冷壁效应作用下双基药的燃烧特征

郑文芳，郝海霞，蔺向阳，潘仁明，高 伟，王成爱

(1.南京理工大学化工学院，江苏 南京 210094；2.西安近代化学研究所燃烧与爆炸技术重点实验室，陕西 西安 710065)



冷壁效应作用下双基药的燃烧特征

郑文芳1，郝海霞2，蔺向阳1，潘仁明1，高 伟1，王成爱1

(1.南京理工大学化工学院，江苏 南京 210094；2.西安近代化学研究所燃烧与爆炸技术重点实验室，陕西 西安 710065)

为研究冷壁效应作用下火药燃烧过程及其影响规律，采用常压燃烧实验和定容燃烧实验研究了双基药在壁面基体材料冷壁作用下的燃烧特性。结果表明，常压与定容燃烧条件下冷壁效应作用都会使双基药的燃烧变得不稳定，燃烧速率明显变慢，并在一定条件下燃烧熄灭并形成残药；随着基体材料热传导率的提高，冷壁效应作用效果逐渐增强，导致双基药燃烧时间延长，燃烧最大压力和燃烧速率都逐渐降低。

含能材料；双基药；燃烧；冷壁效应；热传导率

引 言

火药在固体火箭发动机燃烧室、身管兵器内膛等空间燃烧时，其高燃温与壁面温差较大，通常燃烧空间的壁面材料与火药相比为惰性材料，以抑制并约束火药燃烧，使壁面成为“冷壁”，吸收火药燃烧释放的热量，当吸热强度足够高时，将影响火药燃烧，形成与壁面性质直接相关的不稳定燃烧状态，即为冷壁效应下的火药燃烧。冷壁效应在小/微推进器和身管武器中的作用尤其明显。Evgenii B. R.等[1-2]认为火药在微型推进器中燃烧，因壁面的吸热作用会使火药燃烧不稳定，易造成推进器的弹道性能不稳定。

针对冷壁效应作用下的火药燃烧，早期Rybanin S. S.等[3-4]以大体积的金属材料(主要为铜、铁等)为基体，将火药药片紧贴于基体光滑面上，使火药的燃烧在距离基体一定距离时熄灭，形成终止燃烧面，以用于研究其燃烧机理。Marshakov V. N.等[5]选择更多种类的金属材料、树脂及玻璃等作为基体材料开展研究；赵凤起等[6-8]也采用类似的研究方法，用金属铜作基体材料来获取GAP/AN、NC/TMETN、RDX-CMDB等推进剂熄火表面进行研究。这些研究利用大体积壁面材料的冷壁效应作用于火药燃烧过程，使燃烧终止，获取终止燃烧面以分析火药表面燃烧区物理、化学参数信息，其主要目的是利用冷壁效应作用下的火药燃烧终止这一实验结果，而针对冷壁效应作用下的火药燃烧过程及相关机理的研究则开展较少。为此，本研究以NC+NG体系双基药为对象，采用常压燃烧实验及定容燃烧实验，研究壁面冷壁效应作用下火药燃烧特征及变化规律。

1 实 验

1.1 材料与仪器

NC+NG双基药，自制；丙酮、无水乙醚，AR，上海凌峰化学试剂有限公司；无水酒精，AR，国药集团化学试剂有限公司；其他材料主要包括铜、铝、玄武岩等材料制成的圆柱体基体或半圆柱基体等。

体积100mL的密闭爆发器及相应的压力测试系统，自制；Nicolet IS-10型傅里叶变换红外光谱仪，美国赛默飞世尔公司；JVC GC-P100型数码摄像机，杰伟世贸易(上海)有限公司。

1.2 燃烧实验样品制备

取一定量的NC+NG双基药，经压延塑化制成厚度约0.35mm的片状药，并切成宽8.0mm的药条和直径24.9mm的圆形药片。然后将药片表面用丙酮润湿软化后采用4种装药方式：(1)药条垂直粘贴于圆柱体基体上端表面，如图1(a)所示；(2)药条置于两半圆柱铜基体间中心处并夹紧，如图1(b)所示；(3)药条垂直粘贴于半圆柱体侧面，如图1(c)所示；(4)药片平行粘贴于圆柱体基体上端表面，如图1(d)所示；并采用聚乙烯醇包覆药片侧面，备用。此外按照图1(d)所示结构准备圆形药片并将其侧面及底部包覆，作为定容燃烧的空白样品进行对比研究。

图1 燃烧实验样品结构Fig.1 Sample structure for combustion test

1.3 常压燃烧实验

选择铜作为基体材料，将图1(a)、(b)、(c)等3种装药从药片上端点燃，利用数码摄像机摄像，记录样品的燃烧过程。

1.4 定容燃烧试验

分别采用铜、铝、玄武岩材质作为基体材料并以图1(d)装药为基础的样品装药。以0.5g的3号硝化棉作为点火药，按照GJB 770B-2005密闭爆发器实验方法进行试验。

2 结果与讨论

2.1 冷壁效应作用下双基药的常压燃烧特征

首先按照图1(a)装药样品进行燃烧实验，样品从药条上端点火后燃烧至铜柱基体上端表面熄灭，整个过程与未采用铜柱基体的样品燃烧特征基本一致，不同之处在于在铜柱端面会有燃烧残留物，如图2所示。这主要是因为壁面置于药条底端，虽然铜柱端面有燃烧残留物形成是冷壁效应作用结果的体现，但双基药燃烧过程中并未受到冷壁作用影响，冷壁效应仅体现在燃烧结束时。为进一步分析冷壁效应作用下双基药燃烧过程的变化规律，分别采用夹层壁面和侧壁面作用下的样品进行燃烧实验。

图2 垂直粘贴基体上端面装药样品的燃烧残留物Fig.2 Combustion residue of charge sample with vertical bottom wall

2.1.1 夹层壁面作用下的燃烧特征

按图1(b)装药样品进行常压燃烧实验，可得到如图3所示的燃烧过程图。从燃烧过程可以观察到，双基药燃烧未达到基体上端面之前，燃烧稳定，火焰面积大且光强，如图3(a)所示；当双基药燃烧至铜基体上端面处，火焰变得不稳定并开始减弱，如图3(b)所示；随着燃烧的继续，火焰逐渐减弱直至熄灭，如图3(c)、(d)、(e)所示，同时装药未燃烧完全，留有残药。整个燃烧过程持续26s，未采用夹层壁面时的空白药燃烧时间为13s。这说明夹层壁面的冷壁效应作用会引起双基药燃烧不稳定，燃烧速率变慢甚至熄灭。

图3 铜壁面夹层装药燃烧过程Fig.3 Combustion process of charge with copper wall interlayer

2.1.1 侧壁面作用下的燃烧特征

按图1(c)装药样品进行常压燃烧试验，燃烧过程如图4所示。

图4 侧面铜壁面材料装药燃烧过程Fig.4 Combustion process of charge with side copper wall

由图4并结合实验过程发现，双基药燃烧未接触到铜基体之前燃烧平稳，其燃烧端面水平，如图4(a)所示；但当燃烧至基体端面时，靠近基体端面的药体燃烧逐渐变缓，使燃烧端面开始与侧壁面形成一定角度，如图4(b)所示，然后随着燃烧的进行，夹角不断变小至约30° 后基本稳定不变，如图4(c)所示；药条将燃完时，角度开始急剧变小，如图4(d)所示，直至熄灭，并产生一层燃烧残留物。从该结果可以看出，侧壁面冷壁效应作用下也会引起双基药的燃烧不稳定。同时燃烧端面与壁面间出现的角度则是壁面冷壁效应作用的直接体现，距离壁面越近，冷壁效应加强，燃烧速率变慢，使得距离壁面越近的燃烧端面燃烧速度减慢，并随着燃烧的进行这种减慢趋势逐渐稳定从而形成夹角。

2.2 冷壁效应作用下双基药的定容燃烧特征

以材料热传导率为依据，分别选用铜、铝、玄武岩3种材料作为冷壁基体材料制备样品进行密闭爆发器实验，得到燃烧的p-t曲线如图5所示，同时各样品燃烧时间以及3种基体材料热传导率数据如表1所示。

由图5可以看出，与空白样品相比，由于壁面材料的存在，3种样品燃烧产生的p-t曲线上升趋势明显变缓，并且按照玄武岩、铝、铜的顺序逐渐变缓。结合表1可知，燃烧时间由空白样品的69.32ms逐渐增加至铜基体时的157.05ms，燃烧最大压力也由空白样品的26.98MPa逐渐降低至铜基体时的21.72MPa。这说明随着壁面材料热传导系数的增加，双基药燃烧受冷壁效应的影响越明显。

图5 冷壁效应下双基药定容燃烧的p-t曲线Fig.5 Pressure-time curves of propellant with constant volume combustion

壁面材料λ/(W·m-1·K-1)t/mspmax/MPa空白样品69．3226．98玄武岩2．70111．1623．74铝227．95123．3121．98铜383．79157．0521．72

根据图5所示p-t曲线经理论转换可以得到样品燃烧过程的燃烧速率随时间的变化规律，如图6所示。

图6 冷壁效应下双基药定容燃烧速率变化曲线Fig.6 Curves of change in constant volume burning-rate of double-base propellant under the cold wall effect

由图6可以看出，3种样品的燃烧速率都低于空白样品，这说明样品从燃烧起始阶段就受到基体壁面冷壁效应的影响。同时，铜基体样品的燃烧速率下降幅度最大，其次是铝基体样品，玄武岩基体样品降幅最小。结合表1可发现，随着基体材料热传导率的逐渐降低，样品的燃烧速率降幅逐渐减小。此外，在燃烧后期燃烧速率曲线出现交叉，这主要是由于燃烧开始时样品燃烧速率不同使得样品进入燃烧末期的时间不同造成的。

2.3 冷壁效应作用下双基药燃烧特征形成原因分析

根据上述常压燃烧和定容燃烧研究结果可以看出，冷壁效应作用下双基药燃烧变得不稳定，燃烧速率会有明显的下降，并且随着冷壁基体材料热传导速率的增加而表现得更加明显。

根据火药燃烧的加热层理论，火药燃烧时，当凝聚相反应热效应强度、火焰区对燃面的传热强度以及环境与燃面的热交换强度叠加后还不足以达到维持稳定燃烧所需的临界热效应强度时，将无法建立稳定的加热层，火药的燃烧强度减弱，甚至熄灭[9-12]。即壁面的吸热将直接作用于火药稳定燃烧状态的维持，使火药燃烧反应释放的热量损失影响稳定加热层的建立，从而导致火药燃烧变得不稳定。而壁面的吸热作用与壁面材料的热传导率直接相关，热传导率越大越容易将火药燃烧经热传导至药体以建立加热层的热量导走，从而火药燃烧也就更难稳定，当基体热容量足够大时，加热层将无法建立，燃烧将熄灭而残留剩药。这与夹层壁面样品的常压燃烧实验所观察到的结果相一致。

同时收集常压燃烧和定容燃烧的基体壁面残留的丙酮提取物进行红外光谱分析，结果如图7所示。

由图7可见，燃烧残渣的FTIR光谱与双基药样品的主要特征吸收峰没有明显改变，说明残留物中存有部分残药，该结果与前述推断结果基本一致。

因此，对火药燃烧而言，尤其是在小/微推进器或身管武器体系中，燃烧室本体与火药装药或发射药粒相比体积巨大，相应的热吸收能力强，使冷壁效应作用更加明显，从而火药燃烧也就更难稳定，可造成推进器的弹道性能不稳定并引起发射装药燃烧不完全。

3 结 论

(1)冷壁效应作用下双基药燃烧变得不稳定，燃烧速率会明显降低，当壁面冷壁效应作用足够强时，双基药的燃烧会熄灭从而形成残药。

(2)基体材料的热传导率是决定冷壁效应强弱的关键因素，提高热传导率会增强对双基药的冷壁效应作用，加剧双基药燃烧速率的降低。

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Combustion Characteristics of Double-base Propellant under the Action of Cold Wall Effects

ZHENG Wen-fang1,HAO Hai-xia2,LIN Xiang-yang1,PAN Ren-ming1,GAO Wei1,WANG Cheng-ai1

(1.School of Chemical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China;2.Science and Technology on Combustion and Explosion Laboratory,Xi′an Modern Chemistry Research Institute,Xi′an 710065，China)

To investigate the combustion process and its influence rule under the action of cold wall effect of gunpowder, the combustion characteristics of double-base propellant under the cold wall action of wall matrix materials were studied by normal pressure combustion experiment and constant-volume combustion experiment. The results show that the cold wall effect under the conditions of normal pressure and constant volume combustion makes the combustion of double-base propellant become unstable, the burning rate declines obviously, and the combustion under certain conditions is extinguished with residue. With increasing the thermal conductivity of matrix material, the action of the cold wall effect gradually enhances, making the combustion time of double-base propellant lengthen, maximum combustion pressure and combustion rate gradually decrease.

energetic materials; double-base propellant; combustion; cold wall effect; thermal conductivity

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.05.019

2016-08-07;

2016-08-31

国家自然科学基金资助(No.51306093，21473130)；国防科技重点实验室基金资助(9140C350309150C35160)

郑文芳(1979-)，男，博士，讲师，从事含能材料燃烧及其应用研究。E-mail:zwf198181@163.com

TJ55;O643.2

A

1007-7812(2016)05-0115-04