可燃药筒材料高压燃烧性能的测量与计算

刘 静,余永刚,严小林

(1.南京理工大学 能源与动力工程学院,江苏 南京 210094;2.重庆望江工业有限公司,重庆 400071)

可燃药筒材料高压燃烧性能的测量与计算

刘 静1,余永刚1,严小林2

(1.南京理工大学 能源与动力工程学院,江苏 南京 210094;2.重庆望江工业有限公司,重庆 400071)

为研究可燃药筒材料高压燃烧特性,采用密闭爆发器测量系统,开展了某可燃药筒材料燃烧性能试验,得到实际燃烧过程的压力-时间曲线。在此基础上,建立定容工况下可燃药筒材料高压燃烧的理论模型,并进行数值计算,获得某可燃药筒燃烧性能参数、燃速指数和燃速系数,得到了可燃药筒材料燃速与压力的关系式。研究结果对改进大口径模块装药的可燃药筒设计具有一定的参考价值。

可燃药筒;燃烧性能;燃速计算;密闭爆发器

近年来可燃药筒在火炮中的应用日益广泛。可燃药筒是一种疏松多孔、孔隙分布不均一的、非均质复合含能材料,且富含亲水性纤维,环境中的潮湿气体可沿着大分子间网络空隙渗入可燃药筒中。可燃药筒作为武器装药结构的一个重要部件,其燃烧性能的优劣直接影响武器的弹道性能,故其燃速研究也就变得越来越重要。Deluca[1]研究了以聚丙烯酸纤维增强的可燃药筒燃烧性;Kestusis等[2]则提出在可燃药筒外覆盖铝箔以提高力学强度的方法。Remaly等[3]将药筒制成夹层状,并在层中添加粒状火药以提高药筒燃烧性能。徐文娟[4-7]对抽滤型可燃药筒的燃烧机理和燃烧规律等问题进行了研究,提出了相对质量燃速的概念,建立了燃烧特性函数,得到了可燃药筒基本能量示性参数和结构参数;李煜等[8-10]用含能增强纤维代替纸纤维,以抽滤模压药筒为基底,制备了新型可燃药筒,并对药筒进行了定容燃烧性能的测试研究;邹伟伟等[11]采用密闭爆发器试验考察了可燃药筒定容点火性能,分析了装填密度与点火强度对可燃药筒定容点火性能的影响。

本文针对某大口径火炮装药所用的模压可燃药筒,开展了密闭爆发器燃烧实验。通过实验测量p-t数据,结合密闭容器可燃材料高压燃烧模型,进行数值计算,获得可燃药筒能量特性参数、燃速指数和燃速系数。

1 实验试样与测量方法

本次实验所用的样品是采用抽滤模压工艺制备的可燃药筒,样品试样制作为50 mm×15.04 mm×2.8 mm的长方形药片。样品密度为1.2 g/cm3。

密闭爆发器的容积为700 mL(标定为719.2 mL),药室的内径为74 mm,外径为180 mm,实验测试环境为常温,点火药采用2号硝化棉,点火压力10 MPa。测定火药力和余容时,利用2种装填密度Δ1=0.12 g/cm3,Δ2=0.20 g/cm3进行实验。测定药筒其他燃烧性能参数时,选取高装填密度。每种装填密度进行3次实验,实验数据为除去点火压力(10 MPa)后的压力值。

2 实验结果与分析

2.1 密闭爆发器实验结果

表1 密闭爆发器实验结果

2.2 可燃药筒材料火药力、余容的计算

定容工况下的可燃药筒材料气体状态方程为

(1)

式中:p为火药燃气压力,ψ为可燃药筒的已燃百分数,f为可燃药筒的火药力,α为气体余容,ρp为样品密度。

当可燃药筒燃烧结束时,ψ=1,此时密闭爆发器中的压力达到最大值p=pm,式(1)可变为

(2)

根据2种填装密度下的试验结果,可得:

(3)

解上述方程,可得可燃药筒的火药力f与气体余容a:

(4)

根据表1的测试结果,pm1,,pm2分别取平均值,可算出可燃药筒的火药力f与气体余容α。由于燃烧过程中存在热散失,导致最大压力降低,从而影响f和α计算结果的准确度。为此,需对密闭爆发器进行热散失修正,修正公式[12]为

(5)

式中:Δp为热散失压力修正值,MPa;pm为最大压力,MPa;S为密闭爆发器燃烧室内壁散热面积,cm2;m为可燃药筒试样质量,g;tk为可燃药筒的燃烧时间。

将修正后的最大压力代入式(4)重新计算,两次f和α的计算结果参见表2。表中,ηf为f修正前后的误差,ηα为α修正前后的误差。由表2可见,进行热散失修正提高了计算结果的准确性,减小了测量误差。

表2 可燃药筒热散失修正前后火药力与余容变化

压力修正时还需考虑密闭爆发器在高压作用下产生的弹性变形,则药室增量的计算公式[12]为

ΔV0=ApV0

(6)

(7)

式中:Rn为药室的内半径;Rw为药室的外半径;p为火药燃气压力;E为弹性模量,取201GN/m2;μ′为泊桑系数,取0.25;V0为药室起始容积;ΔV0为药室容积增量。

根据式(6)计算可得,700mL密闭爆发器的药室容积相对增量ΔV0/V0与压力p的关系为

(8)

由式(8)可知,在Δ2=0.20g/cm3的实验中,700mL密闭爆发器药室容积的相对增加量在0.2%～0.3%之间,通常可以不进行药室容积变化的修正。

3 可燃药筒材料燃速系数与燃速指数的计算

3.1 计算模型及流程

由式(1)可推出可燃药筒已燃百分数与燃烧室压力之间的关系为

(9)

根据几何燃烧定律,可推出可燃药筒已燃百分数与形状函数、已燃相对厚度的关系为

ψ=χZ(1+λZ+μZ2)

(10)

式中:χ,λ,μ为火药的形状特征量;Z为相对厚度。

Z=e/e1

(11)

式中:e为火药已燃厚度,e1为火药起始厚度。

针对可燃药筒的试样为带状药,令A=e1/b,B=e1/c,b为火药的起始宽度,c为火药的起始长度,则相应的形状特征量为

(12)

3.2 计算结果与分析

为了减小测量数据微分计算的误差,采用五点滤波法对p-t数据进行处理,根据图2流程编制计算软件,可得lgu-lgp的分布关系,如图3所示。

由图3看出,它近似为直线,采用最小二乘法进行线性回归,得出可燃药筒材料燃速与压力的经验关系式:

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

式中:u的单位是m/s,p的单位是Pa。

4 结论

根据实测的p-t曲线,建立可燃药筒燃烧过程模型,计算了某可燃药筒燃烧性能参数火药力、余容、燃速系数和燃速指数。

经过程序计算可以得到可燃药筒试样的火药力为f=6.621 34×105J/kg,余容为α=7.96×10-4m3/kg;得到了可燃药筒材料燃速与压力的关系为u=5.585×10-8p0.899 7,1.3×107Pa≤p≤1.67×108Pa;计算与测量的标准差为σ=3.16 MPa,中间误差为2.13 MPa,由此可见,计算结果是准确的。

[1] DELUCA P L.Fibrillated polyacrylic fiber in combustible cartridge cases[J].Industrial and Engineering Chemistry Product Research Development,1984,23(3):438-441.

[2] KESTUSIS G C,PAULINE M S,WILLIAM S L.Investigation of residue and coating stoichiometry on 120 mm combustible cartridge case:ARL-TR-2337[R].USA:ARL,2000.

[3] REMALY R F,NUSBAUM M S,JOHNSON K G,et al.Duplex combustible cartridge case:AD1648666[R].USA:Research Institute of Dayton University,1974.

[4] 徐文娟.可燃药筒主装药匹配的研究[J].弹道学报,1994,6(4):29-33. XU Wen-juan.Study on match between combustible case and propellants[J].Journal of Ballistics,1994,6(4):29-33.(in Chinese)

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[8] 李煜,郭德惠,赵成文,等.新型含能纤维可燃药筒的性能研究[J].含能材料,2009,17(3):334-338. LI Yu,GUO De-hui,ZHAO Cheng-wen,et al.Characterization of combustible cartridge cases enhanced by novel energetic fibers[J].Chinese Journal of Energetic Materials,2009,17(3):334-338.(in Chinese)

[9] 李煜,郭德惠,田书春,等.纤维增强组份对可燃药筒性能的影响[J].弹道学报,2009,21(4):95-98. LI Yu,GUO De-hui,TIAN Shu-chun,et al.Influence of reinforced fibers on the properties of CCC[J].Journal of Ballistics,2009,21(4):95-98.(in Chinese)

[10] 李煜,赵成文,郭德惠,等.可燃药筒的定容燃烧特性[J].火炸药学报,2009,32(4):75-79. LI Yu,ZHAO Cheng-wen,GUO De-hui,et al.Constant-volume combustion properties of combustible cartridge case[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants,2009,32(4):75-79.(in Chinese)

[11] 邹伟伟,肖乐勤,周伟良.模压可燃药筒点火特性[J].弹道学报,2012,24(1):79-82. ZOU Wei-wei,XIAO Le-qin,ZHOU Wei-liang.Ignition characteristics of molded combustible cartridge case[J].Journal of Ballistics,2012,24(1):79-82.(in Chinese)

[12] 金志明.枪炮内弹道学[M].北京:北京理工大学出版社,2004. JIN Zhi-ming.Interior ballistics of guns[M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press,2004.(in Chinese)

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

刘静(1994- ),女,硕士研究生,研究方向为可燃材料的燃烧特性。E-mail:571767507@qq.com。

余永刚(1963- ),男,教授,博士生导师,研究方向为现代火炮发射理论与控制技术。E-mail:yyg801@njust.edu.cn。

TJ012.14

A

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