环境湿度对含TNT卷制半可燃药筒燃烧性能影响研究

江劲勇，贾昊楠，路桂娥，安振涛，陈明华



环境湿度对含TNT卷制半可燃药筒燃烧性能影响研究

江劲勇1,2，贾昊楠1，路桂娥1,2，安振涛1，陈明华1,2

（1. 军械工程学院，河北 石家庄，050003；2. 军械工程学院 军械技术研究所，河北 石家庄，050003）

为研究环境湿度对以TNT为粘结剂的卷制型半可燃药筒定容燃烧特性的影响规律，采用称重法研究了药筒的吸湿特性，并对在不同环境湿度下吸湿饱和的试样进行密闭爆发器实验。研究结果表明：含TNT卷制半可燃药筒的吸湿能力随环境的相对湿度增加而增加；并且卷制半可燃药筒火药力和燃速压力指数整体呈增大趋势，燃烧最大压强、燃烧结束时间、余容以及燃速系数则呈现下降趋势。

TNT；卷制半可燃药筒；吸湿性；燃烧性能；密闭爆发器

卷制半可燃药筒是由浸有TNT粘结剂或其他高能填料的硝化棉纸卷制而成的[1]。对于该种药筒的每一层而言，由于含有大量硝化纤维素，药筒结构近似于巢体、毡状，疏松多孔且含有大量亲水性基团。在运输和长贮过程中，如果包装或保管不当，就容易吸湿受潮，影响武器系统的基本弹道性能，并可能导致药筒在膛内燃尽性发生变化，生成大量高温残渣，这不仅会增大弹丸的运动阻力，甚至会造成膛炸等事故[2-4]。

随着大量半可燃药筒的应用，对其燃烧性能的研究逐渐成为国内外重点研究的课题。国外主要从解决半可燃药筒力学性能和燃烧性能之间矛盾角度展开研究[5-7]。国内研究主要集中于可燃药筒燃烧机理、药筒与主装药的匹配性等问题。徐文娟[8]等分析了药筒膛内燃气生成规律，得到了可燃药筒基本能量示性参数和结构参数。李煜等[9]用含能增强纤维代替纸纤维，以绕丝药筒为基底，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。虽然国内外对半可燃药筒燃烧性能展开了一定量的研究，但是关于环境湿度对以TNT为粘结剂的卷制半可燃药筒燃烧性能的影响研究较少。

本研究人工模拟了常温条件下不同的相对湿度，得到了含TNT卷制半可燃药筒吸湿特性；结合密闭爆发器实验，研究了环境湿度对其燃烧性能参数的影响规律。

1 实验

1.1 材料

含TNT59.0%的卷制半可燃药筒、2号硝化棉。

1.2 样品制备

根据GJB 5472.1-2005，从卷制半可燃药筒体中部截取高约50mm的圆环（厚度保持不变，约为2mm），再将其切成长为（50±1）mm，宽为（15±1）mm的长方薄片。

1.3 仪器

采用DU-65改进型油浴烘箱对试样进行烘干，并采用电子式湿度传感器法，利用HDS405高低温恒定湿热实验箱对试样进行加湿处理。燃烧性能实验选择100mL级密闭爆发器。

1.4 性能测试

1.4.1吸湿性实验

首先将试样放在敞口的称量瓶内，在55℃烘箱内放置24h后达到恒重，之后置于湿热实验箱内[10]。环境条件为常温25℃，相对湿度分别为（37.0±3.0）%、（64.5±3.0）%、（71.0±3.0）%、（80.2±4.0）%和（89.0±4.0）%，对应的试样分别用1#、2#、3#、4#、5#表示。以每个相对湿度条件下实验作为1组，每组重复5次。每2h称量受潮的半可燃药筒试样质量1次，监测其质量变化，至达到恒重为止，然后密封待用。一般认为前后两次质量变化率在0.01%范围内时，试样达到恒重。此时，水分均匀分布在试样中，进而排除了因吸湿不均匀而影响药筒燃烧性能的可能。根据试样的质量变化，按式（1）计算半可燃药筒的瞬态吸湿量：

式（1）中：Q为半可燃药筒瞬态吸湿量，%；1为试样烘干恒重后的质量，g；2为试样加湿后的质量，g。

1.4.2燃烧性能实验

实验测试室温20℃，点火压力10MPa。测定火药力和余容时，装填密度分别为1=0.12g/cm3和2= 0.20g/cm3。测定药筒其他燃烧性能参数时，装填密度为2=0.20g/cm3。每组以5发数据平均值计算。

2 实验结果与分析

2.1 吸湿性实验

将经干燥达到失水平衡的半可燃药筒试样置于不同湿度环境中，其瞬态吸湿率Q与时间的关系如图1所示，吸湿特性结果见表1。

图1 在25℃、不同相对湿度下卷制半可燃药筒的吸湿曲线

表1 卷制半可燃药筒的吸湿结果

Tab.1 Hygroscopicity result of wrapped combustible cartridge case under different relative humidity

从表1可以看出，经干燥的卷制半可燃药筒在潮湿环境中会快速吸收水分，并且可以迅速达到吸湿平衡状态，且环境相对湿度越高，卷制半可燃药筒饱和吸湿量就越大。常温25℃时，试样在低湿度条件下平衡吸湿量为0.29%，而在较高湿度条件下平衡吸湿量可达2.00%。随着环境湿度的增大，初始平均吸湿速率也随之增大，由0.06%/h上升到3.36%/h。

2.2 环境湿度对卷制半可燃药筒的燃烧性能影响

2.2.1——曲线及燃烧结束时间

假设实验压力达到10MPa时，点火药燃烧完全，半可燃药筒被点燃并开始燃烧，且压力达到最大值p时药筒已完全燃烧，则药筒的燃烧结束时间t为从10MPa到最大压强p的时间。根据实验压力——时间数据，做了装填密度为2=0.20g/cm3下的——曲线，如图2所示。两种装填密度下燃烧最大压强值以及燃烧结束时间列于表2。p1与m2分别为在装填密度为0.12g/cm3和0.20g/cm3下测得的最大压强扣除点火压力并经过热损失修正后的数值。

从图2和表2可以看出，卷制半可燃药筒的最大压强p随环境湿度的增大整体呈现下降趋势；在2=0.12g/cm3装填密度下，环境湿度对燃烧结束时间t影响较小；而在2=0.20g/cm3装填密度下，环境湿度对燃烧结束时间t的影响规律并不明显，但结合两种装填密度下的实验结果可以分析得出，燃烧结束时间随环境湿度的增大整体呈减小趋势。这是由于在半可燃药筒中含能成分一定的条件下，水分含量增加相对降低了药筒的总能量。虽然水蒸发汽化能够产生大量的水蒸气，但其增加的量远小于水蒸发消耗能量所带来的热损失，所以最大压强下降。

图22=0.20g/cm3下具有不同饱和吸湿量卷制半可燃药筒——曲线

Fig.2——curves of wrapped combustible cartridge case with different moisture content under 0.20g/cm3charge density

表2 具有不同饱和吸湿量卷制半可燃药筒的燃烧特性参数

Tab.2 Combusiton parameters of wrapped combustible cartridge case with different moisture content

2.2.2火药力及余容

经典的诺贝尔-阿尔贝方程如下所示：

取两种不同的装填密度1和2做两次实验，将测得的燃烧最大压力p1和p2代入式（2），并假设两种装填密度下半可燃药筒的火药力和余容完全相同，可分别得到：

式（3）中：

式（4）中：p为实验测得的压力；Δp为热损失修正压力；p为点火压力。

具有不同饱和吸湿量的卷制半可燃药筒密闭爆发器实验测试计算的火药力、余容列于表3中。

表3 卷制半可燃药筒实验测火药力、余容

Tab.3 Impetus and covolume of wrapped combustible cartridge case

由表3可知，1#、2#、3#试样的火药力和余容变化并不明显，这可能是由于在较低环境湿度条件下试样饱和吸湿量较小，且随湿度变化不大，因而燃烧性能参数变化不显著。但整体来看，卷制半可燃药筒火药力随环境湿度的增加呈增大趋势，而余容则下降。

2.2.3燃速系数及燃速压力指数

具有不同饱和吸湿量的卷制半可燃药筒试样在高装填密度下的——曲线如图3所示。由图3可以看出，压力在10～60MPa范围内，——曲线基本上遵循=1p的规律。根据——数据，求各点的对数值，作得ln——ln曲线，对该曲线进行线性拟合，得到卷制半可燃药筒的燃速系数u和压力指数，列于表4中。由图3和表4可以看出，在燃烧前期具有不同饱和吸湿量的卷制半可燃药筒曲线基本重合，但随环境湿度的增大，燃速系数显著降低，燃速压力指数略有升高。这是由于水蒸发消耗能量所带来的热损失导致起始燃烧时点火能量不足，减缓了燃烧反应的进行；但随着水分含量的增大，水蒸发产生的压力上升，药筒燃速在压力的影响下变大。在燃烧后期，饱和吸湿量较大的样品燃速相对提前停止增长，并进入燃烧渐减性区域。

图3 不同饱和吸湿量卷制半可燃药筒u——p曲线

表4 卷制半可燃药筒燃速系数、燃速压力指数及相关系数

Tab.4 Burning rates, burning rate pressure exponents and correlation coefficients of wrapped combustible cartridge case

2.2.4动态活度曲线

具有不同饱和吸湿量的卷制半可燃药筒的——曲线如图4所示，其中相对压力为压力与最大压力的比值，动态活性可以综合反映半可燃药筒的燃气生成规律及燃速性能。表5为试样动态活性最大值及对应的值。由图4和表5可以看出，具有不同饱和吸湿量的卷制半可燃药筒的——曲线能够基本重合，但饱和吸湿量较低样品的动态活性值在燃烧后期都相对较大。饱和吸湿量最高的试样L值为2.54，比较饱和吸湿量低的试样略小。

图4 △2=0.20g/cm3下不同饱和吸湿量卷制半可燃药筒L——B曲线

Fig.4curves of wrapped combustible cartridge case with different moisture content

表5 不同饱和吸湿量卷制半可燃药筒L、B值

Tab.5 Lm and Bmof different moisture content of wrapped combustible cartridge case

3 结论

由含TNT卷制半可燃药筒吸湿特性可以看出，该种半可燃药筒吸湿能力较强，且随着环境湿度的增大药筒平衡吸湿量也增大。结合密闭爆发器试验结果，发现当25℃，相对湿度低于71.0%时，药筒燃烧性能受湿度的影响较小；而随着环境湿度的增大，卷制半可燃药筒定容燃烧最大压强、余容以及燃烧结束时间整体呈现下降趋势，火药力则显著增大。可见，卷制半可燃药筒燃烧性能受湿度影响较为明显。

因此，一旦含TNT卷制半可燃药筒吸湿受潮，其在膛内燃烧特性将可能发生变化。为保证弹丸的初速、射程以及射击精度等弹道性能，提高半可燃药筒的使用安全性，当该药筒的储存温度为25℃时，需要严格控制环境的相对湿度低于70.0%。

[1] 黄涛.可燃药筒燃烧完全性研究[D].南京:南京理工大学,2007.

[2] Kurulkar G R, Syal R K, Singh H. Combustible cartridge case formulation and evaluation[J]. Journal of Energetic Materials, 1996,14(2):127-149.

[3] Ho C H, Moneyhun J H, Agouridis D C, et al. Detection of nitro- esters and moisture in combustible cartridge case wall by indicat- or strips and instruments[R].ORNL/TM-12286,1992.

[4] Syal R K, Talegaonkar S B, Peshave J R. Drying characteri- stics of combustible cartridge case[J]. Chemical Engineering World,1995,30(6): 119-126.

[5] Remaly R F, Nusbaum M S, Johnson K G, et al. Duplex com- bustible cartridge case[R]. AD1648666, 1974.

[6] Kestusis G C, Pauline M S, William S L. Investigation of residue and coating stoichiometry on 120mm combustible cartridge case[R]. ARL-TR-2337, 2000.

[7] Manning C Y. Porosity measurement of combustible cartridge case materials[R]. ARLCD-TR-81003, 1981.

[8] 张兆均,徐文娟,张会生.三种可燃药筒燃烧特性分析[J].兵工学报,1996,17(1):26-31.

[9] 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.

[10] 王泽山,韩盘铭,张继柱.火药实验[M].北京:中国科技出版社,1992.

Influence of Humidity on Combustion Performance of Wrapped Combustible Cartridge Case

JIANG Jin-yong1,2，JIA Hao-nan1，LU Gui-e1,2，AN Zhen-tao1，CHEN Ming-hua1,2

(1. Ordnance Engineering College, Shijiazhuang ,050003；2. Ordnance Technology Research Institute, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang ,050003)

To study the influence of humidity on combustion performance of wrapped combustible cartridge case (CCC) with TNT, its hygroscopic properties were studied by weighing method. And samples were tested by closed-bomb test, which were saturated in different humidity. The results show that the CCC with TNT has certain hygroscopicity. The higher the relative humidity is, the greater the equilibrium moisture content of the sample is. The impetus and the burning rate pressure exponent get larger, besides that, the maximum pressure, the combustion ending time, the contrary covolume and the burning rate coefficient decrease with the increase of relative humidity.

TNT；Wrapped combustible cartridge case；Hygroscopicity；Combustion performance; Closed-bomb test

TQ565

A

1003-1480（2014）06-0016-04

2014-09-18

江劲勇（1962-），男，高级工程师，从事军事化学与烟火技术。