带延迟点火部件的发射药点火性能试验研究

赵宝明，张邹邹，张　衡，靳建伟，赵宏立，郭　丹，魏学涛，辛凯迪

(1.西安近代化学研究所，陕西 西安 710065； 2.中国华阴兵器试验中心，陕西 华阴 714200)



带延迟点火部件的发射药点火性能试验研究

赵宝明1，张邹邹1，张衡1，靳建伟1，赵宏立1，郭丹2，魏学涛1，辛凯迪1

(1.西安近代化学研究所，陕西 西安 710065； 2.中国华阴兵器试验中心，陕西 华阴 714200)

为了更好地研究发射药的点火性能，在基于密闭爆发器原理的点火性能测试装置基础上增加了一个延迟点火部件，构建了一个新型点火性能模拟试验装置，根据该装置建立了简单的火药分层点火过程模型，模拟并对比了高能太根-18/1、双芳-3-18/1及NR11-18/1三种发射药的点火性能。结果表明，NR11-18/1发射药较易点火，双芳-3-18/1发射药最难点火,点火时间分别为19和45ms。增加延迟点火部件后，可将点火药的燃烧和发射药的燃烧阶段有效区分，不仅有利于对比点火性能差异较小的发射药之间的区别，还有助于分析发射药低压段的燃烧速度。随着延迟点火部件长度的增加，点火时间也增长。

发射药；点火性能；点火延迟时间；延迟点火部件；密闭爆发器

引　言

发射药装药能否获得所要求的弹道性能，其点火有着很大影响[1-3]。因此，开展发射药点火性能的研究很有必要。目前，发射药点火性能测试大多基于半密闭爆发器原理进行。在一定容积的燃烧室中，使用点火药剂(如黑火药、奔萘或高能点火药)点燃发射药样品，进行定容燃烧，根据压力传感器监测点火延迟时间、最大压力时间及最大压力等参数，通过对点火药量、点火延迟时间等参数的分析来判断发射药的点火性能优劣。殷雅侠等[4]利用半密闭爆发器研究了一种LOVA发射药的点火性能，并提出了一种预估发射药点火难易的方法。杜成中等[5]在基于半密闭爆发器原理的燃烧装置中考察了NC、NH4CLO4、BP组成的点火药对含RDX的硝铵火药的点火能力。韩博等[6]利用点传火系统模拟试验装置及多点测压技术研究了点传火系统的传火速度,筛选优化合适的点传火结构方案。

基于半密闭爆发器原理的点火性能测试方法虽然也可以测试发射药的点火性能，但由于点火药正对发射药，点火速度较快，p-t曲线上两种火药产生的压力峰混合在一起，即点火药未燃尽时，发射药已进入点火燃烧阶段，该方法点火时间较短，不易对比点火性能差异较小的发射药。此外，由于现有测试装置中点火药剂的点火燃烧过程和发射药的燃烧分解过程基本重合，因此点火初期的压力增长是由点火药剂及发射药两者共同作用的结果，导致无法单纯通过测得的p-t曲线计算被测发射药低压段的燃烧速度等性能。为克服这一缺陷，本研究在点火药剂与发射药之间增加了一个延迟点火部件，使发射药的点火燃烧滞后于点火药燃烧，将点火药的燃烧和发射药的燃烧阶段进行区分,以期为发射药点火性能的研究提供参考。

1　实　验

1.1样品及仪器

硝化棉点火药，含氮量12%，符合GJB3204-1998标准； DAGR125-18/1发射药，配方(质量分数)为：(NC+NG)56.3%、RDX25%、其他18.7%；NR11-18/1发射药，配方(质量分数)为：(NC+NG)62.5%、RDX25%、DIANP及其他12.5%；双芳-3-18/1发射药，配方(质量分数)为：NC56%，NG26.5%，C23%，其他14.5%；高能太根-18/1发射药，配方含部分RDX。以上样品均为西安近代化学研究所提供。

SYC-2000型压电传感器，西安近代化学研究所；3020型数据采集器，采样频率20kHz，DEWETRON公司；CPA223S型电子天平，精确度0.0001g，赛多利斯公司。

1.2试验装置

实验使用的点火性能模拟试验装置为自主设计研发，结构示意图如图1所示，包括燃烧本体、延迟点火部件、点火药、发射药、点火螺堵、泄压螺堵、压力传感器等。燃烧本体内径40mm，外径80mm，长度80mm。延迟点火部件为一圆筒形空腔结构，两端利用两个多孔挡板以螺纹结构进行配合封堵，空腔内装填钢珠以模拟高装填密度装药的微小孔隙。燃烧本体器壁上安装有压力传感器，用于测量燃烧本体内火药燃烧后火药气体的压力。泄压螺堵采用爆破膜泄压的方式，利用金属铜片等可进行100MPa以下装药点火性能模拟试验。

图1　点火性能模拟试验装置结构示意图Fig.1　Schmatic diagram of ignition performance simulation test device structure

1.3试验方法

试验前，将点火药、延迟点火部件及发射药按图1方式进行放置，即延迟点火部件置于点火药和发射药之间，将二者隔开，严格控制三者位置，保证点火距离等条件一致。通过调节延迟点火部件内填充的钢珠数量来控制延迟点火部件长度。试验时利用电点火丝引燃点火药包，通过压力传感器记录发射药点火燃烧过程的p-t曲线。由p-t曲线确定发射药点火过程压力上升到规定压力时的点火时间。利用铜片封堵装置的泄压端口，点火后压力达到一定程度时自行破片泄压。

2　结果与讨论

2.1延迟点火部件对发射药点火过程的影响

对有、无延迟点火部件的两种条件在点火性能模拟试验装置上进行试验,装药条件为：0.3g硝化棉点火药，2.3g双芳-3-18/1发射药，延迟点火部件长度30mm，内腔填满直径8mm钢珠，得到点火过程的p-t曲线如图2所示。

图2　装药点火过程的p-t曲线对比Fig.2　Comparison of the p-t curves of ignition process of charge

由图2可看出，使用延迟点火部件后，点火药的燃烧和发射药的点火阶段被明显区分，整个过程包括点火药的燃烧、点火药燃烧产物对发射装药的加热及装药的着火3个环节。点火药燃烧结束后，发射药才开始燃烧，两者的燃烧基本没有重叠，滤掉了低压段点火药燃烧对发射药燃烧过程的干扰，有利于分析低压段发射药的燃烧速度等性能。对图2两种装药条件得到的曲线计算其dp/dt值，2～7MPa区间，无延迟点火部件条件下，dp/dt平均值为43.3MPa/s；加入延迟点火部件后，2～7MPa区间dp/dt平均值降为33.3MPa/s，说明延迟点火部件的加入使得双芳-3-18/1发射药燃烧过程的压力上升速率降低。延迟点火部件的加入，发射药样品点火时间在0.5～5MPa区间由198ms增加至2727ms，说明延迟点火部件的加入减弱了点火药燃烧释放的热量对发射药表面层热量的供给，降低了发射药的点燃速度。

在延迟点火部件长度分别为0、 10、30、50mm，延迟点火部件内填满直径8mm钢珠，装药为1.1g硝化棉和2.3gDAGR125-18/1发射药的条件下，研究了不同延迟点火部件长度对DAGR125-18/1发射药点火时间的影响规律，结果见图3。

图3　不同延迟点火部件长度条件下DAGR125-18/1发射药点火过程的p-t曲线Fig.3　p-t curves for ignition process of DAGR125-18/1 gun propellant with different lenth of ignition delay device

由图3可看出，随着延迟点火部件长度的增加，点火时间在0.5～10MPa区间延长，发射装药分解燃烧速度降低。首先，主要是由于随着延迟点火部件的延长，点火药燃烧产生的灼热粒子通过延迟点火部件到达发射药表面的数目减少，相应的传导热量减少；其次，点火药气体产物穿过狭窄而弯曲的通道，气体的温度和压力降低，点火药气体以对流方式传递给发射药表面的热量减少；第三，点火药燃烧产生的火焰由于延迟点火部件的阻碍，以热辐射方式供给发射药表面层的热量减少；第四，点火延迟部件中的钢珠对灼热粒子、点火药气体及火焰有吸热作用。因此，使得发射药的点火时间增长，点火速度减慢。该试验结果同时反映出离点火药越近的发射装药优先点燃(延迟点火部件长度越短，点火药离发射药距离越短，其点火时间短，发射药起燃较早)，另外，点火药不仅对临近的发射装药具有点火作用，对远离点火药的深层发射装药也具有点火作用。

2.23种典型发射药点火性能对比及燃烧过程分析

通过设计的点火性能模拟试验装置对高能太根-18/1、双芳-3-18/1及NR11-18/1三种典型发射药进行了点火性能对比，装药条件为：1.1g硝化棉点火药，8g发射药样品，延迟点火部件长50mm，内腔填满直径8mm钢珠。结果表明，NR11-18/1发射药的点火时间(点火过程压力为1～10MPa的间隔时间)最短，仅为19ms，燃速较快，易于被点燃；双芳-3-18/1发射药点火时间为45ms，不易被点燃；高能太根-18/1发射药点火时间为29ms，点火难易性能居中。课题组利用特征点火药量法[7-9]对这3种发射药的点火性能进行了试验验证，结果表明，相同点火条件下，NR11-18/1发射药点燃所需特征点火药量最小，最易点火，而双芳-3-18/1 发射药点燃所需特征点火药量最大，最难点火，与本研究获得的结论一致。由叠氮硝铵、RDX及双芳-3的热分解性能[10]可知，叠氮硝铵和RDX最大放热峰的温度分别为227和237℃，且200～250℃内分解失重总量达99%。而双芳-3-18/1发射药虽然最大放热峰的温度为201℃，但其分解速度缓慢，100～350℃内分解失重总量不到90%。可能正是由于叠氮硝铵和RDX具有较快的分解速度，放热速度较快，加速了NR-11-18/1发射药点火燃烧速度，表现为NR-11-18/1发射药点火时间最短，高能太根-18/1发射药次之，双芳-3-18/1发射药点火时间最长。

某装药条件下双芳-3-18/1发射药的典型p-t曲线如图4所示。

图4　双芳-3-18/1发射药点火过程的p-t曲线Fig.4　p-t curve of SF-3-18/1 propellant obtained from ignition process

由图4可看出，第1个尖峰应属点火药燃烧所产生的压力峰，点火药燃烧结束后，压力逐渐下降，此时点火药应已完全燃尽，双芳-3-18/1 发射药表面层吸收热量，表面逐渐变软。按溶塑火药燃烧物化过程理论解释[11]，此时刻之后，双芳-3-18/1 发射药经历软化、蒸发、分馏等物理变化，并且逐渐发生缓慢的化学反应，首先是硝酸酯的分解反应：

其次，靠近火药表面层发生氧化还原反应：

但由于产生的NO处在较低的温度下，所以反应速度还较慢，产生的气体不足以消除热传导损失造成的压力降，p-t曲线以下降为主。经过十几毫秒的压力下降后，燃烧室压力重新升高，此时开始强烈的氧化还原放热反应:

双芳-3-18/1 发射药开始大幅分解燃烧，生成N2、CO2及H2O，其对压力增长的贡献占主导地位，最终压力到达泄压膜片极限压力，燃烧本体内气体经破片泄压。

2.3火药分层点火过程模型

加热层点火理论[11]认为，要使火药装药点燃并持续燃烧下去，不但要使火药表面达到着火温度，而且要建立起适当厚度的加热层，其本质是强迫点火理论中[1]最小热量的含义，即点火药单位时间传递的热量低于该最小热量值时，即使火药表面温度达到着火温度，火药在着火后还有可能终止。将本装置延迟点火部件及发射装药假设为厚度相同的一层一层均质火药，如图5所示。

图5　火药分层点火过程示意图Fig.5　Schematic diagram of stratified ignition process for propellant

图中1、2、3表示厚度相同的第1层、第2层及第3层火药。当第1层火药受到点火药能量流作用，表面温度达到着火温度，且加热层吸收的热量大于稳定燃烧所需的最低热量Qm时，则第1层火药可持续稳定燃烧。当第1层为不可燃惰性物质时(如本装置所采用的钢珠)，第2层的火药要实现稳定燃烧，同样需满足两个条件：着火温度和最低热量Qm。由于第1层物质的阻挡，第2层火药表面温度的增长及热量的吸收变得不易。

根据强迫点火理论，要使火药点燃，火药加热层吸收的热量必须大于某一个最低热量Qm。若tm为点火药将此热量传给火药表面所需的时间，则可得

(1)

式中：S0为火药受热面积；pd为点火药气体压力；α为总传热系数，是与点火药气体性质、火药初温、点火过程、点火温度、点火结构和装药结构有关的一个量。

若qm表示单位面积火药加热层稳定燃烧所吸收的最低热量，则可得

qm=Qm/S0

(2)

由式(1)和式(2)可得

(3)

当延迟点火部件长度延长时，由于点火药能量流传给火药加热层总传热系数α降低，点火时间tm必须有所延长，以补偿最低热量qm的大小，表现为点火时间增长，发射装药分解燃烧速度降低。

3　结　论

(1)实验设计的点火性能模拟试验装置是一套完整的模拟试验系统，可用于研究不同发射药的点火性能，亦可用于将点火药的燃烧和发射药的点火阶段进行区分，为发射药点传火设计及模拟计算工作提供了一种新的研究手段。

(2)高能太根-18/1、双芳-3-18/1及NR11-18/1 三种发射药的点火性能测试对比结果表明，NR11-18/1发射药点火时间最短，最易被点燃，双芳-3-18/1发射药最难被点燃，高能太根-18/1发射药居中。

(3)通过不同延迟点火部件长度的点火性能试验，建立了简单的点火过程模型，该模型表明，延迟点火部件长度增加，点火时间将延长，与试验结果吻合。

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Experement Research for the Ignition Performance of Gun Propellant with Ignition Delay Device

ZHAO Bao-ming1, ZHANG Zou-zou1, ZHANG Heng1, JIN Jian-wei1, ZHAO Hong-li1, GUO Dan2,WEI Xue-tao1, XIN Kai-di1

(1.Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China；2.China Huayin Ordnance Test Center, Huayin Shaanxi 714200,China)

In order to better research the ignition performance of gun propellant, an ignition delay device was added on the basis of ignition performance testing device of the closed bomb principle,and a new testing device for simulating ignition performance was constructed. Based on the device, a simple stratified model of ignition process was established. The ignition performances for three kinds of gun propellants ZT-18/1,SF-3-18/1 and NR11-18/1 were simulated and compared by the new test device. The results show that NR11-18/1 gun propellant is easy to ignition, and SF-3-18/1 gun propellant is the most difficult to ignition. The ignition delay time is 19ms for NR11-18/1 gun propellant and 45ms for NR11-18/1 gun propellant.The addtion of the ignition delay device can effectively separate combustion of the ignition powder and combustion stage of the gun propellant, and it is not only conducive to contrast the difference between the gun propellants with small differences in the ignition performance, but also help to analyze the burning rate at low pressure. The ignition delay time increases with increasing the length of ignition delay device.

gun propellant; ignition performance; ignition delay time; ignition delay device;closed bomb

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.04.020

2015-12-30；

2016-02-04

国家安全重大基础研究项目(613226)

赵宝明(1978-)，男，副研究员，从事发射药点传火性能研究。E-mail:baomingzhao@126.com

TJ55;O643.2

A

1007-7812(2016)04-0102-05