加速老化作用下发射药的内弹道性能研究

张艳明，罗兴柏，刘国庆，甄建伟，陈言坤

（军械工程学院，河北石家庄050003）



加速老化作用下发射药的内弹道性能研究

张艳明，罗兴柏，刘国庆，甄建伟，陈言坤

（军械工程学院，河北石家庄050003）

摘要：为研究发射药内弹道性能随着储存时间增长的变化，通过高温加速老化试验的方法模拟得到不同储存时间的发射药。利用密闭爆发器装置对不同老化时间下的11/7发射药、7/14发射药的内弹道参数进行测试，得到发射药燃烧过程中压强随时间以及燃速随压强的变化过程。试验结果表明随着老化时间的增长，发射药的最大膛压越高；发射药老化时间越长，在相同的压强下发射药燃速越大。但是不同老化时间发射药的最大膛压值及燃烧值相差幅度不大。

关键词：发射药；高温加速老化；内弹道性能；存储时间

0　引言

发射药自身含有氧化和可燃成分，在一定的能量激发下能够有规律地燃烧，同时释放气体和热[1-2]。它是弹药的重要元件之一，为弹药的发射提供动力，为保障在战争发生时弹药动力，各国都储备了大量的发射药。发射药在储存过程中其物理化学性能如尺寸、力学性能、爆热、安定剂含量、硝化棉含量、挥发分含量等会随着储存时间而改变，到了一定的储存年限，发射药会由于性能下降无法满足使用要求[3]。如果继续使用失效的发射药会导致武器性能下降，无法满足战场要求，更严重的情况可能直接导致炸膛等事故[4-6]；如果将未失效的发射药提前进行销毁，一方面造成发资源的浪费，另外销毁发射药还会污染环境。因此，准确判断发射药是否失效意义重大。判断发射药是否失效的一个重要标准是发射药能否满足内弹道性能，对于发射药来说，发射药的燃速和燃速压力指数是表征其内弹道特征的两个参数。为了确保发射过程中火炮及人员的安全性，发射药的燃速须服从几何燃烧规律，膛内的压力不能过大而且燃速对压力的敏感性较小。因此，发射药的内弹道性能可通过测量发射药的压强随时间变化过程和燃速随压强变化的过程来研究。

1　发射药老化方法

加速老化试验能够在较短的时间内使样品的性能达到长储的状态。本文为减小其他因素对发射药内弹道性能的影响，选取的发射药为同一批次，储存时间、地点一致的发射药。高温加速老化试验是将试验用品放到一定的温湿度环境之下，定期取出样品，对其进行观测和相关数据的测量，通过对所得数据进行处理，从而得到样品参数随时间的变化规律。高温加速老化试验的设备由恒温箱、控温系统和专用试管3部分组成。确定老化温度是比较关键的一步，选择的温度应满足3个原则：

1）试验所选温度应尽可能靠近正常的发射药存储温度，同时必须考虑温度对试验时间的影响。

2）所确定的老化温度最大值必须保证发射药在此温度下不会发生燃爆，在此温度下如果发射药的失效机理不变，则尽量选择最大加速效果的温度。

3）为了保证试验结果的可靠性，同时提高试验的效率，一般选取5～8个试验点。

文献[7]对硝酸酯火药在5个温度点进行了高温加速老化试验，根据硝酸酯火药老化分解速度的温度系数和低温试验统计结果，提出单温度（65℃）短周期预测硝酸酯火药安全储存寿命的方法，该方法满足以上3个方面的选择原则。因此，本文发射药的加速老化温度选为65℃。

2　发射药内弹道性能测试方法

根据国军标，发射药的内弹道性能是通过密闭爆发器试验的微分压力法来测定的。密闭爆发器是研究火药在定容条件下燃烧时压力变化规律的一种测试系统，其结构如图1[8]所示。密闭爆发器上的压电式传感器用于测量气体压强，当发射药点燃之后其燃烧产生的气压作用于传感器，压电传感器产生的电荷在电阻两端产生的压降正比于发射药燃气压力的微分值，因此，发射药燃气压强的变化情况可以通过此传感器的电流变化量来确定，通过相关的信号采集装置及数据处理，最后得出发射药的t-p曲线和p-v曲线，从而对发射药内弹道示性参数随时间的变化规律进行分析。

1）接通电源；

2）清洗密闭爆发器并控制壁温，将温度控制在（20±1）℃；

3）安装传感器；

4）用棉线缠好点火药包，点火药量按下式确定：

式中：w——点火药量；

V——密闭爆发容积；

Δ——装填密度；

图1　密闭爆发器

ρ——火药密度；

首先，各国已加速推进核安保工作。阿根廷和波兰在2016—2018年完成本国所有高浓铀的转移(即将这些高浓铀运回其原产国)或处置工作，使自2012以来完全消除本国境内可用于制造武器的核材料的国家达到10个。另外8个国家分别是奥地利、捷克、匈牙利、墨西哥、瑞典、乌克兰、乌兹别克斯坦和越南。因此，拥有1千克或更多武器核材料的国家已从2012年的32个减少至目前的22个。

P——点火压力；

f——点火药火药力。

5）将点火药包和试样置于密闭爆发器相应位置；

6）接通点火线路；

7）记录数据；

8）拆卸并清洗爆发器。

3　试验

3.1试验过程

取老化时间分别为0，39，78 d的相同质量的11/7和7/14发射药进行密闭爆发器试验，记录相关参数的变化规律。

3.2试验结果

通过密闭爆发器试验得到11/7发射药和7/14发射药的t-p曲线和p-v曲线，如图2～图5所示。

图2　11/7发射药加速老化后的压力-时间曲线

3.3试验结果分析

1）分析图2和图4可得发射药随着老化时间的增长，在同一时间点其燃烧产生的气体压强越大；发射药老化时间越长，最大膛压越大，但是最大膛压之间的相差值不大。

图3　11/7发射药加速老化后的压力-燃速曲线

图4　7/14发射药加速老化后的压力-时间曲线

图5　7/14发射药加速老化后的压力-燃速曲线

2）分析图3和图5可以看出发射药随着老化时间的增长，在相同压强下，燃速越高，但是燃速之间的值相差不大。

3）以往的火炮发射试验[9-11]结果表明，长时间储存后的发射药在发射过程中最大膛压会增大，甚至可能导致膛炸事故的发生。产生这两种不同结论的原因是试验方法的不同，从密闭爆发器进行试验的原理和其自身结构来看，在进行试验时发射药点火能量小，发射药在燃烧过程中不会受到大的冲击和挤压，因此不会发生特别严重的破碎，不会引起膛压骤增。而在真实的发射过程中膛内产生的高温、高速、高压气体作用于发射药，发射药之间会形成挤压应力并与弹底和膛壁发生碰撞导致发射药破碎。燃烧面积增加，最终使得膛压骤增。

4　结束语

通过对不同老化时间下的11/7、7/14发射药进行密闭爆发器试验，发现随着老化时间的增长，发射药燃烧产生的最大膛压越高；在相同的压强下，老化时间越长的发射药其燃速越高。但不管是最大膛压值，还是燃速值，它们增加的幅度都不大。这与以往的火炮发射试验研究结果存在一定差距，导致差距的原因主要是试验方法不同，即密闭爆发器的燃烧环境与真实发射过程的内弹道环境存在一定的差别，在进行密闭爆发器试验时发射药之间不会出现因发射药挤压破碎导致膛压骤增的情况。

参考文献

[1]王泽山.含能材料概论[M].哈尔滨：哈尔滨工业出版社，2005：135.

[2]萧忠良，王泽山.发射药科学技术总体认识与理解[J].火炸药学报，2004，27（3）：1-6.

[3]苟勇强，罗兴柏，张建礼.发射药安全贮存寿命预测技术[J].四川兵工学报，2009，30（4）：105-107.

[4]芮筱亭，贠来峰，沙南生，等.发射药装药发射安全性评定技术的研究进展[J].兵工学报，2005，26（5）：690-696.

[5]贠来峰.发射装药发射安全性评定方法研究[D].南京：南京理工大学，2008.

[6]芮筱亭，贠来峰，王国平，等.弹药发射安全性导论[M].北京：国防工业出版社，2009：11-12.

[7]衡淑云，韩芳，张林军，等.硝酸酯火药安全贮存寿命的预估方法和结果[J].火炸药学报，2006（4）：71-76.

[8]金志明.枪炮内弹道学[M].北京：北京理工大学出版社，2004：12-13.

[9]李国良，朱国清.火炸药与火工品[M].石家庄：中国人民解放军军械技术学院，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]曹营军，杜仕国，韩其文.火药性能对膛压及初速的影响研究[J].火炸药学报，2002（1）：10-12.

（编辑：刘杨）

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

作者简介：张艳明（1989-），男，河北石家庄市人，硕士研究生，专业方向为弹药技术与保障研究。

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

文献标志码：A

文章编号：1674-5124（2016）01-0138-03