球形变燃速发射药的燃气生成规律

刘海情，马中亮

(中北大学化工与环境学院，山西　太原　030051)



球形变燃速发射药的燃气生成规律

刘海情，马中亮

(中北大学化工与环境学院，山西太原030051)

通过建立该类药型气体生成猛度与已燃发射药质量分数的理论表达式，对影响球形变燃速发射药的燃气生成规律进行理论分析。在服从几何燃烧定律的条件下，以球形变燃速发射药的初始药形尺寸以及内外层燃速比k、密度比y为基本变量，推导出球形变燃速发射药的表达式。在取值相同的情况下,根据药型和形状函数分别进行了计算和分析,得到了球形变燃速发射药的计算曲线。计算结果表明：适当调节发射药的初始药形尺寸及内外层药的燃速比k、密度比y的值时，可控制球形变燃速发射药的能量释放规律。当内外层燃烧比增加3倍时，气体生成猛度最大值增加约为2.2倍。

变燃速发射药；形状函数；燃气生成规律；燃烧特性；理论计算

球形药工艺起源于用短期煮洗安定处理的硝化棉制造火药。目前所使用的内溶法制造球形药工艺是奥利森1936年设计制造球形药的方法发展起来的[1-2]。根据变燃速发射药的原理和实验方法，球形变燃速发射药是在球形药的基础上发展起来，其外层为低燃速发射药，内层为高燃速发射药，从理论上讲这种球形变燃速发射药可以表现良好的能量释放规律[3-4]。肖忠良、马忠亮等[5-9]对管状变燃速发射药的形状函数、工艺性能、能量性能和燃烧性渐增性以及其它性能进行了深入的研究。蔺向阳等[10]对三层结构的GIBR叠层方形发射药的燃烧特征和形状函数进行了研究，并研究了其结构尺寸和燃速特性对形状函数的影响。魏伦等[11]对多层圆环状发射药的燃烧机理进行了研究，得到了不同参数的圆环状多层发射药的形状函数曲线。程山等[12]对七孔变燃速发射药内弹道性能进行了数值计算。

本研究针对球形发射药的结构特点，建立了球形变燃速发射药的简化模型，建立相应的形状函数，从理论上分析了球形变燃速发射药内径、燃速比、密度比对燃气生成规律的影响,为球形变燃速发射药的设计和研制提供了一定的理论基础。

1　球形变燃速发射药燃气生成规律理论推导

1.1基本理论假设

根据内弹道学的有关定律，发射药的燃气生成规律理论公式推导首先是以发射药的燃烧服从几何燃烧定律为基础，现假设如下:

(1)外层药(即缓燃层)与内层药(即速燃层)的燃速分别为u缓=u1p和u速=u2p，式中u1、u2分别为缓燃、速燃层的燃速系数。且令速燃、缓燃层的燃速系数之比为k，即k=u2/u1，且k>1；

(2)发射药内、外层药都严格按照几何燃烧定律进行燃烧；

(4)球形变燃速发射药内外径分别为d0和D0，球形四周缓燃层厚度相同，如图1所示;

(5)发射药的燃烧过程可以分为三个阶段：第一个阶段为外层低燃速药燃烧；第二个阶段，外层药刚好燃烧殆尽，内层药不燃烧；第三个阶段，内层开始燃烧至燃尽。如图2所示；

(7)设球形变燃速发射药燃烧到某一时刻时已燃厚度与初始厚度之比为z；

图1　球形变燃速发射药初始形状示意图

图2　球形变燃速发射药燃烧过程的示意图

1.2球形变燃速发射药燃气生产规律公式推导

当d0

(1)

(2)

当外层燃烧完时，D=d0，此时有：

(3)

当DX1)，发射药燃烧质量分数ψ为：

(4)

当时x1=d0-D，则：

(5)

1.3发射药的气体生成猛度

(6)

将式(2)对x求导可得到d0

(7)

将式(5)对x1求导可得到D

(8)

2　Γ-ψ理论计算

利用式(2)、(5)、(7)、(8)，针对不同初始尺寸的球形变燃速发射药，计算出其相对的值，从而做出曲线。

2.1不同内径的影响

选定D0=0.4 mm，k=2，y=1.06，内径厚度d0(mm)分别为0.35，0.38，0.39。可得曲线如图3所示，当球形变燃速发射药的内径越大时，即缓燃层的厚度越小，发射药燃烧的时间越短，发射药气体生成猛度的跃迁位置越靠前，在跃迁以后，发射药燃烧规律大致相同，但当内径越大时，外层燃烧时间太短不符合弹道性能，因此要根据实际情况，选择合适的内径，才能表现出良好的燃烧效果。

图3　不同内径时的计算曲线

2.2内外层燃速比的影响

图4　不同燃速比时的Γ-Ψ计算曲线

选定D0=0.4 mm，d0=0.35 mm，y=1.06，内外层燃速比k分别为1.0，1.5，2.0，2.5，3.0。可得Γ-Ψ曲线如图4所示，球形变燃速发射药内外层药的燃速差别对其燃烧性能有很大的影响，跃迁之前燃气生成猛度相同，当内外层燃速比越大时，燃速越大的内层发射药燃烧时更加迅速，单位时间内产生的能量和气体更加迅猛，气体生成猛度的跃迁程度也就越大。由理论计算可知，当内外层燃速比增加3倍时，气体生成猛度增加约2.2倍。因此在实际生产过程中，需要选择燃速系数大的高硝铵类发射药为内层，外层药为添加阻燃速较低的单击发射药。

2.3内外层密度比的影响

在整个球形变燃速发射药密度约为1.60 g/cm3的情况下，选定D0=0.4 mm，d0=0.35 mm，k=2，内外层密度比y分别为0.8，1.06，1.2；可得Γ-Ψ曲线如图5所示，球形变燃速发射药内外层的密度比越大，跃迁点越前移，跃迁幅度越大(即气体生成猛度越大)，因此内外层密度比越大，燃烧性能越好。在实际生产过程中，要根据实际情况，选择密度合适的缓燃层和速燃层发射药。

图5　不同内外层密度比的计算曲线

3　结　论

(1) 通过理论计算曲线表明，球形变燃速发射药由于内径

大小、内外层密度比、燃速比的不同，能呈现出不同的燃速渐增性，从而达到燃烧渐增性的目的。

(2) 球形变燃速发射药能够在缓燃层燃烧结束时会出现一个气体生成猛度的阶跃，出现渐增性燃烧，使该发射药比普通的球形发射药具有良好的燃烧性能。

(3) 球形变燃速发射药内径越大，其值的跃迁越靠前；内外层密度比越大，燃烧性能越好；内外层燃速越大，气体生成猛度的跃迁程度也越大，其燃烧效果也越强。当内外层燃速比增加3倍时，气体生成猛度增加约2.2倍。

[1]张续柱. 双基火药[M]. 北京:北京理工大学出版社,1997: 1-2.

[2]陆安舫. 球形药的新进展[J].火炸药学报,1998,21(2):39-42.

[3]萧忠良,贺增第,刘幼平,等.变燃速发射药的原理与实现方法[J].火炸药学报,2005,28(1):25-27.

[4]萧忠良. 一种变燃速固体发射药 CN,011010916[P].2001.

[5]王泽山. 控制发射药燃气生成规律的一种方法[J].华北工学院学报, 2001,22(4): 252-255.

[6]张丽华,贺增弟,萧忠良. 双层管状变燃速发射药的燃气生成规律[J].火炸药学报,2006, 29(6):65-68.

[7]贺增弟,刘幼平,马忠亮,等.变燃速发射药的燃烧性能[J].火炸药学报, 2004.27(3):10-12.

[8]贺增弟, 刘幼平, 马忠亮, 等. 变燃速发射药的低温感性能[J]火炸药学报, 2006,29(1):65-67.

[9]马忠亮, 李志良, 徐方亮, 等. 药型尺寸对变燃速发射药燃烧渐增性的影响[J].含能材料, 2007,15(2):128-130.

[10]蔺向阳, 潘仁明, 薛耀辉. GIBR叠层方形发射药的燃烧特征[J].燃烧科学与技术, 2007,13(2):187-191.

[11]魏伦, 王琼林, 刘少武, 等. 一种圆环状多层发射药的燃烧模型[J].火炸药学报, 2009(4):80-83.

[12]程山, 马忠亮, 代淑兰, 等. 七孔变燃速发射药内弹道性能的数值计算[J]. 火炸药学报, 2014,37(2):78-85.

Gas Generation Rule about Spherical Variable Burning Rate Gun Propellant

LIUHai-qing，MAZhong-liang

(Institute of Chemical Engineering & Environment, North University of China, Shanxi Taiyuan 030051,China)

To establish thevs.expression, the gas generation rule about spherical variable burning rate gun propellant was theoretically analyzed. Under the precondition of following the geometric combustion law, the equation describing vs. relation of this kind of spherical variable burning rate gun propellant were derived by using its initial geometric size, burning rate ratio and density ratio of internal and external layer as the basic variables. Under the same values, the geometrical model and shape function of propellant were calculated and analyzed by using the parameters, thecurve of spherical variable burning rate gun propellant were obtained. The calculated results showed that spherical variable burning rate gun propellant can control the energy release law by using its initial geometric size, burning-rate ratio and density ratio of internal and external layer. The brisance of gas generation increased by 2.2 times when the inner and outer combustion speed ratio triplesd.

variable burning rate gun propellant; shape function; gas generation rule; combustion property; the theoretical calculation

刘海情(1989-)，男，硕士研究生，从事含能材料的研究。

TJ55,TQ562

A

1001-9677(2016)05-0029-03