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(duì)，石家莊050071；3.軍械技術(shù)研究所 石家莊050000；4.76321部隊(duì)，廣州510500；5.中國(guó)人民解放軍駐長(zhǎng)治地區(qū)軍事代表室，山西 長(zhǎng)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]?？扇妓幫苍谔艃?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?jiān)@不僅會(huì)增大彈丸的運(yùn)動(dòng)阻力，甚至?xí)斐商耪ɑ蚧鹧鎻呐谖矅姵觥齻谑?、引燃輸彈機(jī)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(gè)重要方向，對(duì)其燃燒性能的研究也成為國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)研究的課題。徐文娟[5－8]對(duì)抽濾型可燃藥筒的燃燒機(jī)理和燃燒規(guī)律等進(jìn)行了研究，提出了相對(duì)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(duì)彈丸初速或然誤差的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，揮分在3%以?xún)?nèi)時(shí)，揮分變化對(duì)火藥力和爆熱影響并不大。李煜等[10－11]用含能增強(qiáng)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(duì)藥筒進(jìn)行了定容燃燒性能的測(cè)試研究。鄒偉偉等[12]采用密閉爆發(fā)器試驗(yàn)考察了可燃藥筒定容點(diǎn)火性能，分析了裝填密度與點(diǎn)火強(qiáng)度對(duì)可燃藥筒定容點(diǎn)火性能的影響。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)可燃藥筒燃燒性能展開(kāi)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(duì)象，對(duì)受潮可燃藥筒燃燒性能開(kāi)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(shí)驗(yàn)，揭示了環(huán)境濕度對(duì)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(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

抽濾模壓可燃藥筒、2號(hào)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(zhǎng)為（50±1）mm，寬為（15±1）mm的長(zhǎng)方形薄片。

1.3 儀器

采用DU－65改進(jìn)型油浴烘箱對(duì)試樣進(jìn)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(shí)驗(yàn)箱對(duì)試樣進(jìn)行加濕處理。密閉爆發(fā)器本體燃燒室容積為102 mL，點(diǎn)火壓力為10 MPa。主要處理程序?yàn)镾ignal View，該程序使用低通濾波器對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行前處理，并可直接得到壓力p與時(shí)間t等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

1.4 性能測(cè)試

1.4.1 吸濕性實(shí)驗(yàn)

首先將試樣放在敞口的稱(chēng)量瓶?jī)?nèi)，在55℃烘箱內(nèi)放置24h后達(dá)到質(zhì)量恒定，之后置于濕熱實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)[13]。潮濕環(huán)境條件為常溫25℃，相對(duì)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(gè)濕度條件下實(shí)驗(yàn)作為一組，每組5發(fā)。

每24h稱(chēng)量受潮的可燃藥筒試樣質(zhì)量一次，監(jiān)測(cè)其質(zhì)量變化，至達(dá)到質(zhì)量恒定為止，然后密封待用。一般認(rèn)為當(dāng)前后2次質(zhì)量變化率在0.01%范圍內(nèi)時(shí)，為試樣達(dá)到質(zhì)量恒定。此時(shí)，水分均勻分布在藥筒試樣中，進(jìn)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(jì)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(shí)驗(yàn)

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

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 可燃藥筒吸濕性

將經(jīng)干燥達(dá)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(shí)間t的關(guān)系如圖1所示。通過(guò)圖1可以得到吸濕開(kāi)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(jiàn)表1。

圖1 可燃藥筒在25℃、不同相對(duì)濕度下的吸濕曲線

表1 不同相對(duì)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(huì)快速吸收水分，并迅速達(dá)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(duì)可燃藥筒的燃燒性能影響

2.2.1p－t曲線及燃燒結(jié)束時(shí)間

裝填密度越高可燃藥筒燃燒越接近真實(shí)情況，所以根據(jù)實(shí)驗(yàn)壓力－時(shí)間數(shù)據(jù)，取1?！?＃進(jìn)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(shí)驗(yàn)壓力達(dá)10 MPa時(shí)點(diǎn)火藥燃完，可燃藥筒被點(diǎn)燃并開(kāi)始燃燒，壓力達(dá)到最大值pm時(shí)藥筒已完全燃燒，則藥筒燃燒結(jié)束時(shí)間tk為從10MPa到最大壓力pm的時(shí)間。2種裝填密度下燃燒最大壓力值以及燃燒結(jié)束時(shí)間列于表2，表中，pm為裝填密度為0.12g/cm3，0.20g/cm3下測(cè)得的最大壓力扣除點(diǎn)火壓力并經(jīng)過(guò)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(shì)。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(duì)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(yuǎn)小于水蒸發(fā)消耗能量所帶來(lái)的熱損失，所以最大壓力下降了。隨著相對(duì)濕度的增加，抽濾模壓藥筒燃燒結(jié)束時(shí)間tk略有延長(zhǎng)。低裝填密度下，tk由4.28 ms延長(zhǎng)至7.16ms；高裝填密度下，tk由2.20 ms延長(zhǎng)至3.06ms。這是由于隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)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(guò)程，燃燒結(jié)束時(shí)間也隨之增長(zhǎng)。

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(shí)驗(yàn)測(cè)試計(jì)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(jì)算方法可知，余容α可由每一氣體組分b值進(jìn)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(gè)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(shí)測(cè)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(shí)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?xì)馍伤俾逝c動(dòng)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(jiàn)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(shí)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(shí)間也大為延遲。從能量角度看，這是因?yàn)楹吭龃髮?dǎo)致水分蒸發(fā)吸收的熱量增大，起始燃燒時(shí)點(diǎn)火能量不足，減緩了燃燒反應(yīng)的進(jìn)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(shí)間延遲。

圖4為抽濾模壓藥筒在不同濕度條件下的動(dòng)態(tài)活性曲線，即L－B曲線。其中，L為動(dòng)態(tài)活性，B為相對(duì)壓力。表4列出了不同濕度條件下藥筒試樣動(dòng)態(tài)活性最大值Lm及對(duì)應(yīng)的相對(duì)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?yàn)閷儆谕环N藥筒，所以5條曲線的趨勢(shì)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(shí)，Lm為10.713 9 MPa－1·s－1，比含水量低時(shí)要小很多。這同時(shí)也反映了藥筒的燃?xì)馍伤俾孰S相對(duì)濕度升高而下降。

3 結(jié)論

本文研究了環(huán)境濕度對(duì)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(xiàng)燃燒性能參數(shù)。吸濕性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該種藥筒具有吸濕能力較強(qiáng)的特點(diǎn)，在潮濕環(huán)境中裸露5～8h內(nèi)即可達(dá)到吸濕平衡狀態(tài)，當(dāng)相對(duì)濕度為89.0%時(shí)，其含水量可達(dá)到3.6%。

密閉爆發(fā)器定容燃燒實(shí)驗(yàn)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(shí)間大幅延長(zhǎng)，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(duì)藥筒燃燒結(jié)束時(shí)間的影響減小。

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

[2]U.S.Department of Defense.Detection of nitroesters and moisture in combustible cartridge case wall by indicator strips and instruments，ORNL/TM－12286[R].Oak Ridye：Oak Ridge National Laboratory，1992.

[3]SYAL R K，TALEGAONKAR S B，PESHAVE J R.Drying characteristics of combustible cartridge case[J].Chemical Engineering World，1995，30（6）：119.

[4]張兆均.三種可燃藥筒燃燒特性分析[J].兵工學(xué)報(bào)，1996，17（1）：26－31.ZHANG Zhao－jun.Analyses on the burning properties of three kinds of combustible cartridges[J].Acta Armamentrii，1996，17（1）：26－31.（in Chinese）

[5]徐文娟.可燃藥筒與主裝藥匹配的研究[J].彈道學(xué)報(bào)，1994，6（4）：29－33.XU Wen－juan.Study on match between combustible case and propellants[J].Journal of Ballistics，1994，6（4）：29－33.（in Chinese）

[6]張會(huì)生.可燃藥筒實(shí)際燃燒速度的研究[J].彈道學(xué)報(bào)，1996，8（4）：24－27.ZHANG Hui－sheng.Study on the burning rate of combustible case[J].Journal of Ballistics，1996，8（4）：24－27.（in Chinese）

[7]徐文娟，于軍.抽濾型可燃藥筒性能及燃燒規(guī)律的研究[J].華東工學(xué)院學(xué)報(bào)，1988（1）：130－139.XU Wen－juan，YU Jun.A study of quality and burning rule of the ignitable cartridge case[J].Journal of East China Institute of Technology，1988（1）：130－139.（in Chinese）

[8]徐文娟，莊國(guó)鎮(zhèn).抽濾型可燃藥筒加主裝藥的靜態(tài)試驗(yàn)研究[J].彈道學(xué)報(bào)，1993，5（2）：52－59，69.XU Wen－juan，ZHUANG Guo－zhen.Static experimental study on cartridge with extracted combustible case[J].Journal of Ballistics，1993，5（2）：52－59，69.（in Chinese）

[9]李欣.可燃藥筒裝藥對(duì)彈丸初速或然誤差影響的分析[J].彈道學(xué)報(bào)，1994，6（2）：24－29.LI Xin.Analysis of effect of combustible cartridge case charge on muzzle velocity probable error of projectile[J].Journal of Ballistics，1994，6（2）：24－29.（in Chinese）

[10]李煜，郭德惠，田書(shū)春，等.纖維增強(qiáng)組份對(duì)可燃藥筒性能的影響[J].彈道學(xué)報(bào)，2009，21（4）：95－98.LI Yu，GUO De－h(huán)ui，TIAN Shu－chun，et al.Influence of reinforced fibers on the properties of CCC[J].Journal of Ballistics，2009，21（4）：95－98.（in Chinese）

[11]李煜，郭德惠.新型含能纖維可燃藥筒性能研究[J].含能材料，2009，17（3）：334－338.LI Yu，GUO De－h(huán)ui.Characterization of combustible cartridge cases enhanced by novel energetic fibers[J].Chinese Journal of Energetic Materials，2009，17（3）：334－338.（in Chinese）

[12]鄒偉偉，肖樂(lè)勤，周偉良.模壓可燃藥筒點(diǎn)火特性[J].彈道學(xué)報(bào)，2012，24（1）：79－82.ZOU Wei－wei，XIAO Le－qin，ZHOU Wei－liang.Ignition characteristics of molded combustible cartridge case[J].Journal of Ballistics，2012，24（1）：79－82.（in Chinese）

[13]王澤山.火藥實(shí)驗(yàn)[M].北京：中國(guó)科技出版社，1992.WANG Ze－shan.Powder experiment[M].Beijing：China Science and Technology Press，1992.（in Chinese）