装填密度对发射药燃烧性能影响探究*

晁李金, 吕秉峰

(中北大学化工与环境学院, 山西　太原　030051)



装填密度对发射药燃烧性能影响探究*

晁李金, 吕秉峰

(中北大学化工与环境学院, 山西太原030051)

发射药；燃烧性能；密闭爆发器；装填密度

发射药是身管武器的能源，其能量释放是通过有规律的燃烧来实现的，为了保证武器的高效率正常使用，研究发射药的燃烧性能对武器的射速、精度、安全性等有着十分重要的影响。目前国内外通常采用密闭爆发器对火药燃烧性能进行研究[1-2]，然而大部分的研究侧重于药型和药方体系的改善[3-5]，如多层发射药、包覆药、低易损性发射药等。国外Robert E.Tompkins等发现装填密度从0.1～0.4 g/cm3变化，燃速也有一定的变化[6]。Sharon L.Richardson等做了微型密闭爆发器[7]，发现低装填密度的燃速与高装填密度的燃速有一定区别。本文根据不同的装药密度确定发射药的质量，在9.8 MPa点火压力下，分析不同装药密度对1#、2#、3#、4#四种发射药燃烧性能的影响，对于发射药基础数据的积累和实际装药应用具有重要意义。

1　试验部分

1.1试验样品

点火药采用烘干的硝化棉，点火压力为9.8 MPa，用量的计算公式为：

(1)

式中：ρ——火药试样密度

fb——点火药火药力

Pb——点火压力

V——密闭爆发器燃烧室体积

mp——火药试样装药量

αb——点火药气体的余容

发射药使用1#(DAG15-7/7)、2#(单樟6/7)、3#(RP5-7/7)和4#(SF-3)四种，装填密度分别为0.12 g/cm3、0.16 g/m3、0.20 g/cm3，装药量按照公式(2)进行计算。

mp=Δ·(V-mbαb)

(2)

式中：mp——发射药试样的装填量

V——密闭爆发器燃烧室体积

Δ——发射药装填密度

mb——点火药量

αb——点火药气体的余容

1.2密闭爆发器实验

试验按照GJB770B-2005进行，密闭爆发器燃烧室容积为100 cm3，使用高压密闭爆发器本体，发射药装填密度为0.12 g/cm3、0.16 g/cm3、0.20 g/cm3，点火压力为9.8 MPa。

2　实验结果处理与分析

2.1实验数据处理方法

(1)根据p-t原始数据计算各点对应的导数(dP/dt)；

(2)发射药燃烧质量分数Ψi：

(3)

(3)计算压力冲量IK：

(4)

(4)计算燃气的动态活度值Li：

(5)

2.2实验结果分析

根据密闭爆发器试验，可得到1#发射药的p-t曲线，然后编制程序，按照上述方法对得到的p-t曲线进行处理，结果如图1所示。

图1　1#发射药燃烧的特征曲线

图1(a)为1#发射药的p-t曲线，表1为p-t曲线上相关参数，可知随着装填密度的增加，发射最大压力逐渐变大，其p-t曲线越来越陡，燃烧结束时间越早，点火延迟期也相应减少。这是因为随着装填密度的增加，发射药释放气体、能量均增加，发射药着火的同时性得到改善，燃烧速度增加所致，发射能量提高，有助于提高弹丸初速。

表1　曲线相关的参数

图1(b)为1#发射药的压力陡度曲线，可以看出随着装填密度的增大，压力陡度也随之增大，压力升高的速度与表1中发射药的燃烧时间变化是一致的，是这因为压力升高速度越快，发射药的燃烧速度越快，燃烧时间也就越短。此外，拐点出略有变化，主要是因为着火时间不一致或者药粒尺寸的均一性较差，发射药的燃烧过程与几何燃烧定律的假设不完全相符。

图1(c)为1#发射药的动态活度(L-B)曲线，装填密度为0.12 g/cm3的发射药主燃区间的变化趋势是缓慢下降的,其燃烧渐增性最差,装填密度为0.16 g/cm3时其虽有一定的渐增性,但其主燃区间明显0.20 g/cm3窄很多，而装填密度为0.20 g/cm3的主燃区间很宽，且变化趋势是逐渐上升的,其燃烧渐增性效果最好。可见随着装填密度的增加，燃烧渐增性也提高，也可以利用燃烧渐增性因子进行定量分析得到相同结论，如表2所示。

表2　对1#发射药L-B曲线处理结果

图1(d)为1#发射药的压力全冲量曲线，整个过程中不同装填密度下的压力冲量都几乎接近，说明装填密度对其影响不太大，压力全冲量近似一样，燃烧过程遵循正比式燃烧速度函数。此外对于其他三种发射药实验结果可得到相同的结论，这里不再赘述。

图2　时四种发射药的曲线

发射药种类积分面积1#火药0.51602#火药0.49893#火药0.52734#火药0.5361

四种发射药的药燃烧渐增性的强弱顺序为：2#火药>1#火药>3#火药>4#火药。在0.16 g/cm3、0.20 g/cm3装填密度下可得到同样结论。

3　结　论

(1) 随着装填密度的升高，四种发射药的最大压力明显增大，燃烧速度均增大，点火延迟期有一定的减少；

(2) 装填密度增大，基于L-B曲线的燃烧渐增性得到改善；

[1]金志明.枪炮内弹道学[M].北京：北京理工大学出版社,2004:11-19.

[2]温刚平,廖昕.用密闭爆发器测定发射药实际燃速的原理和方法[J].火炸药学报,2011,34(03):57-60.

[3]魏伦,王琼林,刘少武,等.多层发射药的燃烧特性[J].火炸药报,2009,32(02):75-78.

[4]李丽,杨丽侠.低易损性发射药点火燃烧性能试验研究[J].弹报,2004,16(04):52-56.

[5]赵军.新型发射药燃烧性能及其影响关系研究[D].南京:南京理工大学,2006.

[6]Robert E.Tompkins,Roer E.Bowman,Arpad Juhasz. A study on the effects of variablesurface area to volume ratio on closed bomb bum rates[R]. ADA161826, 2005, 10.

[7]Sharon L.Richardson,William F.Oberle. The influence of propellant loading density on computed burn rate in a mini-closed bomb[R]. ADA353540,1998.

[8]吕秉峰,肖忠良,张丽华,等.基于相对压力冲量的火药能量释放规律[J].火炸药学报，2008,31(4):57-60.

The Effect of Changing Packing Density on the Combustion Properties of Propellants*

CHAOLi-jin，LVBing-feng

(School of Chemical and Environmental Engineering, North University of China, Shanxi Taiyuan 030051, China)

propellant; combustion properties; closed bomb; packing density

火炸药研究基金(No: 404060202)，总装备部科研基金。

晁李金(1989-),男，硕士，主要从事火药燃烧性能研究。

TJ55

B

1001-9677(2016)02-0047-03