3种点火药点火性能试验研究

赵宝明，刘 波，何昌辉，靳建伟，张邹邹，陈 琪

3种点火药点火性能试验研究

赵宝明1，刘 波1，何昌辉1，靳建伟1，张邹邹1，陈 琪2

（1.西安近代化学研究所，陕西 西安，710065； 2.北京交通大学，北京，100044）

以常用点火药剂NC（硝化棉）、奔奈和BP（2#小粒黑）作为点火药，以点火延迟时间及特征点火药量作为点火性能判据，考察了3种点火药的点火性能。点火性能实验结果表明：BP点火延迟时间最短，电热镍镉桥丝点火时间约23ms；奔奈点燃发射药的能力最强，点燃RGD7A基发射药特征点火药量较NC和BP少6%；使用BP和奔奈作为点火药，可使装药的点火燃烧速度提高。

点火药；点火性能；点火延迟时间；燃烧速度

发射装药的点火由点火药剂来完成，点火药剂的种类、药量的确认及点火药在装药中的位置设计等对装药的点火效果影响很大，从而影响整个内弹道性能[1-4]。

目前中大口径火炮弹药所使用的点火药主要为奔奈或黑火药，另外，硝化棉作为一种洁净燃烧火药，也常作为点火药剂使用。这3种点火药由于其配方组分不同，所以点火性能差异较大[5]。3种点火药相比，硝化棉比容及爆热最大，具有较高的产气能力和燃烧热量，但缺点是其燃烧无残渣，没有热粒子生成，主要依赖燃烧火焰的热辐射对发射药表面进行传热，不利于快速点火。黑火药比容及爆热最小，但燃烧时产生56%的固体热粒子，这些灼热固体粒子接触到发射药表面时，将热量集中传给某一点，使火药局部迅速升温，达到热分解温度及燃点开始燃烧。奔萘药的主要组成为：40%NC、44%KNO3、6.5%S、9.5%C，为NC和黑火药的混合物，因此，奔奈比容、爆热及热粒子含量介于硝化棉与黑火药之间。美国在传火管装药中普遍采用黑火药，但在硝基胍火药装药中较多地采用了奔奈点火药。这是由于奔奈点火药热量高，有利于难点火的硝基胍火药点火。针对在发射装药确定的条件下如何选择点火药，本文对硝化棉、奔奈及2#小粒黑3种点火药的点火性能进行了实验研究，以实验数据结果为根据，为发射装药的点传火设计提供借鉴参考。

1 实验

1.1 试剂及仪器

奔奈：工业级，西安北方惠安精细化工有限公司；NC：含氮量12%，GJB 3204-1998，西安近代化学研究所；BP：HY-2(2#小粒黑)，GJB1056-2004，西安近代化学研究所；双芳-3-16/1发射药，配方：NC（56%），NG（26.5%）、C2（3%）、其它（14.5%），西安近代化学研究所。RGD7A基发射药，配方：NC+NG（55.2%）、RDX（26.63%）、NQ（15.73%）、其它（2.8%），西安近代化学研究所。

压力传感器：6213B型压电传感器，Kistler公司；数据采集器：3020型数据采集器，采样频率20kHz，DEWETRON公司；电子天平：CPA223S型电子天平，精确度0.000 1g，赛多利斯公司。

1.2 点火速度对比实验

分别取1.1g NC、奔奈、BP作为点火药，电热镍镉桥丝外包点火药，给电热镍镉桥丝通电，电压30V，在100mL密闭爆发器中进行密闭点火实验。通过压力传感器记录点火燃烧过程——曲线。

1.3 点火能力对比实验

发射药点火性能试验装置示意图如图1所示(自制)。该装置容积100mL，内径40mm，外径80mm，长度80mm。将点火药用硫酸钡纸包裹制成点火药包，点火药包置于装置左侧底端中心，正对测试样品，保证点火药燃烧产物均匀覆盖发射药样品初始燃面。根据Bruceton升降法[6-7]调整点火药量进行试验，直到点火与不点火药量相差0.002g为止。将恰好点燃装药的点火药量作为实验条件下试样的特征点火药量（也称临界点火药量），该特征点火药量应连续3次点燃发射药。最终以特征点火药量作为发射药样品的点火性能衡量指标之一。本文使用20g RGD7A基发射药作为被点火发射药样品。

图1 发射药点火性能试验装置示意图

2 结果与讨论

2.1 3种点火药点火速度比较

图2为点火速度对比实验获得的3种点火药点火燃烧过程——曲线。电热镍镉桥丝通电后发热，引燃点火药，使点火药点火燃烧。表1为3种点火药点火速度对比结果。

图2 3种点火药点火燃烧过程P——t曲线

表1 3种点火药点火延迟时间

Tab.1 Ignition delay time result of the three ignition powders

注：0V为点火电压0V时刻；29V为点火电压29V时刻；0.2MPa为压力到达0.2MPa时刻。假设电热镍镉桥丝达到29V电压后才对所接触的点火药剂传热，延迟为29V起至0.2MPa（认为点火药剂表面产生火焰，点火药燃烧使得压力增长）。

由表1可看出，2#小粒黑点火延迟时间最短，点燃速度最快。硝化棉和奔奈的点火延迟时间出现反常，可能由于硝化棉为粉状，在同样的热效率下（吸收同样热量），硝化棉药粒单元由于粒径小，药粒表面温度上升速率高，较快达到其燃点温度，因此，粉状硝化棉点火延迟时间较粒状奔奈短。

2.2 3种点火药点火能力对比

表2为3种点火药点火能力对比实验结果。

表2 3种点火药点火能力实验结果

Tab.2 Ignition strength of the three ignition materials

由表2实验结果可以看出，在相同装药条件下，采用最少质量的奔奈作为点火药，即可点燃RGD7A基发射药，说明奔奈点火药点火能力最强，同样发射装药条件下，需要的点火药量最少。其次是BP（2#小粒黑），其点火时间较NC短；NC作为点火药，点燃发射装药的能力最差。

表3为3种点火药能量示性数。

表3 3种点火药能量示性数[5]

Tab.3 Energy characteristics of the three ignition materials

注：Q为爆热；1为比容；为火药力。

奔萘药的主要组成为：40%NC、44%KNO3、6.5%S、9.5%C。相比BP，奔萘药中硝化棉的加入，提高了其爆热和比容。奔萘药集NC和BP传质（热粒子多）、传热（燃烧热大）、传压（比容大）的优势于一体，能量传导效率高、速度快，燃烧室中火药接受能量多，热量积聚快，容易达到发火点着火，因此表现出较强的点火能力。

加热层点火理论认为，要使火药装药点燃并持续地燃烧下去，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。“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。将发射装药假设为厚度相同的一层一层均质火药[8]，如图3所示，图3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Q，则第1层火药可持续稳定燃烧。第2层的火药要稳定燃烧，同样需满足上述2个条件：着火温度和最低热量Q。由于奔奈和2#小粒黑燃烧后有固体残渣，即满足图3中固体热粒子对发射药表面的传热，固体热粒子落在发射药表面，对发射药表面进行持续热传导，一方面，可能由于固体热粒子接触式导热较火焰热辐射及气体传热效率高，因此表现出NC点火药（无燃烧残渣）特征点火药量最大、点火时间最长，而有燃烧残渣的奔奈和2#小粒黑点火时间较短。另一方面，固体热粒子传热集中于与发射药表面接触点，可将有限的热量传递于该点发射药，使该点发射药第1层、第2层……达到持续稳定燃烧条件。而火焰热辐射及高温气体覆盖大部分发射药表面区域，热量过于分散，不利于快速达到发射药第1层、第2层……稳定燃烧条件，因此NC点火药点火最慢。

图3 火药分层点火过程示意图

2.3 3种点火药点燃双芳-3发射药的区别

利用3种点火药在相同装药条件下对双芳-3-16/1分别进行点火实验验证，验证点火药不同是否会影响发射装药的燃烧。装药条件为：100mL 密闭爆发器中，点火药1.1g，双芳-3-16/1装填密度0.2g /mL，——曲线如图4所示。

图4 3种点火药点燃双芳-3过程P——t曲线

由图4（a）曲线可以看出，3种点火药点燃双芳-3的燃烧压力曲线基本一致，燃烧时间均为20ms左右。由于硝化棉火药力最大，BP（2#小粒黑）火药力最小，表现为硝化棉点火药曲线峰值压力最高，BP（2#小粒黑）最低。由图4（b）可看出，在10MPa以下的低压段，BP（2#小粒黑）压力上升速率最高，硝化棉压力上升速率最低。说明在点火初始的低压段，采用黑火药建压快，点火速度迅速。图5为3种点火药点燃装药的——曲线。

图5 3种点火药点燃双芳-3过程v——P曲线

从图5中可看出，在10～200MPa压力范围，BP和奔奈点燃装药的燃速均高于NC，说明使用BP和奔奈作为点火药，可使装药的点火燃烧速度提高。原因可能在于BP和奔奈点火初期建压快，压力的增加可使暗区和混合相区压缩，高温火焰区接近双芳-3发射药的表面，加速了火焰区向发射药表面的传热作用，从而促进了固相发射药的分解速度。此外，压力增加也加大了气相物质的密度，加速了气相化学反应速度和气相热传导系数，有利于双芳-3发射药的点火燃烧。并且可使药室装药的点火同时性提高，有利于降低较长药室装药的负压差，提高身管武器的发射安全性。另外，由于2#小粒黑提高了装药点火的同时性，有利于消除装药燃烧的不稳定性，从而提高武器初速精度。因此，相比NC点火药，黑火药和奔奈具有降低负压差的优势。

3 结论

（1）点火速度对比实验结果表明，BP（2#小粒黑）点火延迟时间最短，点燃速度最快，电热镍镉桥丝点火时间约23ms。

（2）点火能力对比实验结果表明，奔奈点燃发射药的能力强于NC和BP，点燃RGD7A基发射药特征点火药量较NC和BP少6%，NC点火能力最差。因此，对于难点火的发射药，选择奔奈点火药较为合适。

（3）密闭爆发器试验结果表明，在10～200MPa压力范围，BP和奔奈点燃装药的燃速均高于NC，说明使用BP和奔奈作为点火药，可使装药的点火燃烧速度提高。

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The Ignition Performance of Three Kinds of Ignition Powder

ZHAO Bao-ming1, LIU Bo1, HE Chang-hui1,JIN Jian-wei1, ZHANG Zou-zou1, CHEN Qi2

(1.Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an,710065；2. Beijing Jiaotong University, Beijing, 100044)

The ignition performance of common ignition material NC, benzene naphthalene drug and BP (2#small black powder) as ignition powder have been studied, by contrast experiment of ignition performance including characteristics of ignition charge and the ignition delay time. The experiment result shows that the ignition delay time of BP is the shortest and the ignition strength of benzene naphthalene drug is the strongest among the three ignition materials. The ignition delay time of BP is 23ms by an electrically heated wire. Characteristic mass of ignition charge of benzene naphthalene drug is cut down 6% compared with NC and BP on igniting RGD7A propellant, and by use of BP and benzene naphthalene drug as ignition powder, the burning rate of the gun propellant can be effectively improved.

Ignition powder；Ignition performance；Ignition delay time；Burning rate

TQ562

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.06.006

1003-1480（2019）06-0021-04

2019-10-18

赵宝明（1978-），男，副研究员。主要从事发射药点传火研究工作。