可燃藥筒材料高壓燃燒性能的測量與計算

劉 靜,余永剛,嚴(yán)小林

(1.南京理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,江蘇 南京 210094;2.重慶望江工業(yè)有限公司,重慶 400071)

可燃藥筒材料高壓燃燒性能的測量與計算

劉 靜1,余永剛1,嚴(yán)小林2

(1.南京理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,江蘇 南京 210094;2.重慶望江工業(yè)有限公司,重慶 400071)

為研究可燃藥筒材料高壓燃燒特性,采用密閉爆發(fā)器測量系統(tǒng),開展了某可燃藥筒材料燃燒性能試驗,得到實際燃燒過程的壓力-時間曲線。在此基礎(chǔ)上,建立定容工況下可燃藥筒材料高壓燃燒的理論模型,并進(jìn)行數(shù)值計算,獲得某可燃藥筒燃燒性能參數(shù)、燃速指數(shù)和燃速系數(shù),得到了可燃藥筒材料燃速與壓力的關(guān)系式。研究結(jié)果對改進(jìn)大口徑模塊裝藥的可燃藥筒設(shè)計具有一定的參考價值。

可燃藥筒;燃燒性能;燃速計算;密閉爆發(fā)器

近年來可燃藥筒在火炮中的應(yīng)用日益廣泛。可燃藥筒是一種疏松多孔、孔隙分布不均一的、非均質(zhì)復(fù)合含能材料,且富含親水性纖維,環(huán)境中的潮濕氣體可沿著大分子間網(wǎng)絡(luò)空隙滲入可燃藥筒中。可燃藥筒作為武器裝藥結(jié)構(gòu)的一個重要部件,其燃燒性能的優(yōu)劣直接影響武器的彈道性能,故其燃速研究也就變得越來越重要。Deluca[1]研究了以聚丙烯酸纖維增強的可燃藥筒燃燒性;Kestusis等[2]則提出在可燃藥筒外覆蓋鋁箔以提高力學(xué)強度的方法。Remaly等[3]將藥筒制成夾層狀,并在層中添加粒狀火藥以提高藥筒燃燒性能。徐文娟[4-7]對抽濾型可燃藥筒的燃燒機理和燃燒規(guī)律等問題進(jìn)行了研究,提出了相對質(zhì)量燃速的概念,建立了燃燒特性函數(shù),得到了可燃藥筒基本能量示性參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù);李煜等[8-10]用含能增強纖維代替紙纖維,以抽濾模壓藥筒為基底,制備了新型可燃藥筒,并對藥筒進(jìn)行了定容燃燒性能的測試研究;鄒偉偉等[11]采用密閉爆發(fā)器試驗考察了可燃藥筒定容點火性能,分析了裝填密度與點火強度對可燃藥筒定容點火性能的影響。

本文針對某大口徑火炮裝藥所用的模壓可燃藥筒,開展了密閉爆發(fā)器燃燒實驗。通過實驗測量p-t數(shù)據(jù),結(jié)合密閉容器可燃材料高壓燃燒模型,進(jìn)行數(shù)值計算,獲得可燃藥筒能量特性參數(shù)、燃速指數(shù)和燃速系數(shù)。

1 實驗試樣與測量方法

本次實驗所用的樣品是采用抽濾模壓工藝制備的可燃藥筒,樣品試樣制作為50 mm×15.04 mm×2.8 mm的長方形藥片。樣品密度為1.2 g/cm3。

密閉爆發(fā)器的容積為700 mL(標(biāo)定為719.2 mL),藥室的內(nèi)徑為74 mm,外徑為180 mm,實驗測試環(huán)境為常溫,點火藥采用2號硝化棉,點火壓力10 MPa。測定火藥力和余容時,利用2種裝填密度Δ1=0.12 g/cm3,Δ2=0.20 g/cm3進(jìn)行實驗。測定藥筒其他燃燒性能參數(shù)時,選取高裝填密度。每種裝填密度進(jìn)行3次實驗,實驗數(shù)據(jù)為除去點火壓力(10 MPa)后的壓力值。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 密閉爆發(fā)器實驗結(jié)果

表1 密閉爆發(fā)器實驗結(jié)果

2.2 可燃藥筒材料火藥力、余容的計算

定容工況下的可燃藥筒材料氣體狀態(tài)方程為

(1)

式中:p為火藥燃?xì)鈮毫?ψ為可燃藥筒的已燃百分?jǐn)?shù),f為可燃藥筒的火藥力,α為氣體余容,ρp為樣品密度。

當(dāng)可燃藥筒燃燒結(jié)束時,ψ=1,此時密閉爆發(fā)器中的壓力達(dá)到最大值p=pm,式(1)可變?yōu)?/p>

(2)

根據(jù)2種填裝密度下的試驗結(jié)果,可得:

(3)

解上述方程,可得可燃藥筒的火藥力f與氣體余容a:

(4)

根據(jù)表1的測試結(jié)果,pm1,,pm2分別取平均值,可算出可燃藥筒的火藥力f與氣體余容α。由于燃燒過程中存在熱散失,導(dǎo)致最大壓力降低,從而影響f和α計算結(jié)果的準(zhǔn)確度。為此,需對密閉爆發(fā)器進(jìn)行熱散失修正,修正公式[12]為

(5)

式中:Δp為熱散失壓力修正值,MPa;pm為最大壓力,MPa;S為密閉爆發(fā)器燃燒室內(nèi)壁散熱面積,cm2;m為可燃藥筒試樣質(zhì)量,g;tk為可燃藥筒的燃燒時間。

將修正后的最大壓力代入式(4)重新計算,兩次f和α的計算結(jié)果參見表2。表中,ηf為f修正前后的誤差,ηα為α修正前后的誤差。由表2可見,進(jìn)行熱散失修正提高了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性,減小了測量誤差。

表2 可燃藥筒熱散失修正前后火藥力與余容變化

壓力修正時還需考慮密閉爆發(fā)器在高壓作用下產(chǎn)生的彈性變形,則藥室增量的計算公式[12]為

ΔV0=ApV0

(6)

(7)

式中:Rn為藥室的內(nèi)半徑;Rw為藥室的外半徑;p為火藥燃?xì)鈮毫?E為彈性模量,取201GN/m2;μ′為泊桑系數(shù),取0.25;V0為藥室起始容積;ΔV0為藥室容積增量。

根據(jù)式(6)計算可得,700mL密閉爆發(fā)器的藥室容積相對增量ΔV0/V0與壓力p的關(guān)系為

(8)

由式(8)可知,在Δ2=0.20g/cm3的實驗中,700mL密閉爆發(fā)器藥室容積的相對增加量在0.2%～0.3%之間,通常可以不進(jìn)行藥室容積變化的修正。

3 可燃藥筒材料燃速系數(shù)與燃速指數(shù)的計算

3.1 計算模型及流程

由式(1)可推出可燃藥筒已燃百分?jǐn)?shù)與燃燒室壓力之間的關(guān)系為

(9)

根據(jù)幾何燃燒定律,可推出可燃藥筒已燃百分?jǐn)?shù)與形狀函數(shù)、已燃相對厚度的關(guān)系為

ψ=χZ(1+λZ+μZ2)

(10)

式中:χ,λ,μ為火藥的形狀特征量;Z為相對厚度。

Z=e/e1

(11)

式中:e為火藥已燃厚度,e1為火藥起始厚度。

針對可燃藥筒的試樣為帶狀藥,令A(yù)=e1/b,B=e1/c,b為火藥的起始寬度,c為火藥的起始長度,則相應(yīng)的形狀特征量為

(12)

3.2 計算結(jié)果與分析

為了減小測量數(shù)據(jù)微分計算的誤差,采用五點濾波法對p-t數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,根據(jù)圖2流程編制計算軟件,可得lgu-lgp的分布關(guān)系,如圖3所示。

由圖3看出,它近似為直線,采用最小二乘法進(jìn)行線性回歸,得出可燃藥筒材料燃速與壓力的經(jīng)驗關(guān)系式:

u=5.585×10-8p0.899 7,1.3×107Pa≤p≤1.67×108Pa

式中:u的單位是m/s,p的單位是Pa。

4 結(jié)論

根據(jù)實測的p-t曲線,建立可燃藥筒燃燒過程模型,計算了某可燃藥筒燃燒性能參數(shù)火藥力、余容、燃速系數(shù)和燃速指數(shù)。

經(jīng)過程序計算可以得到可燃藥筒試樣的火藥力為f=6.621 34×105J/kg,余容為α=7.96×10-4m3/kg;得到了可燃藥筒材料燃速與壓力的關(guān)系為u=5.585×10-8p0.899 7,1.3×107Pa≤p≤1.67×108Pa;計算與測量的標(biāo)準(zhǔn)差為σ=3.16 MPa,中間誤差為2.13 MPa,由此可見,計算結(jié)果是準(zhǔn)確的。

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Measurement and Calculation of Combustion Performance of Combustible Cartridge Under High Pressure

LIU Jing1,YU Yong-gang1,YAN Xiao-lin2

(1.School of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China; 2.Chongqing Wangjiang Industry Co.Ltd,Chongqing 400071,China)

In order to study the high-pressure combustion characteristics of combustible cartridge,the closed-loop explosive measuring-system was used to carry out the experiment of combustible cartridge material.The pressure-time curve of actual combustion process was obtained.On this basis,the theoretical model of high pressure combustion of combustible cartridge was established under the conditions of constant volume,and the numerical calculation was carried out.The combustion-performance parameters,burning-rate index and burning-rate coefficient of the combustible cartridge were obtained as well as the relation formula of burning-rate and pressure.The study results offer reference for improving the design of combustible cartridge for large-caliber module charge.

combustible cartridge cases;combustion performance;burning rate calculation;closed bomb

2016-12-06

劉靜(1994- ),女,碩士研究生,研究方向為可燃材料的燃燒特性。E-mail:571767507@qq.com。

余永剛(1963- ),男,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向為現(xiàn)代火炮發(fā)射理論與控制技術(shù)。E-mail:yyg801@njust.edu.cn。

TJ012.14

A

1004-499X(2017)02-0054-04