低温撞击破碎高能发射药结构特征与高压燃烧性能研究
2017-02-28石先锐贾永杰焦旭英许灿啟
石先锐,贾永杰,胡 睿,徐 敏,焦旭英,许灿啟
(西安近代化学研究所,陕西 西安 710065)
低温撞击破碎高能发射药结构特征与高压燃烧性能研究
石先锐,贾永杰,胡 睿,徐 敏,焦旭英,许灿啟
(西安近代化学研究所,陕西 西安 710065)
在-40℃下,通过落锤撞击制备了不同破碎程度的DAGR125和NR11发射药,利用染料吸附量表征了发射药的破碎程度,结合密闭高压爆发器实验,分析了破碎发射药结构特征与高压燃烧特征的关系。结果表明,随着小颗粒破碎发射药的增加,动态活度变化率在燃烧初始阶段发生转折。当破碎程度较小时,初始动态活度、染料吸附量均可衡量发射药初始燃面和破碎程度;当破碎程度较大时,利用传统方法获取的初始动态活度明显小于实际值,不适合用来表征初始燃面,而染料吸附量法更为准确。初始动态活度变化规律显示,当落锤高度大于60cm时,发射药药粒的破碎程度快速增加;动态活度变化规律显示,落锤高度分别大于23.0cm和23.1cm时,DAGR125和NR11破碎发射药整体燃烧过程由增面性转变为减面性。
发射药;低温;落锤;撞击破碎;初始动态活度;密闭高压爆发器
引 言
现代高性能火炮对初速、膛压、装填密度等方面的要求不断提高,使得火炮膛内燃烧和力学环境越来越恶劣,发射安全性问题也越来越受到重视。研究表明,相应装药结构下的发射装药破碎是导致膛内超高压和膛炸等安全性事故的根本原因,而发射装药膛内破碎是药粒的低温脆性和弹底发射装药着火前受到挤压作用的共同结果[1-3]。因此,深入研究发射药破碎燃烧特征及规律对提高发射药的发射安全性具有重要意义。Cavaletti等[4]利用空气炮制备了不同程度的破碎发射药,并进行密闭爆发器试验,提出用最大相对活度来描述发射药的破碎程度。陈涛等[5]利用动态活度和动态活度比概念,综合反映了破碎发射药的燃气生成规律以及燃速性能,并能间接反映破碎发射药初始燃面的变化。牟来峰[6]通过完整药粒的初始动态活度与初始燃面的关系来推测破碎发射药初始动态活度与表面积的关系,并指出两者呈正比关系。冯宾宾等[7]用起始动态活度比定量描述了不同试验条件下发射药的破碎程度,建立了最大挤压应力与装药破碎程度之间的定量关系。周敬等[8]通过初始动态活度反映发射药的破碎度,并提出了配方和工艺优化条件,提高了RDX基高能发射药的抗撞击损伤性能。
高能发射药多为异质结构,力学性能随着高能填料含量和发射药能量的提高而不断恶化[9],在高膛压火炮中易存在高压和低温撞击破碎等隐患。为了提高高能发射药在高膛压火炮中的发射安全性,需要深入探索破碎高能发射药的结构和高压燃烧特征。本研究以RDX基高能发射药为对象,采用高压密闭爆发器研究了不同破碎程度发射药的高压燃烧性能,通过染料吸附法研究了破碎发射药相对表面积的变化,结合撞击能量的变化,探索了破碎高能发射药结构特征及高压燃烧特征。
1 实 验
1.1 材料与仪器
硝化棉(NC),四川泸州化工厂,含氮量12.6%;黑索金(RDX),兰州白银银光化学材料厂,粒径30~50μm;硝化甘油(NG)、1,5-二叠氮基-3-硝基氮杂戊烷(DA),西安近代化学研究所;次甲基蓝,上海科敏生物科技有限公司;蒸馏水。
高压密闭爆发器,西安近代化学研究所;BCJ型落锤撞击装置,天津市建仪实验机有限公司,标尺量程0~100cm;低温试验箱,泰安科技有限责任公司;紫外分光光度计,上海谱元仪器有限公司。
1.2 样品制备
采用常规半溶剂法,通过吸收、压延、胶化、压伸、切药等工序,制备19孔DAGR125、NR11发射药药粒,弧厚约1.9mm、长度约16mm。混合溶剂中醇酮质量比为1∶1,溶剂用量为药片质量的20%。
将样品在-40℃恒温箱中保温2h,然后用落锤实验装置撞击药粒获得脆性破碎发射药碎块。药粒竖直放置,锤重2kg,落高分别为10、40、90cm,破碎发射药分别标记为DAGR125-1、DAGR125-2、DAGR125-3及NR11-1、NR11-2、NR11-3,原始药柱分别标记为DAGR125-0和NR11-0。撞击能Ed定义为:
(1)
式中:m为落锤质量;h为落锤高度;S为药柱端面面积;g为重力加速度。
1.3 表面积测试
取相同质量的发射药药粒及碎块,浸泡在相同体积及浓度的次甲基蓝水溶液中,在溶液浓度、温度、时间、配方等参数一致的条件下,测试染料吸收量,推算表面积相对值:
(2)
式中:V为次甲基蓝溶液的总体积;C0为原始溶液浓度;Ci为吸收后溶液浓度;m为加入药粒的质量;S/k为单位质量药粒染料吸附量。C0、Ci均通过紫外吸光光度法测得。以原始药柱(S/k)0值为参考,测试破碎发射药(S/k)i值,计算染料吸收量的相对值β,表示破碎后药粒表面积变化情况:
(3)
1.4 高压密闭爆发器实验
原始及破碎发射药药粒的装填密度均设为0.32g/cm3,装药量为34.32g;点火药为2号硝化棉;压力为10MPa;实验温度为20℃。采用高压密闭爆发器测得p-t曲线,并求得L-B曲线。以原始药粒初始动态活度L0为参考,计算不同破碎程度发射药初始动态活度Li的相对值Lc。初始动态活度L0的取值方法见文献[2],B取值范围为0.2~0.7:
Lc=Li/L0
(4)
2 结果与讨论
2.1 低温撞击破碎高能发射药的形态及表面积
图1为不同落锤高度、低温撞击制备的高能发射药破碎药粒及原始药粒。由图1可看出,与原始药粒相比,DAGR125-1和NR11-1样品中大部分药粒保持完整,部分碎裂为大碎块,样品结构与完整药粒差别不大;DAGR125-2和NR11-2样品基本破裂为大碎块,无小颗粒,破碎程度稍大,结构不规整,但平均燃烧弧厚变化不大;DAGR125-3和NR11-3样品则基本解体,由小颗粒、小碎块及大碎块组成,其中小颗粒比例较小。
图1 -40℃落锤撞击破碎发射药及完整发射药照片Fig.1 Photos of fragmented gun propellants prepared by impact of dropping hammer at -40℃and original gun propellants
表1列出了不同样品的染料吸附量及相对值。DAGR125-1和NR11-1样品吸附量分别增加11%和19%,说明少量发射药发生破碎;DAGR125-2和NR11-2样品吸附量分别增加了34%和52%,说明样品破碎情况较为明显;DAGR125-3和NR11-3样品吸附量分别增加了382%和470%,说明发射药解体严重,表面积大幅增加。
表1 DAGR125、NR11破碎药粒及原始药粒染料吸附量
2.2 破碎发射药高压燃烧特征
图2为破碎前后发射药药粒的p-t曲线和L-B曲线,表2为发射药燃烧时间及最大压力。由图2可看出,DAGR125和NR11发射药燃烧规律变化相近。DAGR125-1和NR11-1药粒撞击破碎后,部分药粒脆裂,燃面增加,但整体燃烧结构未发生较大变化,因此燃烧活度先缓慢增加,最后快速下降,呈现明显的燃烧渐增性;DAGR125-2和NR11-2药粒脆裂后仍保留大部分原始增面燃烧结构,但解体程度也较大,导致其燃烧活度缓慢降低,无燃烧渐增性;DAGR125-3和NR11-3药粒结构基本解体,减面燃烧主导药粒燃烧过程,使得药粒呈现明显的减面燃烧特征。由表2可看出,由于初始燃面增大,破碎发射药燃烧时间逐渐减小,而最大压力基本不变。
表2 DAGR125、NR11破碎药粒及原始药粒的燃烧时间及最大压力
图2 DAGR125、NR11发射药药粒破碎前后的p-t曲线和L-B曲线Fig.2 The p-t and L-B curves of DAGR125 and NR11 gun propellant grains before and after fragmentation
不同阶段的动态活度(L)反映了燃烧过程中燃气释放的规律,间接反映了燃面的变化情况。由于原始燃烧结构未发生大规模解体,且药体结构基本一致,在0.1
2.3 发射药初始动态活度与初始燃面的关系
撞击破碎后的发射药表面积难以计算,研究人员多利用动态活度和动态活度比的概念来解决表面积的计算问题。本研究参考文献[2]取值方法,得到不同破碎程度发射药的初始动态活度L0,并计算其相对值Lc,与β进行对比,结果列于表3。
表3 DAGR125、NR11破碎药柱及原始药柱初始动态活度
由表3可看出,DAGR125-1、DAGR125-2及NR11-1、NR11-2样品的β/Lc值分别为0.90、1.02和0.98、1.09,均在1附近,说明通过染料吸附量反映发射药的破碎程度具有一定准确性。然而,DAGR125-3、NR11-3样品的β/Lc值远大于1,分别为2.23和2.43。结合DAGR125-3、NR11-3样品L-B曲线分析发现,由于小颗粒的影响,L-B曲线在初始阶段可能会发生明显转折。因此,DAGR125-3、NR11-3样品L0值可能远小于实际值,从而导致β/Lc值大幅提高。
发射药破碎程度较低时,药粒结构基本保持一致,其燃烧过程稳定,初始动态活度值可通过上述方法获取;若破碎程度较大,特别是当较大部分药粒初始结构完全解体,燃烧弧厚大幅减小,发射装药类似于弧厚相差较大的混合装药时,上述方法获取的初始动态活度值将远小于真实值。另外,由于点传火过程的影响,L-B曲线初始阶段波动较大,文献[8]直接取初始阶段L最大值作为初始动态活度值也存在较大误差,而通过染料吸附量来反映表面积的变化可能更为准确。
2.4 发射药动态活度与撞击能的关系
图3(a)为不同落锤撞击能条件下发射药初始动态活度的变化情况。初始动态活度L0i值通过式(5)计算,其中βi为各个样品的β值,L00为原始药粒初始动态活度:
L0i=βi×L00
(5)
由于影响因素较多,L-B曲线初始阶段波动较大,但随着B值的增大,燃烧活度会表现出线性变化,且在压力变化的较大区域内保持稳定,该区域内动态活度间接反映了发射药主要成分的基本结构特征。将该区域内动态活度随B的变化曲线进行线性拟合,得到拟合后直线的斜率I,并与撞击能关联,结果见图4。
由图4可见,随着E值增加,斜率不断减小,并由正值逐渐减小为负值,反映出发射药有渐增性燃烧逐渐转变为减面燃烧。将斜率随E的变化进行线性拟合,并计算出斜率为0时,DAGR125、NR11破碎发射药的撞击能相对值分别为2.30、2.31,即当落锤高度大于23.0cm、23.1cm时,DAGR125、NR11发射药解体,整体燃烧过程表现为减面性。另外,在相同条件下,随着破碎程度的增加,NR11发射药染料吸附量相对值增加幅度、初始动态活度增加速率以及动态活度平台斜率下降速率均大于DAGR125发射药,说明DAGR125发射药的低温抗冲性能优于NR11发射药。
图3 初始动态活度及其变化率随撞击能L0相对值的变化曲线Fig.3 Curves of initial dynamic vivacity and its change rate changing with the relative value of impact energy
图4 发射药动态活度平台斜率随撞击能相对值的变化Fig.4 Change in slope of the propellant dynamic vivacity platform along with the relative value of impact energy
3 结 论
(1)对于破碎药粒,随着破碎程度的增大,发射药药粒逐渐解体,燃烧时间逐渐减小,染料吸附量、初始动态活度逐渐上升;当破碎程度不大,药粒结构基本保持一致时,动态活度基本呈线性变化,随着弧厚较小的小颗粒破碎发射药逐渐增多,动态活度会在燃烧初始阶段发生转折。
(2)当破碎程度较小时,初始动态活度和染料吸附量均可作为衡量发射药破碎程度和初始燃面的参量;当破碎程度较大,特别是破碎后部分药粒燃烧弧厚大幅度减小时,初始动态活度难以准确测得,通过直线拟合获取的初始动态活度将明显小于实际值,而通过染料吸附量来反映表面积的变化可能更为准确。
(3)对于半溶剂法制备的19孔DAGR125和NR11发射药药粒,当落锤高度较小时,破碎药粒动态活度、初始燃面及破碎程度增加幅度较小;当落锤高度大于60cm时,药粒破碎程度快速增加。落锤高度分别大于23.0cm和23.1cm时,DAGR125、NR11发射药药粒整体燃烧过程由增面性转变为减面性。
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Study on the Structure Feature and High Pressure Combustion Performance of Fragmented High Energy Gun Propellants Prepared by Impact at Low Temperature
SHI Xian-rui,JIA Yong-jie,HU Rui,XU Min,JIAO Xu-ying,XU Can-qi
(Xi′an Modern Chemistry Research Institute,Xi′an 710065,China)
DAGR125 and NR11 gun propellants with different fragmentation degree were prepared by impact of dropping hammer at -40℃.The fragmentation degree of the gun propellants was characterized by the absorption quality of dye (AQD); Combined with the closed high pressure bomb experiment,the relationship of the structure feature and combustion feature of fragmented gun propellants at high pressure was analyzed.The results show that the change rate of dynamic vivacity occurs a mutation in the initial combustion stage with increasing the quality of small particles gradually.When the fragmentation degree is low,the initial dynamic vivacity and the AQD can be used to measure the initial combustion surface and the fragmentation degree of the gun propellants; When the fragmentation degree is high enough,the initial dynamic vivacity measured by traditional method is obviously lower than actual value,and it is unsuitable to represent the initial combustion surface,however the AQD method is more accurate.The change rule of initial dynamic vivacity shows that the fragmentation degree of propellant grains increases rapidly when the height of dropping hammer is greater than 60cm.The change in dynamic vivacity reveals that the whole combustion process of DAGR125 and NR11 fragmented gun propellants converts from progressive combustion to reduced combustion when the height of dropping hammer is greater than 23.0cm and 23.1cm,respectively.
gun propellant;low temperature; dropping hammer; impact fragment; initial dynamic vivacity; closed high pressure bomb
10.14077/j.issn.1007-7812.2017.01.020
2015-12-01;
2016-10-17
国家“973”项目
石先锐(1988-),男,硕士,从事发射药配方与工艺研究。E-mail:452597471@qq.com
TJ55;TQ562
A
1007-7812(2017)01-0101-06