帶延遲點火部件的發射藥點火性能試驗研究

趙寶明，張鄒鄒，張　衡，靳建偉，趙宏立，郭　丹，魏學濤，辛凱迪

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

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帶延遲點火部件的發射藥點火性能試驗研究

趙寶明1，張鄒鄒1，張衡1，靳建偉1，趙宏立1，郭丹2，魏學濤1，辛凱迪1

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

為了更好地研究發射藥的點火性能，在基于密閉爆發器原理的點火性能測試裝置基礎上增加了一個延遲點火部件，構建了一個新型點火性能模擬試驗裝置，根據該裝置建立了簡單的火藥分層點火過程模型，模擬并對比了高能太根-18/1、雙芳-3-18/1及NR11-18/1三種發射藥的點火性能。結果表明，NR11-18/1發射藥較易點火，雙芳-3-18/1發射藥最難點火,點火時間分別為19和45ms。增加延遲點火部件后，可將點火藥的燃燒和發射藥的燃燒階段有效區分，不僅有利于對比點火性能差異較小的發射藥之間的區別，還有助于分析發射藥低壓段的燃燒速度。隨著延遲點火部件長度的增加，點火時間也增長。

發射藥；點火性能；點火延遲時間；延遲點火部件；密閉爆發器

引　言

發射藥裝藥能否獲得所要求的彈道性能，其點火有著很大影響[1-3]。因此，開展發射藥點火性能的研究很有必要。目前，發射藥點火性能測試大多基于半密閉爆發器原理進行。在一定容積的燃燒室中，使用點火藥劑(如黑火藥、奔萘或高能點火藥)點燃發射藥樣品，進行定容燃燒，根據壓力傳感器監測點火延遲時間、最大壓力時間及最大壓力等參數，通過對點火藥量、點火延遲時間等參數的分析來判斷發射藥的點火性能優劣。殷雅俠等[4]利用半密閉爆發器研究了一種LOVA發射藥的點火性能，并提出了一種預估發射藥點火難易的方法。杜成中等[5]在基于半密閉爆發器原理的燃燒裝置中考察了NC、NH4CLO4、BP組成的點火藥對含RDX的硝銨火藥的點火能力。韓博等[6]利用點傳火系統模擬試驗裝置及多點測壓技術研究了點傳火系統的傳火速度,篩選優化合適的點傳火結構方案。

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

1　實　驗

1.1樣品及儀器

硝化棉點火藥，含氮量12%，符合GJB3204-1998標準； DAGR125-18/1發射藥，配方(質量分數)為：(NC+NG)56.3%、RDX25%、其他18.7%；NR11-18/1發射藥，配方(質量分數)為：(NC+NG)62.5%、RDX25%、DIANP及其他12.5%；雙芳-3-18/1發射藥，配方(質量分數)為：NC56%，NG26.5%，C23%，其他14.5%；高能太根-18/1發射藥，配方含部分RDX。以上樣品均為西安近代化學研究所提供。

SYC-2000型壓電傳感器，西安近代化學研究所；3020型數據采集器，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試驗裝置

實驗使用的點火性能模擬試驗裝置為自主設計研發，結構示意圖如圖1所示，包括燃燒本體、延遲點火部件、點火藥、發射藥、點火螺堵、泄壓螺堵、壓力傳感器等。燃燒本體內徑40mm，外徑80mm，長度80mm。延遲點火部件為一圓筒形空腔結構，兩端利用兩個多孔擋板以螺紋結構進行配合封堵，空腔內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，用于測量燃燒本體內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行100MPa以下裝藥點火性能模擬試驗。

圖1　點火性能模擬試驗裝置結構示意圖Fig.1　Schmatic diagram of ignition performance simulation test device structure

1.3試驗方法

試驗前，將點火藥、延遲點火部件及發射藥按圖1方式進行放置，即延遲點火部件置于點火藥和發射藥之間，將二者隔開，嚴格控制三者位置，保證點火距離等條件一致。通過調節延遲點火部件內填充的鋼珠數量來控制延遲點火部件長度。試驗時利用電點火絲引燃點火藥包，通過壓力傳感器記錄發射藥點火燃燒過程的p-t曲線。由p-t曲線確定發射藥點火過程壓力上升到規定壓力時的點火時間。利用銅片封堵裝置的泄壓端口，點火后壓力達到一定程度時自行破片泄壓。

2　結果與討論

2.1延遲點火部件對發射藥點火過程的影響

對有、無延遲點火部件的兩種條件在點火性能模擬試驗裝置上進行試驗,裝藥條件為：0.3g硝化棉點火藥，2.3g雙芳-3-18/1發射藥，延遲點火部件長度30mm，內腔填滿直徑8mm鋼珠，得到點火過程的p-t曲線如圖2所示。

圖2　裝藥點火過程的p-t曲線對比Fig.2　Comparison of the p-t curves of ignition process of charge

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

在延遲點火部件長度分別為0、 10、30、50mm，延遲點火部件內填滿直徑8mm鋼珠，裝藥為1.1g硝化棉和2.3gDAGR125-18/1發射藥的條件下，研究了不同延遲點火部件長度對DAGR125-18/1發射藥點火時間的影響規律，結果見圖3。

圖3　不同延遲點火部件長度條件下DAGR125-18/1發射藥點火過程的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，隨著延遲點火部件長度的增加，點火時間在0.5～10MPa區間延長，發射裝藥分解燃燒速度降低。首先，主要是由于隨著延遲點火部件的延長，點火藥燃燒產生的灼熱粒子通過延遲點火部件到達發射藥表面的數目減少，相應的傳導熱量減少；其次，點火藥氣體產物穿過狹窄而彎曲的通道，氣體的溫度和壓力降低，點火藥氣體以對流方式傳遞給發射藥表面的熱量減少；第三，點火藥燃燒產生的火焰由于延遲點火部件的阻礙，以熱輻射方式供給發射藥表面層的熱量減少；第四，點火延遲部件中的鋼珠對灼熱粒子、點火藥氣體及火焰有吸熱作用。因此，使得發射藥的點火時間增長，點火速度減慢。該試驗結果同時反映出離點火藥越近的發射裝藥優先點燃(延遲點火部件長度越短，點火藥離發射藥距離越短，其點火時間短，發射藥起燃較早)，另外，點火藥不僅對臨近的發射裝藥具有點火作用，對遠離點火藥的深層發射裝藥也具有點火作用。

2.23種典型發射藥點火性能對比及燃燒過程分析

通過設計的點火性能模擬試驗裝置對高能太根-18/1、雙芳-3-18/1及NR11-18/1三種典型發射藥進行了點火性能對比，裝藥條件為：1.1g硝化棉點火藥，8g發射藥樣品，延遲點火部件長50mm，內腔填滿直徑8mm鋼珠。結果表明，NR11-18/1發射藥的點火時間(點火過程壓力為1～10MPa的間隔時間)最短，僅為19ms，燃速較快，易于被點燃；雙芳-3-18/1發射藥點火時間為45ms，不易被點燃；高能太根-18/1發射藥點火時間為29ms，點火難易性能居中。課題組利用特征點火藥量法[7-9]對這3種發射藥的點火性能進行了試驗驗證，結果表明，相同點火條件下，NR11-18/1發射藥點燃所需特征點火藥量最小，最易點火，而雙芳-3-18/1 發射藥點燃所需特征點火藥量最大，最難點火，與本研究獲得的結論一致。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℃內分解失重總量達99%。而雙芳-3-18/1發射藥雖然最大放熱峰的溫度為201℃，但其分解速度緩慢，100～350℃內分解失重總量不到90%。可能正是由于疊氮硝銨和RDX具有較快的分解速度，放熱速度較快，加速了NR-11-18/1發射藥點火燃燒速度，表現為NR-11-18/1發射藥點火時間最短，高能太根-18/1發射藥次之，雙芳-3-18/1發射藥點火時間最長。

某裝藥條件下雙芳-3-18/1發射藥的典型p-t曲線如圖4所示。

圖4　雙芳-3-18/1發射藥點火過程的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個尖峰應屬點火藥燃燒所產生的壓力峰，點火藥燃燒結束后，壓力逐漸下降，此時點火藥應已完全燃盡，雙芳-3-18/1 發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]，此時刻之后，雙芳-3-18/1 發射藥經歷軟化、蒸發、分餾等物理變化，并且逐漸發生緩慢的化學反應，首先是硝酸酯的分解反應：

其次，靠近火藥表面層發生氧化還原反應：

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

雙芳-3-18/1 發射藥開始大幅分解燃燒，生成N2、CO2及H2O，其對壓力增長的貢獻占主導地位，最終壓力到達泄壓膜片極限壓力，燃燒本體內氣體經破片泄壓。

2.3火藥分層點火過程模型

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

圖5　火藥分層點火過程示意圖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。當第1層火藥受到點火藥能量流作用，表面溫度達到著火溫度，且加熱層吸收的熱量大于穩定燃燒所需的最低熱量Qm時，則第1層火藥可持續穩定燃燒。當第1層為不可燃惰性物質時(如本裝置所采用的鋼珠)，第2層的火藥要實現穩定燃燒，同樣需滿足兩個條件：著火溫度和最低熱量Qm。由于第1層物質的阻擋，第2層火藥表面溫度的增長及熱量的吸收變得不易。

根據強迫點火理論，要使火藥點燃，火藥加熱層吸收的熱量必須大于某一個最低熱量Qm。若tm為點火藥將此熱量傳給火藥表面所需的時間，則可得

(1)

式中：S0為火藥受熱面積；pd為點火藥氣體壓力；α為總傳熱系數，是與點火藥氣體性質、火藥初溫、點火過程、點火溫度、點火結構和裝藥結構有關的一個量。

若qm表示單位面積火藥加熱層穩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)

當延遲點火部件長度延長時，由于點火藥能量流傳給火藥加熱層總傳熱系數α降低，點火時間tm必須有所延長，以補償最低熱量qm的大小，表現為點火時間增長，發射裝藥分解燃燒速度降低。

3　結　論

(1)實驗設計的點火性能模擬試驗裝置是一套完整的模擬試驗系統，可用于研究不同發射藥的點火性能，亦可用于將點火藥的燃燒和發射藥的點火階段進行區分，為發射藥點傳火設計及模擬計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 三種發射藥的點火性能測試對比結果表明，NR11-18/1發射藥點火時間最短，最易被點燃，雙芳-3-18/1發射藥最難被點燃，高能太根-18/1發射藥居中。

(3)通過不同延遲點火部件長度的點火性能試驗，建立了簡單的點火過程模型，該模型表明，延遲點火部件長度增加，點火時間將延長，與試驗結果吻合。

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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

國家安全重大基礎研究項目(613226)

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

TJ55;O643.2

A

1007-7812(2016)04-0102-05