环境湿度对可燃药筒燃烧性能的影响

贾昊楠，王 琦，路桂娥，3，廖静林，王 铄

（1.军械工程学院 弹药工程系，石家庄050003；2.66440部队，石家庄050071；3.军械技术研究所 石家庄050000；4.76321部队，广州510500；5.中国人民解放军驻长治地区军事代表室，山西 长治046012）

可燃药筒是一种疏松多孔的、非均质复合含能材料且富含亲水性纤维。可燃药筒的这种材质结构是影响其吸湿特性的关键因素[1－3]。可燃药筒在膛内能否稳定、快速地燃烧，一方面在一定程度上影响了武器系统的初速、射程、射击精度等基本弹道性能；另一方面，随着膛压、初速的改变，可燃药筒在膛内燃尽性可能发生重大变化，并生成大量高温残渣，这不仅会增大弹丸的运动阻力，甚至会造成膛炸或火焰从炮尾喷出、烧伤炮手、引燃输弹机等事故[4]。

研究和应用可燃药筒是当前弹药发展的一个重要方向，对其燃烧性能的研究也成为国内外重点研究的课题。徐文娟[5－8]对抽滤型可燃药筒的燃烧机理和燃烧规律等进行了研究，提出了相对质量燃速的概念，建立了燃烧特性函数，得到了可燃药筒基本能量示性参数和结构参数。李欣[9]研究了可燃药筒装药对弹丸初速或然误差的影响，并通过实验得出，挥分在3%以内时，挥分变化对火药力和爆热影响并不大。李煜等[10－11]用含能增强纤维代替纸纤维，以抽滤模压药筒为基底，制备了新型可燃药筒，并对药筒进行了定容燃烧性能的测试研究。邹伟伟等[12]采用密闭爆发器试验考察了可燃药筒定容点火性能，分析了装填密度与点火强度对可燃药筒定容点火性能的影响。虽然国内外对可燃药筒燃烧性能展开了大量的研究，但是关于可燃药筒燃烧性能与环境湿度关系的研究较少。

本文以某抽滤模压可燃药筒为研究对象，对受潮可燃药筒燃烧性能开展了系统研究。人工模拟了常温条件下不同的环境湿度，结合传统的密闭爆发器实验，揭示了环境湿度对其燃烧性能参数的影响规律，为提高可燃药筒的使用安全性提供有力依据。

1 实验部分

1.1 原材料

抽滤模压可燃药筒、2号硝化棉、脱脂棉。

1.2 样品制备

根据 GJB 5472.1—2005，从筒体中部截取高约50mm的圆环（厚度保持不变，约为2mm），再将其切成长为（50±1）mm，宽为（15±1）mm的长方形薄片。

1.3 仪器

采用DU－65改进型油浴烘箱对试样进行烘干，并采用电子式湿度传感器法，利用HDS405高低温恒定湿热实验箱对试样进行加湿处理。密闭爆发器本体燃烧室容积为102 mL，点火压力为10 MPa。主要处理程序为Signal View，该程序使用低通滤波器对实验数据进行前处理，并可直接得到压力p与时间t等实验参数。

1.4 性能测试

1.4.1 吸湿性实验

首先将试样放在敞口的称量瓶内，在55℃烘箱内放置24h后达到质量恒定，之后置于湿热实验箱内[13]。潮湿环境条件为常温25℃，相对湿度分别为（37.0±3）%，（64.5±3）%，（71.0±3）%，（80.2±4）%，（89.0±4）%，并分别用1＃、2＃、3＃、4＃、5＃表示。每个湿度条件下实验作为一组，每组5发。

每24h称量受潮的可燃药筒试样质量一次，监测其质量变化，至达到质量恒定为止，然后密封待用。一般认为当前后2次质量变化率在0.01%范围内时，为试样达到质量恒定。此时，水分均匀分布在药筒试样中，进而排除了因吸湿不均匀而影响药筒燃烧性能的可能。根据试样的质量变化，可燃药筒的瞬态吸湿量计算式为，式中：Qx为可燃药筒的瞬态吸湿量；m1为试样烘干质量恒定后的质量；m2为试样加湿后的质量。

1.4.2 密闭爆发器实验

密闭爆发器容积102mL，实验测试室温20℃，点火压力10MPa。测定火药力和余容时，装填密度Δ分别为0.12g/cm3和0.20g/cm3。测定药筒其他燃烧性能参数时，选取高装填密度。每组以5发数据平均值计算。

2 实验结果与分析

2.1 可燃药筒吸湿性

将经干燥达到失水平衡的药筒试样置于不同湿度环境中，其瞬态吸湿量Qx与时间t的关系如图1所示。通过图1可以得到吸湿开始0.5h内的平均吸湿速率0，以及平衡吸湿量Qm，其结果见表1。

图1 可燃药筒在25℃、不同相对湿度下的吸湿曲线

表1 不同相对湿度条件下可燃药筒的吸湿结果

根据表1经干燥的模压可燃药筒在潮湿环境中会快速吸收水分，并迅速达到吸湿平衡状态。随着环境湿度的增大，前期可燃药筒吸湿速率也增大。环境湿度越高，可燃药筒平衡吸湿量就越大。

2.2 湿度对可燃药筒的燃烧性能影响

2.2.1p－t曲线及燃烧结束时间

装填密度越高可燃药筒燃烧越接近真实情况，所以根据实验压力－时间数据，取1＃～5＃进行比较，给出了装填密度0.20g/cm3下的p－t曲线，如图2所示。

图2 装填密度为0.20g/cm3下不同含水量可燃药筒p－t曲线

假设实验压力达10 MPa时点火药燃完，可燃药筒被点燃并开始燃烧，压力达到最大值pm时药筒已完全燃烧，则药筒燃烧结束时间tk为从10MPa到最大压力pm的时间。2种装填密度下燃烧最大压力值以及燃烧结束时间列于表2，表中，pm为装填密度为0.12g/cm3，0.20g/cm3下测得的最大压力扣除点火压力并经过热损失修正后的数值。

表2 可燃药筒的燃烧参数

从图2和表2可以看出，随湿度的增加pm总体呈减小趋势。低装填密度下，pm由96.85 MPa下降至87.36 MPa；高装填密度下，pm由175.16MPa下降至167.70 MPa。这是由于在可燃药筒中含能成分一定的条件下，水分作为一种不含能成分，其含量增加相对降低了药筒的总能量。虽然水蒸发汽化能产生大量水蒸气，但其增加的量远小于水蒸发消耗能量所带来的热损失，所以最大压力下降了。随着相对湿度的增加，抽滤模压药筒燃烧结束时间tk略有延长。低装填密度下，tk由4.28 ms延长至7.16ms；高装填密度下，tk由2.20 ms延长至3.06ms。这是由于随着燃烧反应的进行，热量继续向未燃区域传递，孔隙内水分继续蒸发吸热，延缓了药筒燃烧过程，燃烧结束时间也随之增长。

2.2.2 火药力及余容

不同含水量可燃药筒密闭爆发器实验测试计算的火药力f、余容α列于表3中。表3所示余容随着湿度增加而增加，火药力则显著降低。由余容的理论计算方法可知，余容α可由每一气体组分b值进行求和得出。虽然水蒸气的b值较小，但大量的水蒸气不仅增加了总气体的物质的量，而且水分的存在能为整个体系提供部分氢、氧原子，也使气体产物有所增加，所以余容明显升高。

表3 可燃药筒实测火药力、余容

火药力的大小与爆温和比容的乘积有关，只有在爆温和比容同时都高的情况下，才具有较高火药力。而含水量大的药筒试样，虽然比容升高，但由于总能量下降比较明显，爆温降低，所以火药力也随之降低。

2.2.3 燃气生成速率与动态活度曲线

为更好反映p－t曲线变化情况，做了高装填密度下可燃药筒dp/dt－t曲线，见图3。

图3 不同含水量抽滤模压药筒dp/dt－t曲线

由图3分析得出，抽滤模压药筒压力上升速率以及压力上升起始时间受湿度因素的影响较大。高含水量试样的压力上升速率明显低于低含水量试样，而压力上升起始时间也大为延迟。从能量角度看，这是因为含水量增大导致水分蒸发吸收的热量增大，起始燃烧时点火能量不足，减缓了燃烧反应的进行，气体生成速率降低，压力上升速率也降低，体现在p－t曲线上就是燃烧起始时间延迟。

图4为抽滤模压药筒在不同湿度条件下的动态活性曲线，即L－B曲线。其中，L为动态活性，B为相对压力。表4列出了不同湿度条件下药筒试样动态活性最大值Lm及对应的相对压力Bm值。

图4 不同含水量抽滤模压药筒L－B曲线

表4 不同含水量抽滤模压药筒Lm，Bm值

如图4所示，因为属于同一种药筒，所以5条曲线的趋势形状基本一样。初始阶段，各曲线基本重合，但含水量较低样品的L值在燃烧后期都比较大。从表4中可以看出，含水量高时，Lm为10.713 9 MPa－1·s－1，比含水量低时要小很多。这同时也反映了药筒的燃气生成速率随相对湿度升高而下降。

3 结论

本文研究了环境湿度对抽滤模压可燃药筒燃烧性能的影响，结果表明，可燃药筒含水量严重影响药筒各项燃烧性能参数。吸湿性实验结果表明，该种药筒具有吸湿能力较强的特点，在潮湿环境中裸露5～8h内即可达到吸湿平衡状态，当相对湿度为89.0%时，其含水量可达到3.6%。

密闭爆发器定容燃烧实验表明，随着环境湿度的增加，抽滤模压可燃药筒定容燃烧性能参数变化也较大，其中燃烧结束时间大幅延长，最大压力以及火药力均降低，余容则显著升高。随着装填密度升高，水分对药筒燃烧结束时间的影响减小。

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