DAGQ发射药膛内静态和动态燃烧性能

闫光虎，赵煜华，张玉成，刘 毅，崔鹏腾，梁 磊，李 强，肖 霞

(西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)

DAGQ发射药膛内静态和动态燃烧性能

闫光虎，赵煜华，张玉成，刘 毅，崔鹏腾，梁 磊，李 强，肖 霞

(西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)

为了研究DAGQ发射药在膛内的燃烧性能，以经典内弹道理论为基础，建立了发射药膛内燃烧测试系统和处理方法，通过密闭爆发器燃烧试验和微波干涉法发射药膛内动态燃烧性能试验，研究了DAGQ发射药的静动态燃烧规律及不同温度下的动态燃烧特性。结果表明，所建立的试验系统和处理方法，能够很好地获得弹丸在膛内的运动过程。DAGQ发射药的静动态燃速都存在转折现象，静态燃速在转折点前压力指数大于1，转折点后压力指数都远小于1，动态燃速压力指数基本都小于1。在膛内燃烧过程中，由于高速气流对发射药的燃面冲刷，使得膛内的动态燃速要大于密闭爆发器内的静态燃速，并且随着膛内压力的增大，燃速相差越来越大。

密闭爆发器；微波干涉仪；DAGQ发射药；动态燃速；燃烧性能

引 言

获得高能量的发射药是身管武器发展的重要方向和基本要求，在配方中添加高含能材料是提高发射药能量的主要技术途径。叠氮化合物、多氮化合物及全氮型超高能化合物是含能材料发展的方向之一[1-3]，其中叠氮硝胺(DIANP)不仅具有优异的增塑性能，还具有高能、高燃速、燃气相对分子质量小、产气量大等优点，已应用于高能量发射药中。目前针对叠氮硝胺的优良性能，国内外开展了广泛的研究[4-5]。杨建兴等[6-7]通过对叠氮硝胺发射药静态燃烧性能的研究发现，RDX的引入可降低叠氮硝胺发射药的起始燃速及起始燃气生成猛度，提高其燃烧渐增性；此外含叠氮硝胺的DAGR125发射药具有低压下起始燃烧缓慢，随着压力的升高呈渐增性燃烧的特性。但由于密闭爆发器与火炮膛内的装填条件和燃烧环境存在差异，测试结果与膛内的实际情况也存在不同，尤其是随着各种新型发射药的出现，燃烧过程变得更加复杂，难以准确预测发射药膛内动态燃烧规律[8-10]。

本研究将硝基胍发射药中加入叠氮硝胺，用于替换部分硝化甘油，制成含叠氮的DAGQ发射药，通过密闭爆发器燃烧试验和微波干涉法发射药膛内动态燃烧性能试验，研究了DAGQ发射药的静动态燃烧规律及不同温度下的动态燃烧特性，以期为完善现有发射药的性能、拓展其应用提供技术支撑。

1 实 验

1.1 样品与仪器

DAGQ发射药，半溶剂法制造，其配方(质量分数)为：(NC+NGu+NG+DIANP+RDX)95%，其他5%。

6213B型压力传感器，瑞士奇石乐仪器公司；DEWE-2010型数据采集仪，奥地利德维创公司；IM-W95型微波干涉仪，中北大学，波长为3mm，频率为95GHz。

1.2 测试系统

弹丸在膛内运动过程中，微波干涉仪持续进行微波信号的发射与接收。发射出的信号经过反射靶板反射进身管；当弹丸前端面接触微波信号后，又将其反射至靶板，继而由靶板再次反射给干涉仪；干涉仪将接收到的微波通过混频滤波后，即可得到含有弹丸运动信息的多普勒信号，通过多普勒原理得到弹丸在膛内运动的速度—时间(v-t)曲线和弹丸行程—时间(l-t)曲线。弹丸膛内运动速度微波干涉仪测试系统示意图如图1所示。

图1 弹丸膛内运动速度微波干涉仪测试系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the test system for the projectile velocity in gun chamber with microwave interferometer

1.3 密闭爆发器试验

依据GJB770B-2005火药密闭爆发器试验法，对DAGQ发射药进行了静态燃烧规律试验，密闭爆发器容积为100mL，装填密度为0.34g/mL，点火药包为1.1g硝化棉，点火压力为10MPa。发射药弧厚0.48mm，孔径0.3mm，长度3.6mm。

1.4 膛内燃烧试验

在30mm高压滑膛炮上进行了发射药膛内燃烧试验，装药采用中心传火管结构，2号小粒黑作为传火药，用DD2电底火进行点火。膛底、坡膛、炮口处采用压电传感器测量压力变化，使用微波干涉测试系统测量弹丸在膛内的运动过程。30mm高压滑膛炮的装填参数为：药室容积335mL，截面积7.07cm2，弹丸行程1660mm，弹丸质量0.2kg。

1.5 基本原理

发射药在火炮膛内的燃烧过程是一个非常复杂的随机过程，目前尚无法从微观上进行定量研究，因此首先需要从宏观上作一些必要的假设[11-12]：

(1)发射药在膛内燃烧过程服从平行层几何燃烧规律；

(2)火炮膛内气体压力分布服从拉格朗日假设；

(3)发射药能量转换及弹丸运动过程按经典内弹道过程进行处理。

发射药在火炮膛内的燃速方程可以根据能量守恒方程进行推导：

Sp((l0-Δ(1-Ψ)/ρ-αΔΨ)+l)=

fωΨ-(γ-1)φm1v2/2

(1)

式中：S为炮膛的横断面积；l0为药室缩径长；α为火药余容；l为弹丸行程；f为火药力；ρ为发射药密度；Δ为装填密度；Ψ为火药已燃百分数；p为平均压力；γ为绝热指数；φ为平均压力对应的次要功系数；m1为弹丸质量；v为弹丸速度。

由式(1)对Ψ进行求解，可得任一时刻的Ψ：

(2)

根据拉格朗日假设[9]得出：

(3)

(4)

式中：pt为膛底压力；m2为装药质量；φ1为与火炮口径类型相关的次要功计算系数(30mm口径根据经验值一般取1.05)。根据实验数据及相关参数，可以求得任一时刻已燃百分数Ψ。为保证求解的准确性，取发射药在分裂前的燃烧过程，即：

Ψ=xZ(1+λZ+μZ2) 0≤Z≤1

(5)

根据发射药的燃烧规律得[10]：

(6)

通过式(6)可求出发射药在膛内的燃速系数u1及压力指数n。

2 结果与讨论

2.1 静态燃烧规律

密闭爆发器所测p-t曲线和计算所得u-p曲线如图2所示。

图2 DAGQ发射药静态燃烧p-t曲线和u-p曲线Fig.2 The p-t and u-p curves for static combustion of DAGQ gun propellant

由图2(a)和图2(b)可知，DAGQ发射药静态燃烧压力曲线光滑，燃烧稳定，燃速压力指数出现转折现象，以指数形式对曲线进行分段拟合，结果如表1所示。

表1 DAGQ发射药在常温(20℃)的静态燃速拟合结果

Table 1 The fitting results of static burning rate at normal temperature (20℃)

p/MPanu1/(cm·MPa-n·s-1)R10～601．07200．05480．99460～3000．77120．16920．99710～3000．76690．17310．997

由表1可以看出，DAGQ发射药燃速在转折前(小于60MPa压力段)压强指数为1.072，转折后(大于60MPa后)压强指数为0.771，远小于1，拟合度均大于0.99，说明DAGQ发射药能够较好地符合指数式燃烧规律，与已有硝胺类发射药燃烧规律结果基本一致。

2.2 膛内燃烧规律

DAGQ发射药内弹道试验结果如表2所示。

表2 DAGQ发射药内弹道试验结果

Table 2 Results of the interior ballistic test for DAGQ gun propellant

序号m2/kgpt/MPav/(m·s-1)t/℃10．2031112372020．2033012725030．202811172-40

注：m2为装药质量；pt为压力传感器测得膛底处的最大膛压；v为微波干涉仪所测弹丸炮口速度。

对DAGQ发射药不同温度内弹道试验结果进行分析，所得膛内燃烧特征曲线如图3和图4所示。

图3 膛内燃烧pt-t曲线和弹丸v-t曲线Fig.3 The pt-t curves in bore and the v-t curves of the projectile

图4 膛内弹丸l-t曲线Fig.4 The l-t curves of projectile in bore

从图3可以看出，由微波干涉仪测得的弹丸出炮口时刻与炮口信号传感器获得的出炮口时刻tg一致，图4中微波干涉仪测得的不同温度下弹丸膛内最大行程分别为1658、1654和1655mm，与火炮行程一致，因此，试验所得pt-t、v-t和l-t曲线能够反映发射药在膛内燃烧和弹丸的运动过程。

利用数据采集仪、压力传感器及微波干涉仪测试系统测出膛内的压力—时间(p-t)、弹丸运动速度—时间(v-t)及弹丸行程—时间(l-t)曲线，则在膛内燃烧过程中任一时刻t，压力p(t)、弹丸运动速度v(t)及行程l(t)都为已知量，计算得到发射药在膛内燃烧时的u-p曲线，图5所示为静态燃烧和膛内燃烧两种情况下获得的u-p曲线对照，两种情况下燃速拟合结果见表3，图6为不同温度下的DAGQ发射药膛内燃烧u-p曲线，动态燃速拟合结果见表4。

图5 静态燃烧和动态燃烧u-p曲线Fig.5 The u-p curves for static and dynamic combustion

燃烧状态p/MPanu1/(cm·MPa-n·s-1)R静态燃烧10～601．07200．05480．994静态燃烧60～3000．77120．16920．997静态燃烧10～3000．76690．17310．997动态燃烧30～800．99560．07530．993动态燃烧80～3000．78570．18750．996动态燃烧30～3000．79160．18170．996

图6 不同温度下的DAGQ发射药膛内燃烧u-p曲线Fig.6 The u-p curves of combustion in gun chamber of DAGQ gun propellant at different temperatures

由图5和表3可知，由于组分中硝化棉、硝化甘油与黑索金在热分解特性上的差异，导致DAGQ发射药在静态和膛内动态燃烧情况下获得的燃速都存在转折现象[13]，由于在动态情况下发射药装填密度远大于静态情况下，点火的不一致性(发射药不能瞬时和全面的点燃)会更严重，所以转折点后移；在整个压力段，动态燃速要大于静态燃速，在小于50MPa下两者燃速相差较小，但随着压力的增大，两者的燃速差值也越来越大，在300MPa处，两者燃速相差3.2cm/s。这是因为，在膛内燃烧起始段，弹丸刚开始起动，速度较慢，燃烧环境和密闭爆发器试验基本一致，所以在小于50MPa压力下，两者获得的燃速相差较小，但随着压力的增大，弹丸速度加快，燃烧室内的气流运动速度也随之变快，气流对发射药表面有一定的冲刷作用，导致燃速变大。

由图6可知，不同温度下DAGQ发射药在膛内燃烧时同样出现了转折现象，并且与通常的密闭爆发器试验结果不同，在压力大于125MPa后，低温下DAGQ发射药的燃速高于常温时的燃速。这可能是因为，在同一压力下，低温时的气流速度要远大于常温(低温583m/s，常温370m/s，气流速度增大了57%)，速度越高，气流对药粒表面的冲刷就越大，使得发射药的燃速变大，此时气流与发射药的流固耦合作用对燃速的影响大于发射药初温对燃速的影响，所以，同一压力下低温的动态燃速要大于常温时的动态燃速。而同一压力下常温和高温的气流速度相差很小(常温370m/s，高温347m/s，高温气流速度只减小了6%)，所以两种温度下流固耦合作用对燃速的影响较小，两者燃速的不同主要是由于初始药温的不同所致，因此，低温燃速在某一时刻大于常温燃速，而常温燃速却始终小于高温燃速。

表4 不同温度下DAGQ发射药动态燃速拟合结果

Table 4 The fitting results of dynamic burning rate of DAGQ gun propellant

t/℃p/MPanu1/(cm·MPa-n·s-1)R200～800．99560．07530．9932080～3000．78570．18740．996500～800．96300．09790．9975080～3000．84380．14950．994-400～700．98420．05900．993-4070～2700．82530．15460．998

由表4可以看出，DAGQ发射药在不同温度下动态燃速压力指数都小于1，拟合度均大于0.990。说明DAGQ发射药膛内燃烧时均能够非常好地符合指数式燃烧规律，且具有很好的燃烧性能。

3 结 论

(1)建立了微波干涉仪测量膛内弹丸运行速度测试系统及处理方法，试验所得膛内弹丸运动的v-t和l-t曲线真实可靠。

(2)发射药在膛内燃烧时由于气流的高速运动，使得发射装药膛内燃烧流固耦合作用更加明显，改变了发射药的燃速，所以动态燃速明显大于静态燃速，且气流速度越大，燃速相差越大。

(3)DAGQ发射药由于自身组分热分解特性不同的原因，静动态燃烧都存在压力指数转折现象，静态燃烧在转折前压力指数大于1，在转折后压力指数都小于1，而动态燃烧的压力指数都小于1。

(4)DAGQ在不同温度下均具有很好的动态燃烧性能，是一种具有良好应用前景的发射药。

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Static and Dynamic Combustion Performance in Bore of DAGQ Gun Propellant

YAN Guang-hu, ZHAO Yu-hua, ZHANG Yu-cheng, LIU Yi, CUI Peng-teng, LIANG Lei, LI Qiang,XIAO Xia

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China)

To research the combustion performance of DAGQ gun propellant in the gun chamber，based on the classical interior ballistic theory, the testing system and processing method of gun propellant combustion in the gun chamber were established. The static and dynamic combustion rules and dynamic combustion performance under different temperature of DAGQ gun propellant were researched by the closed bomb combustion test and dynamic combustion performance test in chamber of gun propellants with the microwave interference method. The results show that the testing system and processing method established can well obtain the moving process of projectile in the chamber. The static and dynamic burning rate of DAGQ gun propellant have turning phenomenon. Before the turning point, the pressure exponent of static burning rate is bigger than 1, which is less than 1 after the turning point. The pressure exponent of dynamic burning rate is less than 1. In the combustion process in the chamber,the dynamic burning rate in the gun chamber is bigger than the static burning rate in closed bomb because of the effect of burning gas flow with high velocity upon the burning surface of the gun propellant, and with increasing the pressure in the gun chamber, the difference of burning rate is more and more big.

closed bomb； microwave interferometer；DAGQ gun propellant；dynamic burning rate；combustion performance

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.06.018

2015-11-13；

2016-07-04

闫光虎(1983- )，男，工程师，从事发射药装药及内弹道性能研究。E-mail:76958545@qq.com

TJ55;TQ562

A

1007-7812(2016)06-0098-05