硝酸异丙酯对三基发射药的燃烧性能影响

陈永康， 陈明华， 张 力， 葛 强， 王韶光

(1. 军械工程学院弹药工程系，河北 石家庄 050003； 2. 63908部队， 河北 石家庄 050000)

硝酸异丙酯对三基发射药的燃烧性能影响

陈永康1， 陈明华2， 张 力1， 葛 强2， 王韶光2

(1. 军械工程学院弹药工程系，河北 石家庄 050003； 2. 63908部队， 河北 石家庄 050000)

为研究硝酸异丙酯对三基发射药燃烧性能的影响，利用密闭爆发器测试了三基药在混合了硝酸异丙酯环境中的燃烧性能。测得了发射药的压力曲线和微分曲线，确定了最大压力和燃烧时间，计算得到了气体生成猛度、压力全冲量、火药已燃百分数、火药力和余容等参数以及燃烧速度定律。通过研究发现：硝酸异丙酯会使三基药的燃烧时间延长、燃烧速度减慢、燃烧速度系数减小、压力指数增大。

燃烧；密闭爆发器；硝酸异丙酯；三基药

云爆弹[1]也称燃料空气炸药，作为一种地面毁伤武器，现已大量装备部队。目前，常用云爆剂的组分为镁粉和硝酸异丙酯(Isopropyl Nitrate)[2-3]。硝酸异丙酯是一种强氧化剂和强溶剂，具有易挥发、易燃、易爆和溶解性强等特点，同时由于受制造工艺限制，战斗部不完全密封，硝酸异丙酯会不可避免地从战斗部与引信室的接口处开始发生渗漏，从而扩散到弹药内部以及周围的环境中[4]，对发射药的燃烧性能造成危害，这将直接影响弹药的可靠使用。自从装备云爆弹以来，出现了一些问题，尤其是某型云爆弹出现了严重的不爆现象，给军队和工厂造成了重大的经济损失，其原因就是硝酸异丙酯的渗漏。

曾秀琳[2]利用热分析实验测试了硝酸异丙酯的热稳定性，宣卫芳等[5]提出利用气相色谱和原子吸收光谱等方法检测云爆剂的化学安定性。但关于硝酸异丙酯对发射药燃烧性能影响的研究还鲜有报道。针对这一问题，本文利用密闭爆发器实验研究硝酸异丙酯对三基药燃烧性能的影响。

1 实验

1.1 实验装置

密闭爆发器[6-7]是定容、闭气、耐高压的容器，其结构如图1所示。

图1 密闭爆发器结构

实验选用100 mL的本体，经标定，容积V0=106.1 mL。

1.2 样品准备

样品为三基发射药，点火药为2#NC。点火药药量[8]为

mig=V0(1-Δ/ρ)pig/(fig+pigαig)，

(1)

式中：Δ为装填密度(g/cm3)；fig=882 J/g，为点火药火药力；αig=1 cm3/g，为点火药余容；ρ=1.6 g/cm3，为点火药密度；pig=10 MPa，为点火压力。

发射药装药量[8]为

m=Δ(V0-migαig)。

(2)

分别将装填密度为低密度Δ1=0.10 g/cm3和高密度Δ2=0.16 g/cm3代入式(1)、(2)，计算得到相应的点火药药量和发射药药量：在低密度装药条件下，点火药药量mig1=1.13 g，发射药药量m1=10.50 g；在高密度装药条件下，点火药药量mig2=1.08 g，发射药药量m2=16.80 g。实验准备5组样品，将发射药样品装入本体后，分别将不同量的硝酸异丙酯与之混合。具体各组样品所混合硝酸异丙酯的体积VIPN如表1所示。

表1 样品所混合硝酸异丙酯的体积

1.3 燃烧性能实验

图2-5分别是在低密度、高密度装药条件下各组样品的P-t曲线和dP/dt-t曲线。根据实验所得P-t曲线，得到相应的最大压力和燃烧时间，如表2所示，其中最大压力是扣除点火压力并经过热损失修正后的最大压力。

图2 低密度装药条件下样品的P-t曲线

图3 低密度装药条件下样品的dP/dt-t曲线

图4 高密度装药条件下样品的P-t曲线

图5 高密度装药条件下样品的dP/dt-t曲线

从以上结果可以看出：样品混合硝酸异丙酯后，在低密度和高密度装药条件下的最大压力均有所增大。这是由于在密闭爆发器中硝酸异丙酯参加燃烧并发生分解，导致了压力增大。

表2 2种装药条件下样品的最大压力和燃烧时间

由表2可知：在低密度装药条件下，样品的燃烧时间由原样的19.33 ms最大延长至25.15 ms；在高密度装药条件下，样品的燃烧时间由原样的16.50 ms最大延长至19.40 ms。这表明：硝酸异丙酯会明显延迟三基药的燃烧时间，减慢三基药的燃烧速度。

2 结果与分析

2.1 综合燃烧特性参数

表3是计算得到的2种装药条件下样品的综合燃烧特性参数，其计算公式分别如下。

火药已燃百分数Ψe：

(3)

式中：χ为火药形状特征量，取决于火药形状和尺寸；σ为相对燃烧面积；Z为相对厚度。

势平衡点气体生成猛度，即势平衡点处火药燃气生成的猛度Γe：

(4)

势平衡点压力全冲量Ie：

。 (5)

通过比较表3中各个样品的数据发现：硝酸异丙酯对三基药的火药已燃百分数、气体生成猛度、压力全冲量没有明显的影响。

2.2 火药力和余容

火药力和余容[9]是发射药重要的能量性能参数，其计算公式分别为[10]

(6)

(7)

式中：f为火药力(J/g)；α为余容(cm3/g)；Pm1为与Δ1对应的平均最大压力(MPa)；Pm2为与Δ2对应的平均最大压力(MPa)。

将表2中的实验结果代入到式(6)、(7)中，得到被测样品的火药力以及余容,结果如表4所示。

表4 样品的火药力和余容

由表4可见：混合硝酸异丙酯后，样品的余容不断减小，火药力不断增大，这是由于硝酸异丙酯分解放热，产生一定量气体和能量。

2.3 燃烧速度定律

在密闭爆发器实验中，对于给定的火药，在一定的初温条件下，选择合适的装填密度，测出P-t曲线，根据该曲线计算得出火药的燃烧速度u与压力P之间的关系，即火药的燃烧速度定律[9]。

u=APν,

(8)

式中：A为燃烧速度系数；ν为压力指数。

图6是低密度装药条件下样品的u-P曲线。

图6 低密度装药条件下样品的u-P曲线

对式(8)两边各取对数，代入燃烧速度和压力值，通过拟合曲线可得到A和ν。表5是通过计算得出的低密度和高密度装药条件下的A和ν。

从图6可以看出:混合硝酸异丙酯后,样品的燃烧速度变化明显，3#、4#、5#样品的燃烧速度明显下降。由表5可见：在低密度和高密度装药条件下混合硝酸异丙酯后，样品的燃烧速度系数都显著减小，同时压力指数增大。这是由于燃烧时间增加，导致燃烧速度变慢；同时，由于最大压力增大，导致压力指数增大。

表5 2种装药条件下样品的燃烧速度系数和压力指数

3 结论

在混合硝酸异丙酯之后，由于硝酸异丙酯的分解参加燃烧，产生一定的气体与能量，导致样品的最大压力增大，从而使火药力增大、余容减小；同时，样品的燃烧时间延长，燃烧速度减慢。然而，笔者曾在研究硝酸异丙酯对单基发射药的燃烧性能影响[11]时发现：在混合硝酸异丙酯后，单基发射药的燃烧时间缩短，燃烧速度加快。将单基药与三基药的成分进行对比，分析认为：硝化甘油或硝基胍与硝酸异丙酯作用，从而延缓了三基药的燃烧。

[1] 王志军, 尹建平. 弹药学[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2012:405-407.

[2] 曾秀琳. 硝酸酯热安定性的理论与试验研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2007.

[3] 杨茜, 陈利平, 陈网桦, 等. 4种硝酸酯热安定性的绝热试验研究[J]. 环境与安全学报, 2012, 12(1): 186-190.

[4] 王阵, 李海广, 贲旭东, 等. 储存条件下云爆火箭弹云爆剂质量变化研究[J]. 装备环境工程, 2012, 9(3): 82-85.

[5] 宣卫芳, 陈世英, 黄闽, 等. 云爆剂化学稳定性检测分析方法探讨[J]. 装备环境工程, 2008, 5(4): 56-58.

[6] GJB770A-97 密闭爆发器试验:微分压力法[S].

[7] Fair H D.Electric Launch Science and Technology in the United States[J].IEEE Transactions on Magnetics,2003,39(1):11-17.

[8] 毕文辉, 刘爽, 严楠. 密闭爆发器在做功火工品输出性能测试中的应用[J]. 火炸药学报, 2008, 35(7): 1-3.

[9] 祝明水, 龙新平, 蒋小华. 不同粒径RDX的燃烧特性研究[J]. 含能材料, 2004, 12(1): 40-42.

[10] 金志明. 枪炮内弹道学[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2004:19-21.

[11] 陈永康, 陈明华, 张力, 等. 硝酸异丙酯对单基发射药燃烧性能的影响[J]. 火炸药学报, 2014, 37(4):84-86.

(责任编辑:尚彩娟)

Influence of Isopropyl Nitrate on Combustion Performance of Triple-base Propellant

CHEN Yong-kang1, CHEN Ming-hua2, ZHANG Li1, GE Qiang2, WANG Shao-guang2

(1. Department of Ammunition Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China;2. Troop No.63908 of PLA, Shijiazhuang 050000, China)

In order to study the influence of isopropyl nitrate on combustion performance of triple-base propellant, the closed bomb is used to test the combustion performance of triple-base propellant in the environment of isopropyl nitrate. Pressure-time curves and their differential curves are obtained, and maximum pressure and combustion time are determined by analyzing curves. Combustion performance parameters including gas generated brisance, pressure impulse, percentage of gunpowder burned out, impetus, covolume and combustion velocity law are calculated. It is shown that isopropyl nitrate can make the combustion velocity slowed, combustion time prelonged, combustion rate coefficient reduced and pressure index increased.

combustion; closed bomb; isopropyl nitrate; triple-base propellant

1672-1497(2015)02-0061-04

2014-12-31

陈永康(1991-)，男，博士研究生。

TQ560.72

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.02.012