某型双基推进剂的老化燃烧性能研究

王恒闯， 陈明华， 樊义伟， 田广丰， 袁 帅

(1. 军械工程学院弹药工程系， 河北 石家庄 050003； 2. 军械技术研究所， 河北 石家庄 050000； 3. 山西江阳化工有限公司， 山西 太原 030041； 4. 中国人民解放军驻763厂军事代表室， 山西 太原 030041)

某型双基推进剂的老化燃烧性能研究

王恒闯1， 陈明华2， 樊义伟3， 田广丰4， 袁 帅2

(1. 军械工程学院弹药工程系， 河北 石家庄 050003； 2. 军械技术研究所， 河北 石家庄 050000； 3. 山西江阳化工有限公司， 山西 太原 030041； 4. 中国人民解放军驻763厂军事代表室， 山西 太原 030041)

为研究某型双基推进剂老化后的燃烧性能，在75 ℃恒温条件下对该双基推进剂进行了老化处理，并对老化后的样品进行了密闭爆发器实验，通过实验测得的 dp/dt-t曲线计算了双基推进剂的燃速温度系数、压力指数，综合燃烧特性参数(如气体生成猛度、压力全冲量、已燃百分数和火药力、余容)，以及相对力、相对压力陡度。结果表明：老化使得双基推进剂的燃烧性能下降，在75 ℃条件下老化50 d以内，双基推进剂仍可以安全燃烧，但老化80、120 d的双基推进剂的燃烧存在不安全因素。

双基推进剂；老化；密闭爆发器；燃烧特性

某型双基推进剂长期服役于某型火箭弹，具有生产工艺成熟、结构均匀、燃烧稳定等特点，但在长期贮存过程中，受各种复杂环境以及组成成分缓慢分解的影响，其燃烧性能可能会改变，从而使其在使用过程中存在不可预见的危险[1-2]，因此研究其贮存后的燃烧性能对该双基推进剂的可靠使用具有重要意义。为此，笔者对某型双基推进剂开展老化和密闭爆发器实验，计算其燃烧特性参数，研究热加速老化对其燃烧性能的影响，为其生产、贮存、使用以及理化性能研究提供理论依据。

1 实验部分

某型双基推进剂的主要成分为：硝化棉55.0%(质量分数，下同)，硝化甘油29.3%，二硝基甲苯10.0%等。将某型双基推进剂置于75 ℃恒温条件下老化10、30、50、80、120 d，并对老化不同时间的样品进行密闭爆发器实验。

1.1 实验原理

采用的密闭爆发器本体为100 mL的厚壁钢制圆筒，经标定，其容积V0=106.1 mL，两端分别用测压塞头和点火塞头密封。在实验过程中，点火塞上的点火药包通过点火装置发出的点火电流点燃，并点燃实验样品，其在本体中产生大量气体，压力传感器将压力转换为电信号，经电荷放大器放大后由数据采集卡采集，得到燃烧过程的dp/ dt-t曲线。

1.2 实验准备

1.2.1 药量计算

点火药选用2#NC[3-4]，其药量计算公式为

mig=V0( 1 -Δ/ρ)pig/ (fig+pigαig),

(1)

式中：mig为点火药量(g)；V0为密闭爆发器容积(mL)；Δ为装填密度(g/cm3)；ρ=1.61 g/cm3，为样品密度；pig=10 MPa，为点火压力；fig=882 J/g，为点火药的火药力；αig=1 cm3/g，为点火药余容。

推进剂的药量计算公式为[3-4]

m=Δ(V0-migαig),

(2)

式中：m为推进剂装药量(g)。

实验采用低密度(Δ1=0.12 g/cm3)和高密度(Δ2=0.20 g/cm3)装药，联立式(1)、(2)计算得到相应的药量：mig1=1.10 g，m1=11.41 g；mig2=1.04 g，m2=21.01 g。

1.2.2 样品准备

将样品切成5 mm厚的半圆柱，低密度和高密度装药各3发。

2 结果与分析

2.1 压力与燃烧时间

图1 低密度装药的 dp/dt-t曲线

图1-4分别是低密度、高密度装药的 dp/dt-t曲线和P-t曲线。

图2 低密度装药的P-t曲线

图3 高密度装药的 dp/dt-t曲线

图4 高密度装药的P-t曲线

从图1、3可以看出：所有曲线都有略微波动，排除实验信号采集环节中噪音的影响，发现老化后样品的曲线波动较老化前更剧烈，说明老化后的样品在燃烧过程中不是稳定燃烧。这主要是因为:持续加热老化使双基推进剂中的硝酸酯(如硝化纤维素、硝化甘油)发生缓慢分解，特别是硝化纤维素分解后其分子链断裂，导致某型双基推进剂的内部结构发生变化，从而影响了应力分布。

根据图2、4中的P-t曲线，得到燃烧过程中2种装药密度的最大压力和燃烧时间，如表1所示。可以看出：通过密闭爆发器实验获得的双基推进剂最大压力，远远大于实际使用过程的压力，但其压力的变化趋势很好地表现出热加速老化对其燃烧性能的影响；随着老化时间的增加，2种装药密度的最大压力逐渐减小，说明老化使得推进剂中能量减小，而该双基推进剂的能量主要来源于硝化甘油和硝化纤维素，即老化使得硝化甘油和硝化纤维素产生热分解及热挥发，且老化时间越长，变化越明显。

表1 2种装药密度的最大压力和燃烧时间

2.2 燃速温度系数和压力指数

环境温度的微小变化和与之对应的燃速变化的比值称为燃速温度系数[5]。压力指数是推进剂的重要参数之一，在理想情况下，压力指数n=1，即燃速不受压力的影响[5-6]；但在一般情况下，系统的能量越大，推进剂的燃速也就越大。当n>0.7时，即使推进剂具有较高的能量，其也将不能在实际中使用。燃速与压力指数的关系为

v=a·pn，

(3)

式中：v为燃速(m/s)；a为常数；p为压力(MPa)。

根据式(1)并结合火药综合参数计算软件，得到老化后某型双基推进剂2种装药密度的燃速温度系数A和压力指数n，如表2所示。

从表2可以看出：随着老化时间的增加，试样的燃速温度系数减小，导致发动机工作时燃烧室内压强降低，工作时间延长，从而造成推力减小，影响发动机的正常使用；压力指数随老化时间增加逐渐变大，且在75 ℃条件下老化80、120 d后2种装药密度的压力指数均大于0.7，说明此时的双基推进剂已不能在实际中使用。

表2 2种装药密度的燃速温度系数和压力指数

2.3 综合燃烧参数

为更加综合地评价热加速老化对某型双基推进剂燃烧性能的影响，需计算试样的压力全冲量Ie、已燃百分数Ψe、气体生成猛度Γe、火药力f和余容α。

双基推进剂燃烧过程的势平衡点压力全冲量Ie为

(4)

在势平衡点处双基推进剂燃烧损失的百分比(即已燃百分数Ψe)为

(5)

式中：χ为取决于推进剂形状和尺寸的特征量；σ为相对燃烧面积；Z为相对厚度。

在势平衡点处双基推进剂的气体生成猛度Γe为

(6)

通过式(4)-(6)计算得到某型双基推进剂2种装药密度的综合燃烧参数，如表3所示。可以看出：随着老化时间的增加，Ie、Γe以及Ψe都有相应的减小，说明75 ℃条件下的持续老化使得双基推进剂的综合燃烧性能下降。

表3 2种装药密度的综合燃烧参数

火药力是指1 kg的火药在定容绝热条件下燃烧，使燃烧产物的温度和压力达到最大值，此时的压力和容积的乘积值为火药的定容火药力；火药的余容是指1 kg火药燃气分子本身不可压缩的体积[7-8]。因此，火药力和余容是评价火药燃烧性能的重要参数。根据表1中Pm1、Pm2可得到[6]：

f=Pm2/Δ2-αPm2；

(7)

α=(Pm2/Δ2-Pm1/Δ1)/(Pm2-Pm1)。

(8)

通过式(7)、(8)计算得到某型双基推进剂的火药力f和余容α，如表4所示。可以看出：随着老化时间的增加，该双基推进剂的火药力整体上呈下降趋势，但不是很明显，根据火药力的定义，可以证明在老化过程中双基推进剂中的能量成分(即硝化甘油和硝化纤维素)发生热分解及热挥发；在老化30 d内，该双基推进剂的余容随着老化时间的增加迅速下降，但是之后基本保持不变，余容表征双基推进剂燃烧产生的气体体积，余容下降说明老化使得双基推进剂组成成分发生变化。

表4 某型双基推进剂的火药力和余容

2.4 相对压力陡度和相对力

相对压力陡度是在相同压力下P-t曲线斜率的比值，用RQ表示；相对力是样品与参照药的最大压力比值，用RF表示。二者可以用来评价双基推进剂的强度和燃烧性能[9-11]，根据定义可以得到

(9)

(10)

式中：n为每组实验的次数。

由于本文主要探究某型双基推进剂老化后燃烧性能的改变，故将未老化的样品作为参照药，每组实验重复3次，通过式(9)、(10)计算得到2种装药密度的相对压力陡度和相对力，如表5所示。可以看出：老化后某型双基推进剂的相对压力陡度不是很大，老化50 d之前样品的相对压力陡度均小于1，说明其能够安全燃烧，老化80、120 d样品的相对压力陡度大于1，说明其在燃烧过程中存在一定的安全隐患[5]；老化后样品的相对力均小于1，且老化时间越长，相对力越小，说明老化使得样品中的能量成分发生变化，导致其燃烧的最大压力下降。

表5 2种装药密度的相对压力陡度和相对力

3 结论

笔者以75 ℃条件下老化处理的某型双基推进剂为研究对象，对其进行了密闭爆发器实验，通过实验测得的dp/dt-t曲线对该双基推进剂各参数进行了计算，结果表明：各参数受老化时间影响较大，老化80 d后已不能满足安全使用条件。为了系统地对某型双基推进剂的理化性能进行研究，下一步将对其老化后的安定剂含量和安定性变化趋势开展实验，以评价其贮存安全性。

[1] 江劲勇, 贾昊楠, 路桂娥, 等. 环境湿度对含TNT卷制半可燃药筒燃烧性能影响研究[J]. 火工品, 2014(6): 16-19.

[2] 陈明华. 加速老化对点火工品电阻与发火时间的影响[J]. 火工品, 2008(5): 37-38.

[3] 赵宝明, 李先, 刘来东, 等. 适用于RG D7A基三层发射药的点火药[J]. 爆破器材, 2015, 44(3): 51-54.

[4] GJB770A—97 火药实验方法[S].

[5] 翁业芹. 一种低温度系数的RDX改性单基药探索研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2013.

[6] Ermolaev B S, Romankov A V, Sulimov A A, et al. Compacted Modified Propellant Blocks as Traveling Charge in the Hybrid Shot Scheme Plosives[J]. Pyrotechnics, Explosive, Pyrotechnics, 2014(6): 881-889.

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

[8] 王宪成, 李若亭, 孙志新, 等. 一种含氧混合燃料燃烧及排放数值仿真研究[J]. 装甲兵工程学院学报, 2015, 29(2): 29-34.

[9] 郑蓉晖. 发射药燃烧性能及其测试方法研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2008.

[10] 吴德俊, 陈愿, 徐森, 等. 老化对含铝温压炸药爆速及力学性能影响的研究[J]. 爆破器材, 2015, 44(3): 34-38.

[11] 陈永康, 陈明华, 张力, 等. 硝酸异丙酯对三基发射药的燃烧性能影响[J]. 装甲兵工程学院学报, 2015, 29(2): 61-64.

(责任编辑：尚彩娟)

Research on an Aging Combustion Properties of a Certain Type of Double Base Propellant

WANG Heng-chuang1, CHEN Ming-hua2, FAN Yi-wei3, TIAN Guang-feng4, YUAN Shuai2

(1. Department of Ammunition Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China；2. Ordnance Technology Research Institute, Shijiazhuang 050000, China；3. Jiangyang Chemical Industrial Co. Ltd, Taiyuan 030041, China; 4.PLA Military Representative Office Stationed in 763 Factory , Taiyuan 030041, China)

In order to research on an aging combustion properties of a certain type of double base propellant, the double base propellant is aged under 75 ℃, and the closed bomb test on aging double base propellant is taken. The burning rate temperature coefficient and burning rate pressure exponent, comprehensive combustion characteristic parameters ( like gas generate brisance, total pressure impulse, percentage of burned out, impetus and capacity) as well as relative force and relative pressure gradient are calculated by dp/dt-tcurves gotten from the closed bomb test. The results show that aging makes the combustion properties of the double base propellant reduced, the propellant can burn safely when aging is over 50 d under 75 ℃, but it has an insecurity factor in combustion when aging is 80 d and 120 d.

double base propellant; aging; closed bomb test; combustion properties

1672-1497(2016)05-0060-04

2016-07-28

王恒闯(1990-)，男，硕士研究生。

V512

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2016.05.012