AP粒度对底排药燃速的影响

张洪林,刘宝民,焦宗平,于洪江,余业建

(1.辽宁庆阳特种化工有限公司 ,辽宁 辽阳 111002;2.总装备部驻辽宁庆阳特种化工有限公司代表室,辽宁 辽阳 111002)

引 言

底排技术作为一种弹丸增程技术广泛应用于各种超音速弹丸中[1]。底排药是底排技术中减少弹丸底部阻力的重要能源组成。燃速是底排药燃烧性能的重要参数,影响底排弹结构、排气参数及减阻效率[2]。影响底排药燃速的因素主要有配方、原料性状、制造工艺、燃速催化剂、燃烧状态等。底排药作为在常压(约0.1M Pa)条件下燃烧的一种火药,其燃速有自身的特点,并直接影响底排弹的性能,对于复合底排药,影响其燃速的主要因素是底排药组分中的 AP,研究 AP粒度对底排药燃速的影响,对调节和稳定底排药的燃烧性能具有重要作用。研究表明,氧化剂的粒度对推进剂的燃速有较大影响,其中 AP对推进剂燃速的影响研究较多[3-5]。但关于AP对底排药燃速影响的报道较少[6]。本实验利用底排药试验装置,研究了AP粒度及分布对底排药燃速的影响。

1 实 验

1.1 样品及试验装置

底排药,以 AP为氧化剂,HTPB为黏合剂,附加其他组分制成,辽宁庆阳特种化工有限公司。

AP粒度测试采用丹东百特仪器厂 BT9300激光粒度仪。

底排药试验装置结构见图 1。

1.2 实验过程

将制备的底排药装入试验装置中,在常压(约0.1MPa)、常温 (20℃ )条件下 ,用 8g 2号黑火药点燃底排药,测得底排药的静态燃烧时间,由公式(1)获得底排药的燃速u。

式中:R为底排药外径与内孔径之差的1/2;t为底排药的燃烧时间。

图 1 底排药试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the base bleed charge test equipment

2 结果与讨论

2.1 AP粒度对底排药燃速的影响

AP对底排药燃速的影响主要有两个方面:一是AP热分解产物对底排药燃烧气相反应的影响;另一方面是AP粒度对底排药燃烧表面形状的影响。对于AP含量相同的底排药,AP的热分解产物是相同的;但相同 AP含量,不同 AP粒度的底排药,其燃速是不同的[7]。燃速随 AP粒度的变化曲线见图 2。

图2 底排药燃速随 AP粒度的变化曲线Fig.2 The u-d curve of the base bleed charge with different particle size of AP

由图2结果可见,随着 AP粒度的增加,底排药的燃速减小。

假设 AP晶粒为球体,可计算出单位质量底排药中 AP晶粒的总表面积。单位质量底排药中,AP晶粒总数n可由下式计算:

式中:a AP为底排药中 AP的质量分数;d AP为AP密度,其值为 1.95kg/cm3;V AP为单个 AP晶粒的体积,可由式(3)计算:

式中:d AP为 AP晶粒的直径。

则单位质量底排药中 AP晶粒总表面积S可由式(4)计算:

单位质量底排药中 AP晶粒的总表面积随 AP粒度的变化曲线见图 3。

图3 单位质量底排药中 AP晶粒总表面积随 AP粒度的变化曲线Fig.3 The relation between the total superficial area of APgrains in the base bleed charge and the particle size of AP

由图 3可见,在 AP含量相同的条件下,随着 AP粒度的增加,单位质量底排药中 AP晶粒的总表面积不断减小。由图2和图3可得到底排药燃速随单位质量底排药中 AP晶粒总表面积的变化曲线,见图4。

图4 燃速随 AP晶粒总表面积的变化曲线Fig.4 Curve of burning ratechanged with total superficial area of APgrains

对底排药的燃速和单位质量底排药中 AP晶粒总表面积数据进行回归计算,可得到燃速u随总表面积S的变化关系:

由公式(2)可计算出u与 S之间的相关系数r=0.9999。由此可得,底排药的燃速与单位质量底排药中 AP晶粒总表面积是线性相关的。

由单位质量底排药中AP晶粒的总表面积与AP粒度的关系,可得到单位质量底排药中 AP晶粒总表面积随 AP粒度的变化率:

由此可得到单位质量底排药中 AP晶粒总表面积变化率与粒度的关系曲线,见图5。

图 5 AP晶粒的总表面积变化率与 AP粒度的关系曲线Fig.5 Curve of total superficial area change rate of AP grains with AP particle size

由图5可看出,单位质量底排药中AP晶粒的总表面积变化率与 AP粒度呈非线性变化关系,当 AP粒度较小时,单位质量底排药中 AP晶粒总表面积变化率的绝对值较大;随着 AP粒度的增大,这种变化率的绝对值逐渐减小。由于底排药的燃速与单位质量底排药中 AP晶粒总表面积的线性相关性,所以,底排药的燃速随 AP粒度的变化关系与单位质量底排药中 AP晶粒总表面积随 AP粒度变化的关系相似。

底排药中 AP的燃烧反应是 AP晶粒表面的气化热分解反应[8],对于相同 AP含量的底排药,AP粒度减小,则单位质量底排药中 AP晶粒的数量增加,AP晶粒总表面积增大[9],增加了 AP晶粒表面反应面积,导致底排药燃速提高。由单位质量底排药中 AP晶粒总表面积随 AP粒度的变化率和底排药燃速随单位质量底排药中 AP晶粒总表面积的变化关系可得,在不同 AP粒度范围内,AP粒度对底排药燃速的调节作用不同。AP粒度越小,底排药的燃速对 AP粒度越敏感[10]。

2.2 AP粒度级配对底排药燃速的影响

根据底排药生产工艺要求[11-12],AP需要粒度级配。对用两种 AP粒度级配的底排药和用3种AP粒度级配的底排药进行燃速实验,结果见表 1。

由表 1可见,对于 AP含量相同的底排药,不同AP粒度级配其燃速也不同。由于底排药燃速变化与 AP粒度有关,对用不同 AP粒度级配的底排药,当单位质量底排药中 AP的总表面积变化时,会影响底排药燃速的变化。

对表1中不同 AP粒度级配的单位质量底排药中 AP的总表面积进行计算,结果见表2。

表1 AP粒度级配对底排药燃速的影响Table 1 The burning rate of the base bleed charge with different particle size of AP

表2 不同 AP粒度级配的单位质量底排药中 AP的总表面积计算结果Table 2 Calculated results of the total superficial area of APof the base bleed charge with different particle size of AP

对比表1和表2结果可得,若单位质量底排药中AP晶粒的总表面积基本相同,则底排药的燃速也基本相同。表明影响燃速的主要因素是单位质量底排药中AP晶粒的总表面积。所以,控制单位质量底排药中 AP晶粒总表面积的一致性是保持底排药燃速稳定的重要条件。

3 结 论

(1)底排药燃速变化与 AP粒度密切相关,单位质量底排药中 AP晶粒总表面积的变化决定了底排药燃速的变化。

(2)底排药的燃速变化率随AP粒度的变化呈非线性,随着 AP粒度增大,底排药燃速的变化率减小。

(3)不同粒度 AP级配对底排药燃速的影响取决于单位质量底排药中 AP晶粒总表面积的变化量。

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