火炸药学报    2017, Vol. 40 Issue (4): 102-106   DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2017.04.019
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引用本文  

胡睿, 杨伟涛, 石先锐, 贾永杰, 赵宝明. 叠氮硝胺对发射药枪口焰的影响[J]. 火炸药学报, 2017, 40(4): 102-106. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2017.04.019
HU Rui, YANG Wei-tao, SHI Xian-rui, JIA Yong-jie, ZHAO Bao-ming. Effect of 1, 5-Diazido-3-nitrazpent on the Muzzle Flash of Gun Propellants[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2017, 40(4): 102-106. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2017.04.019

作者简介

胡睿(1989-), 男, 硕士, 从事发射药技术研究。E-mail:373890081@qq.com

通信作者

杨伟涛(1987-)男, 博士, 从事含能材料应用研究。E-mail:njyangweitao@163.com

文章历史

收稿日期:2017-02-11
修回日期:2017-05-03
叠氮硝胺对发射药枪口焰的影响
胡睿, 杨伟涛, 石先锐, 贾永杰, 赵宝明     
西安近代化学研究所, 陕西 西安 710065
摘要: 为研究1,5-二叠氮基-3-硝基氮杂戊烷(DIANP)对发射药枪口焰的影响,以14.5 mm弹道枪为实验平台,采用高速摄影仪测试了不同DIANP含量的发射药枪口火焰参数;分析了DIANP含量及装药质量对枪口焰面积(A)、最大直径(C)、平均直径(Dmean)和积分光密度(IOD)的影响;分析了叠氮硝胺发射药枪口焰初始火焰、中间焰和二次焰的结构及持续过程。结果表明,在双基发射药中加入DIANP以后,火药力从1 170 kJ/kg增至1 189 kJ/kg,然后开始降低,发射药爆温基本呈线性降低;发射药爆温及燃烧气体产物组成共同影响枪口焰的形成,DIANP的加入增加了燃烧产物中可燃气体含量,但可以有效降低发射药的爆温;与无DIANP的双基发射药相比,添加DIANP可以降低发射药的枪口焰面积、最大直径、平均直径和积分光密度,当添加DIANP的质量分数为12.5%时,叠氮硝胺发射药样品无二次焰的产生,火焰持续时间为8 ms,比传统双基药降低71%。
关键词: 叠氮硝胺     1, 5-二叠氮基-3-硝基氮杂戊烷     DIANP     发射药     燃气组成     枪口焰     身管武器     火药力    
引言

随着身管武器系统的发展,发射药炮口火焰大的问题越来越受到重视。严重的炮口烟焰不但容易暴露发射阵地,甚至会造成武器无法正常使用,严重制约了高性能身管武器性能的发挥[1-2]

目前,常规发射药体系均处于负氧平衡状态,燃烧产物中有大量可燃气体[3-4],加大了产生炮口火焰的概率。提高发射药配方的氧平衡水平[5-6],以降低膛口气体中可燃气体比例,可抑制发射药炮口火焰的产生。另外,在发射药中添加碱金属化合物或外加消焰药包也能有效抑制炮口火焰[7-8],但是消焰剂的加入会导致炮口烟雾增加,而且还会导致膛压上升较快,不利于弹道性能的提高[9]

叠氮硝胺发射药是我国研制的高能低烧蚀发射药,1, 5-二叠氮基-3-硝基氮杂戊烷(DIANP)具有凝固点低、感度低、挥发性小、热稳定性好的优点,且与NC相容性良好,不仅具有优异的增塑性能,还具有高燃速、低燃温、燃气相对分子质量小、产气量大等优点[10-12],爆温比同能量级高能低烧蚀发射药低200~400 K[13]。将叠氮硝胺引入发射药配方,解决了提高能量和降低烧蚀之间的矛盾,从而研究出高能低烧蚀叠氮硝胺发射药,然而对于叠氮硝胺发射药枪口焰现象的研究较少。

本研究通过理论计算,分析叠氮硝胺发射药能量、爆温及燃气组成,采用高速摄影仪对枪口焰进行拍摄,研究叠氮硝胺发射药初始焰、中间焰和二次焰的形成及影响因素,为提高身管武器系统平台的生存作战能力提供技术支持。

1 实验 1.1 试剂与仪器

硝化棉,B型吸收药,辽宁庆阳化学工业公司;叠氮硝铵(DIANP),西安近代化学研究所;中定剂,重庆长风化学工业有限公司。

M1363型高速彩色摄影仪,德国Mikrotron GmbH公司,感光度1 280×1 024点,感光类型为CMOS,感光尺寸为12 μm×12 μm;X64Xcelera-CL LX1 Base采集卡,美国DALSA公司,全分辨率格式下帧数为1 000 f/s,图像输出格式为8 bit彩色。

1.2 样品制备

发射药配方由NC(含氮量12.7%)、硝化甘油(NG)和叠氮硝胺(DIANP)组成,采用半溶剂法挤压成型工艺,制备七孔发射药。

固定配方中NC质量分数为60%,增塑剂质量分数为40%。改变DIANP质量分数从0~40%以5%递增,对应的NG质量分数从40%~0以5%递减。按照吉布斯最小自由能法对不同DIANP含量的配方进行理论计算,所得火药力(f)、爆温(Tv)数据绘制于图 1中,主要燃烧产物组成见表 1

图 1 DIANP含量对火药力和爆温的影响 Figure 1 Effect of DIANP content on impetus and detonation temperature
表1 不同DIANP含量的叠氮硝胺发射药的燃气组成 Table 1 The combustible gas composition of azidonitraminegun propellant with different content of DIANP

图 1可见,随着DIANP含量的增加,火药力先增加后降低,发射药爆温基本呈线性降低,DIANP质量分数在12.5%左右时,火药力最大,为1 189.06 kJ/kg,爆温为3 552.13 K。

由于发射药中有效氧含量不足以彻底氧化所有可燃物,处于负氧平衡状态。在这种情况下燃烧过程中的氧分配近似规律为[2, 14]:先将C氧化成CO,剩下的氧分配于CO和H2之间,而将其进一步氧化生成CO2和H2O。因此发射药燃气中可燃气体的含量与发射药配方的氧平衡水平密切相关,即氧平衡增大时,燃气中可燃气体质量摩尔浓度降低;氧平衡降低时,燃气中可燃气体质量摩尔浓度增大。由表 1可见,由于DIANP氧含量比硝化甘油低,由DIANP部分取代硝化甘油后,造成发射药配方氧平衡降低,致使燃气中CO、H2的质量摩尔浓度增加。而发射药燃烧产物中可燃气体质量摩尔浓高是造成炮尾焰的主要原因之一[3-4],因此,DIANP在配方中含量不宜过高。

根据DIANP含量对发射药能量、爆温及燃气组成的影响分析,筛选能量较高的叠氮硝胺质量分数为12.5%和爆温较低的DIANP质量分数为20%的发射药配方,研究其枪口焰的形成。

1.3 枪口火焰试验

测试系统由弹道枪、高速数字摄影仪、数据采集处理仪、计算机和标杆组成。以14.5 mm弹道枪为实验平台,最大膛压260 MPa(铜柱测压),测试不同配方发射药枪口火焰参数。利用高速CCD相机,采用B门照相法进行枪口火焰面积检测,相机采集速度1 000 f/s,曝光速度0.1 ms。通过图像分析,将照片序列叠加,获得火焰叠加图,表示火焰整体传播过程,分析枪口焰叠加图的相应参数。进入图像处理程序进行图像处理,获得火焰面积(A),火焰周长(C)、火焰最大直径(Dmax)、火焰平均直径(Dmean)、火焰平均光密度(IOD,即枪口焰区域所有像素的灰度值的平均值)。火焰持续时间按式(1) 计算:

$t=\frac{n}{v}$ (1)

式中:t为火焰持续时间,ms;n为高速数字相机或高速数字摄影仪拍摄到的火焰图像幅数;v为高速数字相机或高速数字摄影仪的拍摄速度,f/s。

2 结果与讨论 2.1 枪口焰表征结果分析

取DIANP质量分数为0、12.5%、20.0%的3种发射药样品分别记为样品1、样品2、样品3,样品1~3,枪口焰参数见表 2

表2 不同发射药样品的枪口焰参数 Table 2 The muzzle flash parameters of different gun propellant samples

表 2可见,添加DIANP后,枪口火焰面积明显减小,未添加DIANP的发射药样品火焰面积为1.98 m2,平均火焰直径为0.18 m,光密度为162.14,而DIANP质量分数为12.5%的样品2,火焰面积减小至0.17 m2,平均火焰直径0.06 m2,光密度减小至133.34,无论从火焰大小还是亮度来看,消焰效果显著。而对于DIANP含量较高的样品3,火焰面积和火焰直径均有所增大,可能的原因是DIANP的加入致使发射药配方氧含量降低,火药燃气中可燃气体含量增加致使二次焰的产生,从而增加了枪口焰,使光密度较增大。

枪口焰可分为3个区域:初次焰、中间焰及二次焰。样品1~3的枪口焰叠加照片如图 2所示。

图 2 不同发射药样品的枪口焰叠加照片 Figure 2 Superposed graphs of the muzzle flash of different gun propellant samples

图 2可见,不添加DIANP的发射药由于爆温过高,致使枪口火焰大,初始焰、中间焰和二次焰并没有明显界限。而添加DIANP的两个发射药样品,可以在图中清晰区分初始焰、中间焰和二次焰。处于膛口的初次焰空间范围小且强度低,其是由膛口喷出的膛内气体粒子流的热激或流出枪口的火焰燃烧产物本身在枪口继续燃烧形成的火焰所造成的,由于受到马赫锥冲击波结构的限制,初始火焰结构是相似的[15]。由于出枪口后火药产物继续膨胀冷却,因而光密度迅速降低,其后即出现暗区。

3种发射药样品的枪口中间焰和二次焰结构有较大差异。由图 2(c)可见,添加质量分数20%DIANP的发射药配方,即使爆温有了大幅度降低,但是生成的燃烧气体中含有摩尔分数高达52.6%的可燃气体,未燃尽的高温火药可燃产物(约1500℃,与空气混合后约800~1200℃)卷入空气中氧气重新点燃发生爆燃从而引起二次焰(H2与O2点燃温度约500℃,CO和O2点燃温度约700℃),样品3产生的二次火焰范围、闪光强度都远远大于其中间焰。

图 2(b)可见,添加质量分数12.5%DIANP的样品2未产生明显的二次焰,发射药的爆温及燃烧其他产物组成共同影响枪口焰的形成,添加DIANP后可降低发射药爆温,与样品3相比,样品2可燃气体含量小,因此未产生明显的二次焰。

不同最大压强(pmax)下的样品2的枪口焰叠加照片如图 3所示,相应枪口焰参数见表 3

图 3 不同最大压强下样品2的枪口焰叠加照片 Figure 3 Superposed graphs of the muzzle flash of sample 2 at different maximum pressures
表3 不同最大压强下样品2的枪口焰参数 Table 3 Muzzle flash parameters of sample 2 at different maximum pressures

图 3表 3可见,枪口焰面积、直径随装药量增加而增加,主要原因是装药量增加,燃气总量大,样品2枪口焰以中间焰为主,在较高装药量下会产生较多的燃气产物,气体粒子流通过内部激波盘时,被再次压缩,对流能转换为气流内能,使温度上升到接近枪口的温度而发光,从而引起中间焰面积和强度的增加。

2.2 火焰持续过程分析

利用高速摄影仪记录了样品1~3的枪口焰传播过程,相机采集速度1 000 f/s,每1 ms取一张火焰照片,得到最大膛压260 MPa下的枪口焰传播过程如图 4所示。

图 4 发射药样品最大膛压260 MPa的枪口焰传播过程 Figure 4 The muzzle flash propagation process of gun propellant samples at a maximum bore pressure of 260 MPa

图 4可见,由于二次焰的产生,枪口焰持续时间明显增加,样品1火焰持续约28 ms,样品3约20 ms,而样品2火焰持续时间仅为8 ms,与样品1相比,火焰持续时间减少了71%。样品1由于中间焰强度高,中间焰的快速扩张引发二次焰的产生。而样品2和样品3由于爆温低,其中间焰强度低,火焰的持续时间相比样品1较短。对于样品1和样品3,由于二次焰的产生,其消退时间占火焰持续时间的一半以上。样品2由于未产生二次焰,其火焰持续时间较短。

3 结论

(1) 发射药爆温及燃烧气体产物组成共同影响枪口焰的形成。叠氮硝胺发射药具有高能低爆温等优点,添加DIANP可以提高发射药火药力和降低爆温,以降低枪口火焰;但添加DIANP会引起发射药配方氧平衡的降低,当添加的DIANP质量分数大于12.5%时,燃烧产物中可燃气体含量增多,不利于抑制枪口焰。

(2) 添加DIANP质量分数为12.5%的发射药配方中,爆温低于未添加DIANP的发射药,并且燃气中可燃气体含量少于添加DIANP质量分数为20%的发射药,射击过程中火焰面积最小,火焰持续时间最短。


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Effect of 1, 5-Diazido-3-nitrazpent on the Muzzle Flash of Gun Propellants
HU Rui, YANG Wei-tao, SHI Xian-rui, JIA Yong-jie, ZHAO Bao-ming     
Xi'an Modern Chemistry Research Institute, Xi'an 710065, China
Abstract: To study the effect of 1, 5-diazido-3-nitrazpent (DIANP) on the muzzle flash of gun propellant, taking 14.5 mm ballistic gun as the experimental platform, the muzzle flash parameters of gun propellant with different content of DIANP were measured by high speed camera. The effect of DIANP content and charge mass on the area(A), maximum diameter(C), average diameter(Dmean) and integral optical density(IOD) of the muzzle flash was analyzed. The structure and lasting process of primary, intermediate, secondary flash for the muzzle flash of azidonitramine gun propellan were analyzed. The results show that the impetus is increased from 1 170 kJ/kg to 1 189 kJ/kg and then decreases after the addition of DIANP in double-base gun propellant.The detonation temperature of gun propellant basically reveals a linear decrease. The detonation temperature and combustible gas composition together affect the formation of muzzle flash. With the addition of DIANP, the combustible gas content in combustion products increases but the detonation temperature of gun propellant effectively decreases. Compared with double-base gun propellant without DIANP, DIANP can reduce the area, maximum diameter, average diameter and integral optical density of the muzzle flash. As the mass fraction of DIANP is 12.5%, the azidonitramine gun propellant sample has no production of secondary flash and the flash duration time is only 8 ms, which is reduced by 71% compared with traditional double-base gun propellant.
Key words: azidonitramine     1, 5-diazido-3-nitrazpent     DIANP     gun propellant     combustion gas composition     muzzle flash     gun barrel weapon     impetus