发射药药型结构对燃速测试结果的影响

汪俊杰，黄振亚，何 飞，刘 靖

（南京理工大学 化工学院，南京210094）

随着发射药装药技术的发展，对发射药燃速测试结果的准确性提出了越来越高的要求。大量的试验研究结果表明，利用密闭爆发器测试的燃速参数进行火炮内弹道设计时，设计结果与实际弹道试验结果有时存在较大的偏差，其中，不准确的发射药燃速测试结果是造成上述偏差的主要原因之一［1］。Richardson S L和Oberle W F研究了微型密闭爆发器中单孔药装填密度对燃速测试结果的影响，结果表明，低装填密度（＜0.15g／cm3）的燃速与高装填密度的燃速有较大的差异［2］。准确地测试发射药的燃速参数，对发射药装药设计具有重要的理论意义和实际应用价值。密闭爆发器实验作为发射药燃速测试的主要方法，其测试原理是发射药遵循平行层燃烧规律，但内孔长径比较大的发射药中止燃烧后内孔近似呈双锥喇叭状，说明其燃烧偏离了平行层燃烧规律［3］。

本文以高能硝胺发射药为研究对象，采用密闭爆发器实验测试了4种药型及其不同内孔长径比的燃速特性，研究发射药内孔长径比对燃速参数测试结果的影响关系，并对比分析不同燃速特性发射药对侵蚀燃烧的影响关系，通过中止燃烧实验观测分析发射药内孔长径比与侵蚀燃烧的影响关系。

1 实验部分

1.1 实验样品

高能硝胺发射药基本组分：NC（45%）、NG（25%）、RDX（25%）、其它（5%）。制备工艺：原料在捏合机中捏合2.5h，通过油压机和成型模具挤压成型，药型为18／1管状、6／7圆柱形、6／19花边形和18／19花边形，经适当晾干后切成一定的长度，在一定工艺条件下驱除挥发性溶剂，药型参数见表1。表中内孔长径比的实际值有一定的偏差，但偏差较小；表中L为药长，L／d为内孔长径比。

表1 实验样品药型参数

1.2 密闭爆发器实验

压力传感器的量程为400MPa，国营江西传感器厂生产；电荷放大器的最大输出电压为10V，型号为SYC－4000，扬州无线电二厂生产；数据采集系统型号为52系列，成都纵横测控技术有限公司生产；点火药为C级NC；发射药装填密度为0.18g／cm3；实验温度为常温20℃。

1.3 侵蚀燃烧实验

中止燃烧仪容积为100cm3，中止燃烧样品为18／1高能硝胺发射药，长度分别为40mm、60mm和80mm，质量均为20g；点火药采用2／1樟发射药，质量分别为3.5g和5g；铜片厚度为2mm，中止压力为80MPa左右。

2 实验结果与分析

2.1 燃速特性参数的数据处理

燃速随压力的变化规律是表征发射药燃烧性能的主要特征量［4］。目前，基本都采用指数式燃速定律来表征发射药的燃速特性，当燃速压力指数接近于1时，也可采用正比式燃速定律来表征，其表达式分别为

式中：A为指数式燃速系数，n为燃速压力指数，u1为正比式燃速系数，p为压力。

国内外相关研究表明，发射药的燃速特性参数（特别是燃速压力指数）在不同燃烧阶段是不同的［5－6］。通过密闭爆发器实测p－t曲线处理发射药的燃速特性参数时，选择不同的压力范围对处理结果有明显的影响。在发射药点火燃烧的初始阶段，由于点火不一致的影响，发射药的实际燃烧面积小于理论燃烧面积，热损失的影响也较大，这导致处理得到的燃速值偏低；在发射药燃烧后期，由于药型尺寸的偏差（偏孔等）及侵蚀燃烧的影响，发射药的实际燃烧面积小于理论燃烧面积，处理得到的燃速值也偏低。目前，国内外在根据密闭爆发器实验的p－t曲线处理燃速特性参数时，对压力起始值和终止值的选择并没有明确的规定或规范。不同的研究者往往采用不同的选择方式，这导致现有发射药燃速特性参数的可比性较差。

本实验是基于火药平行层燃烧理论处理燃速参数，压力范围选择相对燃烧质量ψ＝0.15的压力值至最大压力陡度（dp／dt）max的压力值［7－8］。选择ψ＝0.15的压力值作为起始值，目的是尽可能排除点火不一致的影响；根据发射药的燃气生成规律，当（dp／dt）达到最大值以后开始下降时，发射药的燃烧面开始减少，处理得到的燃速值将偏离实际值，因此选择对应于（dp／dt）max的压力值作为终止值较为合理。

2.2 密闭爆发器实验结果与分析

1）药型对燃速测试结果的影响。

内孔长径比分别为20和40的18／1、6／7和6／19发射药，密闭爆发器实验测试的燃速参数结果见表2，lnu－lnp曲线如图1和图2所示。如6／19H－5表示长度为5mm的6／19花边型发射药。

加热元件是电阻炉的核心，关系到炉子的工作性能和使用寿命。由于钼在还原气氛中，抗腐蚀性极好，耐高温，电阻率较小，电阻温度系数高，因此在高温氢气炉中选择钼作为加热元件非常合适。表2列出了钼在不同温度时的电阻率。

表2 不同药型发射药的燃速参数

表2的结果表明，不同药型测试得到的燃速参数存在一定差别。在内孔长径比相同的条件下，随着发射药内孔数量增加，正比式燃速系数u1减小，燃速压力指数n减小，指数式燃速系数A相应地增大。

图1 L／d＝20的lnu－lnp曲线

图2 L／d＝40的lnu－lnp曲线

根据图1和图2可以看出，6／7和6／19发射药的lnu－lnp曲线都有明显的弯曲现象，而18／1的lnu－lnp曲线更接近于一条直线，说明18／1发射药的燃速压力指数几乎不受压力的影响，而6／7和6／19发射药由于孔数较多，燃烧层厚度存在一定的偏差，燃烧后期药型分裂对燃速测试结果有一定的影响。

2）内孔长径比对燃速测试结果的影响。

以18／1、6／7、6／19和18／19药型为研究对象，分别改变它们的内孔长径比，密闭爆发器实验测试的燃速参数结果见表3，表中Δu1为u1的变化幅度。lnu－lnp曲线如图3～图6所示。

表3 不同内孔长径比高能硝胺发射药的燃速参数

表3的结果表明，在药型相同的条件下，随着发射药内孔长径比的增大，正比式燃速系数u1增大，燃速压力指数n减小，指数式燃速系数A相应地增大；内孔长径比变化10的条件下，正比式燃速系数u1的最大变化幅度为2.5%。在发射药燃烧过程中，发射药孔内生成的燃气使孔内压力增大，孔内与孔外存在压力差，孔内生成的燃气向孔外流动，高速气流对发射药燃面的冲刷使其燃速增大，即发射药侵蚀燃烧现象。内孔长径比越大，孔内外的压力差越大，孔内的气体流速越大，气流冲刷的燃面燃速越大。侵蚀燃烧随着燃烧过程内孔的增大而逐渐减弱，在药型相同的条件下，内孔长径比较大的前期燃速相对较大，后期燃速相对较小，发射药燃速－压力曲线相对较平缓，lnu－lnp曲线斜率相对较小，即燃速压力指数n较小，相应的指数式燃速系数A较大。

图3 18／1发射药的lnu－lnp曲线

图4 6／7发射药的lnu－lnp曲线

图5 6／19发射药的lnu－lnp曲线

图6 18／19发射药的lnu－lnp曲线

根据图3～图6可以看出，18／1发射药lnu－lnp曲线接近于直线，而6／7、6／19和18／19发射药的lnu－lnp曲线都有明显的弯曲现象，说明18／1发射药的燃速压力指数几乎不受压力的影响，6／7、6／19和18／19发射药的燃速压力指数受压力的影响较大。

2.3 侵蚀燃烧实验结果与分析

为了验证测试过程中发射药的侵蚀燃烧现象，采用18／1单孔管状药进行中止燃烧实验。图7和图8为发射药中止燃烧前后的图片。由图7和图8可以看出，发射药中止燃烧前后的表面形态基本没有变化，原因是实验选取的控压铜片较薄，破孔压力值较低，发射药燃烧质量有限，中止燃烧后药型结构完整，其表面形态基本不变。因此，可通过测量中止燃烧前后药型尺寸的变化规律来研究侵蚀燃烧现象及其影响关系。

图7 中止燃烧前发射药端面图

图8 3.5g点火药中止燃烧后发射药端面图

由于中止燃烧实验发射药的装填密度较低，管状药的外表面基本无侵蚀燃烧现象，表4为发射药燃烧前后内孔尺寸的变化规律，表中d为中止燃烧前孔径，d3.5为3.5g点火药燃烧后孔径，d5.0为5.0g点火药燃烧后孔径。为了能够直观地看出发射药内孔长径比与侵蚀燃烧的关系，分别作出中止燃烧后样品中间和两端的内孔孔径变化规律图，如图9和图10所示，图中l为发射药上各点距A端的轴向距离。

表4 18／1发射药中止燃烧前后的内孔尺寸

图9 发射药中止燃烧后孔径变化规律（3.5g点火药）

图10 发射药中止燃烧后孔径变化规律（5.0g点火药）

由表4看出，单孔管状药中止燃烧后两端的孔径均大于中间的孔径，存在明显的侵蚀燃烧现象。从图9和图10看出，内孔长径比越大则内孔喇叭状越明显。原因是随着内孔长径比的增大，孔内外的压力差增大，发射药孔内生成的燃气向孔外流动速度增大，侵蚀燃烧效应加剧，中止燃烧后发射药内孔喇叭状越明显。

为了比较发射药的燃速特性对侵蚀燃烧的影响关系，采用相同长径比的18／1药型，对比了高能硝胺发射药和太根发射药的侵蚀燃烧对燃速测试结果的影响，结果如表5所示。

表5 不同燃速特性发射药对侵蚀燃烧的影响

由表5可以看出，相同内孔长径比条件下，太根发射药的燃速压力指数n明显比高能硝胺发射药的小，指数式燃速系数A和正比式燃速系数u1都明显比高能硝胺发射药的大，在内孔长径比增加幅度相同的条件下，太根发射药的正比式燃速系数u1提高幅度较大。原因是高能硝胺发射药含有RDX，在低压条件下燃烧较慢，即高能硝胺发射药的起始燃速较低，而太根发射药的起始燃速高于高能硝胺发射药，这导致太根发射药的侵蚀燃烧相对更严重一些，对燃速参数测试结果的影响也更大一些。

3 结论

药型结构对发射药燃速测试结果影响较大。随着内孔长径比的增大，正比式燃速系数u1增大，燃速压力指数n减小，指数式燃速系数A相应地增大；在内孔长径比相同的条件下，随着发射药内孔数量的增加，正比式燃速系数u1减小，燃速压力指数n减小，指数式燃速系数A相应地增大。

发射药内孔长径比较大时，其燃烧与平行层燃烧规律产生偏差，内孔长径比变化10的条件下，正比式燃速系数u1的最大变化幅度为2.5%；在一定内孔长径比范围内，侵蚀燃烧随内孔长径比的增大而增大；发射药的燃速特性对侵蚀燃烧现象有明显的影响，在内孔长径比相同的条件下，燃速高的发射药侵蚀燃烧现象更严重一些。

［1］赵军.一种新型发射药燃烧性能测试和内弹道数值计算方法研究［D］.南京：南京理工大学，2010.ZHAO Jun.Study on a new method of combustion performance test and interior ballistics simulation of propellant［D］.Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2010.（in Chinese）

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