模壓可燃藥筒點火特性

鄒偉偉，肖樂勤，周偉良

（南京理工大學 化工學院，南京210094）

可燃藥筒作為裝藥的一個重要部件，燃燒特性是其最主要的性能之一[1]，并對內彈道性能有很大的影響.點火階段作為燃燒的起始段，對可燃藥筒的整體燃燒特性及炮膛內裝藥燃燒過程起著舉足輕重的作用.

可燃藥筒是一種含能的結構功能性多孔材料，孔隙分布不均一，呈現出滲透性燃燒的特點[2～4]，與符合幾何燃燒規律的火藥相比，具有特殊的燃燒特性.可燃藥筒結構及燃燒規律的特殊性使得其本身具有獨特的點火特性[5]，所以不能把火藥的點火情況簡單地套用于可燃藥筒.因此，研究可燃藥筒的點火情況對準確了解可燃藥筒燃燒性能及裝藥設計均具有重要的意義.本文通過密閉爆發器試驗分析了可燃藥筒定容點火特性，探討了裝填密度與點火強度對藥筒點火的影響，同時對可燃藥筒與單基藥的點火特性進行了比較.

1 實驗

1.1 試樣

以配方N1可燃藥筒和4/7－單作為研究試樣.N1可燃藥筒含硝化棉、硫酸鹽木漿紙、黏結劑和助劑，采用抽濾模壓工藝制備，樣品尺寸35 mm×21mm×2.5mm，50℃水浴烘箱干燥24h.

密閉爆發器中電點火材料選用直徑為0.15～0.20mm的鎳鉻絲，點火藥采用2號硝化棉.

1.2 試驗方法

真密度：采用Micromeritics AccuPycⅡ1340型真密度分析儀測試，測試介質為高純氦氣，測試原理為氣體置換法，測試溫度（25±2）℃，可燃藥筒試樣尺寸為35mm×21mm×2.5mm，測試3次求平均值.

比表面積：以Micromeritics AutoPoreⅣ9500型壓汞儀分別表征可燃藥筒、4/7－單的比表面積.測試室溫為（25±2）℃，可燃藥筒試樣尺寸為6.5mm×6.5mm×2.5mm.

熱分解溫度：采用SDT－Q600型TG－DSC分析儀測試，測試氣體為氮氣，體積流量為30mL/min，升溫速率為10℃/min，溫度范圍為50～650℃.

點火特性：以容積為109mL的密閉爆發器為測試手段，采用 MANFRAMEJV5300A采集系統，SYC－3 000 099 120傳感器，測試方法依據GJB 5472.9－2005，測試溫度為（25±2）℃，測定結果以3發數據平均.可燃藥筒試樣尺寸為35mm×21mm×2.5mm.

點火藥量的計算遵照GJB 5472.9－2005標準確定.

N1藥筒與4/7－單的真密度ρ、比表面積Sg、熱分解溫度θ及密閉爆發器測得的點火時間tk數據見表1.點火時間定義為電阻絲通電加熱到點火藥燃燒壓力達到10 MPa時所需要的時間.

表1 可燃藥筒與4/7－單的結構參數及點火時間

依據固相點火理論，在點火藥種類與火藥初溫相同的情況下，火藥的熱分解溫度越高，密度越大，火藥越難點燃，所需要的點火時間越長.由表1可知，與4/7－單相比，N1藥筒的密度、熱分解溫度都較低，且藥筒表面粗糙，結構疏松，因此可燃藥筒更容易點火，點火時間縮短，這與密閉爆發器測得的結果一致.

圖1、圖2分別為N1藥筒及4/7－單定容燃燒點火階段的p－t曲線和dp/dt－t曲線（圖中曲線為各配方3發平行試驗數據，下同）.

2 結果與討論

2.1 點火理論

點火是火藥通過外界能量的激發從非反應狀態到反應狀態的過渡過程，其基本屬性是非定常的[6～8].目前，點火理論主要采用固相點火模型，該模型能夠較真實地描述電熱絲點火和熱固體點火的過程，與密閉爆發器試驗符合較好，其定性描述點火影響因素的數學表達式為

式中，tι為點火藥點火延遲期，λ為火藥的導熱系數，ρ為火藥的密度，c為火藥的比熱容，h為總傳熱系數，Tign為火藥點火溫度，Tg為點火藥燃燒產物的溫度，T0為火藥初溫.

2.2 可燃藥筒的定容點火特性

對4/7－單及 N1可燃藥筒進行密閉爆發器試驗，比較2種火藥的定容點火特性.點火強度為10 MPa，裝填密度為0.12g/cm3.

圖1 N1藥筒與4/7－單點火階段的p－t曲線

圖2 N1藥筒與4/7－單點火階段的dp/dt－t曲線

由圖1、圖2中曲線可知，同一個試樣3發試驗的結果具有較好的重現性.由圖1可知，相比4/7－單，N1藥筒點火段的壓力上升迅速，達到10 MPa所需要的時間明顯縮短，這主要是由二者比表面積與密度不同引起的.比表面積大，則裝藥總表面積增加，即吸熱表面增大，熱量散失快；密度與熱傳導系數有關，密度大，熱傳導系數就大，熱量向火藥內部的傳輸速度就快，同樣會使得點火段的熱量散失加速.由表1中數據可知，N1藥筒的比表面積、密度都較4/7－單小，因而藥筒點火段的熱散失慢，點火藥燃燒速度加快，壓力上升迅速.dp/dt曲線反映了點火段的燃氣生成速率，曲線的峰值表明點火藥的燃燒速率在該點達到極值.圖2中，N1藥筒的dp/dt－t曲線峰值出現在6ms處，6.7ms后可燃藥筒開始燃燒使得壓力速率再次上升，藥筒點燃具有一定的延遲；而4/7－單的dp/dt曲線未出現明顯的峰值，點火延遲時間短，但燃氣生成速率較緩，壓力上升滯后.

依據圖2中N1藥筒的dp/dt－t曲線的變化趨勢，可將藥筒的點火過程分為3個階段：①電點火擊發階段（0～1ms），該過程中電能轉化為熱能，時間延長，熱量逐漸積累，點火藥溫度升高，在1ms左右開始燃燒；②可燃藥筒著火階段AB段（1～6.7ms），點火藥燃氣以熱傳導的方式和高溫的點火藥氣體以對流及火焰輻射方式，使得藥筒表面層溫度升高，化學反應速度加快，可燃藥筒開始燃燒；③可燃藥筒燃燒的初始階段BC段（6.7～7.13ms），為點火過程的第三階段，該過程中藥筒表面反應放出的熱量向內層傳遞，使得內層溫度升高，反應速度加快，火焰加速向內層傳播，反映在p－t曲線上即為壓力迅速上升，該過程為點火藥和可燃藥筒共同燃燒階段.

2.3 裝填密度對可燃藥筒點火特性的影響

對N1可燃藥筒進行2種裝填密度（0.12g/cm3和0.20g/cm3）的密閉爆發器試驗.定容點火時間見表2，表中，pi為點火強度，Δ為裝填密度，tk為點火時間.所得藥筒點火階段的p－t曲線和dp/dt－t曲線分別見圖3和圖4.

表2 N1可燃藥筒不同條件下密閉爆發器點火時間

圖3 不同裝填密度下N1可燃藥筒點火階段的p－t曲線

圖4 不同裝填密度下N1可燃藥筒點火階段的dp/dt－t曲線

在圖3中，不同裝填密度下N1可燃藥筒點火過程中壓力上升趨勢一致，點火時間基本不變，只是在時間段5～7ms間有一定的區別.裝填密度提高，裝藥中藥筒的總表面積增加，吸熱表面增大，熱散失較快；點火過程的第二階段壓力上升較慢，但藥筒點燃后，高裝填密度下的壓力迅速增長.可見，點火過程中可燃藥筒參與燃燒，影響點火段的p－t曲線及點火時間.由圖4可知，裝填密度對dp/dt曲線影響較大.低裝填密度下，N1藥筒受熱至開始燃燒，具有一定的延遲，而在高裝填密度下，dp/dt曲線未出現峰值，說明藥筒在峰值6ms前已經開始燃燒，點火延遲縮短.

2.4 點火強度對可燃藥筒點火特性的影響

對N1藥筒進行10MPa和20MPa 2種點火壓力下的密閉爆發器試驗，研究不同點火強度對可燃藥筒點火特性的影響，裝填密度為0.12g/cm3.

不同點火強度下，N1可燃藥筒點火階段的p－t曲線、dp/dt－t曲線見圖5、圖6，點火壓力10 MPa為弱點火，20 MPa為強點火.由圖5和表2可知，強點火條件下，p－t曲線的上升陡度增加，點火時間縮短.而在圖6中，弱點火下dp/dt－t曲線出現峰值，具有較強的燃燒振蕩，且在6ms處出現平臺，該平臺是可燃藥筒受熱而不斷升溫的過程.強點火下，燃氣生成速率增大，基本呈指數上升，且dp/dt－t曲線沒有出現峰值，平臺消失，這表明點火強度的增大提高了點火段的燃氣生成速率，加速了點火藥燃燒產生的高溫氣體產物和火焰沿藥筒表面的傳播速度，縮短了藥筒的定容點火時間.點火壓力的迅速建立不僅保證了可燃藥筒的穩定燃燒，而且使可燃藥筒的著火同時性得到提高.

結合圖4分析結果可知，裝填密度增加或點火強度提高都會使得藥筒的點火延遲時間縮短，點火過程第二階段末期的燃氣生成速率迅速增加.

圖5 不同點火強度下N1可燃藥筒點火階段的p－t曲線

圖6 不同點火強度下N1可燃藥筒點火階段的dp/dt－t曲線

3 結論

①在定容燃燒試驗中，與4/7－單相比，可燃藥筒點火段的壓力上升迅速，燃氣生成速率高，點火時間縮短.

②可燃藥筒的定容點火過程分為3個階段，即電點火擊發階段、著火階段與藥筒的初級燃燒階段.

③定容燃燒試驗中，裝填密度提高，可燃藥筒點火段壓力上升趨勢不變，點火時間不變，但點火延遲時間縮短.點火強度提高，藥筒點火段的壓力上升陡度增加，燃氣生成速率提高，點火時間縮短.

[1]SHEDGE M T，PATEL C H，TADKOD S K.Polyvinyl acetate resin as a binder effecting mechanical and combustion properties of combustible cartridge case formulations[J].Defence Science Journal，2008，58（3）：390－397.

[2]李煜，郭德惠，趙成文，等.新型含能纖維可燃藥筒的性能研究[J].含能材料，2009，17（3）：334－338.LI Yu，GUO De－hui，ZHAO Cheng－wen，et al.Characterization of combustible cartridge cases enhanced by novel energetic fibers[J].Chinese Journal of Energetic Materials，2009，17（3）：334－338.（in Chinese）

[3]SYAL R K，SINDKER D V，NARR P S，et al.Hazard assessment formanufacture of combustible cartridge cases using picrite[J].Defence Science Journal，1996，46（2）：71－75.

[4]胡國勝，張麗華，牛秉彝.單基與多基火藥[M].北京：兵器工業出版社，1996：104－121.HU Guo－sheng，ZHANG Li－hua，NIU Bing－yi.Single－base propellant and multibase propellant[M].Beijing：Ordnance Industry Press，1996：104－121.（in Chinese）

[5]KURULKAR G C，SYAL R K，SINGH H.Combustible cartridge case formulation and evaluation[J].Journal of Energetic Materials，1996，14（2）：127－132.

[6]金志明，翁春生.高等內彈道學[M].北京：高等教育出版社，2003：237－253.JING Zhi－ming， WENG Chun－sheng.Advanced interior ballistics[M].Beijing：High Education Press，2003：237－253.（in Chinese）

[7]王澤山，韓盤銘，張續柱.火藥實驗[M].北京：中國科學技術出版社，1992：140－147.WANG Ze－shan，HAN Pan－ming，ZHANG Xu－zhu.Proprellant experimant[M].Beijing：China Science and Technology Pubishing House，1992：140－147.（in Chinese）

[8]王世英，胡煥性.點火強度對B炸藥燃燒行為之影響[J].含能材料，2003，11（3）：141－143.WANG Shi－ying，HU Huan－xing.The effect of ignition intensity in composition B on the burning behavior[J].Chinese Journal of Energetic Materials，2003，11（3）：141－143.（in Chinese）