催化剂对太根发射药燃速的影响

马方生,赵 军,堵 平,廖 昕,王泽山

(南京理工大学化工学院,江苏 南京 210094)

引 言

提高炮口动能是发射药装药研究的主要技术路线。发射药的作功过程是一个能量转换的过程,发射药有规律的燃烧生成高温、高压气体,高温高压气体作为作功介质作膨胀功,实现功能转化,将弹丸推送到目标[1-3]。因此,发射药燃气生成规律是影响其在能量释放过程中功能转化效率的重要因素,而对于一定药型的发射药其燃气生成规律由燃速及其变化规律决定,因此,研究调节发射药燃速的技术具有重要意义。李利、堵平等[4-5]利用钝感技术对发射药样品表面进行钝感处理,并对发射药的初始燃烧速度进行了调节;贺增弟、萧忠良等[6-8]对变燃速发射药进行了研究,采用物理复合的方式制备了双层单孔结构的变燃速发射药,该发射药外层为低燃速配方、内层为高燃速配方,使用内外燃速的差异调节发射药的燃气生成规律。

通过向发射药基础配方中引入催化剂,可以在钝感技术和变燃速技术的基础上利用化学催化调节发射药的燃速及其变化规律,从而进一步优化发射药的燃气生成规律、促进发射药装药技术的发展。本实验以密闭爆发器试验为基础,对比研究不同催化剂对太根发射药燃速的调节作用。

1 实 验

1.1 材料及仪器

太根药吸收药片,泸州北方化学工业公司;丙酮、乙醇,化学纯,中国医药集团上海化学试剂公司。6种自制催化剂:二茂铁、三氧化二钇、氢氧化镍、硝酸镍、碳酸镍和铁酸镍。

ZJB230型油压机,天津市第二锻压机床厂;成套压药和切药模具,自制;JH2500型捏合机,上海红星化工机械厂。

1.2 太根发射药的制备及性能测试

太根发射药的基础配方为以硝化棉为黏结剂,二缩三乙二醇二硝酸酯(TEGDN)为增塑剂,在基础配方的基础上分别添加不同催化剂制成待测发射药,催化剂的质量分数均为 1.0%。

太根发射药的制备工艺采用半溶剂法,主要包括吸收、压片、塑化及压伸成型,其中硝化棉与溶剂的质量比为1∶(0.24～ 0.27),乙醇和丙酮混合溶剂的质量比为 1∶1;考虑到单孔药的燃烧较接近于恒面燃烧,选择的药型为单孔管状药。

将火药切成 40mm的药条,进行密闭爆发器试验,装填密度分别为0.12和0.20g/cm3,点火压力为10MPa。

2 结果与分析

2.1 催化剂对太根发射药燃速的影响

图1 加入不同催化剂后太根发射药的p-t曲线Fig.1 p-t curves of TEGDN propellant after adding different catalysts

在密闭爆发器实验中,数据采集系统所记录的是一系列等时间间隔的离散压力点。用密闭爆发器实验数据处理程序进行处理 ,得到d p/d t、u、B、I、n等一系列数据。其中,最重要的是燃速u1和燃速压力指数n,考虑到点火的同时性和药型分裂后对燃烧表面的影响,数据处理时J的取值范围通常为 0.15到压力陡度(d p/d t)的最大值之间。加入不同催化剂调节太根发射药的燃速,其 p-t曲线见图 1,u-p曲线见图 2。

图2 加入不同催化剂后太根发射药的u-p曲线Fig.2 u-p curves of TEGDN propellant af ter adding different catalysts

图1表明,加入二茂铁后,太根发射药压力上升得比太根空白药慢。由于密闭爆发器实验中p-t曲线的变化是发射药的装药量、弧厚、燃速共同作用的结果,因此,p-t曲线不能比较不同发射药间燃速的大小。图2表明,催化剂三氧化二钇、硝酸镍、碳酸镍、铁酸镍可以提高太根发射药的燃速,二茂铁和氢氧化镍会降低发射药的燃速。其中碳酸镍对太根发射药燃速的提高最大,二茂铁对太根发射药燃速降低的程度最明显。

为研究不同压力下含催化剂的太根发射药燃速的变化,对图 2中的u-p曲线进行了回归,计算结果如表1所示。

表1结果表明,碳酸镍可以有效提高太根发射药的燃速,50MPa时可以提高19.31%,100MPa时可以提高9.62%,150M Pa时可以提高8.60%;二茂铁可以明显降低太根发射药的燃速,50MPa时可以降低 10.34%,100MPa时可以降低 16.42%,150M Pa时可以降低 12.16%。

表 1 催化剂对太根发射药燃速的调节Table 1 Adjusting results of catalysts on burning rateof TEGDN propellant

将太根发射药燃烧的 u-p数据取对数,得到ln u-ln p曲线的斜率,即太根发射药的燃速压力指数,不同催化剂调节太根发射药燃速的ln u-ln p曲线见图 3。

图3 加入不同催化剂后太根发射药的ln u-ln p曲线Fig.3 ln u-ln p curves of TEGDN propellant after adding different catalysts

图 3显示,6种催化剂催化太根发射药燃烧的ln u-ln p曲线几乎平行,表明 6种催化剂对太根发射药的燃速压力指数没有明显的改变。

2.2 催化剂对太根发射药燃速压力指数的影响

表 2为太根发射药催化燃烧密闭爆发器的试验结果,结果表明,不同催化剂对太根发射药的燃速压力指数(n)的影响均小于 0.02。

在发射药燃烧过程中,若在低压范围内燃速提高幅度较大,而在高压范围内燃速降低,则燃速压力指数就减小;反之,在低压范围内燃速降低幅度大,而在高压范围内燃速增加,则燃速压力指数增大。本研究中,催化剂三氧化二钇、硝酸镍、碳酸镍、铁酸镍在整个压力段能够提高太根发射药的燃速,而二茂铁和氢氧化镍在整个压力段能够降低发射药的燃速,所以催化剂对太根发射药燃速压力指数的影响不大。

表 2 太根发射药催化燃烧密闭爆发器的试验结果Table 2 Results of TEGDN propellant with different catalysts from closed bomb test

3 结 论

(1)在太根发射药基础配方中添加燃烧催化剂,可以有效调节发射药在高压状态下的燃速。

(2)密闭爆发器试验结果表明,在 50～150MPa,碳酸镍可以使太根发射药的燃速提高 8%以上,二茂铁可使太根发射药的燃速降低10%。

(3)不同催化剂对发射药燃速压力指数的影响均小于 0.02。

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