發射藥藥型結構對燃速測試結果的影響

汪俊杰，黃振亞，何 飛，劉 靖

（南京理工大學 化工學院，南京210094）

隨著發射藥裝藥技術的發展，對發射藥燃速測試結果的準確性提出了越來越高的要求。大量的試驗研究結果表明，利用密閉爆發器測試的燃速參數進行火炮內彈道設計時，設計結果與實際彈道試驗結果有時存在較大的偏差，其中，不準確的發射藥燃速測試結果是造成上述偏差的主要原因之一［1］。Richardson S L和Oberle W F研究了微型密閉爆發器中單孔藥裝填密度對燃速測試結果的影響，結果表明，低裝填密度（＜0.15g／cm3）的燃速與高裝填密度的燃速有較大的差異［2］。準確地測試發射藥的燃速參數，對發射藥裝藥設計具有重要的理論意義和實際應用價值。密閉爆發器實驗作為發射藥燃速測試的主要方法，其測試原理是發射藥遵循平行層燃燒規律，但內孔長徑比較大的發射藥中止燃燒后內孔近似呈雙錐喇叭狀，說明其燃燒偏離了平行層燃燒規律［3］。

本文以高能硝胺發射藥為研究對象，采用密閉爆發器實驗測試了4種藥型及其不同內孔長徑比的燃速特性，研究發射藥內孔長徑比對燃速參數測試結果的影響關系，并對比分析不同燃速特性發射藥對侵蝕燃燒的影響關系，通過中止燃燒實驗觀測分析發射藥內孔長徑比與侵蝕燃燒的影響關系。

1 實驗部分

1.1 實驗樣品

高能硝胺發射藥基本組分：NC（45%）、NG（25%）、RDX（25%）、其它（5%）。制備工藝：原料在捏合機中捏合2.5h，通過油壓機和成型模具擠壓成型，藥型為18／1管狀、6／7圓柱形、6／19花邊形和18／19花邊形，經適當晾干后切成一定的長度，在一定工藝條件下驅除揮發性溶劑，藥型參數見表1。表中內孔長徑比的實際值有一定的偏差，但偏差較小；表中L為藥長，L／d為內孔長徑比。

表1 實驗樣品藥型參數

1.2 密閉爆發器實驗

壓力傳感器的量程為400MPa，國營江西傳感器廠生產；電荷放大器的最大輸出電壓為10V，型號為SYC－4000，揚州無線電二廠生產；數據采集系統型號為52系列，成都縱橫測控技術有限公司生產；點火藥為C級NC；發射藥裝填密度為0.18g／cm3；實驗溫度為常溫20℃。

1.3 侵蝕燃燒實驗

中止燃燒儀容積為100cm3，中止燃燒樣品為18／1高能硝胺發射藥，長度分別為40mm、60mm和80mm，質量均為20g；點火藥采用2／1樟發射藥，質量分別為3.5g和5g；銅片厚度為2mm，中止壓力為80MPa左右。

2 實驗結果與分析

2.1 燃速特性參數的數據處理

燃速隨壓力的變化規律是表征發射藥燃燒性能的主要特征量［4］。目前，基本都采用指數式燃速定律來表征發射藥的燃速特性，當燃速壓力指數接近于1時，也可采用正比式燃速定律來表征，其表達式分別為

式中：A為指數式燃速系數，n為燃速壓力指數，u1為正比式燃速系數，p為壓力。

國內外相關研究表明，發射藥的燃速特性參數（特別是燃速壓力指數）在不同燃燒階段是不同的［5－6］。通過密閉爆發器實測p－t曲線處理發射藥的燃速特性參數時，選擇不同的壓力范圍對處理結果有明顯的影響。在發射藥點火燃燒的初始階段，由于點火不一致的影響，發射藥的實際燃燒面積小于理論燃燒面積，熱損失的影響也較大，這導致處理得到的燃速值偏低；在發射藥燃燒后期，由于藥型尺寸的偏差（偏孔等）及侵蝕燃燒的影響，發射藥的實際燃燒面積小于理論燃燒面積，處理得到的燃速值也偏低。目前，國內外在根據密閉爆發器實驗的p－t曲線處理燃速特性參數時，對壓力起始值和終止值的選擇并沒有明確的規定或規范。不同的研究者往往采用不同的選擇方式，這導致現有發射藥燃速特性參數的可比性較差。

本實驗是基于火藥平行層燃燒理論處理燃速參數，壓力范圍選擇相對燃燒質量ψ＝0.15的壓力值至最大壓力陡度（dp／dt）max的壓力值［7－8］。選擇ψ＝0.15的壓力值作為起始值，目的是盡可能排除點火不一致的影響；根據發射藥的燃氣生成規律，當（dp／dt）達到最大值以后開始下降時，發射藥的燃燒面開始減少，處理得到的燃速值將偏離實際值，因此選擇對應于（dp／dt）max的壓力值作為終止值較為合理。

2.2 密閉爆發器實驗結果與分析

1）藥型對燃速測試結果的影響。

內孔長徑比分別為20和40的18／1、6／7和6／19發射藥，密閉爆發器實驗測試的燃速參數結果見表2，lnu－lnp曲線如圖1和圖2所示。如6／19H－5表示長度為5mm的6／19花邊型發射藥。

加熱元件是電阻爐的核心，關系到爐子的工作性能和使用壽命。由于鉬在還原氣氛中，抗腐蝕性極好，耐高溫，電阻率較小，電阻溫度系數高，因此在高溫氫氣爐中選擇鉬作為加熱元件非常合適。表2列出了鉬在不同溫度時的電阻率。

表2 不同藥型發射藥的燃速參數

表2的結果表明，不同藥型測試得到的燃速參數存在一定差別。在內孔長徑比相同的條件下，隨著發射藥內孔數量增加，正比式燃速系數u1減小，燃速壓力指數n減小，指數式燃速系數A相應地增大。

圖1 L／d＝20的lnu－lnp曲線

圖2 L／d＝40的lnu－lnp曲線

根據圖1和圖2可以看出，6／7和6／19發射藥的lnu－lnp曲線都有明顯的彎曲現象，而18／1的lnu－lnp曲線更接近于一條直線，說明18／1發射藥的燃速壓力指數幾乎不受壓力的影響，而6／7和6／19發射藥由于孔數較多，燃燒層厚度存在一定的偏差，燃燒后期藥型分裂對燃速測試結果有一定的影響。

2）內孔長徑比對燃速測試結果的影響。

以18／1、6／7、6／19和18／19藥型為研究對象，分別改變它們的內孔長徑比，密閉爆發器實驗測試的燃速參數結果見表3，表中Δu1為u1的變化幅度。lnu－lnp曲線如圖3～圖6所示。

表3 不同內孔長徑比高能硝胺發射藥的燃速參數

表3的結果表明，在藥型相同的條件下，隨著發射藥內孔長徑比的增大，正比式燃速系數u1增大，燃速壓力指數n減小，指數式燃速系數A相應地增大；內孔長徑比變化10的條件下，正比式燃速系數u1的最大變化幅度為2.5%。在發射藥燃燒過程中，發射藥孔內生成的燃氣使孔內壓力增大，孔內與孔外存在壓力差，孔內生成的燃氣向孔外流動，高速氣流對發射藥燃面的沖刷使其燃速增大，即發射藥侵蝕燃燒現象。內孔長徑比越大，孔內外的壓力差越大，孔內的氣體流速越大，氣流沖刷的燃面燃速越大。侵蝕燃燒隨著燃燒過程內孔的增大而逐漸減弱，在藥型相同的條件下，內孔長徑比較大的前期燃速相對較大，后期燃速相對較小，發射藥燃速－壓力曲線相對較平緩，lnu－lnp曲線斜率相對較小，即燃速壓力指數n較小，相應的指數式燃速系數A較大。

圖3 18／1發射藥的lnu－lnp曲線

圖4 6／7發射藥的lnu－lnp曲線

圖5 6／19發射藥的lnu－lnp曲線

圖6 18／19發射藥的lnu－lnp曲線

根據圖3～圖6可以看出，18／1發射藥lnu－lnp曲線接近于直線，而6／7、6／19和18／19發射藥的lnu－lnp曲線都有明顯的彎曲現象，說明18／1發射藥的燃速壓力指數幾乎不受壓力的影響，6／7、6／19和18／19發射藥的燃速壓力指數受壓力的影響較大。

2.3 侵蝕燃燒實驗結果與分析

為了驗證測試過程中發射藥的侵蝕燃燒現象，采用18／1單孔管狀藥進行中止燃燒實驗。圖7和圖8為發射藥中止燃燒前后的圖片。由圖7和圖8可以看出，發射藥中止燃燒前后的表面形態基本沒有變化，原因是實驗選取的控壓銅片較薄，破孔壓力值較低，發射藥燃燒質量有限，中止燃燒后藥型結構完整，其表面形態基本不變。因此，可通過測量中止燃燒前后藥型尺寸的變化規律來研究侵蝕燃燒現象及其影響關系。

圖7 中止燃燒前發射藥端面圖

圖8 3.5g點火藥中止燃燒后發射藥端面圖

由于中止燃燒實驗發射藥的裝填密度較低，管狀藥的外表面基本無侵蝕燃燒現象，表4為發射藥燃燒前后內孔尺寸的變化規律，表中d為中止燃燒前孔徑，d3.5為3.5g點火藥燃燒后孔徑，d5.0為5.0g點火藥燃燒后孔徑。為了能夠直觀地看出發射藥內孔長徑比與侵蝕燃燒的關系，分別作出中止燃燒后樣品中間和兩端的內孔孔徑變化規律圖，如圖9和圖10所示，圖中l為發射藥上各點距A端的軸向距離。

表4 18／1發射藥中止燃燒前后的內孔尺寸

圖9 發射藥中止燃燒后孔徑變化規律（3.5g點火藥）

圖10 發射藥中止燃燒后孔徑變化規律（5.0g點火藥）

由表4看出，單孔管狀藥中止燃燒后兩端的孔徑均大于中間的孔徑，存在明顯的侵蝕燃燒現象。從圖9和圖10看出，內孔長徑比越大則內孔喇叭狀越明顯。原因是隨著內孔長徑比的增大，孔內外的壓力差增大，發射藥孔內生成的燃氣向孔外流動速度增大，侵蝕燃燒效應加劇，中止燃燒后發射藥內孔喇叭狀越明顯。

為了比較發射藥的燃速特性對侵蝕燃燒的影響關系，采用相同長徑比的18／1藥型，對比了高能硝胺發射藥和太根發射藥的侵蝕燃燒對燃速測試結果的影響，結果如表5所示。

表5 不同燃速特性發射藥對侵蝕燃燒的影響

由表5可以看出，相同內孔長徑比條件下，太根發射藥的燃速壓力指數n明顯比高能硝胺發射藥的小，指數式燃速系數A和正比式燃速系數u1都明顯比高能硝胺發射藥的大，在內孔長徑比增加幅度相同的條件下，太根發射藥的正比式燃速系數u1提高幅度較大。原因是高能硝胺發射藥含有RDX，在低壓條件下燃燒較慢，即高能硝胺發射藥的起始燃速較低，而太根發射藥的起始燃速高于高能硝胺發射藥，這導致太根發射藥的侵蝕燃燒相對更嚴重一些，對燃速參數測試結果的影響也更大一些。

3 結論

藥型結構對發射藥燃速測試結果影響較大。隨著內孔長徑比的增大，正比式燃速系數u1增大，燃速壓力指數n減小，指數式燃速系數A相應地增大；在內孔長徑比相同的條件下，隨著發射藥內孔數量的增加，正比式燃速系數u1減小，燃速壓力指數n減小，指數式燃速系數A相應地增大。

發射藥內孔長徑比較大時，其燃燒與平行層燃燒規律產生偏差，內孔長徑比變化10的條件下，正比式燃速系數u1的最大變化幅度為2.5%；在一定內孔長徑比范圍內，侵蝕燃燒隨內孔長徑比的增大而增大；發射藥的燃速特性對侵蝕燃燒現象有明顯的影響，在內孔長徑比相同的條件下，燃速高的發射藥侵蝕燃燒現象更嚴重一些。

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