加速老化作用下發(fā)射藥的內(nèi)彈道性能研究

張艷明，羅興柏，劉國(guó)慶，甄建偉，陳言坤

（軍械工程學(xué)院，河北石家莊050003）

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加速老化作用下發(fā)射藥的內(nèi)彈道性能研究

張艷明，羅興柏，劉國(guó)慶，甄建偉，陳言坤

（軍械工程學(xué)院，河北石家莊050003）

摘要：為研究發(fā)射藥內(nèi)彈道性能隨著儲(chǔ)存時(shí)間增長(zhǎng)的變化，通過(guò)高溫加速老化試驗(yàn)的方法模擬得到不同儲(chǔ)存時(shí)間的發(fā)射藥。利用密閉爆發(fā)器裝置對(duì)不同老化時(shí)間下的11/7發(fā)射藥、7/14發(fā)射藥的內(nèi)彈道參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，得到發(fā)射藥燃燒過(guò)程中壓強(qiáng)隨時(shí)間以及燃速隨壓強(qiáng)的變化過(guò)程。試驗(yàn)結(jié)果表明隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)，發(fā)射藥的最大膛壓越高；發(fā)射藥老化時(shí)間越長(zhǎng)，在相同的壓強(qiáng)下發(fā)射藥燃速越大。但是不同老化時(shí)間發(fā)射藥的最大膛壓值及燃燒值相差幅度不大。

關(guān)鍵詞：發(fā)射藥；高溫加速老化；內(nèi)彈道性能；存儲(chǔ)時(shí)間

0　引言

發(fā)射藥自身含有氧化和可燃成分，在一定的能量激發(fā)下能夠有規(guī)律地燃燒，同時(shí)釋放氣體和熱[1-2]。它是彈藥的重要元件之一，為彈藥的發(fā)射提供動(dòng)力，為保障在戰(zhàn)爭(zhēng)發(fā)生時(shí)彈藥動(dòng)力，各國(guó)都儲(chǔ)備了大量的發(fā)射藥。發(fā)射藥在儲(chǔ)存過(guò)程中其物理化學(xué)性能如尺寸、力學(xué)性能、爆熱、安定劑含量、硝化棉含量、揮發(fā)分含量等會(huì)隨著儲(chǔ)存時(shí)間而改變，到了一定的儲(chǔ)存年限，發(fā)射藥會(huì)由于性能下降無(wú)法滿足使用要求[3]。如果繼續(xù)使用失效的發(fā)射藥會(huì)導(dǎo)致武器性能下降，無(wú)法滿足戰(zhàn)場(chǎng)要求，更嚴(yán)重的情況可能直接導(dǎo)致炸膛等事故[4-6]；如果將未失效的發(fā)射藥提前進(jìn)行銷毀，一方面造成發(fā)資源的浪費(fèi)，另外銷毀發(fā)射藥還會(huì)污染環(huán)境。因此，準(zhǔn)確判斷發(fā)射藥是否失效意義重大。判斷發(fā)射藥是否失效的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)是發(fā)射藥能否滿足內(nèi)彈道性能，對(duì)于發(fā)射藥來(lái)說(shuō)，發(fā)射藥的燃速和燃速壓力指數(shù)是表征其內(nèi)彈道特征的兩個(gè)參數(shù)。為了確保發(fā)射過(guò)程中火炮及人員的安全性，發(fā)射藥的燃速須服從幾何燃燒規(guī)律，膛內(nèi)的壓力不能過(guò)大而且燃速對(duì)壓力的敏感性較小。因此，發(fā)射藥的內(nèi)彈道性能可通過(guò)測(cè)量發(fā)射藥的壓強(qiáng)隨時(shí)間變化過(guò)程和燃速隨壓強(qiáng)變化的過(guò)程來(lái)研究。

1　發(fā)射藥老化方法

加速老化試驗(yàn)?zāi)軌蛟谳^短的時(shí)間內(nèi)使樣品的性能達(dá)到長(zhǎng)儲(chǔ)的狀態(tài)。本文為減小其他因素對(duì)發(fā)射藥內(nèi)彈道性能的影響，選取的發(fā)射藥為同一批次，儲(chǔ)存時(shí)間、地點(diǎn)一致的發(fā)射藥。高溫加速老化試驗(yàn)是將試驗(yàn)用品放到一定的溫濕度環(huán)境之下，定期取出樣品，對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)和相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)量，通過(guò)對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而得到樣品參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。高溫加速老化試驗(yàn)的設(shè)備由恒溫箱、控溫系統(tǒng)和專用試管3部分組成。確定老化溫度是比較關(guān)鍵的一步，選擇的溫度應(yīng)滿足3個(gè)原則：

1）試驗(yàn)所選溫度應(yīng)盡可能靠近正常的發(fā)射藥存儲(chǔ)溫度，同時(shí)必須考慮溫度對(duì)試驗(yàn)時(shí)間的影響。

2）所確定的老化溫度最大值必須保證發(fā)射藥在此溫度下不會(huì)發(fā)生燃爆，在此溫度下如果發(fā)射藥的失效機(jī)理不變，則盡量選擇最大加速效果的溫度。

3）為了保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，同時(shí)提高試驗(yàn)的效率，一般選取5～8個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。

文獻(xiàn)[7]對(duì)硝酸酯火藥在5個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行了高溫加速老化試驗(yàn)，根據(jù)硝酸酯火藥老化分解速度的溫度系數(shù)和低溫試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，提出單溫度（65℃）短周期預(yù)測(cè)硝酸酯火藥安全儲(chǔ)存壽命的方法，該方法滿足以上3個(gè)方面的選擇原則。因此，本文發(fā)射藥的加速老化溫度選為65℃。

2　發(fā)射藥內(nèi)彈道性能測(cè)試方法

根據(jù)國(guó)軍標(biāo)，發(fā)射藥的內(nèi)彈道性能是通過(guò)密閉爆發(fā)器試驗(yàn)的微分壓力法來(lái)測(cè)定的。密閉爆發(fā)器是研究火藥在定容條件下燃燒時(shí)壓力變化規(guī)律的一種測(cè)試系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1[8]所示。密閉爆發(fā)器上的壓電式傳感器用于測(cè)量氣體壓強(qiáng)，當(dāng)發(fā)射藥點(diǎn)燃之后其燃燒產(chǎn)生的氣壓作用于傳感器，壓電傳感器產(chǎn)生的電荷在電阻兩端產(chǎn)生的壓降正比于發(fā)射藥燃?xì)鈮毫Φ奈⒎种?，因此，發(fā)射藥燃?xì)鈮簭?qiáng)的變化情況可以通過(guò)此傳感器的電流變化量來(lái)確定，通過(guò)相關(guān)的信號(hào)采集裝置及數(shù)據(jù)處理，最后得出發(fā)射藥的t-p曲線和p-v曲線，從而對(duì)發(fā)射藥內(nèi)彈道示性參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行分析。

1）接通電源；

2）清洗密閉爆發(fā)器并控制壁溫，將溫度控制在（20±1）℃；

3）安裝傳感器；

4）用棉線纏好點(diǎn)火藥包，點(diǎn)火藥量按下式確定：

式中：w——點(diǎn)火藥量；

V——密閉爆發(fā)容積；

Δ——裝填密度；

圖1　密閉爆發(fā)器

ρ——火藥密度；

首先，各國(guó)已加速推進(jìn)核安保工作。阿根廷和波蘭在2016—2018年完成本國(guó)所有高濃鈾的轉(zhuǎn)移(即將這些高濃鈾運(yùn)回其原產(chǎn)國(guó))或處置工作，使自2012以來(lái)完全消除本國(guó)境內(nèi)可用于制造武器的核材料的國(guó)家達(dá)到10個(gè)。另外8個(gè)國(guó)家分別是奧地利、捷克、匈牙利、墨西哥、瑞典、烏克蘭、烏茲別克斯坦和越南。因此，擁有1千克或更多武器核材料的國(guó)家已從2012年的32個(gè)減少至目前的22個(gè)。

P——點(diǎn)火壓力；

f——點(diǎn)火藥火藥力。

5）將點(diǎn)火藥包和試樣置于密閉爆發(fā)器相應(yīng)位置；

6）接通點(diǎn)火線路；

7）記錄數(shù)據(jù)；

8）拆卸并清洗爆發(fā)器。

3　試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)過(guò)程

取老化時(shí)間分別為0，39，78 d的相同質(zhì)量的11/7和7/14發(fā)射藥進(jìn)行密閉爆發(fā)器試驗(yàn)，記錄相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律。

3.2試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)密閉爆發(fā)器試驗(yàn)得到11/7發(fā)射藥和7/14發(fā)射藥的t-p曲線和p-v曲線，如圖2～圖5所示。

圖2　11/7發(fā)射藥加速老化后的壓力-時(shí)間曲線

3.3試驗(yàn)結(jié)果分析

1）分析圖2和圖4可得發(fā)射藥隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)，在同一時(shí)間點(diǎn)其燃燒產(chǎn)生的氣體壓強(qiáng)越大；發(fā)射藥老化時(shí)間越長(zhǎng)，最大膛壓越大，但是最大膛壓之間的相差值不大。

圖3　11/7發(fā)射藥加速老化后的壓力-燃速曲線

圖4　7/14發(fā)射藥加速老化后的壓力-時(shí)間曲線

圖5　7/14發(fā)射藥加速老化后的壓力-燃速曲線

2）分析圖3和圖5可以看出發(fā)射藥隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)，在相同壓強(qiáng)下，燃速越高，但是燃速之間的值相差不大。

3）以往的火炮發(fā)射試驗(yàn)[9-11]結(jié)果表明，長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存后的發(fā)射藥在發(fā)射過(guò)程中最大膛壓會(huì)增大，甚至可能導(dǎo)致膛炸事故的發(fā)生。產(chǎn)生這兩種不同結(jié)論的原因是試驗(yàn)方法的不同，從密閉爆發(fā)器進(jìn)行試驗(yàn)的原理和其自身結(jié)構(gòu)來(lái)看，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)發(fā)射藥點(diǎn)火能量小，發(fā)射藥在燃燒過(guò)程中不會(huì)受到大的沖擊和擠壓，因此不會(huì)發(fā)生特別嚴(yán)重的破碎，不會(huì)引起膛壓驟增。而在真實(shí)的發(fā)射過(guò)程中膛內(nèi)產(chǎn)生的高溫、高速、高壓氣體作用于發(fā)射藥，發(fā)射藥之間會(huì)形成擠壓應(yīng)力并與彈底和膛壁發(fā)生碰撞導(dǎo)致發(fā)射藥破碎。燃燒面積增加，最終使得膛壓驟增。

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同老化時(shí)間下的11/7、7/14發(fā)射藥進(jìn)行密閉爆發(fā)器試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)，發(fā)射藥燃燒產(chǎn)生的最大膛壓越高；在相同的壓強(qiáng)下，老化時(shí)間越長(zhǎng)的發(fā)射藥其燃速越高。但不管是最大膛壓值，還是燃速值，它們?cè)黾拥姆榷疾淮?。這與以往的火炮發(fā)射試驗(yàn)研究結(jié)果存在一定差距，導(dǎo)致差距的原因主要是試驗(yàn)方法不同，即密閉爆發(fā)器的燃燒環(huán)境與真實(shí)發(fā)射過(guò)程的內(nèi)彈道環(huán)境存在一定的差別，在進(jìn)行密閉爆發(fā)器試驗(yàn)時(shí)發(fā)射藥之間不會(huì)出現(xiàn)因發(fā)射藥擠壓破碎導(dǎo)致膛壓驟增的情況。

參考文獻(xiàn)

[1]王澤山.含能材料概論[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)出版社，2005：135.

[2]蕭忠良，王澤山.發(fā)射藥科學(xué)技術(shù)總體認(rèn)識(shí)與理解[J].火炸藥學(xué)報(bào)，2004，27（3）：1-6.

[3]茍勇強(qiáng)，羅興柏，張建禮.發(fā)射藥安全貯存壽命預(yù)測(cè)技術(shù)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2009，30（4）：105-107.

[4]芮筱亭，贠來(lái)峰，沙南生，等.發(fā)射藥裝藥發(fā)射安全性評(píng)定技術(shù)的研究進(jìn)展[J].兵工學(xué)報(bào)，2005，26（5）：690-696.

[5]贠來(lái)峰.發(fā)射裝藥發(fā)射安全性評(píng)定方法研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2008.

[6]芮筱亭，贠來(lái)峰，王國(guó)平，等.彈藥發(fā)射安全性導(dǎo)論[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009：11-12.

[7]衡淑云，韓芳，張林軍，等.硝酸酯火藥安全貯存壽命的預(yù)估方法和結(jié)果[J].火炸藥學(xué)報(bào)，2006（4）：71-76.

[8]金志明.槍炮內(nèi)彈道學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2004：12-13.

[9]李國(guó)良，朱國(guó)清.火炸藥與火工品[M].石家莊：中國(guó)人民解放軍軍械技術(shù)學(xué)院，1984：12.

[10] LIU Z R，HENG S Y，XIE J J. Estimation of reliable storage life of ballistics for a single-propellant based on acceleration test[C]∥ICRM S2nd Beijing：Chinese Association for Applied Statistics，1994：611-618.

[11]曹營(yíng)軍，杜仕國(guó)，韓其文.火藥性能對(duì)膛壓及初速的影響研究[J].火炸藥學(xué)報(bào)，2002（1）：10-12.

（編輯：劉楊）

Study of interior ballistics property of propellant under accelerated ageing

ZHANG Yanming，LUO Xingbai，LIU Guoqing，ZHEN Jianwei，CHEN Yankun
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

Abstract:In order to study the interior ballistics properties changing of propellants as the storage time goes，the propellants are attained by high temperature accelerated ageing tests. Interior ballistics properties of 11/7 and 7/14 propellants are tested by manometric bomb under different storage time，the pressure via time and burning rate via pressure changing procedure are got. The test results show that the value of max pressure and burning rating under same pressure increase as the storing times goes，but increment amplitude is small.

Keywords:propellant；high temperature accelerated ageing；interior ballistics property；storage time

作者簡(jiǎn)介：張艷明（1989-），男，河北石家莊市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)閺椝幖夹g(shù)與保障研究。

收稿日期：2015-03-13；收到修改稿日期：2015-05-04

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2016.01.030

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2016）01-0138-03