環(huán)境濕度對(duì)含TNT卷制半可燃藥筒燃燒性能影響研究

江勁勇，賈昊楠，路桂娥，安振濤，陳明華

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環(huán)境濕度對(duì)含TNT卷制半可燃藥筒燃燒性能影響研究

江勁勇1,2，賈昊楠1，路桂娥1,2，安振濤1，陳明華1,2

（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）

為研究環(huán)境濕度對(duì)以TNT為粘結(jié)劑的卷制型半可燃藥筒定容燃燒特性的影響規(guī)律，采用稱重法研究了藥筒的吸濕特性，并對(duì)在不同環(huán)境濕度下吸濕飽和的試樣進(jìn)行密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明：含TNT卷制半可燃藥筒的吸濕能力隨環(huán)境的相對(duì)濕度增加而增加；并且卷制半可燃藥筒火藥力和燃速壓力指數(shù)整體呈增大趨勢(shì)，燃燒最大壓強(qiáng)、燃燒結(jié)束時(shí)間、余容以及燃速系數(shù)則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

TNT；卷制半可燃藥筒；吸濕性；燃燒性能；密閉爆發(fā)器

卷制半可燃藥筒是由浸有TNT粘結(jié)劑或其他高能填料的硝化棉紙卷制而成的[1]。對(duì)于該種藥筒的每一層而言，由于含有大量硝化纖維素，藥筒結(jié)構(gòu)近似于巢體、氈狀，疏松多孔且含有大量親水性基團(tuán)。在運(yùn)輸和長貯過程中，如果包裝或保管不當(dāng)，就容易吸濕受潮，影響武器系統(tǒng)的基本彈道性能，并可能導(dǎo)致藥筒在膛內(nèi)燃盡性發(fā)生變化，生成大量高溫殘?jiān)?，這不僅會(huì)增大彈丸的運(yùn)動(dòng)阻力，甚至?xí)斐商耪ǖ仁鹿蔥2-4]。

隨著大量半可燃藥筒的應(yīng)用，對(duì)其燃燒性能的研究逐漸成為國內(nèi)外重點(diǎn)研究的課題。國外主要從解決半可燃藥筒力學(xué)性能和燃燒性能之間矛盾角度展開研究[5-7]。國內(nèi)研究主要集中于可燃藥筒燃燒機(jī)理、藥筒與主裝藥的匹配性等問題。徐文娟[8]等分析了藥筒膛內(nèi)燃?xì)馍梢?guī)律，得到了可燃藥筒基本能量示性參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。李煜等[9]用含能增強(qiáng)纖維代替紙纖維，以繞絲藥筒為基底，制備了新型可燃藥筒，并對(duì)藥筒進(jìn)行了定容燃燒性能的測(cè)試研究。雖然國內(nèi)外對(duì)半可燃藥筒燃燒性能展開了一定量的研究，但是關(guān)于環(huán)境濕度對(duì)以TNT為粘結(jié)劑的卷制半可燃藥筒燃燒性能的影響研究較少。

本研究人工模擬了常溫條件下不同的相對(duì)濕度，得到了含TNT卷制半可燃藥筒吸濕特性；結(jié)合密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)，研究了環(huán)境濕度對(duì)其燃燒性能參數(shù)的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

含TNT59.0%的卷制半可燃藥筒、2號(hào)硝化棉。

1.2 樣品制備

根據(jù)GJB 5472.1-2005，從卷制半可燃藥筒體中部截取高約50mm的圓環(huán)（厚度保持不變，約為2mm），再將其切成長為（50±1）mm，寬為（15±1）mm的長方薄片。

1.3 儀器

采用DU-65改進(jìn)型油浴烘箱對(duì)試樣進(jìn)行烘干，并采用電子式濕度傳感器法，利用HDS405高低溫恒定濕熱實(shí)驗(yàn)箱對(duì)試樣進(jìn)行加濕處理。燃燒性能實(shí)驗(yàn)選擇100mL級(jí)密閉爆發(fā)器。

1.4 性能測(cè)試

1.4.1吸濕性實(shí)驗(yàn)

首先將試樣放在敞口的稱量瓶?jī)?nèi)，在55℃烘箱內(nèi)放置24h后達(dá)到恒重，之后置于濕熱實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)[10]。環(huán)境條件為常溫25℃，相對(duì)濕度分別為（37.0±3.0）%、（64.5±3.0）%、（71.0±3.0）%、（80.2±4.0）%和（89.0±4.0）%，對(duì)應(yīng)的試樣分別用1#、2#、3#、4#、5#表示。以每個(gè)相對(duì)濕度條件下實(shí)驗(yàn)作為1組，每組重復(fù)5次。每2h稱量受潮的半可燃藥筒試樣質(zhì)量1次，監(jiān)測(cè)其質(zhì)量變化，至達(dá)到恒重為止，然后密封待用。一般認(rèn)為前后兩次質(zhì)量變化率在0.01%范圍內(nèi)時(shí)，試樣達(dá)到恒重。此時(shí)，水分均勻分布在試樣中，進(jìn)而排除了因吸濕不均勻而影響藥筒燃燒性能的可能。根據(jù)試樣的質(zhì)量變化，按式（1）計(jì)算半可燃藥筒的瞬態(tài)吸濕量：

式（1）中：Q為半可燃藥筒瞬態(tài)吸濕量，%；1為試樣烘干恒重后的質(zhì)量，g；2為試樣加濕后的質(zhì)量，g。

1.4.2燃燒性能實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試室溫20℃，點(diǎn)火壓力10MPa。測(cè)定火藥力和余容時(shí)，裝填密度分別為1=0.12g/cm3和2= 0.20g/cm3。測(cè)定藥筒其他燃燒性能參數(shù)時(shí)，裝填密度為2=0.20g/cm3。每組以5發(fā)數(shù)據(jù)平均值計(jì)算。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 吸濕性實(shí)驗(yàn)

將經(jīng)干燥達(dá)到失水平衡的半可燃藥筒試樣置于不同濕度環(huán)境中，其瞬態(tài)吸濕率Q與時(shí)間的關(guān)系如圖1所示，吸濕特性結(jié)果見表1。

圖1 在25℃、不同相對(duì)濕度下卷制半可燃藥筒的吸濕曲線

表1 卷制半可燃藥筒的吸濕結(jié)果

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

從表1可以看出，經(jīng)干燥的卷制半可燃藥筒在潮濕環(huán)境中會(huì)快速吸收水分，并且可以迅速達(dá)到吸濕平衡狀態(tài)，且環(huán)境相對(duì)濕度越高，卷制半可燃藥筒飽和吸濕量就越大。常溫25℃時(shí)，試樣在低濕度條件下平衡吸濕量為0.29%，而在較高濕度條件下平衡吸濕量可達(dá)2.00%。隨著環(huán)境濕度的增大，初始平均吸濕速率也隨之增大，由0.06%/h上升到3.36%/h。

2.2 環(huán)境濕度對(duì)卷制半可燃藥筒的燃燒性能影響

2.2.1——曲線及燃燒結(jié)束時(shí)間

假設(shè)實(shí)驗(yàn)壓力達(dá)到10MPa時(shí)，點(diǎn)火藥燃燒完全，半可燃藥筒被點(diǎn)燃并開始燃燒，且壓力達(dá)到最大值p時(shí)藥筒已完全燃燒，則藥筒的燃燒結(jié)束時(shí)間t為從10MPa到最大壓強(qiáng)p的時(shí)間。根據(jù)實(shí)驗(yàn)壓力——時(shí)間數(shù)據(jù)，做了裝填密度為2=0.20g/cm3下的——曲線，如圖2所示。兩種裝填密度下燃燒最大壓強(qiáng)值以及燃燒結(jié)束時(shí)間列于表2。p1與m2分別為在裝填密度為0.12g/cm3和0.20g/cm3下測(cè)得的最大壓強(qiáng)扣除點(diǎn)火壓力并經(jīng)過熱損失修正后的數(shù)值。

從圖2和表2可以看出，卷制半可燃藥筒的最大壓強(qiáng)p隨環(huán)境濕度的增大整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；在2=0.12g/cm3裝填密度下，環(huán)境濕度對(duì)燃燒結(jié)束時(shí)間t影響較??；而在2=0.20g/cm3裝填密度下，環(huán)境濕度對(duì)燃燒結(jié)束時(shí)間t的影響規(guī)律并不明顯，但結(jié)合兩種裝填密度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以分析得出，燃燒結(jié)束時(shí)間隨環(huán)境濕度的增大整體呈減小趨勢(shì)。這是由于在半可燃藥筒中含能成分一定的條件下，水分含量增加相對(duì)降低了藥筒的總能量。雖然水蒸發(fā)汽化能夠產(chǎn)生大量的水蒸氣，但其增加的量遠(yuǎn)小于水蒸發(fā)消耗能量所帶來的熱損失，所以最大壓強(qiáng)下降。

圖22=0.20g/cm3下具有不同飽和吸濕量卷制半可燃藥筒——曲線

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

表2 具有不同飽和吸濕量卷制半可燃藥筒的燃燒特性參數(shù)

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

2.2.2火藥力及余容

經(jīng)典的諾貝爾-阿爾貝方程如下所示：

取兩種不同的裝填密度1和2做兩次實(shí)驗(yàn)，將測(cè)得的燃燒最大壓力p1和p2代入式（2），并假設(shè)兩種裝填密度下半可燃藥筒的火藥力和余容完全相同，可分別得到：

式（3）中：

式（4）中：p為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的壓力；Δp為熱損失修正壓力；p為點(diǎn)火壓力。

具有不同飽和吸濕量的卷制半可燃藥筒密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)測(cè)試計(jì)算的火藥力、余容列于表3中。

表3 卷制半可燃藥筒實(shí)驗(yàn)測(cè)火藥力、余容

Tab.3 Impetus and covolume of wrapped combustible cartridge case

由表3可知，1#、2#、3#試樣的火藥力和余容變化并不明顯，這可能是由于在較低環(huán)境濕度條件下試樣飽和吸濕量較小，且隨濕度變化不大，因而燃燒性能參數(shù)變化不顯著。但整體來看，卷制半可燃藥筒火藥力隨環(huán)境濕度的增加呈增大趨勢(shì)，而余容則下降。

2.2.3燃速系數(shù)及燃速壓力指數(shù)

具有不同飽和吸濕量的卷制半可燃藥筒試樣在高裝填密度下的——曲線如圖3所示。由圖3可以看出，壓力在10～60MPa范圍內(nèi)，——曲線基本上遵循=1p的規(guī)律。根據(jù)——數(shù)據(jù)，求各點(diǎn)的對(duì)數(shù)值，作得ln——ln曲線，對(duì)該曲線進(jìn)行線性擬合，得到卷制半可燃藥筒的燃速系數(shù)u和壓力指數(shù)，列于表4中。由圖3和表4可以看出，在燃燒前期具有不同飽和吸濕量的卷制半可燃藥筒曲線基本重合，但隨環(huán)境濕度的增大，燃速系數(shù)顯著降低，燃速壓力指數(shù)略有升高。這是由于水蒸發(fā)消耗能量所帶來的熱損失導(dǎo)致起始燃燒時(shí)點(diǎn)火能量不足，減緩了燃燒反應(yīng)的進(jìn)行；但隨著水分含量的增大，水蒸發(fā)產(chǎn)生的壓力上升，藥筒燃速在壓力的影響下變大。在燃燒后期，飽和吸濕量較大的樣品燃速相對(duì)提前停止增長，并進(jìn)入燃燒漸減性區(qū)域。

圖3 不同飽和吸濕量卷制半可燃藥筒u——p曲線

表4 卷制半可燃藥筒燃速系數(shù)、燃速壓力指數(shù)及相關(guān)系數(shù)

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

2.2.4動(dòng)態(tài)活度曲線

具有不同飽和吸濕量的卷制半可燃藥筒的——曲線如圖4所示，其中相對(duì)壓力為壓力與最大壓力的比值，動(dòng)態(tài)活性可以綜合反映半可燃藥筒的燃?xì)馍梢?guī)律及燃速性能。表5為試樣動(dòng)態(tài)活性最大值及對(duì)應(yīng)的值。由圖4和表5可以看出，具有不同飽和吸濕量的卷制半可燃藥筒的——曲線能夠基本重合，但飽和吸濕量較低樣品的動(dòng)態(tài)活性值在燃燒后期都相對(duì)較大。飽和吸濕量最高的試樣L值為2.54，比較飽和吸濕量低的試樣略小。

圖4 △2=0.20g/cm3下不同飽和吸濕量卷制半可燃藥筒L——B曲線

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

表5 不同飽和吸濕量卷制半可燃藥筒L、B值

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

3 結(jié)論

由含TNT卷制半可燃藥筒吸濕特性可以看出，該種半可燃藥筒吸濕能力較強(qiáng)，且隨著環(huán)境濕度的增大藥筒平衡吸濕量也增大。結(jié)合密閉爆發(fā)器試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)25℃，相對(duì)濕度低于71.0%時(shí)，藥筒燃燒性能受濕度的影響較小；而隨著環(huán)境濕度的增大，卷制半可燃藥筒定容燃燒最大壓強(qiáng)、余容以及燃燒結(jié)束時(shí)間整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，火藥力則顯著增大。可見，卷制半可燃藥筒燃燒性能受濕度影響較為明顯。

因此，一旦含TNT卷制半可燃藥筒吸濕受潮，其在膛內(nèi)燃燒特性將可能發(fā)生變化。為保證彈丸的初速、射程以及射擊精度等彈道性能，提高半可燃藥筒的使用安全性，當(dāng)該藥筒的儲(chǔ)存溫度為25℃時(shí)，需要嚴(yán)格控制環(huán)境的相對(duì)濕度低于70.0%。

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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

江勁勇（1962-），男，高級(jí)工程師，從事軍事化學(xué)與煙火技術(shù)。