DAGQ發射藥膛內靜態和動態燃燒性能

閆光虎，趙煜華，張玉成，劉 毅，崔鵬騰，梁 磊，李 強，肖 霞

(西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

DAGQ發射藥膛內靜態和動態燃燒性能

閆光虎，趙煜華，張玉成，劉 毅，崔鵬騰，梁 磊，李 強，肖 霞

(西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

為了研究DAGQ發射藥在膛內的燃燒性能，以經典內彈道理論為基礎，建立了發射藥膛內燃燒測試系統和處理方法，通過密閉爆發器燃燒試驗和微波干涉法發射藥膛內動態燃燒性能試驗，研究了DAGQ發射藥的靜動態燃燒規律及不同溫度下的動態燃燒特性。結果表明，所建立的試驗系統和處理方法，能夠很好地獲得彈丸在膛內的運動過程。DAGQ發射藥的靜動態燃速都存在轉折現象，靜態燃速在轉折點前壓力指數大于1，轉折點后壓力指數都遠小于1，動態燃速壓力指數基本都小于1。在膛內燃燒過程中，由于高速氣流對發射藥的燃面沖刷，使得膛內的動態燃速要大于密閉爆發器內的靜態燃速，并且隨著膛內壓力的增大，燃速相差越來越大。

密閉爆發器；微波干涉儀；DAGQ發射藥；動態燃速；燃燒性能

引 言

獲得高能量的發射藥是身管武器發展的重要方向和基本要求，在配方中添加高含能材料是提高發射藥能量的主要技術途徑。疊氮化合物、多氮化合物及全氮型超高能化合物是含能材料發展的方向之一[1-3]，其中疊氮硝胺(DIANP)不僅具有優異的增塑性能，還具有高能、高燃速、燃氣相對分子質量小、產氣量大等優點，已應用于高能量發射藥中。目前針對疊氮硝胺的優良性能，國內外開展了廣泛的研究[4-5]。楊建興等[6-7]通過對疊氮硝胺發射藥靜態燃燒性能的研究發現，RDX的引入可降低疊氮硝胺發射藥的起始燃速及起始燃氣生成猛度，提高其燃燒漸增性；此外含疊氮硝胺的DAGR125發射藥具有低壓下起始燃燒緩慢，隨著壓力的升高呈漸增性燃燒的特性。但由于密閉爆發器與火炮膛內的裝填條件和燃燒環境存在差異，測試結果與膛內的實際情況也存在不同，尤其是隨著各種新型發射藥的出現，燃燒過程變得更加復雜，難以準確預測發射藥膛內動態燃燒規律[8-10]。

本研究將硝基胍發射藥中加入疊氮硝胺，用于替換部分硝化甘油，制成含疊氮的DAGQ發射藥，通過密閉爆發器燃燒試驗和微波干涉法發射藥膛內動態燃燒性能試驗，研究了DAGQ發射藥的靜動態燃燒規律及不同溫度下的動態燃燒特性，以期為完善現有發射藥的性能、拓展其應用提供技術支撐。

1 實 驗

1.1 樣品與儀器

DAGQ發射藥，半溶劑法制造，其配方(質量分數)為：(NC+NGu+NG+DIANP+RDX)95%，其他5%。

6213B型壓力傳感器，瑞士奇石樂儀器公司；DEWE-2010型數據采集儀，奧地利德維創公司；IM-W95型微波干涉儀，中北大學，波長為3mm，頻率為95GHz。

1.2 測試系統

彈丸在膛內運動過程中，微波干涉儀持續進行微波信號的發射與接收。發射出的信號經過反射靶板反射進身管；當彈丸前端面接觸微波信號后，又將其反射至靶板，繼而由靶板再次反射給干涉儀；干涉儀將接收到的微波通過混頻濾波后，即可得到含有彈丸運動信息的多普勒信號，通過多普勒原理得到彈丸在膛內運動的速度—時間(v-t)曲線和彈丸行程—時間(l-t)曲線。彈丸膛內運動速度微波干涉儀測試系統示意圖如圖1所示。

圖1 彈丸膛內運動速度微波干涉儀測試系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test system for the projectile velocity in gun chamber with microwave interferometer

1.3 密閉爆發器試驗

依據GJB770B-2005火藥密閉爆發器試驗法，對DAGQ發射藥進行了靜態燃燒規律試驗，密閉爆發器容積為100mL，裝填密度為0.34g/mL，點火藥包為1.1g硝化棉，點火壓力為10MPa。發射藥弧厚0.48mm，孔徑0.3mm，長度3.6mm。

1.4 膛內燃燒試驗

在30mm高壓滑膛炮上進行了發射藥膛內燃燒試驗，裝藥采用中心傳火管結構，2號小粒黑作為傳火藥，用DD2電底火進行點火。膛底、坡膛、炮口處采用壓電傳感器測量壓力變化，使用微波干涉測試系統測量彈丸在膛內的運動過程。30mm高壓滑膛炮的裝填參數為：藥室容積335mL，截面積7.07cm2，彈丸行程1660mm，彈丸質量0.2kg。

1.5 基本原理

發射藥在火炮膛內的燃燒過程是一個非常復雜的隨機過程，目前尚無法從微觀上進行定量研究，因此首先需要從宏觀上作一些必要的假設[11-12]：

(1)發射藥在膛內燃燒過程服從平行層幾何燃燒規律；

(2)火炮膛內氣體壓力分布服從拉格朗日假設；

(3)發射藥能量轉換及彈丸運動過程按經典內彈道過程進行處理。

發射藥在火炮膛內的燃速方程可以根據能量守恒方程進行推導：

Sp((l0-Δ(1-Ψ)/ρ-αΔΨ)+l)=

fωΨ-(γ-1)φm1v2/2

(1)

式中：S為炮膛的橫斷面積；l0為藥室縮徑長；α為火藥余容；l為彈丸行程；f為火藥力；ρ為發射藥密度；Δ為裝填密度；Ψ為火藥已燃百分數；p為平均壓力；γ為絕熱指數；φ為平均壓力對應的次要功系數；m1為彈丸質量；v為彈丸速度。

由式(1)對Ψ進行求解，可得任一時刻的Ψ：

(2)

根據拉格朗日假設[9]得出：

(3)

(4)

式中：pt為膛底壓力；m2為裝藥質量；φ1為與火炮口徑類型相關的次要功計算系數(30mm口徑根據經驗值一般取1.05)。根據實驗數據及相關參數，可以求得任一時刻已燃百分數Ψ。為保證求解的準確性，取發射藥在分裂前的燃燒過程，即：

Ψ=xZ(1+λZ+μZ2) 0≤Z≤1

(5)

根據發射藥的燃燒規律得[10]：

(6)

通過式(6)可求出發射藥在膛內的燃速系數u1及壓力指數n。

2 結果與討論

2.1 靜態燃燒規律

密閉爆發器所測p-t曲線和計算所得u-p曲線如圖2所示。

圖2 DAGQ發射藥靜態燃燒p-t曲線和u-p曲線Fig.2 The p-t and u-p curves for static combustion of DAGQ gun propellant

由圖2(a)和圖2(b)可知，DAGQ發射藥靜態燃燒壓力曲線光滑，燃燒穩定，燃速壓力指數出現轉折現象，以指數形式對曲線進行分段擬合，結果如表1所示。

表1 DAGQ發射藥在常溫(20℃)的靜態燃速擬合結果

Table 1 The fitting results of static burning rate at normal temperature (20℃)

p/MPanu1/(cm·MPa-n·s-1)R10～601．07200．05480．99460～3000．77120．16920．99710～3000．76690．17310．997

由表1可以看出，DAGQ發射藥燃速在轉折前(小于60MPa壓力段)壓強指數為1.072，轉折后(大于60MPa后)壓強指數為0.771，遠小于1，擬合度均大于0.99，說明DAGQ發射藥能夠較好地符合指數式燃燒規律，與已有硝胺類發射藥燃燒規律結果基本一致。

2.2 膛內燃燒規律

DAGQ發射藥內彈道試驗結果如表2所示。

表2 DAGQ發射藥內彈道試驗結果

Table 2 Results of the interior ballistic test for DAGQ gun propellant

序號m2/kgpt/MPav/(m·s-1)t/℃10．2031112372020．2033012725030．202811172-40

注：m2為裝藥質量；pt為壓力傳感器測得膛底處的最大膛壓；v為微波干涉儀所測彈丸炮口速度。

對DAGQ發射藥不同溫度內彈道試驗結果進行分析，所得膛內燃燒特征曲線如圖3和圖4所示。

圖3 膛內燃燒pt-t曲線和彈丸v-t曲線Fig.3 The pt-t curves in bore and the v-t curves of the projectile

圖4 膛內彈丸l-t曲線Fig.4 The l-t curves of projectile in bore

從圖3可以看出，由微波干涉儀測得的彈丸出炮口時刻與炮口信號傳感器獲得的出炮口時刻tg一致，圖4中微波干涉儀測得的不同溫度下彈丸膛內最大行程分別為1658、1654和1655mm，與火炮行程一致，因此，試驗所得pt-t、v-t和l-t曲線能夠反映發射藥在膛內燃燒和彈丸的運動過程。

利用數據采集儀、壓力傳感器及微波干涉儀測試系統測出膛內的壓力—時間(p-t)、彈丸運動速度—時間(v-t)及彈丸行程—時間(l-t)曲線，則在膛內燃燒過程中任一時刻t，壓力p(t)、彈丸運動速度v(t)及行程l(t)都為已知量，計算得到發射藥在膛內燃燒時的u-p曲線，圖5所示為靜態燃燒和膛內燃燒兩種情況下獲得的u-p曲線對照，兩種情況下燃速擬合結果見表3，圖6為不同溫度下的DAGQ發射藥膛內燃燒u-p曲線，動態燃速擬合結果見表4。

圖5 靜態燃燒和動態燃燒u-p曲線Fig.5 The u-p curves for static and dynamic combustion

燃燒狀態p/MPanu1/(cm·MPa-n·s-1)R靜態燃燒10～601．07200．05480．994靜態燃燒60～3000．77120．16920．997靜態燃燒10～3000．76690．17310．997動態燃燒30～800．99560．07530．993動態燃燒80～3000．78570．18750．996動態燃燒30～3000．79160．18170．996

圖6 不同溫度下的DAGQ發射藥膛內燃燒u-p曲線Fig.6 The u-p curves of combustion in gun chamber of DAGQ gun propellant at different temperatures

由圖5和表3可知，由于組分中硝化棉、硝化甘油與黑索金在熱分解特性上的差異，導致DAGQ發射藥在靜態和膛內動態燃燒情況下獲得的燃速都存在轉折現象[13]，由于在動態情況下發射藥裝填密度遠大于靜態情況下，點火的不一致性(發射藥不能瞬時和全面的點燃)會更嚴重，所以轉折點后移；在整個壓力段，動態燃速要大于靜態燃速，在小于50MPa下兩者燃速相差較小，但隨著壓力的增大，兩者的燃速差值也越來越大，在300MPa處，兩者燃速相差3.2cm/s。這是因為，在膛內燃燒起始段，彈丸剛開始起動，速度較慢，燃燒環境和密閉爆發器試驗基本一致，所以在小于50MPa壓力下，兩者獲得的燃速相差較小，但隨著壓力的增大，彈丸速度加快，燃燒室內的氣流運動速度也隨之變快，氣流對發射藥表面有一定的沖刷作用，導致燃速變大。

由圖6可知，不同溫度下DAGQ發射藥在膛內燃燒時同樣出現了轉折現象，并且與通常的密閉爆發器試驗結果不同，在壓力大于125MPa后，低溫下DAGQ發射藥的燃速高于常溫時的燃速。這可能是因為，在同一壓力下，低溫時的氣流速度要遠大于常溫(低溫583m/s，常溫370m/s，氣流速度增大了57%)，速度越高，氣流對藥粒表面的沖刷就越大，使得發射藥的燃速變大，此時氣流與發射藥的流固耦合作用對燃速的影響大于發射藥初溫對燃速的影響，所以，同一壓力下低溫的動態燃速要大于常溫時的動態燃速。而同一壓力下常溫和高溫的氣流速度相差很小(常溫370m/s，高溫347m/s，高溫氣流速度只減小了6%)，所以兩種溫度下流固耦合作用對燃速的影響較小，兩者燃速的不同主要是由于初始藥溫的不同所致，因此，低溫燃速在某一時刻大于常溫燃速，而常溫燃速卻始終小于高溫燃速。

表4 不同溫度下DAGQ發射藥動態燃速擬合結果

Table 4 The fitting results of dynamic burning rate of DAGQ gun propellant

t/℃p/MPanu1/(cm·MPa-n·s-1)R200～800．99560．07530．9932080～3000．78570．18740．996500～800．96300．09790．9975080～3000．84380．14950．994-400～700．98420．05900．993-4070～2700．82530．15460．998

由表4可以看出，DAGQ發射藥在不同溫度下動態燃速壓力指數都小于1，擬合度均大于0.990。說明DAGQ發射藥膛內燃燒時均能夠非常好地符合指數式燃燒規律，且具有很好的燃燒性能。

3 結 論

(1)建立了微波干涉儀測量膛內彈丸運行速度測試系統及處理方法，試驗所得膛內彈丸運動的v-t和l-t曲線真實可靠。

(2)發射藥在膛內燃燒時由于氣流的高速運動，使得發射裝藥膛內燃燒流固耦合作用更加明顯，改變了發射藥的燃速，所以動態燃速明顯大于靜態燃速，且氣流速度越大，燃速相差越大。

(3)DAGQ發射藥由于自身組分熱分解特性不同的原因，靜動態燃燒都存在壓力指數轉折現象，靜態燃燒在轉折前壓力指數大于1，在轉折后壓力指數都小于1，而動態燃燒的壓力指數都小于1。

(4)DAGQ在不同溫度下均具有很好的動態燃燒性能，是一種具有良好應用前景的發射藥。

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Static and Dynamic Combustion Performance in Bore of DAGQ Gun Propellant

YAN Guang-hu, ZHAO Yu-hua, ZHANG Yu-cheng, LIU Yi, CUI Peng-teng, LIANG Lei, LI Qiang,XIAO Xia

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China)

To research the combustion performance of DAGQ gun propellant in the gun chamber，based on the classical interior ballistic theory, the testing system and processing method of gun propellant combustion in the gun chamber were established. The static and dynamic combustion rules and dynamic combustion performance under different temperature of DAGQ gun propellant were researched by the closed bomb combustion test and dynamic combustion performance test in chamber of gun propellants with the microwave interference method. The results show that the testing system and processing method established can well obtain the moving process of projectile in the chamber. The static and dynamic burning rate of DAGQ gun propellant have turning phenomenon. Before the turning point, the pressure exponent of static burning rate is bigger than 1, which is less than 1 after the turning point. The pressure exponent of dynamic burning rate is less than 1. In the combustion process in the chamber,the dynamic burning rate in the gun chamber is bigger than the static burning rate in closed bomb because of the effect of burning gas flow with high velocity upon the burning surface of the gun propellant, and with increasing the pressure in the gun chamber, the difference of burning rate is more and more big.

closed bomb； microwave interferometer；DAGQ gun propellant；dynamic burning rate；combustion performance

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.06.018

2015-11-13；

2016-07-04

閆光虎(1983- )，男，工程師，從事發射藥裝藥及內彈道性能研究。E-mail:76958545@qq.com

TJ55;TQ562

A

1007-7812(2016)06-0098-05