發(fā)射藥床初始堆積形態(tài)對破碎程度的影響

王 燕，芮筱亭，陳 濤，王國平

（1.南京理工大學發(fā)射動力學研究所，江蘇 南京210094；2.南京理工大學力學實驗中心，江蘇 南京210094）

引 言

現(xiàn)代高性能火炮的高初速、高膛壓、高裝填密度特點，使得火炮膛內(nèi)燃燒與力學環(huán)境越來越惡劣，發(fā)射安全性問題愈來愈突出。在相應的裝藥結(jié)構(gòu)下發(fā)射裝藥破碎是導致膛內(nèi)超高壓力和膛炸的根本原因［1-3］，發(fā)射藥床的破碎程度是評判發(fā)射安全性的關鍵參數(shù)。發(fā)射藥床由發(fā)射藥顆粒組成，藥床的初始堆積形態(tài)千變?nèi)f化，在相同的條件下，藥床的初始堆積會導致膛內(nèi)壓力異常，從而導致膛炸等危險性事故的發(fā)生。姜世平等人［4-5］計算了相同的沖擊載荷下不同初始堆積發(fā)射藥床的破碎程度，結(jié)果表明，發(fā)射藥床的初始堆積構(gòu)型對其破碎程度有一定的影響，發(fā)射藥床的初始堆積決定了發(fā)射藥粒之間的受力關系及其破壞形式。周彥煌等人［6］用空氣炮對發(fā)射藥床進行擠壓和撞擊破碎試驗，研究了發(fā)射藥床在橫排與豎排堆積形態(tài)下的破碎情況。金志明等人［7］對單顆發(fā)射藥及火藥床進行了動態(tài)擠壓試驗，但未考慮初始堆積形態(tài)對破碎程度的影響。芮筱亭、馮賓賓、徐浩等人［8-9］用發(fā)射裝藥動態(tài)擠壓破碎裝置對某硝胺發(fā)射藥進行了發(fā)射藥破碎規(guī)律研究。

本研究采用發(fā)射裝藥動態(tài)擠壓破碎試驗裝置研究了發(fā)射藥床不同初始堆積形態(tài)對其破碎程度的影響，并通過發(fā)射裝藥破碎程度表征試驗［10-11］，獲得了相應條件下破碎發(fā)射藥床的起始動態(tài)活度比。

1 發(fā)射藥床堆積形態(tài)

發(fā)射藥床由兩種粒狀發(fā)射藥組成，兩種發(fā)射藥的形狀均為梅花形19孔藥，組分相同。小藥粒弧厚為1.49mm，大藥?；『駷?.69mm。

發(fā)射藥床質(zhì)量均為150g，對不同初始堆積形態(tài)的發(fā)射藥床進行編號，分別從1至10，發(fā)射藥床的高度（h）見表1，隨機、豎排和橫排堆積的發(fā)射藥床如圖1所示。由表1可得，發(fā)射藥床的隨機堆積高度最低34.51mm、最高35.06mm，平均高度為34.81mm，最大相對誤差為0.87%；豎排藥床高度小于隨機堆積高度，橫排藥床高度與隨機堆積較接近。

圖1 3種堆積形態(tài)的發(fā)射藥床Fig.1 Propellant beds of three kinds of packing patterns

表1 發(fā)射藥床高度Table 1 Height of propellant beds

2 發(fā)射裝藥動態(tài)擠壓破碎試驗

發(fā)射裝藥動態(tài)擠壓破碎試驗原理圖如圖2 所示。在燃燒室中加入火藥，燃燒后生成的高壓氣體推動活塞，高速運動的活塞快速擠壓裝藥室內(nèi)的發(fā)射裝藥。該裝置模擬了火炮發(fā)射過程中彈底發(fā)射裝藥的擠壓破碎過程，獲得破碎的發(fā)射藥。

圖2 發(fā)射裝藥動態(tài)擠壓破碎試驗裝置Fig.2 Dynamic compression fracture device of propellant charge

為了研究發(fā)射藥床的初始堆積形態(tài)對破碎程度的影響，依次對1～10號發(fā)射藥床進行動態(tài)擠壓破碎試驗。由于火炮膛炸、早炸等事故常發(fā)生在低溫情況下，試驗前先將發(fā)射藥床保溫至-40℃，保溫12h。除了發(fā)射藥床的初始堆積形態(tài)不同，燃燒室內(nèi)的火藥量、活塞的限定位移都相同。圖3為發(fā)射藥床不同堆積形態(tài)與燃燒室壓力之間的關系。由圖3可見，三條曲線的最大值和上升趨勢基本一致，說明在試驗過程中不同堆積形態(tài)的藥床所受的沖擊載荷一致。圖4為發(fā)射藥床動態(tài)擠壓破碎試驗后的破碎發(fā)射藥照片，可見豎排堆積發(fā)射藥床的破碎程度明顯小于其他兩種堆積形態(tài)。橫排堆積的發(fā)射藥床部分已破碎成粉末狀。

圖3 發(fā)射藥床堆積形態(tài)與燃燒室壓力之間的關系Fig.3 Relation between pressures in burner and propellant bed packing patterns

圖4 藥床擠壓后的破碎藥粒照片F(xiàn)ig.4 Photos of fragmented propellant grains after compression

3 發(fā)射藥床破碎程度的表征

3.1 發(fā)射藥床破碎程度表征方法

發(fā)射藥動態(tài)活度的定義如下［10］：

根據(jù)發(fā)射裝藥在密閉爆發(fā)器內(nèi)燃氣狀態(tài)方程：

通過等式兩邊求導以及發(fā)射藥形狀函數(shù)等方程，式（1）可寫成：

根據(jù)發(fā)射裝藥動態(tài)活度比的定義［10］：

式中：L為破碎發(fā)射裝藥動態(tài)活度；L0為未破碎發(fā)射裝藥動態(tài)活度；下標“0”表示未破碎發(fā)射裝藥。

在相同裝藥條件下，發(fā)射藥的u1、ω、ρ相同，密閉爆發(fā)器內(nèi)最大壓力pm也相同。在對應相同p／pm值的瞬時壓力p0與p相等，式（4）可寫為：

由式（5）可知，發(fā)射裝藥的動態(tài)活度比等于破碎發(fā)射裝藥與相應未破碎發(fā)射裝藥的燃燒表面積之比。

3.2 發(fā)射藥床破碎程度表征試驗

發(fā)射藥破碎程度的表征系統(tǒng)［11］如圖5所示，由密閉爆發(fā)器、測壓傳感器、信號放大器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、點火裝置以及數(shù)值處理系統(tǒng)等組成。密閉爆發(fā)器中發(fā)射藥的裝填密度為0.2g／cm3，發(fā)射藥量為150g。硝化棉作點火藥，試驗溫度為（20±1）℃。分別對未破碎發(fā)射藥床和破碎發(fā)射藥床進行密閉爆發(fā)器試驗，p-t曲線如圖6所示，壓力曲線0為未破碎發(fā)射藥床。由圖6可以看出，各發(fā)試驗的壓力最大值基本一致，未破碎發(fā)射藥床的燃燒時間較長，破碎發(fā)射藥床的燃燒時間較短，且橫排堆積破碎發(fā)射藥床的燃燒最快。

圖6 發(fā)射藥床的p-t曲線Fig.6 The p-t curves of propellant beds

根據(jù)公式（1）用測試獲得的p-t曲線得到發(fā)射藥床的動態(tài)活度曲線見圖7，由公式（3）可知，動態(tài)活度L反映了發(fā)射藥床的燃燒面積。壓力上升越緩慢，在p／pm在0.2～0.8之間，動態(tài)活度L下降越緩慢，說明發(fā)射藥床的燃燒面積減小較緩慢。

圖7 發(fā)射藥床動態(tài)活度曲線Fig.7 Dynamic vivacity curves of propellant beds

利用公式（4），可計算擠壓破碎后發(fā)射藥床的動態(tài)活度比，擬合曲線如圖8所示。在圖8曲線上，以0.1為步長，在p／pm為0.2～0.8上取點，用最小二乘法擬合直線，擬合直線與縱坐標軸的截距即為起始動態(tài)活度比。圖9為通過最小二乘法擬合動態(tài)活度比曲線的擬合直線以及起始動態(tài)活度比。由圖9可以得到起始動態(tài)活度比大小關系：豎排堆積＜隨機堆積＜橫排排堆積，說明橫排堆積的發(fā)射藥床破碎最嚴重，這與通過動態(tài)擠壓破碎試驗觀察的情況相一致。

圖8 破碎發(fā)射藥床動態(tài)活度比曲線Fig.8 Dynamic vivacity ratio curves of fragmented propellants

圖9 破碎發(fā)射藥床的起始動態(tài)活度比擬合曲線Fig.9 Fitting curves of initial dynamic vivacity ratio of fragmented propellants

表2為破碎發(fā)射藥床的起始動態(tài)活度比。由表2可知，隨機堆積發(fā)射藥床的起始動態(tài)活度比的最大值為1.530，最小值為1.467，平均值為1.495，最大相對誤差僅為2.34%，這說明試驗中隨機堆積的發(fā)射藥床破碎一致性較好；隨機堆積的發(fā)射藥床起始動態(tài)活度比明顯小于橫排堆積，但大于豎排堆積，說明在相同沖擊載荷的情況下橫排堆積的發(fā)射藥床易破碎。

表2 破碎發(fā)射藥床的起始動態(tài)活度比Table 2 Initial dynamic vivacity ratios of fragmented propellants

4 結(jié) 論

（1）發(fā)射藥隨機堆積時，在相同的沖擊載荷下，其破碎程度一致，因此試驗時無需對發(fā)射藥的初始堆積進行特殊處理。

（2）發(fā)射藥為豎排或橫排堆積時，在相同的沖擊載荷下，其破碎程度有較大的差異。橫排堆積的發(fā)射藥床更易破碎，發(fā)射藥床的初始表面積最大，因而其起始動態(tài)活度比也最大。

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