江勁勇，賈昊楠，路桂娥，安振濤，陳明華

?

環(huán)境濕度對含TNT卷制半可燃藥筒燃燒性能影響研究

江勁勇1,2，賈昊楠1，路桂娥1,2，安振濤1，陳明華1,2

（1. 軍械工程學院，河北 石家莊，050003；2. 軍械工程學院 軍械技術研究所，河北 石家莊，050003）

為研究環(huán)境濕度對以TNT為粘結劑的卷制型半可燃藥筒定容燃燒特性的影響規(guī)律，采用稱重法研究了藥筒的吸濕特性，并對在不同環(huán)境濕度下吸濕飽和的試樣進行密閉爆發(fā)器實驗。研究結果表明：含TNT卷制半可燃藥筒的吸濕能力隨環(huán)境的相對濕度增加而增加；并且卷制半可燃藥筒火藥力和燃速壓力指數整體呈增大趨勢，燃燒最大壓強、燃燒結束時間、余容以及燃速系數則呈現下降趨勢。

TNT；卷制半可燃藥筒；吸濕性；燃燒性能；密閉爆發(fā)器

卷制半可燃藥筒是由浸有TNT粘結劑或其他高能填料的硝化棉紙卷制而成的[1]。對于該種藥筒的每一層而言，由于含有大量硝化纖維素，藥筒結構近似于巢體、氈狀，疏松多孔且含有大量親水性基團。在運輸和長貯過程中，如果包裝或保管不當，就容易吸濕受潮，影響武器系統(tǒng)的基本彈道性能，并可能導致藥筒在膛內燃盡性發(fā)生變化，生成大量高溫殘渣，這不僅會增大彈丸的運動阻力，甚至會造成膛炸等事故[2-4]。

隨著大量半可燃藥筒的應用，對其燃燒性能的研究逐漸成為國內外重點研究的課題。國外主要從解決半可燃藥筒力學性能和燃燒性能之間矛盾角度展開研究[5-7]。國內研究主要集中于可燃藥筒燃燒機理、藥筒與主裝藥的匹配性等問題。徐文娟[8]等分析了藥筒膛內燃氣生成規(guī)律，得到了可燃藥筒基本能量示性參數和結構參數。李煜等[9]用含能增強纖維代替紙纖維，以繞絲藥筒為基底，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。雖然國內外對半可燃藥筒燃燒性能展開了一定量的研究，但是關于環(huán)境濕度對以TNT為粘結劑的卷制半可燃藥筒燃燒性能的影響研究較少。

本研究人工模擬了常溫條件下不同的相對濕度，得到了含TNT卷制半可燃藥筒吸濕特性；結合密閉爆發(fā)器實驗，研究了環(huán)境濕度對其燃燒性能參數的影響規(guī)律。

1 實驗

1.1 材料

含TNT59.0%的卷制半可燃藥筒、2號硝化棉。

1.2 樣品制備

根據GJB 5472.1-2005，從卷制半可燃藥筒體中部截取高約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。燃燒性能實驗選擇100mL級密閉爆發(fā)器。

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，在55℃烘箱內放置24h后達到恒重，之后置于濕熱實驗箱內[10]。環(huán)境條件為常溫25℃，相對濕度分別為（37.0±3.0）%、（64.5±3.0）%、（71.0±3.0）%、（80.2±4.0）%和（89.0±4.0）%，對應的試樣分別用1#、2#、3#、4#、5#表示。以每個相對濕度條件下實驗作為1組，每組重復5次。每2h稱量受潮的半可燃藥筒試樣質量1次，監(jiān)測其質量變化，至達到恒重為止，然后密封待用。一般認為前后兩次質量變化率在0.01%范圍內時，試樣達到恒重。此時，水分均勻分布在試樣中，進而排除了因吸濕不均勻而影響藥筒燃燒性能的可能。根據試樣的質量變化，按式（1）計算半可燃藥筒的瞬態(tài)吸濕量：

式（1）中：Q為半可燃藥筒瞬態(tài)吸濕量，%；1為試樣烘干恒重后的質量，g；2為試樣加濕后的質量，g。

1.4.2燃燒性能實驗

實驗測試室溫20℃，點火壓力10MPa。測定火藥力和余容時，裝填密度分別為1=0.12g/cm3和2= 0.20g/cm3。測定藥筒其他燃燒性能參數時，裝填密度為2=0.20g/cm3。每組以5發(fā)數據平均值計算。

2 實驗結果與分析

2.1 吸濕性實驗

將經干燥達到失水平衡的半可燃藥筒試樣置于不同濕度環(huán)境中，其瞬態(tài)吸濕率Q與時間的關系如圖1所示，吸濕特性結果見表1。

圖1 在25℃、不同相對濕度下卷制半可燃藥筒的吸濕曲線

表1 卷制半可燃藥筒的吸濕結果

Tab.1 Hygroscopicity result of wrapped combustible cartridge case under different relative humidity

從表1可以看出，經干燥的卷制半可燃藥筒在潮濕環(huán)境中會快速吸收水分，并且可以迅速達到吸濕平衡狀態(tài)，且環(huán)境相對濕度越高，卷制半可燃藥筒飽和吸濕量就越大。常溫25℃時，試樣在低濕度條件下平衡吸濕量為0.29%，而在較高濕度條件下平衡吸濕量可達2.00%。隨著環(huán)境濕度的增大，初始平均吸濕速率也隨之增大，由0.06%/h上升到3.36%/h。

2.2 環(huán)境濕度對卷制半可燃藥筒的燃燒性能影響

2.2.1——曲線及燃燒結束時間

假設實驗壓力達到10MPa時，點火藥燃燒完全，半可燃藥筒被點燃并開始燃燒，且壓力達到最大值p時藥筒已完全燃燒，則藥筒的燃燒結束時間t為從10MPa到最大壓強p的時間。根據實驗壓力——時間數據，做了裝填密度為2=0.20g/cm3下的——曲線，如圖2所示。兩種裝填密度下燃燒最大壓強值以及燃燒結束時間列于表2。p1與m2分別為在裝填密度為0.12g/cm3和0.20g/cm3下測得的最大壓強扣除點火壓力并經過熱損失修正后的數值。

從圖2和表2可以看出，卷制半可燃藥筒的最大壓強p隨環(huán)境濕度的增大整體呈現下降趨勢；在2=0.12g/cm3裝填密度下，環(huán)境濕度對燃燒結束時間t影響較小；而在2=0.20g/cm3裝填密度下，環(huán)境濕度對燃燒結束時間t的影響規(guī)律并不明顯，但結合兩種裝填密度下的實驗結果可以分析得出，燃燒結束時間隨環(huán)境濕度的增大整體呈減小趨勢。這是由于在半可燃藥筒中含能成分一定的條件下，水分含量增加相對降低了藥筒的總能量。雖然水蒸發(fā)汽化能夠產生大量的水蒸氣，但其增加的量遠小于水蒸發(fā)消耗能量所帶來的熱損失，所以最大壓強下降。

圖22=0.20g/cm3下具有不同飽和吸濕量卷制半可燃藥筒——曲線

Fig.2——curves of wrapped combustible cartridge case with different moisture content under 0.20g/cm3charge density

表2 具有不同飽和吸濕量卷制半可燃藥筒的燃燒特性參數

Tab.2 Combusiton parameters of wrapped combustible cartridge case with different moisture content

2.2.2火藥力及余容

經典的諾貝爾-阿爾貝方程如下所示：

取兩種不同的裝填密度1和2做兩次實驗，將測得的燃燒最大壓力p1和p2代入式（2），并假設兩種裝填密度下半可燃藥筒的火藥力和余容完全相同，可分別得到：

式（3）中：

式（4）中：p為實驗測得的壓力；Δp為熱損失修正壓力；p為點火壓力。

具有不同飽和吸濕量的卷制半可燃藥筒密閉爆發(fā)器實驗測試計算的火藥力、余容列于表3中。

表3 卷制半可燃藥筒實驗測火藥力、余容

Tab.3 Impetus and covolume of wrapped combustible cartridge case

由表3可知，1#、2#、3#試樣的火藥力和余容變化并不明顯，這可能是由于在較低環(huán)境濕度條件下試樣飽和吸濕量較小，且隨濕度變化不大，因而燃燒性能參數變化不顯著。但整體來看，卷制半可燃藥筒火藥力隨環(huán)境濕度的增加呈增大趨勢，而余容則下降。

2.2.3燃速系數及燃速壓力指數

具有不同飽和吸濕量的卷制半可燃藥筒試樣在高裝填密度下的——曲線如圖3所示。由圖3可以看出，壓力在10～60MPa范圍內，——曲線基本上遵循=1p的規(guī)律。根據——數據，求各點的對數值，作得ln——ln曲線，對該曲線進行線性擬合，得到卷制半可燃藥筒的燃速系數u和壓力指數，列于表4中。由圖3和表4可以看出，在燃燒前期具有不同飽和吸濕量的卷制半可燃藥筒曲線基本重合，但隨環(huán)境濕度的增大，燃速系數顯著降低，燃速壓力指數略有升高。這是由于水蒸發(fā)消耗能量所帶來的熱損失導致起始燃燒時點火能量不足，減緩了燃燒反應的進行；但隨著水分含量的增大，水蒸發(fā)產生的壓力上升，藥筒燃速在壓力的影響下變大。在燃燒后期，飽和吸濕量較大的樣品燃速相對提前停止增長，并進入燃燒漸減性區(qū)域。

圖3 不同飽和吸濕量卷制半可燃藥筒u——p曲線

表4 卷制半可燃藥筒燃速系數、燃速壓力指數及相關系數

Tab.4 Burning rates, burning rate pressure exponents and correlation coefficients of wrapped combustible cartridge case

2.2.4動態(tài)活度曲線

具有不同飽和吸濕量的卷制半可燃藥筒的——曲線如圖4所示，其中相對壓力為壓力與最大壓力的比值，動態(tài)活性可以綜合反映半可燃藥筒的燃氣生成規(guī)律及燃速性能。表5為試樣動態(tài)活性最大值及對應的值。由圖4和表5可以看出，具有不同飽和吸濕量的卷制半可燃藥筒的——曲線能夠基本重合，但飽和吸濕量較低樣品的動態(tài)活性值在燃燒后期都相對較大。飽和吸濕量最高的試樣L值為2.54，比較飽和吸濕量低的試樣略小。

圖4 △2=0.20g/cm3下不同飽和吸濕量卷制半可燃藥筒L——B曲線

Fig.4curves of wrapped combustible cartridge case with different moisture content

表5 不同飽和吸濕量卷制半可燃藥筒L、B值

Tab.5 Lm and Bmof different moisture content of wrapped combustible cartridge case

3 結論

由含TNT卷制半可燃藥筒吸濕特性可以看出，該種半可燃藥筒吸濕能力較強，且隨著環(huán)境濕度的增大藥筒平衡吸濕量也增大。結合密閉爆發(fā)器試驗結果，發(fā)現當25℃，相對濕度低于71.0%時，藥筒燃燒性能受濕度的影響較小；而隨著環(huán)境濕度的增大，卷制半可燃藥筒定容燃燒最大壓強、余容以及燃燒結束時間整體呈現下降趨勢，火藥力則顯著增大?？梢?，卷制半可燃藥筒燃燒性能受濕度影響較為明顯。

因此，一旦含TNT卷制半可燃藥筒吸濕受潮，其在膛內燃燒特性將可能發(fā)生變化。為保證彈丸的初速、射程以及射擊精度等彈道性能，提高半可燃藥筒的使用安全性，當該藥筒的儲存溫度為25℃時，需要嚴格控制環(huán)境的相對濕度低于70.0%。

[1] 黃濤.可燃藥筒燃燒完全性研究[D].南京:南京理工大學,2007.

[2] Kurulkar G R, Syal R K, Singh H. Combustible cartridge case formulation and evaluation[J]. Journal of Energetic Materials, 1996,14(2):127-149.

[3] Ho C H, Moneyhun J H, Agouridis D C, et al. Detection of nitro- esters and moisture in combustible cartridge case wall by indicat- or strips and instruments[R].ORNL/TM-12286,1992.

[4] Syal R K, Talegaonkar S B, Peshave J R. Drying characteri- stics of combustible cartridge case[J]. Chemical Engineering World,1995,30(6): 119-126.

[5] Remaly R F, Nusbaum M S, Johnson K G, et al. Duplex com- bustible cartridge case[R]. AD1648666, 1974.

[6] Kestusis G C, Pauline M S, William S L. Investigation of residue and coating stoichiometry on 120mm combustible cartridge case[R]. ARL-TR-2337, 2000.

[7] Manning C Y. Porosity measurement of combustible cartridge case materials[R]. ARLCD-TR-81003, 1981.

[8] 張兆均,徐文娟,張會生.三種可燃藥筒燃燒特性分析[J].兵工學報,1996,17(1):26-31.

[9] 李煜,趙成文,郭德惠,等.可燃藥筒的定容燃燒特性[J].火炸藥學報,2009, 32(4):75-79.

[10] 王澤山,韓盤銘,張繼柱.火藥實驗[M].北京:中國科技出版社,1992.

Influence of Humidity on Combustion Performance of Wrapped Combustible Cartridge Case

JIANG Jin-yong1,2，JIA Hao-nan1，LU Gui-e1,2，AN Zhen-tao1，CHEN Ming-hua1,2

(1. Ordnance Engineering College, Shijiazhuang ,050003；2. Ordnance Technology Research Institute, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang ,050003)

To study the influence of humidity on combustion performance of wrapped combustible cartridge case (CCC) with TNT, its hygroscopic properties were studied by weighing method. And samples were tested by closed-bomb test, which were saturated in different humidity. The results show that the CCC with TNT has certain hygroscopicity. The higher the relative humidity is, the greater the equilibrium moisture content of the sample is. The impetus and the burning rate pressure exponent get larger, besides that, the maximum pressure, the combustion ending time, the contrary covolume and the burning rate coefficient decrease with the increase of relative humidity.

TNT；Wrapped combustible cartridge case；Hygroscopicity；Combustion performance; Closed-bomb test

TQ565

A

1003-1480（2014）06-0016-04

2014-09-18

江勁勇（1962-），男，高級工程師，從事軍事化學與煙火技術。