硝酸異丙酯對單基發(fā)射藥燃燒性能的影響

陳永康，陳明華，張 力，張 濤，王 宇

（1．軍械工程學(xué)院，河北石家莊050003；2．軍械工程學(xué)院軍械技術(shù)研究所，河北石家莊050003；3．江蘇連云港警備區(qū)，江蘇 連云港222042）

引 言

云爆彈是一種以氣化燃料在空氣中爆炸產(chǎn)生沖擊波超壓獲得大面積殺傷和破壞效果的彈藥［1］。常用云爆劑的成分為鎂粉和硝酸異丙酯［2］（Isopropyl Nitrate，簡稱IPN）。由于硝酸異丙酯固有的特性以及加工工藝所限，在貯存過程中不可避免地會滲漏出來，對彈藥中的燃爆部件造成危害。發(fā)射藥燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體是推動彈丸運動的能量來源，直接影響彈藥的內(nèi)彈道性能。云爆劑中的硝酸異丙酯進入發(fā)射藥內(nèi)部后，會影響發(fā)射藥的點火、燃燒規(guī)律、燃燒壓力以及燃燒時間等參數(shù)。曾秀琳［2］用DSC和ARC對硝酸異丙酯的熱穩(wěn)定性進行研究；宣衛(wèi)芳等［3］提出利用氣相色譜和原子吸收光譜等方法來檢測分析云爆劑的化學(xué)安定性。

本實驗針對云爆劑中主要組分硝酸異丙酯的滲漏問題，用密閉爆發(fā)器試驗研究其對單基發(fā)射藥燃燒性能的影響，為評估、預(yù)防和控制硝酸異丙酯對發(fā)射藥燃燒性能的影響提供參考。

1 實 驗

1．1 藥量計算

點火藥量的計算公式［4］為：

式中：mig為點火藥量，g；V0為密閉爆發(fā)器體積，mL；Δ 為發(fā)射藥裝填密度，g／cm3；ρ為發(fā)射藥密度，1．6g／cm3；pig為點火壓力，取10MPa；fig為點火藥火藥力，取882J／g。

發(fā)射藥裝藥量的計算公式［4］為：

式中：m為發(fā)射藥裝藥量，g；αig為點火藥余容，取1cm3／g。

單基發(fā)射藥的裝填密度Δ1＝0．10g／cm3和Δ2＝0．16g／cm3，分別代入式（1）、式（2）計算得到相應(yīng)的點火藥量和發(fā)射藥量：mig1＝1．13g，m1＝10．50g；mig2＝1．08g，m2＝16．80g。將5 組發(fā)射藥裝入密閉爆發(fā)器，用注射器向其中注入硝酸異丙酯液體，然后盡快擰緊螺栓防止揮發(fā)。5組發(fā)射藥加入硝酸異丙酯的體積分別為0、0．2、0．4、0．6、0．8mL。

1．2 燃燒性能測試

采用南京理工大學(xué)研制的內(nèi)彈道性能靜態(tài)模擬測試系統(tǒng)測試發(fā)射藥的燃燒性能，選用100mL的密閉爆發(fā)器本體，對本體進行標定，得到其容積V0為106．1mL。點火藥為2號硝化棉。按照GJB770A－97火藥試驗方法中密閉爆發(fā)器試驗微分壓力法進行實驗，測得發(fā)射藥燃燒時的p－t曲線和dp／dt－t曲線。

2 結(jié)果與分析

2．1 最大壓力和燃燒時間

用壓力傳感器測得高密度裝藥條件下（Δ2＝0．16g／cm3）發(fā)射藥的p－t曲線和dp／dt－t曲線，結(jié)果見圖1。

圖1 高密度裝藥條件下單基發(fā)射藥的p－t和dp／dt－t曲線Fig．1 p－t and dp／dt－t curves of single－base gun propellants under the condition of high density charge

根據(jù)p－t曲線，得到單基發(fā)射藥的最大壓力（pm）和燃燒時間，如表1所示。其中最大壓力是扣除點火壓力并經(jīng)過熱損失修正后的最大壓力。

表1 單基發(fā)射藥的最大壓力和燃燒時間Table 1 Maximum pressure and combustion time of single－base gun propellants

從圖1和表1可以看出，加入硝酸異丙酯后，低密度和高密度裝藥條件下單基發(fā)射藥的最大壓力都提高了10MPa左右。楊茜［5］用ARC 研究了硝酸異丙酯的絕熱分解，發(fā)現(xiàn)其在156℃發(fā)生分解。在密閉爆發(fā)器中，硝酸異丙酯先發(fā)生氣化由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，發(fā)生分解參加燃燒，導(dǎo)致壓力增大。

在低密度裝藥條件下，加入硝酸異丙酯后單基發(fā)射藥的燃燒時間略有減小，從10．17ms縮短至9．80ms；在高密度裝藥條件下，加入硝酸異丙酯后單基發(fā)射藥燃燒時間縮短，且變化幅度更明顯，從8．23ms縮短至7．63ms。表明加入硝酸異丙酯會縮短發(fā)射藥的燃燒時間，影響發(fā)射藥的燃燒。

2．2 綜合燃燒特性參數(shù)

通過p－t曲線計算得到單基發(fā)射藥的綜合燃燒特性參數(shù)，結(jié)果見表2。

表2 單基發(fā)射藥的綜合燃燒參數(shù)Table 2 Comprehensive combustion parameters of single－base gun propellants

由表2看出，燃燒參數(shù)均沒有發(fā)生明顯變化，故認定硝酸異丙酯對單基發(fā)射藥的氣體生成猛度、壓力全沖量以及火藥的燃燒量沒有影響。

2．3 火藥力和余容

余容和火藥力［6］是發(fā)射藥內(nèi)彈道性能的重要參數(shù)，其計算公式為［7］：

式中：f 為火藥力，J／g；α為余容，cm3／g；pm1為與Δ1對應(yīng)的平均最大壓力，MPa；pm2為與Δ2對應(yīng)的平均最大壓力，MPa。

將表1中的試驗結(jié)果代入式（3）和（4），得到被測單基發(fā)射藥的余容以及火藥力，如表3所示。

表3 單基發(fā)射藥的火藥力和余容Table 3 Impetus and covolume of single－base gun propellants

由表3看出，加入硝酸異丙酯后，單基發(fā)射藥的余容逐漸變小，而火藥力不斷增大。分析認為，硝酸異丙酯分解放熱，產(chǎn)生一定量氣體導(dǎo)致單基發(fā)射藥余容變小，同時產(chǎn)生一定的能量使其火藥力變大。

2．4 燃燒速度定律

通常采用試驗方法測定火藥的燃燒速度，燃燒速度定律也都是指試驗的燃燒速度定律［6］。在密閉爆發(fā)器試驗中，對于給定的火藥，在一定的初溫條件下，選擇合適的裝填密度，測出p－t曲線，根據(jù)p－t曲線得出火藥的燃燒速度與壓力的關(guān)系，即火藥的燃燒速度定律。本研究在高密度裝藥條件下用密閉發(fā)器測得單基發(fā)射藥的u－p 曲線，見圖2。

圖2 高密度裝藥條件下單基發(fā)射藥的u－p 曲線Fig．2 The u－pcurves of single－base gun propellants under the condition of high density charge

表4是通過計算得出的樣品在兩種裝填密度條件下的燃速系數(shù)（α）和壓強指數(shù)（n）。

表4 單基發(fā)射藥的燃速系數(shù)和壓強指數(shù)Table 4 The burning rate coefficient and pressure exponent for single－base gun propellants

從圖2可以看出，加入硝酸異丙酯后，單基發(fā)射藥的燃燒速度發(fā)生變化，樣品2、3、5的燃速均大于樣品1。由表4結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入硝酸異丙酯后低密度裝藥條件下單基發(fā)射藥的燃速系數(shù)逐步增大，壓強指數(shù)逐漸減小；高密度裝藥條件下其燃速系數(shù)均大于樣品1，同時壓強指數(shù)也均小于樣品1。單基發(fā)射藥燃燒時間縮短，燃速增大，體現(xiàn)在燃速定律上則是發(fā)射藥的燃速系數(shù)變大。

3 結(jié) 論

（1）加入硝酸異丙酯和不加硝酸異丙酯的結(jié)果差異明顯，而加入硝酸異丙酯的4組試驗結(jié)果較為相近，因此由于注射器產(chǎn)生的加量誤差造成的影響可忽略不計，不會影響到最終的判定結(jié)果。

（2）加入硝酸異丙酯后，單基發(fā)射藥的最大壓力增加，燃燒時間減小，燃速系數(shù)增大，壓強指數(shù)減小。

（3）加入硝酸異丙酯后，單基發(fā)射藥的余容逐漸減小，火藥力不斷增大。勢平衡點的氣體生成猛度、壓力全沖量以及火藥已燃百分數(shù)等燃燒參數(shù)沒有發(fā)生明顯變化。

［1］ 王志軍，尹建平．彈藥學(xué)［M］．北京：北京理工大學(xué)出版社，2012．

［2］ 曾秀琳．硝酸酯熱安定性的理論與試驗研究［D］．南京：南京理工大學(xué)，2007 ZENG Xiu－lin．Experimental and theoretical studies on the thermal stability of nitrates［D］．Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2007．

［3］ 宣衛(wèi)芳，陳世英，黃閩，等．云爆劑化學(xué)穩(wěn)定性檢測分析方法探討［J］．裝備環(huán)境工 程，2008，5（4）：56－58．XUAN Wei－fang，CHEN Shi－ying，HUANG Min，et al．Discussion on stability test method of fuel air explosives［J］．Equipment Environment Engineering，2008，5（4）：56－58．

［4］ GJB770A－97．火藥試驗方法［S］．1997．

［5］ 楊茜，陳利平，陳網(wǎng)樺，等．4種硝酸酯熱安定性的絕熱試驗研究［J］．環(huán)境與安全學(xué)報，2012，12（1）：186－190．YANG Qian，CHEN Li－ping，CHEN Wang－h(huán)ua，et al．Research on the thermal stability of four nitrates by accelerating the rate calorimeter［J］．Journal of Safety and Environment，2012，12（1）：186－190．

［6］ 金志明．槍炮內(nèi)彈道學(xué)［M］．北京：北京理工大學(xué)出版社，2004．

［7］ 賈昊楠．環(huán)境濕度對可燃藥筒燃燒性能影響研究［D］．石家莊：軍械工程學(xué)院，2011．JIA Hao－nan．Impact study on burning performance of combustible cartridge case by environmental humidity［D］．Shijiazhuang：Ordnance Engineering College，2011．