賈昊楠，王 琦，路桂娥，3，廖靜林，王 鑠

（1.軍械工程學(xué)院 彈藥工程系，石家莊050003；2.66440部隊，石家莊050071；3.軍械技術(shù)研究所 石家莊050000；4.76321部隊，廣州510500；5.中國人民解放軍駐長治地區(qū)軍事代表室，山西 長治046012）

可燃藥筒是一種疏松多孔的、非均質(zhì)復(fù)合含能材料且富含親水性纖維?？扇妓幫驳倪@種材質(zhì)結(jié)構(gòu)是影響其吸濕特性的關(guān)鍵因素[1－3]。可燃藥筒在膛內(nèi)能否穩(wěn)定、快速地燃燒，一方面在一定程度上影響了武器系統(tǒng)的初速、射程、射擊精度等基本彈道性能；另一方面，隨著膛壓、初速的改變，可燃藥筒在膛內(nèi)燃盡性可能發(fā)生重大變化，并生成大量高溫殘渣，這不僅會增大彈丸的運動阻力，甚至?xí)斐商耪ɑ蚧鹧鎻呐谖矅姵?、燒傷炮手、引燃輸彈機等事故[4]。

研究和應(yīng)用可燃藥筒是當(dāng)前彈藥發(fā)展的一個重要方向，對其燃燒性能的研究也成為國內(nèi)外重點研究的課題。徐文娟[5－8]對抽濾型可燃藥筒的燃燒機理和燃燒規(guī)律等進行了研究，提出了相對質(zhì)量燃速的概念，建立了燃燒特性函數(shù)，得到了可燃藥筒基本能量示性參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。李欣[9]研究了可燃藥筒裝藥對彈丸初速或然誤差的影響，并通過實驗得出，揮分在3%以內(nèi)時，揮分變化對火藥力和爆熱影響并不大。李煜等[10－11]用含能增強纖維代替紙纖維，以抽濾模壓藥筒為基底，制備了新型可燃藥筒，并對藥筒進行了定容燃燒性能的測試研究。鄒偉偉等[12]采用密閉爆發(fā)器試驗考察了可燃藥筒定容點火性能，分析了裝填密度與點火強度對可燃藥筒定容點火性能的影響。雖然國內(nèi)外對可燃藥筒燃燒性能展開了大量的研究，但是關(guān)于可燃藥筒燃燒性能與環(huán)境濕度關(guān)系的研究較少。

本文以某抽濾模壓可燃藥筒為研究對象，對受潮可燃藥筒燃燒性能開展了系統(tǒng)研究。人工模擬了常溫條件下不同的環(huán)境濕度，結(jié)合傳統(tǒng)的密閉爆發(fā)器實驗，揭示了環(huán)境濕度對其燃燒性能參數(shù)的影響規(guī)律，為提高可燃藥筒的使用安全性提供有力依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 原材料

抽濾模壓可燃藥筒、2號硝化棉、脫脂棉。

1.2 樣品制備

根據(jù) GJB 5472.1—2005，從筒體中部截取高約50mm的圓環(huán)（厚度保持不變，約為2mm），再將其切成長為（50±1）mm，寬為（15±1）mm的長方形薄片。

1.3 儀器

采用DU－65改進型油浴烘箱對試樣進行烘干，并采用電子式濕度傳感器法，利用HDS405高低溫恒定濕熱實驗箱對試樣進行加濕處理。密閉爆發(fā)器本體燃燒室容積為102 mL，點火壓力為10 MPa。主要處理程序為Signal View，該程序使用低通濾波器對實驗數(shù)據(jù)進行前處理，并可直接得到壓力p與時間t等實驗參數(shù)。

1.4 性能測試

1.4.1 吸濕性實驗

首先將試樣放在敞口的稱量瓶內(nèi)，在55℃烘箱內(nèi)放置24h后達到質(zhì)量恒定，之后置于濕熱實驗箱內(nèi)[13]。潮濕環(huán)境條件為常溫25℃，相對濕度分別為（37.0±3）%，（64.5±3）%，（71.0±3）%，（80.2±4）%，（89.0±4）%，并分別用1＃、2＃、3＃、4＃、5＃表示。每個濕度條件下實驗作為一組，每組5發(fā)。

每24h稱量受潮的可燃藥筒試樣質(zhì)量一次，監(jiān)測其質(zhì)量變化，至達到質(zhì)量恒定為止，然后密封待用。一般認為當(dāng)前后2次質(zhì)量變化率在0.01%范圍內(nèi)時，為試樣達到質(zhì)量恒定。此時，水分均勻分布在藥筒試樣中，進而排除了因吸濕不均勻而影響藥筒燃燒性能的可能。根據(jù)試樣的質(zhì)量變化，可燃藥筒的瞬態(tài)吸濕量計算式為，式中：Qx為可燃藥筒的瞬態(tài)吸濕量；m1為試樣烘干質(zhì)量恒定后的質(zhì)量；m2為試樣加濕后的質(zhì)量。

1.4.2 密閉爆發(fā)器實驗

密閉爆發(fā)器容積102mL，實驗測試室溫20℃，點火壓力10MPa。測定火藥力和余容時，裝填密度Δ分別為0.12g/cm3和0.20g/cm3。測定藥筒其他燃燒性能參數(shù)時，選取高裝填密度。每組以5發(fā)數(shù)據(jù)平均值計算。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 可燃藥筒吸濕性

將經(jīng)干燥達到失水平衡的藥筒試樣置于不同濕度環(huán)境中，其瞬態(tài)吸濕量Qx與時間t的關(guān)系如圖1所示。通過圖1可以得到吸濕開始0.5h內(nèi)的平均吸濕速率0，以及平衡吸濕量Qm，其結(jié)果見表1。

圖1 可燃藥筒在25℃、不同相對濕度下的吸濕曲線

表1 不同相對濕度條件下可燃藥筒的吸濕結(jié)果

根據(jù)表1經(jīng)干燥的模壓可燃藥筒在潮濕環(huán)境中會快速吸收水分，并迅速達到吸濕平衡狀態(tài)。隨著環(huán)境濕度的增大，前期可燃藥筒吸濕速率也增大。環(huán)境濕度越高，可燃藥筒平衡吸濕量就越大。

2.2 濕度對可燃藥筒的燃燒性能影響

2.2.1p－t曲線及燃燒結(jié)束時間

裝填密度越高可燃藥筒燃燒越接近真實情況，所以根據(jù)實驗壓力－時間數(shù)據(jù)，取1＃～5＃進行比較，給出了裝填密度0.20g/cm3下的p－t曲線，如圖2所示。

圖2 裝填密度為0.20g/cm3下不同含水量可燃藥筒p－t曲線

假設(shè)實驗壓力達10 MPa時點火藥燃完，可燃藥筒被點燃并開始燃燒，壓力達到最大值pm時藥筒已完全燃燒，則藥筒燃燒結(jié)束時間tk為從10MPa到最大壓力pm的時間。2種裝填密度下燃燒最大壓力值以及燃燒結(jié)束時間列于表2，表中，pm為裝填密度為0.12g/cm3，0.20g/cm3下測得的最大壓力扣除點火壓力并經(jīng)過熱損失修正后的數(shù)值。

表2 可燃藥筒的燃燒參數(shù)

從圖2和表2可以看出，隨濕度的增加pm總體呈減小趨勢。低裝填密度下，pm由96.85 MPa下降至87.36 MPa；高裝填密度下，pm由175.16MPa下降至167.70 MPa。這是由于在可燃藥筒中含能成分一定的條件下，水分作為一種不含能成分，其含量增加相對降低了藥筒的總能量。雖然水蒸發(fā)汽化能產(chǎn)生大量水蒸氣，但其增加的量遠小于水蒸發(fā)消耗能量所帶來的熱損失，所以最大壓力下降了。隨著相對濕度的增加，抽濾模壓藥筒燃燒結(jié)束時間tk略有延長。低裝填密度下，tk由4.28 ms延長至7.16ms；高裝填密度下，tk由2.20 ms延長至3.06ms。這是由于隨著燃燒反應(yīng)的進行，熱量繼續(xù)向未燃區(qū)域傳遞，孔隙內(nèi)水分繼續(xù)蒸發(fā)吸熱，延緩了藥筒燃燒過程，燃燒結(jié)束時間也隨之增長。

2.2.2 火藥力及余容

不同含水量可燃藥筒密閉爆發(fā)器實驗測試計算的火藥力f、余容α列于表3中。表3所示余容隨著濕度增加而增加，火藥力則顯著降低。由余容的理論計算方法可知，余容α可由每一氣體組分b值進行求和得出。雖然水蒸氣的b值較小，但大量的水蒸氣不僅增加了總氣體的物質(zhì)的量，而且水分的存在能為整個體系提供部分氫、氧原子，也使氣體產(chǎn)物有所增加，所以余容明顯升高。

表3 可燃藥筒實測火藥力、余容

火藥力的大小與爆溫和比容的乘積有關(guān)，只有在爆溫和比容同時都高的情況下，才具有較高火藥力。而含水量大的藥筒試樣，雖然比容升高，但由于總能量下降比較明顯，爆溫降低，所以火藥力也隨之降低。

2.2.3 燃氣生成速率與動態(tài)活度曲線

為更好反映p－t曲線變化情況，做了高裝填密度下可燃藥筒dp/dt－t曲線，見圖3。

圖3 不同含水量抽濾模壓藥筒dp/dt－t曲線

由圖3分析得出，抽濾模壓藥筒壓力上升速率以及壓力上升起始時間受濕度因素的影響較大。高含水量試樣的壓力上升速率明顯低于低含水量試樣，而壓力上升起始時間也大為延遲。從能量角度看，這是因為含水量增大導(dǎo)致水分蒸發(fā)吸收的熱量增大，起始燃燒時點火能量不足，減緩了燃燒反應(yīng)的進行，氣體生成速率降低，壓力上升速率也降低，體現(xiàn)在p－t曲線上就是燃燒起始時間延遲。

圖4為抽濾模壓藥筒在不同濕度條件下的動態(tài)活性曲線，即L－B曲線。其中，L為動態(tài)活性，B為相對壓力。表4列出了不同濕度條件下藥筒試樣動態(tài)活性最大值Lm及對應(yīng)的相對壓力Bm值。

圖4 不同含水量抽濾模壓藥筒L－B曲線

表4 不同含水量抽濾模壓藥筒Lm，Bm值

如圖4所示，因為屬于同一種藥筒，所以5條曲線的趨勢形狀基本一樣。初始階段，各曲線基本重合，但含水量較低樣品的L值在燃燒后期都比較大。從表4中可以看出，含水量高時，Lm為10.713 9 MPa－1·s－1，比含水量低時要小很多。這同時也反映了藥筒的燃氣生成速率隨相對濕度升高而下降。

3 結(jié)論

本文研究了環(huán)境濕度對抽濾模壓可燃藥筒燃燒性能的影響，結(jié)果表明，可燃藥筒含水量嚴(yán)重影響藥筒各項燃燒性能參數(shù)。吸濕性實驗結(jié)果表明，該種藥筒具有吸濕能力較強的特點，在潮濕環(huán)境中裸露5～8h內(nèi)即可達到吸濕平衡狀態(tài)，當(dāng)相對濕度為89.0%時，其含水量可達到3.6%。

密閉爆發(fā)器定容燃燒實驗表明，隨著環(huán)境濕度的增加，抽濾模壓可燃藥筒定容燃燒性能參數(shù)變化也較大，其中燃燒結(jié)束時間大幅延長，最大壓力以及火藥力均降低，余容則顯著升高。隨著裝填密度升高，水分對藥筒燃燒結(jié)束時間的影響減小。

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