎn)火過程的p-t曲線如圖2所示。

圖2　裝藥點(diǎn)火過程的p-t曲線對(duì)比Fig.2　Comparison of the p-t curves of ignition process of charge

由圖2可看出，使用延遲點(diǎn)火部件后，點(diǎn)火藥的燃燒和發(fā)射藥的點(diǎn)火階段被明顯區(qū)分，整個(gè)過程包括點(diǎn)火藥的燃燒、點(diǎn)火藥燃燒產(chǎn)物對(duì)發(fā)射裝藥的加熱及裝藥的著火3個(gè)環(huán)節(jié)。點(diǎn)火藥燃燒結(jié)束后，發(fā)射藥才開始燃燒，兩者的燃燒基本沒有重疊，濾掉了低壓段點(diǎn)火藥燃燒對(duì)發(fā)射藥燃燒過程的干擾，有利于分析低壓段發(fā)射藥的燃燒速度等性能。對(duì)圖2兩種裝藥條件得到的曲線計(jì)算其dp/dt值，2～7MPa區(qū)間，無延遲點(diǎn)火部件條件下，dp/dt平均值為43.3MPa/s；加入延遲點(diǎn)火部件后，2～7MPa區(qū)間dp/dt平均值降為33.3MPa/s，說明延遲點(diǎn)火部件的加入使得雙芳-3-18/1發(fā)射藥燃燒過程的壓力上升速率降低。延遲點(diǎn)火部件的加入，發(fā)射藥樣品點(diǎn)火時(shí)間在0.5～5MPa區(qū)間由198ms增加至2727ms，說明延遲點(diǎn)火部件的加入減弱了點(diǎn)火藥燃燒釋放的熱量對(duì)發(fā)射藥表面層熱量的供給，降低了發(fā)射藥的點(diǎn)燃速度。

在延遲點(diǎn)火部件長度分別為0、 10、30、50mm，延遲點(diǎn)火部件內(nèi)填滿直徑8mm鋼珠，裝藥為1.1g硝化棉和2.3gDAGR125-18/1發(fā)射藥的條件下，研究了不同延遲點(diǎn)火部件長度對(duì)DAGR125-18/1發(fā)射藥點(diǎn)火時(shí)間的影響規(guī)律，結(jié)果見圖3。

圖3　不同延遲點(diǎn)火部件長度條件下DAGR125-18/1發(fā)射藥點(diǎn)火過程的p-t曲線Fig.3　p-t curves for ignition process of DAGR125-18/1 gun propellant with different lenth of ignition delay device

由圖3可看出，隨著延遲點(diǎn)火部件長度的增加，點(diǎn)火時(shí)間在0.5～10MPa區(qū)間延長，發(fā)射裝藥分解燃燒速度降低。首先，主要是由于隨著延遲點(diǎn)火部件的延長，點(diǎn)火藥燃燒產(chǎn)生的灼熱粒子通過延遲點(diǎn)火部件到達(dá)發(fā)射藥表面的數(shù)目減少，相應(yīng)的傳導(dǎo)熱量減少；其次，點(diǎn)火藥氣體產(chǎn)物穿過狹窄而彎曲的通道，氣體的溫度和壓力降低，點(diǎn)火藥氣體以對(duì)流方式傳遞給發(fā)射藥表面的熱量減少；第三，點(diǎn)火藥燃燒產(chǎn)生的火焰由于延遲點(diǎn)火部件的阻礙，以熱輻射方式供給發(fā)射藥表面層的熱量減少；第四，點(diǎn)火延遲部件中的鋼珠對(duì)灼熱粒子、點(diǎn)火藥氣體及火焰有吸熱作用。因此，使得發(fā)射藥的點(diǎn)火時(shí)間增長，點(diǎn)火速度減慢。該試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)反映出離點(diǎn)火藥越近的發(fā)射裝藥優(yōu)先點(diǎn)燃(延遲點(diǎn)火部件長度越短，點(diǎn)火藥離發(fā)射藥距離越短，其點(diǎn)火時(shí)間短，發(fā)射藥起燃較早)，另外，點(diǎn)火藥不僅對(duì)臨近的發(fā)射裝藥具有點(diǎn)火作用，對(duì)遠(yuǎn)離點(diǎn)火藥的深層發(fā)射裝藥也具有點(diǎn)火作用。

2.23種典型發(fā)射藥點(diǎn)火性能對(duì)比及燃燒過程分析

通過設(shè)計(jì)的點(diǎn)火性能模擬試驗(yàn)裝置對(duì)高能太根-18/1、雙芳-3-18/1及NR11-18/1三種典型發(fā)射藥進(jìn)行了點(diǎn)火性能對(duì)比，裝藥條件為：1.1g硝化棉點(diǎn)火藥，8g發(fā)射藥樣品，延遲點(diǎn)火部件長50mm，內(nèi)腔填滿直徑8mm鋼珠。結(jié)果表明，NR11-18/1發(fā)射藥的點(diǎn)火時(shí)間(點(diǎn)火過程壓力為1～10MPa的間隔時(shí)間)最短，僅為19ms，燃速較快，易于被點(diǎn)燃；雙芳-3-18/1發(fā)射藥點(diǎn)火時(shí)間為45ms，不易被點(diǎn)燃；高能太根-18/1發(fā)射藥點(diǎn)火時(shí)間為29ms，點(diǎn)火難易性能居中。課題組利用特征點(diǎn)火藥量法[7-9]對(duì)這3種發(fā)射藥的點(diǎn)火性能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，相同點(diǎn)火條件下，NR11-18/1發(fā)射藥點(diǎn)燃所需特征點(diǎn)火藥量最小，最易點(diǎn)火，而雙芳-3-18/1 發(fā)射藥點(diǎn)燃所需特征點(diǎn)火藥量最大，最難點(diǎn)火，與本研究獲得的結(jié)論一致。由疊氮硝銨、RDX及雙芳-3的熱分解性能[10]可知，疊氮硝銨和RDX最大放熱峰的溫度分別為227和237℃，且200～250℃內(nèi)分解失重總量達(dá)99%。而雙芳-3-18/1發(fā)射藥雖然最大放熱峰的溫度為201℃，但其分解速度緩慢，100～350℃內(nèi)分解失重總量不到90%?？赡苷怯捎诏B氮硝銨和RDX具有較快的分解速度，放熱速度較快，加速了NR-11-18/1發(fā)射藥點(diǎn)火燃燒速度，表現(xiàn)為NR-11-18/1發(fā)射藥點(diǎn)火時(shí)間最短，高能太根-18/1發(fā)射藥次之，雙芳-3-18/1發(fā)射藥點(diǎn)火時(shí)間最長。

某裝藥條件下雙芳-3-18/1發(fā)射藥的典型p-t曲線如圖4所示。

圖4　雙芳-3-18/1發(fā)射藥點(diǎn)火過程的p-t曲線Fig.4　p-t curve of SF-3-18/1 propellant obtained from ignition process

由圖4可看出，第1個(gè)尖峰應(yīng)屬點(diǎn)火藥燃燒所產(chǎn)生的壓力峰，點(diǎn)火藥燃燒結(jié)束后，壓力逐漸下降，此時(shí)點(diǎn)火藥應(yīng)已完全燃盡，雙芳-3-18/1 發(fā)射藥表面層吸收熱量，表面逐漸變軟。按溶塑火藥燃燒物化過程理論解釋[11]，此時(shí)刻之后，雙芳-3-18/1 發(fā)射藥經(jīng)歷軟化、蒸發(fā)、分餾等物理變化，并且逐漸發(fā)生緩慢的化學(xué)反應(yīng)，首先是硝酸酯的分解反應(yīng)：

其次，靠近火藥表面層發(fā)生氧化還原反應(yīng)：

但由于產(chǎn)生的NO處在較低的溫度下，所以反應(yīng)速度還較慢，產(chǎn)生的氣體不足以消除熱傳導(dǎo)損失造成的壓力降，p-t曲線以下降為主。經(jīng)過十幾毫秒的壓力下降后，燃燒室壓力重新升高，此時(shí)開始強(qiáng)烈的氧化還原放熱反應(yīng):

雙芳-3-18/1 發(fā)射藥開始大幅分解燃燒，生成N2、CO2及H2O，其對(duì)壓力增長的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)地位，最終壓力到達(dá)泄壓膜片極限壓力，燃燒本體內(nèi)氣體經(jīng)破片泄壓。

2.3火藥分層點(diǎn)火過程模型

加熱層點(diǎn)火理論[11]認(rèn)為，要使火藥裝藥點(diǎn)燃并持續(xù)燃燒下去，不但要使火藥表面達(dá)到著火溫度，而且要建立起適當(dāng)厚度的加熱層，其本質(zhì)是強(qiáng)迫點(diǎn)火理論中[1]最小熱量的含義，即點(diǎn)火藥單位時(shí)間傳遞的熱量低于該最小熱量值時(shí)，即使火藥表面溫度達(dá)到著火溫度，火藥在著火后還有可能終止。將本裝置延遲點(diǎn)火部件及發(fā)射裝藥假設(shè)為厚度相同的一層一層均質(zhì)火藥，如圖5所示。

圖5　火藥分層點(diǎn)火過程示意圖Fig.5　Schematic diagram of stratified ignition process for propellant

圖中1、2、3表示厚度相同的第1層、第2層及第3層火藥。當(dāng)?shù)?層火藥受到點(diǎn)火藥能量流作用，表面溫度達(dá)到著火溫度，且加熱層吸收的熱量大于穩(wěn)定燃燒所需的最低熱量Qm時(shí)，則第1層火藥可持續(xù)穩(wěn)定燃燒。當(dāng)?shù)?層為不可燃惰性物質(zhì)時(shí)(如本裝置所采用的鋼珠)，第2層的火藥要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，同樣需滿足兩個(gè)條件：著火溫度和最低熱量Qm。由于第1層物質(zhì)的阻擋，第2層火藥表面溫度的增長及熱量的吸收變得不易。

根據(jù)強(qiáng)迫點(diǎn)火理論，要使火藥點(diǎn)燃，火藥加熱層吸收的熱量必須大于某一個(gè)最低熱量Qm。若tm為點(diǎn)火藥將此熱量傳給火藥表面所需的時(shí)間，則可得

(1)

式中：S0為火藥受熱面積；pd為點(diǎn)火藥氣體壓力；α為總傳熱系數(shù)，是與點(diǎn)火藥氣體性質(zhì)、火藥初溫、點(diǎn)火過程、點(diǎn)火溫度、點(diǎn)火結(jié)構(gòu)和裝藥結(jié)構(gòu)有關(guān)的一個(gè)量。

若qm表示單位面積火藥加熱層穩(wěn)定燃燒所吸收的最低熱量，則可得

qm=Qm/S0

(2)

由式(1)和式(2)可得

(3)

當(dāng)延遲點(diǎn)火部件長度延長時(shí)，由于點(diǎn)火藥能量流傳給火藥加熱層總傳熱系數(shù)α降低，點(diǎn)火時(shí)間tm必須有所延長，以補(bǔ)償最低熱量qm的大小，表現(xiàn)為點(diǎn)火時(shí)間增長，發(fā)射裝藥分解燃燒速度降低。

3　結(jié)　論

(1)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的點(diǎn)火性能模擬試驗(yàn)裝置是一套完整的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，可用于研究不同發(fā)射藥的點(diǎn)火性能，亦可用于將點(diǎn)火藥的燃燒和發(fā)射藥的點(diǎn)火階段進(jìn)行區(qū)分，為發(fā)射藥點(diǎn)傳火設(shè)計(jì)及模擬計(jì)算工作提供了一種新的研究手段。

(2)高能太根-18/1、雙芳-3-18/1及NR11-18/1 三種發(fā)射藥的點(diǎn)火性能測(cè)試對(duì)比結(jié)果表明，NR11-18/1發(fā)射藥點(diǎn)火時(shí)間最短，最易被點(diǎn)燃，雙芳-3-18/1發(fā)射藥最難被點(diǎn)燃，高能太根-18/1發(fā)射藥居中。

(3)通過不同延遲點(diǎn)火部件長度的點(diǎn)火性能試驗(yàn)，建立了簡(jiǎn)單的點(diǎn)火過程模型，該模型表明，延遲點(diǎn)火部件長度增加，點(diǎn)火時(shí)間將延長，與試驗(yàn)結(jié)果吻合。

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Experement Research for the Ignition Performance of Gun Propellant with Ignition Delay Device

ZHAO Bao-ming1, ZHANG Zou-zou1, ZHANG Heng1, JIN Jian-wei1, ZHAO Hong-li1, GUO Dan2,WEI Xue-tao1, XIN Kai-di1

(1.Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China；2.China Huayin Ordnance Test Center, Huayin Shaanxi 714200,China)

In order to better research the ignition performance of gun propellant, an ignition delay device was added on the basis of ignition performance testing device of the closed bomb principle,and a new testing device for simulating ignition performance was constructed. Based on the device, a simple stratified model of ignition process was established. The ignition performances for three kinds of gun propellants ZT-18/1,SF-3-18/1 and NR11-18/1 were simulated and compared by the new test device. The results show that NR11-18/1 gun propellant is easy to ignition, and SF-3-18/1 gun propellant is the most difficult to ignition. The ignition delay time is 19ms for NR11-18/1 gun propellant and 45ms for NR11-18/1 gun propellant.The addtion of the ignition delay device can effectively separate combustion of the ignition powder and combustion stage of the gun propellant, and it is not only conducive to contrast the difference between the gun propellants with small differences in the ignition performance, but also help to analyze the burning rate at low pressure. The ignition delay time increases with increasing the length of ignition delay device.

gun propellant; ignition performance; ignition delay time; ignition delay device;closed bomb

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.04.020

2015-12-30；

2016-02-04

國家安全重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(613226)

趙寶明(1978-)，男，副研究員，從事發(fā)射藥點(diǎn)傳火性能研究。E-mail:baomingzhao@126.com

TJ55;O643.2

A

1007-7812(2016)04-0102-05