（材料学专业论文）发射药静态燃气生成规律的模拟计算研究.pdf

硕士论文发射药静态港气生成规律的模拟计算研究 abs tract s ummanzethe 汕u e n c i n g fa c t o r ofb urni n g ra teth eor e t ic a 1 1 y a ft e r “ 题 d a great d e alof l i t e r a 奴 止 e ， 5 加 d yb o wto代 a 比 公t l l 已a p p ro a c l l of p ro p e l l 阳t ， sp r o g r e ss l v e c o m b 此t l on andits c o n tr o l l in gmeans， 胡d助a l y ze th ed al ab yty p ic aiv aj u e s . e x p o und t h c 让 侣 u 伍c i e n c y oftl a d i t 1 0 n 扣 于p r e s sure c o rr e c t l o n m e th o dinth e ab比a ct ， 即 。 刀 旧 a 们 口 沁aki n dofp r e s 朴co ti on 毗山 。 do v e ra l l p ro cessw 址 ch istl ” eof p r o peu a 刀 1 、c 。 功b ust l o nc o m p ar 田 gw l thconve n t i o 几 alm e th o ds， 比 。n o wm e th o d p r e s e n t p r a c t i c ais e 刀 e b ecause th e reisa dec le nsionw b e n we c 0 u n t th e b 以 苗 n g ” 鱿 e ofp ro pen a n t w l th g e o 川 亡 try com b ur e n t l a w ， soth e n 0 1 沁 nofrela t i v e p r e s sure1 m p u 1 s e isi n tr o d u ced w hi chcorr e s p o n d e n t s ta t l s t l c alave ra g e 面c k 刀 。 ssin此 l aw ofg 韶 绷 g e n e r 成 1 叽 u l t 如a te ly 朗 q 中 rethe 俨 一 z curve勿 p 一 t c 侧 ， e w chis 朴d byclo耐 b o 在 lb . e s t a b li shth e p r a c t 1 c almodel ofc 0 m b ust i 0 n找 戏 e abo u t p r o p e l l 斑 鸡明dfo rmat e th e 50肠 叭 此 扔ra na】。 gc a 】 c u l ation . c o m p a n n gw l t ht l l eb 川 卫 in gr a 加 丘 。 m c l o s ed 加m b ，th e new mo蒯 c 了 a e 此 朋刀 r c aused妙s h a p e ofp r 0 p ella o t ， the 梦 一 z c u r v e is 众 侣 c 找 目toth e li l t e rior b alli s t i c s y st e mofe q 钾t l ons tocou n t con o n ， s p ar aj 卫 e t e r . : p r o p ella n t ， b 山 卫 in g p r o gre s s iv e c o m b u s t l o n ， fo rm rate ， p r e s s u r e c o r r e cti比 m e t h o d， 丘 m c ti on ， a n a l og c a l c u l a t i o n 硕士论文发射药静态姗气生成规律的模拟计算研究 主要符号表 药粒长度 药粒内径 药粒外径 火药弧厚 火药力 弹丸行程长 药室自由容积缩径长 弹丸质量 平均压力 最大压力 点火压力 爆热 相关系数 炮膛横截面积 火药药粒起始表面积 时间 燃烧结束时间 温度 初始温度 燃速 药室容积 相对压力冲量，相对燃烧厚度 火药余容 装填密度 火药密度 火药己 嫩分数 火药气体生成猛度 气体的比容 相对行程 火药形状特征量 zcdo场zefl 今m 凡pa县rs凡t红tto u 肠 z 口 a 占 甲 r 口 a x，几 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人己经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名: 坷年 7 月 拍 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以 借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: 尸了 年了 月 夕 日 硕士论文发射药静态姗气生成规律的模拟计算研究 1绪论 l l课题研究背景及选题意义 控制发射药的燃烧反应和燃气生成规律，是充分发挥发射药高能量输出的 有效途径。 准确表征发射药的燃气生成规律， 能有效地指导发射药的选择及其装 药设计。在探索控制发射药燃烧规律的基础上，改善发射药及装药的燃烧性能， 可以 提高膛容利用系数和能量利用率， 达到提高出 炮口 动能的目的。 目前，燃速的测试方法依然是传统密闭爆发器测试方法。这种方法的核心 是假设发射药燃烧遵从几何燃烧定律， 利用燃烧层厚度的概念描述燃烧规律， 燃 烧方向垂直于药粒燃烧表面，燃速服从矶eille定律 r 二刀 p 口( 1 . 1 ) 在内弹道领域里，实验证明 vieille 定律有很大的实用性，到目 前为止，对于很多 新型的固体发射药，在其燃速的密爆测试中， v l e l ll e 定律依然适用。由 于密闭爆 发器法具有设备简单， 操作方便， 测试费用低等优点， 因此得到广大研究者的重 视。 目 前密爆的燃速测试方法仍存在着一定的不足， 比如， 火药的燃烧层厚度不 可能完全统一， 对于钝感、 包覆等发射药， 钝感层和包覆层每层的火药力均不相 同; 对于一些形状复杂的变燃速发射药， 它们的燃烧表面都不规则， 无法用形状 函数表达，因此用传统密爆测速难以表征其表观燃速。 然而， 无法确定形状函 数的发射药仍然存在燃烧层 ( p 一 t 曲 线仍 然可以 反 映出火药的燃烧层的厚与薄，薄火药先燃完，厚火药燃完时间较长) ，其厚度在 一定范围散布， 所以本论文摒弃药形尺寸给计算带来的误差， 引入与统计平均厚 度概念相对应的 相 对压力冲量，测定表 观燃速。 根据密闭 爆发器实测的p 一 t 曲 线最终得到少 一 2曲 线，能直接代入内弹道方程组进行计算。 1 . 2国内外研究进展 1 . 2 . 1然气生成速率方程 目 前， 国内 外对于发射药燃气生 成规律的 研究主要基于定容和变容 过程， 分 别讨论相关嫩气生成规律模型，从模型中得出影响燃气生成规律变化的因素。 对于定容过 程根据燃气生成速率方 程111: d 笋_ _ dz 一二 -=不。- 丁. 口j口1 ( 1 . 2 ) 甘r-i-t_ _5_ _从 e l d 俨*_ ， 兮一 r， 。 片下 厂， 不 一气， -， ， 二宁一 。 j 直ai哪 ( 燃 面 ) 和 塑 ( 燃速)有关。由此可 硕士论文 发射药静态嫩气生成规律的模拟计算研究 见， 对于有一定形状尺寸的发射药， 气体生成速率的变化规律决定于发射药的燃 烧面积和发射药燃烧速度的变化规律。 对于变容过程，根据内弹道学基本方程导出 ll: 坐 dt 今+ 1 恤r l + 。 一 与 川 业一 ， 。 + 。 碑 l sl 占 一 f dt j ( 13 ) 由1 . 3 式可知两个因素影响膛内变化规律，一个因素使压力上升，当发射药 台仕冲击籽别时 自仕斗出冶翻d 少猫今 、r 嘴 口二j 石 与盟皿石八曰j，灿卜 1 杀 一 习 二) 碑 内j 叼 匕月 汗盖-二- 声 侧 夕、， 心从 而 使 子 也 增 大 ;一个因素使压力 下 降 ， 弹 丸 运 动 速 度 越 大 时 ， 弹 后 空 间 增 长 越 快 ， 从 而 使 子 减 小 。 根据燃气生成规律模型的提出， 国内外普遍采用三种方法控制发射药的嫩气 生成: 燃速控制方法、 燃面控制方法和燃速燃面同时控制方法。 控制发射药燃速 主要通过在药粒中加入阻燃剂， 另一种方法是脱硝处理， 此外变燃速发射药的利 用也是其主要途径; 控制发射药燃面主要通过改变发射药的形状来实现， 包括多 孔发射药、开槽棒状药、低温碎裂;燃速燃面同时控制主要采用钝感包覆技术。 1 . 2 . 2试验方法 研究发射药燃气生成规律主要是依靠密闭 爆发器、中止燃烧及模拟器试验。 在发射药燃烧的静态分析方法中，密闭爆发器测试技术占有相当重要的地 位。 密闭爆发器是测量发射药在定容条件下燃烧过程中压力变化规律的一种试验 装置。 这种试验技术是内弹道学及装药学用于检测和研究发射药燃烧性能、 测定 弹道示性数的主要方法。 密闭爆发器法是一种间接测量方法， 影响其测量精度的因素很多， 其中包括: 发射药试样的几何尺寸误差及几何形状不标准对燃面求解的影响、测试系统误 差、 点火条件的影响、 热损失修正误差对燃速的影响等。 要使该方法得以工程应 用，必须提高其测试精度，也就必须对以上各种误差进行定量地研究. 找到其误 差规律，并减小总的误差，提高系统精度。由于各种测试方法的燃烧条件不同， 在提高密闭 爆发器中 燃速测试精度的同时， 要对其燃速与 其它方法燃速的相关性 进 行研 究， 找 到 其 相关因 素， 并 进行定 量 研究， 以 使得该方法得以 普 遍应 用， 并 逐步实现其标准化。 密闭 爆发器测试系统主要包括密闭 爆发器本体、 点火器、 压电 传感器、电 荷 放大器、 数据 采集 系统、 微机 ( 含软件) 及数据打印 等系统组成。 如图1 .2. 2 . 1 所 不 . 硕士论文发射药静态姗气生成规律的棋拟计算研究 图1 . 2 . 2 . 1 密闭 爆发器测试系统框图 密 闭 爆 发 器 的 本 体 是由 高 强 度 钢 制 成 厚 璧 圆 筒 ， 它 必 须 靠 特 殊 制 造 工 艺 来 保 证强 度。 一端装有点火塞， 在点火塞中装有点火药的电极，同时装有放气阀。 另 一端装有压电传感器测压。 试验时室温保持在20士2 范围。 本实验密闭爆发器 的容积设计成 l ood。容积是密闭爆发器的重要示性数，因为装药密度确定后， 压力是关键量，试验装置为 s oomp a的压力，因而限定了最大装药量。如果 p=50 o mpa ， 一 般装药p = 。 . 3 gl c m 3 ， 即 最 大 装药量为2 79。 容器的 准确 值用 滴定 管测量， 滴定管可以 精确到仪05n 止. 中 止燃烧是检验发射药的表面状态、 力学性能、 燃烧性能、 破孔率、 是否存 在反常燃烧的重要手段。 通过样品的中止样品研究， 可分析发射药及其装药的嫩 烧和力学性能、检测包覆火药的温度系数效果等。 对 于 包 覆 火 药的 研究， 中 止 燃 烧 具 有 更 加 重 要的 意 又。 模 拟 包 覆 火 药 在 膛内 的环境条件下， 使其在燃烧过程中突然御压而熄灭， 采用适当的方法回收药粒， 然后研究其破孔规律。 破孔律可以 预测包覆火药的质量， 预估装药的弹道温度系 数。 包覆火药的破孔律随中止压力的增加呈指数规律上升; 随温度的增加近似呈 直线的 规律下降，中止压力越高， 下降的 趋势越明显。 1 . 3本论文主要工作 本文针对传统压力修正方法的不完善性， 提出了一种适合于发射药燃烧全过 程的压力修正方法， 该方法更加具有实用价值。 对于无法确定形状函数的发射药， 几何燃烧规律不再适用， 因此引入一种崭新计算模型， 该模型摒弃形状函数带来 的 计 算 误差， 根据密闭 爆发器得出 的p 一 t 曲 线， 最终计 算得到梦 一 2曲 线，以 笋 一 2曲 线来表征发射药的 燃速。 本文的 主要工作包括: ( 1) 对发射药的燃速影响因素进行了归纳总结， 讨论了 在试验中消除影响 燃速测试因素的方法。 硕士论文发射药静态燃气生成规律的模拟计算研究 (2) 理论上研究了燃速渐增性的实现途径和控制方法。 (3)在理论上分析了传统压力修正方法的不足， 提出一种适用于火药燃烧 的全过程的压力修正方法。 (4)在p 一 t 曲 线热散失 修正的基础上， 建立了 基于与发射药统计平均厚 度概念相对应的相对压力冲量的燃气生成规律的模型。 (5)运用c 语言编制了发射药的燃气生成规律模拟计算软件， 并与几何燃 烧定律的计算模型对比分析本论文的模型。 硕士论文 发射药静态姗气生成规律的模拟计算研究 2发射药燃烧理论模型及燃速影响因素分析 讨论发射药燃烧模型的目的， 在于应用物理化学的基本观点揭示燃烧过程的 本质和各种现象， 以便阐述发射药嫩气生成规律。 而对燃速影响因素的归纳分析， 旨在实验过程中控制实验条件，减小影响因素所带来的偏差。 2 . 1发射药燃烧模型 2 . 1 . 1发射药然烧过程及特点 发射药的燃烧分为两大部分， 即药体和燃烧火焰。 根据实际情况， 药体表面 燃烧区分为固相加热区和凝聚相反应区;燃烧火焰部分分为暗区和火焰光亮区。 燃烧过程中，发射药气、固两相间的物理化学变化如图2 . 1 . 1 . 1 所示。 固相 融化层 气相 热传导 辐射明 - 一气相辐射吸收 对流 热解和光化学分解 气化 表面下化学反应 相 燃 料和 氧化 剂明 ， 一 氧化剂扩 的扩散和对流散和对流 图2 . l l i 发射药烟烧时的 物理化学变化 ( 1 )火药加热区 点火药燃烧后放出的热量或者由 于火药燃烧本身放出的热量， 通过传热， 很 快加热了火药表面层并向 火药的内 层传递， 使得接近表面层的一薄层火药温度升 高， 形成温度梯度。 这一层火药成为火药加热层。 其温度分布是由内向外从火药 初温to 逐渐增至不 . 在这一区， 药体软 化并且某些组分熔化， 但还没有发生化学 反应。 这一区域温度升高仅仅由 于传热， 完全属于物理变化过程。 加热层是火药 分解的准备阶段，它吸收和聚集着一定的热量，也是发射药燃烧的基础。 ( 2 ) 凝聚相反应区 凝聚相反应区是从燃烧表面至邻近的加热层界面的区域。此区除进一步软 化、 熔化外， 还产生蒸发、 热分解反应， 在凹陷部位大都充满着液态和气态物质， 并发现在燃烧表面有碳存在。 凝聚相区的 化学变化主要是硝化棉热裂解和硝酸酷 硕士论文 发射药静态姗气生成规律的模拟计算研究 基分解，在接近燃烧表面处还可能发生分解产物间的化学反应。其反应式为 r ， 刃 n 0 2 斗n 仇十r 一 心 h o吸热反应 +c l l 2 0 峥n o+h z o 放热反应 +ch刃峥 2 n 0+h ， 0 (3)混合相区 在正常情况下， 此区的凝聚态物质已 经完全气化。 这些化学反应都是放热反 应， 构成混合相区 较大的温度梯度该区的温度可以 达到7 001 0 00，反应放出 的热量约占火药总放热量的4 既左右。 混合相区的化学生成物主要是 no、踢和 co，当压力很低时，火药的燃烧可 能在混合相区中结束。 ( 4 )暗区 在这一区，中间产物继续反应主要的化学反应是n o 还原为姚和未完全燃烧 物质被氧化。这一区域温度大约在 1 5 00左右。这个温度还不够高，所以发射 药气体不发光。 暗区的长短随发射药燃烧条件而变化。 在低压或低初温下， 燃烧 气体散热较大， 暗区的化学反应很难进行， 这一区域无限增长， 而使燃烧过程中 断或停止。 而在高压下，暗区会被压缩， 气体浓度增大， 温度增高， 对周围介质 的热损失也会减小，化学反应速度加快。 ( 5 )火焰反应区 这一区直接与暗区相连， 火焰区的出现直接与气体的温度升高有关， 一般火 药气体加热至18 0 00 k 时即可开始发光。该区剧烈氧化还原反应式为: 2 n 0+c o+z h 忍 呻n : +c 压 +h z q+ 比 同样燃烧压力越高，火焰反应区至嫩烧表面的距离越近。 2 . 1 . 2嫩烧模型 目 前，发射药的 燃烧模型种类有很多， 主要有以 下几种: ( 1) 与温度有关的燃烧模型 从凝聚相到气相的转变控制着含能材料的燃烧， 这意味着发射药受热而达到 燃烧表面的温度是由 于其能量从火焰中 传递过来。 气相中一些非特定的能量导致 了 高 温分 解和多 相反 应。 这些影响归 纳到热流方程中 1 61: 臀 一 肇 = qlx ，小 补 了番 ( 2 . 1 ) 硕士论文发射药静态韶气生成规律的模拟计算研究 誓 = 沉 孔 身 瓜 ，。 ( 2 . 2 ) 当随着发射药的温度增加，对于其时间的计算，导出点火延迟的公式: t io， t 一 2。 招 、 、 岩 ( 2 . 3 ) ( 2 . 4 ) 2 .4式指出点火延迟时间正比于热解温度的平方， 反比于所传递能量的平方。 并且指出了在点火延迟和线性速率上物理化学参数对发射药的影响。 当 不考虑凝 聚相与气相间的能量转移以及化学反应时，引入2 . 5 式 。 = 一 鱼 二 二 一 声(2. 一 几) 2. 5 式说明 温度与线性燃烧速率的关系。 (2)凝聚相中的燃烧模型 ( 2 . 5 ) 如果从气相中转移的能量被忽略， 燃速就会达到一个最大值， 然而在化学反 应区域， 温度梯度很小， 燃烧速率的提高不能依靠反应的热分解而是要依靠化学 动力学，当dt/ 击:0 时，引入z e l d o v l ch公式 2 二 介 杨 cp (t. 一 to + 与 ( 2 . 6 ) 一些改进的双基发射药表现出平台效应意味随着压力的增加燃烧速率降低， 由于从凝聚相到惰性气体蒸发的反应改变， 在压力间隔内， 温度灵敏度是比较低 的。 ( 3 ) 多 孔发射药燃烧模型 多孔发射药和微孔发射药的燃烧不适用于vieill e 定律， v i e i ne定律不能直接 应用于多 孔发射药的 计算。 因此有些理论方法根据d ar c y 定律假定了 火焰 燃气会 穿透多孔发射药， 由2 .7式可知燃气生成速率正比 于气压梯度和发射药本身的 渗 透性。 夕= 一 气 场(2.7 ) 发射药孔内的 燃气生成的过热点转变为类似于球面的燃烧区域， 这导致了 嫩 烧表面面积的增加， 结果得到更高的燃烧速度。 因此不得不考虑离火焰较远距离 带来的 影响。 对于多 孔发射药， 其内 弹道计算的实现由 两个不同的模型获得: 现 象学模型和热点模型 ( 利用热流方程的简化模型) 。现象学模型适用于含能材料 硕士论文 发射药静态姗气生成规律的模拟计算研究 然烧的线性速率， 另外基于诺贝尔方程， 其密爆测试的绝热凝结上升。 多孔发射 药的内部结构能够对实验中的燃烧现象作定性的描述， 包括密度、 状态方程、 孔 径大小、 孔隙分布的变化产生的影响， 还包括实验参数的改变所带来的影响， 例 如装填密度。 (4)气相的燃烧模型 对于描述凝聚相的临时方法是建立恒等式， 并且这些气态种类的分子分数最 初是 在混合物的 凝聚相中出 现。 应用传统的高 温分解定律l3 】 : m= 凡e x p ( 一 e ， / r t.)( 2 . 8 ) 对于单体而言， 要假定发射药不同类的表面产物。 然后按照硝化反应的分配 简单地计算， 最终， 根据发射药的表面产物计算燃速。 简单的说， 首先要注明该 推进剂的类型并且选择适合该类型推进剂的高温分解定律。 接下来， 计算推进剂 初始温度和该压力下的焙。同时要计算产物表面气体的烙。焙的差值乘以质量 ( m) 就是凝聚相转换到推进剂表面产物的热通量。 发射药的转变率和表面温度 定义了 一维的 预混气相问题。 这个问 题输入到一维的燃烧规律里， 用气相燃烧结 构的解决方法来计算发射药表面的热通量。 2 . 1 . 3 本论文招烧模型 以上所建立的燃烧模型大多适用于特定药型以及一定的环境因素下发射药 的燃烧过程， 对于无形状函数的发射药，以上模型便不再适用。 实际上， 无法确 定形状函 数的发射药仍然存在燃烧层 ( p 一 t 曲 线仍然可以 反映出火 药的 燃烧层 的厚与薄，薄火药先燃完，厚火药燃完时间较长) ，其厚度在一定范围散布， 所 以本论文摒弃药形尺寸给计算带来的误差， 引入与统计平均厚度概念相对应的相 对压力冲量2 ，测定表观燃速。 定义相对压力冲量2: pdt 2分炭 丫 甲 f l 、 tt ( 2 . 9 ) 在装填密度、 火药密度、 火药力、 余容已 知的情况下，由 计及点火药气体压 力在内的 火药气体方 程导出 发射药已 燃百分数价 俨 = f 凡 一 pb l +j 一 ( 2 . 1 0 ) 假定火药气体生成率的函数形式，采用四次多项式表示: 硕士论文 发射药静态姗气生成规律的模拟计算研究 笋 = 叽+ 哟 2 + 俨 2 2 2 + 梦 3 2 3 根据前面的 实验数据点由 最小二乘法 确定 系数笋 。 ， 尹 1 泄2 ， 妈， ( 2 . 1 1 ) 最小二乘法求 解叽粼， ， 叭， 叭的 公式如下: 叽、 4 十 叭 艺各十 叭艺刁+ 妈 艺刁= 艺哟 钾 。 、 艺乙 十 料 艺2 产 + 笋 2 艺刁+ 妈艺刁= 艺乙 叭 梦 。 “ 艺刁十 叭 艺 胃+ 俨 2 艺 2，4十 梦 3 艺 刁 叽、 艺胃十 梦 ， 艺z，+ 笋 : 艺澎十 叭 艺对 艺考哟 艺刁 妈 ( 2 . 1 2 ) 求解此方程，即可获得钱粼， ， 叭， 妈。 由 此得到的发射药气体生成率函数完全由实际数据得到， 与发射药具体形状 无关，更接近于实际。 将上面计算得出俨 一 2 值直接代入到内 弹 道方 程组进行计算。 以 下为求解内 弹道方程组的 计算方法。 燃气生成速率方程: 梦 = 妈+ 哟 2 + 叭护+ 妈 才(2.13 ) 相对压力冲量方程: f pdt 2 = 贵= 万 彻 ( 2 . 1 4) 弹丸运动方程川 : = sp( 2 . 1 5 ) dy-dt 卿 弹丸速度方程1 : ( 2 . 1 6 ) 内 弹道学基 本方捏11 : 今(i 十 今 ) ， 夕 了 。梦一育癸 朔v - 名 ( 2 . 1 7 ) 式中 夕 = k 一 1几一 10f l 一 三 (1_ 。 )一 刁 方 程 组 的 起 始 条 件 是1 = 。 时， ， = 。 ， p = 几， ， = 0 及1 的 变化范 围 。 飞几 . 硕士论文 发射药静态始气生成规律的模拟计算研究 方程组中共有t 、笋、2 、p 、v 、1 六个变量，以t 为自 变量。由 龙格 一库塔法 求解得出俨、2 、p 、v 、1 的 值。 综上所述， 俨 一 2曲 线反映了 发射药实际的 燃气生成规律。 该模型摒弃了 药 型尺寸所带来的误差，更适用于在密爆测试中对发射药燃气生成规律的研究。 2 . 2影响燃速因素的分析 影响嫩速的因素是多方面的， 本论文只分析讨论其内部因素， 其中包括: 气 体状态方程、 火药成分、 初温、 密度、 压力、 火药表面气流、 装药量和形状函数。 ( ” 气体状态方程的影响 发射药在火炮中燃烧产生高温高压的气体， 这就是推动弹丸的能量来源。 因 此要掌握射击时的膛内 压力变化规律和弹丸运动的规律， 就必须研究发射药气体 的压力、 温度与比 容之间的关系， 也就是发射药气体的状态方程。 其状态方程包 括: 范德瓦尔方程 (p， 粤) ( 。 一 “ ) = 二 口 ( 2 。 1 8 ) 克劳修斯方程 尸( 山一 a )二 尸 r ( 2 . 1 9 ) 库克方程: 止一 。 ( 几) pg ( 2 . 2 0 ) t r 一一 ，les.sej 由 于梦 = f(凡) 的 关 系 式由 状 态 方 程导出 ， 因 此 在不 同 情 况 下， 对 于 不同 状 态方程的选取，嫩速也会不同。 ( 2 ) 火药成分对燃速的影响 一般说， 火药的能量越大， 燃速也越大， 因为火药的能量和燃速都与火药的 成分有关。对于硝化棉火药而言， 含氮量越高燃速越大，对硝化甘油火药而言， 所含硝化甘油比 例越大燃速越大。 除了这些基本成分外， 火药中的其他附 加成分 对燃速或多或少都有影响。 例如火药中的安定剂可降 低火药中的总热量， 使火药 在高 压下的燃烧速度降低， 但安定剂可以 加速固 相反应区的速度， 因此可以 加速 低压下的燃烧速度。 ( 3 ) 火药初温对嫩速的影响 火药初温的 增加实际上就表示火药的 起始温度较高， 因此在接受相同 热传导 的热量时使固 相的分解速度增高， 从而使整个燃烧速度增加。 其函数关系如公式 l 0 硕士论文发射药静态始气生成规律的模拟计算研究 2. 21 所示 u = t一 兀 1 叼艺( 2 ， 2 1 ) (4)火药的密度对燃烧速度的影响 在一般情况下， 由于密度增加使火药气体渗透到药粒内 部的可能性减小， 因 而使燃速减小。 ( 5 ) 压力的影响 在燃烧过程中， 压力对燃烧速度所起的作用是比较复杂的。 压力不仅影响其 相中的化学反应速度， 而且还影响火焰的结构和燃烧中的各种物理过程。 例如压 力的增加， 使暗区和混合相区压缩， 高温火焰区接近火药的表面， 加速了火焰区 向火药表面的传热作用， 从而促进了固相的火药的分解速度。 此外， 压力增加时 也加大了气相物质的密度，加速了气相化学反应速度和加大了气相的热传导系 数。 ( 6 ) 火药表面气流的影响 如果发射药置于流动的气体环境中燃烧， 气体的流动方向和流速对发射药嫩 烧有显著影响。 因为气体流动状况对热量传递和燃烧产物的 质量输送起着重要作 用。 因此发射药的 燃烧速度不仅取决于本身的属性还与环境有着密切关系， 如在 燃烧长的火箭火药时， 会产生侵蚀燃烧现象， 燃烧产物沿火药表面流动状态对燃 烧的影响是不可忽视的， 表明流速较大的一端火药燃烧较快， 因此经过一定时间 后， 原来尺寸均匀的长管状药烧成喇叭口 形状。 对于炮药， 也存在侵蚀燃烧现象， 多孔火药嫩烧速度是受药粒外表面和内表面气体的影响， 这种气流影响在燃烧时 破坏了药粒的匀称性。 ( 7 ) 装药量与初速的关系 装药量的 增大必然导致初速的增大， 就单发炮弹而言， 装药量对初速的影响 是显著的。 发射药燃烧的不均一性是影响初速稳定的重要因素， 而点火过程的不 稳定造成发射药燃烧的不均一。发射药的非正常燃烧会造成膛内恶劣的动力环 境， 加剧初速的跳动。 因此， 在点火条件保持基本一致的情况下， 对装药量而言， 正常范围内的随 机波动 对初速的 稳定性影响并不显著1431。 ( 8 ) 形状函数对燃速的影响 火药烧燃具有一定的规律性，因此对于一定形状的火药而言，已 燃相对厚度 乙 相对燃烧面叮 和己 燃相对重量甲之间应该存在一定的函数关系。 例如带状药 口= 卜2 之 2 + 3 尸 2 2 硕士论文发射药静态招气生成规律的模拟计算研究 用三项式进行弹道计算是十分烦琐的，难于用分析方法计算。为简便起见， 用形状函 数特征量x : 和凡表示的 二项式来代替三项式. 显然， 用二项式代替三项式， 必然会引 起误差， 为了尽可能减小误差， 则必 须使得二项式和三项式所表示的甲一 2曲 线尽可能的重合同 。 2 3实验中影响因素的消除方法 在实验过程中，由于发射药的燃速受以上因素的影响， 燃速会存在明显的偏 差，因此要严格控制好测试条件，减小这些因素所带来的误差。 首先在样品的加工过程中， 管状药的长度和多孔发射药的弧厚都要有一定的 限制， 否则在实验过程中会产生侵蚀燃烧现象， 而影响发射药的燃速。 此外， 在 样品的选取上要选择同批次的发射药， 以保证发射药的密度符合实验要求。 由 于 发射药加工工艺方面的原因， 有些样品存在一些疵病， 例如， 端面倾斜、 切药毛 刺、 药体弯曲 等， 因此对样品的表面要进行打磨处理， 使其符合实验要求。 此外， 样品需要在被试温度 (20 )下保持至少 sh，以避免初温对燃速的影响。实验 时，点火压力要控制在 10mp a ，以避免因压力过大而加快发射药的分解速度。 通过实验过程中对测试条件的严格控制， 得到较为准确的发射药燃速， 为第 五章的模拟计算提供了较为完备的实验数据。 硕士论文 发射药静态然气生成规律的模拟计算研究 3发射药的然气生成规律控制方法研究 3. 1 控制发射药燃气生成规律的理论基础 发射药是身管武器的推进能源。 发射药的化学能通过燃烧释放出来， 产生大 量的高温高压气体， 推动弹丸向前运动而做功， 膛内 气体的压力是其做功的关键。 发射药在膛内 燃烧时， 其压力变化有这样一个过程: 发射药燃烧， 释放出大量的 气体使膛内压力升高; 而弹丸向前运动时，膛内 容积增加，又使膛内 压力下降。 在弹道过程前期，前者的作用大于后者，所以 压力升高， 而在弹道过程的后期， 后者的 作用大于前者， 膛内压力下降， 尤其是发射药燃烧结束以后， 压力下降更 快。 因此， 对于普通制式发射药， 其膛内压力一 时间曲线往往出现一个较陡的峰， 如图 3 . 1 . 1 中的曲 线a ， 由 于炮管强 度必须按照最大压力p 。 来设计， 因此， 图 3. 1 . 1 中的曲 线a既不能充分利用发射药的能量也不能有效利用身管的强度。 如果能使 膛内 压力一 时间曲 线发生变化， 如图3 . 1 . 1 中的曲 线b ， 即降低最大压力， 而在最大 压力处保持一段时间，形成所谓的 “ 平台现象”， 让发射药继续烧到弹丸接近炮 口时才烧完。 这就要求发射药燃烧时的气体生成量是逐渐增加的， 尤其是在最大 压力以 后， 发射药气体大量生成补偿由于膛内容积增加而引起的压力下降， 这样 才能提高弹丸的初速，充分利用发射药的能量。 图3. l i膛内p 一 1 曲 线示意图 由弹丸运动方程: 如成= 梦 ” z v 内( 3 . 1 ) 积分得 ， r p dl 一 ， 犷 ( 3 . 2 ) 于是有 硕士论文发射药静态嫩气生成规律的模拟计算研究 v 。 = 三 些 里 ( 3 一 3 ) 卯月 式 中 : ， 一 r 衅即 为 膛 内 ， 二 曲 线 下 的 面 积 ， 可 见 面 积 越 大 vo 越 大 。 而 ， 一 曲 线下的 面 积正比 于p 一 t 曲 线下的 面积， 当 形成“ 平台 现象” 时， p 一 t 曲 线下的面 积明显增加，所以弹丸的初速显著提高，从而提高了发射药的能量利用率。 要想做到这一点， 就必须控制发射药的燃烧规律， 使发射药在膛内的燃烧具 有很强的渐增性， 即发射药的能量在弹道过程的前期缓慢地释放， 而在弹道过程 的后期，达到膛内最大压力以后发射药燃烧的气体大量生成。 对于定容过程，其推导过程如下: 设发 射药的 半径为r ，表面积为 5， 如图3 . 1 .2 所示 图3 1 ，2 发射药切面示意图 由几何燃烧定律可知 d 梦_ dz . 下了 牛 尤口 几丁 口r口1 ( 3 . 4) 式 中 ， x 一 丛， cr 一 李， 。 = 4 澎 ai百 1 方程3 . 4 式两边对了 求导可得: d z 笋 dt2= 、 r令 2 、 一 令 ( 3 . 5 ) 少俨_ _ ， dr、 2 一 ， 1 尸 气 1 dt dt 即发射药的燃气生成速率正比于尸， 假定r oct ，则发射药的燃气生成速率 正比于尸，即当尸中的指数n 在一定范围内 越高，则发射药的渐增性越好。 对 于 变 容 过 程 ， 由 于 ， 越 大 ， 弹 后 空 间 增 长 越 快 ， 而 使 零减 小 。 dt 1 =v xt( 3 ， 6 ) 二_， 一一 二一协. dp， ， ， 、 ，、 一二 _， 、 ， 一 ，“。 ，、 . ， 出j 力八叫翔v 优t ，州- 丁oct ，囚此理迁瑙朋及盯约明服气王取里，朴侩 at 弹后空间，以达到类似平台效应。 硕士论文 发射药静态遨气生成规律的模拟计算研究 3 .2发射药的燃气生成控制方法分类 3. 2. 1发射药的姗速控制技术 发射药的嫩速是指发射药嫩烧表面层沿发射药表面的法线方向退去的速度 或固体消失的速度。若在dt时间内燃去的厚度为de，则燃速u 为 ( 3 . 7 ) de一dt 一 u 控制发射药的燃烧速度，使其燃烧具有高渐增性，即改变发射药的燃速， 在 嫩烧的初期燃烧速度较慢， 而在后期燃烧速度加快。 影响发射药燃烧反应的因素 主要有活化能、 成份、 催化剂、 温度和压力等， 当发射药的组成和使用条件确定 以 后， 根据使用环境来看， 用外界的方法来控制其燃烧速度是不可行的。 而内在 的因素也只有从发射药的成份来考虑， 为此我们采用在药粒中加阻燃剂的方法来 控制发射药的燃速。 这种方法是将小分子阻燃剂溶于适当的溶剂中， 制成悬浮液， 然后将制式药粒放入悬浮液中， 让低分子阻燃剂向发射药内部渗透， 达到一定的 深度。 要想使发射药的燃烧具有渐增性， 阻燃剂在发射药内部不能均匀分布， 必 须 形 成一 个梯 度。 在发 射药的 表面阻 燃剂 含量最 高， 燃速最 低， 越往 发 射药 粒内 部， 阻燃剂含量越小， 燃速将逐渐增加， 这样就能形成渐增性燃烧。 阻嫩剂的梯 度分布应是一种动态平衡，即在发射药的有效贮存时间内 这种浓度梯度一直存 在，并保持相对稳定。 阻燃剂在发射药粒内形成这种浓度梯度有两种主要的途径: 一是利用发射药 成份与阻燃剂的互溶性， 另一种是利用阻燃剂简单的物理迁移。 互溶性方法主要 用于含硝化甘油火药的阻燃处理， 其原理是利用阻燃剂与发射药中硝化甘油的 互 溶性， 让阻燃剂逐步渗透到发射药的内 部并稳定下来。 可见这类阻燃剂是溶于硝 化甘油的， 如苯二甲 酸二丁醋、 苯二甲 酸二异丁醋、 苯二甲 酸二苯酷等， 后两者 更适合于硝化甘油含量较高的发射药， 实验发现苯二甲酸二丁酷渗入发射药内 部 较深， 苯二甲酸二苯酷则不易达到这一深度，然而苯二甲酸二苯酷的浓度梯度更 容易稳定。 物理迁移是利用阻燃剂分子对硝化纤维素有一定溶解作用， 而逐渐向 发射药 粒内 部迁移， 最后达到某种动态平衡的方法。如二甲基丙烯酸乙二醇醋、丙酸乙 二醇酷和二轻基钦酸醋，这些有机酷熔点低于45，沸点高于250 ，其浓度梯 度的稳定性比常用的阻燃剂如硝基甲 苯、中定剂、苯二甲酸烷基醋等要好的多， 后面的几种阻燃剂其浓度梯度不易稳定， 容易在药粒内部扩散分布均匀， 降低发 射药的燃速控制效果。 还有一种方法是脱硝处理， 用水将药粒中水溶性的含氮化合物溶解出 来， 形 成多气孔结构， 这种气孔从外到内 逐渐减少， 再进行阻燃处理使阻燃剂充满孔内 硕士论文 发射药静态嫩气生成规律的模拟计算研究 达到饱和， 这样阻 嫩剂从外到内 有一个梯度分布。 另外， 在燃速控制技术中， 有一种方法是加入燃速催化剂， 如氧化铅、 氧化 铜等， 这些催化剂能使发射药的燃速随温度的变化减小， 从而降低发射药的弹道 温度系数， 这种方法在火箭发射药中应用效果比 较明显， 而在火炮发射药中的应 用还正在研制中，没有取得成功。 3. 2. 2发射药的 嫩面控制技术 控制发射药燃烧技术的重要途径之一就是控制燃烧面积。 从控制燃速技术的 研究看， 都存在化学稳定性问题， 要验证它们的稳定性还需做更多实验， 而燃面 控制技术则是一种更为实用的技术。 燃面控制技术即控制发射药在燃烧初期的嫩 面较小， 而在最大压力以后燃面突然增加， 气体生成量增加， 使p 一 t 曲线出现平 台现象， 提高弹丸初速， 从而提高发射药的能量利用率。由于起始阶段的燃烧面 积较小，增加了弹道发射过程的安全性。同时控制不同温度下燃面的变化规律， 还可以降低弹道温度系数( 即在各温度下发射时弹道性能差别变小) ， 所以 研究渐 增性燃烧的燃面控制技术是极为重要的。 ( 1 )多孔发射药技术 传统的增面技术是多孔发射药技术，方法是在粒状发射药上开无数个小孔， 截面如图 3 .2. 2 . 1 所示，小孔燃烧时， 孔径逐渐变大， 则燃面增加。 在相同的p 。 下 以 某100 爪 m 火炮为例， 初速与孔数的关系如表3 ，2. 2. 1 ， 这说明随发射药孔数增多， 初速增加， 但是随着孔数的增多， 装药的燃烧表面与药重之比反而下降， 不利于 提高装药的能量利用率。 而且， 发射药孔数越多， 加工越困难， 因此靠多孔来控 制发射药的增面燃烧，内孔不是越多越好， 一般多孔药做到19孔，要想再增加燃 烧面积， 就要采用其它的方法。 图3. 2. 2. 1 多孔发射药示意图 硕士论文 发射药静态遂气生成规律的模拟计算研究 表3. 2. 2 . 1 7 多孔发射药孔数与初速的关系 孔数 初速/m.s-l9 0 89 3 99 5 8 9 649 679 69 装填密度0. 7450.8 2 9o j 00. 900. 9260. 926 g c 山 刁 (2) 开槽棒状药技术 开槽棒状发射药的结构和开裂过程如图3. 2. 2. 2 所示， 它是在棒状药中开几道 暗槽，药柱的两面进行封端， 封端技术有丙酮溶解封端、沥清封端等方法。封端 以 后， 药柱开始燃烧时， 暗槽不暴露在灼热的发射药气体中， 发射药呈现单一的 减面燃烧。 在最大压力点后的压力下降阶段， 发射药燃烧至暗槽，药粒分裂成几 块，致使燃烧面积在此时大大增加，增大了气体生成速率，压力再上升1 次，但 第2 次压力峰值不超过第1 峰值。 由于压力曲线比一般的制式发射药丰满， 能明显 地提高弹丸的初速， 从而提高了发射药的能量利用率。 这种开槽棒状药的装填密 度比粒状药有较大的提高， 从而增加了做功的能力。 同时在弹道初期没有过大的 燃烧表面， 避免了 装药量增加而引起的最大压力增长。 由于分裂后燃面突然增加， 保证了在弹丸离开炮口时，装药能全部烧完。 二 = ) 图 3 忍 .2 j 开槽棒状发射药的结构和开裂过程 (3) 低温碎裂技术 低温碎裂技术主要用于降 低发射装药的弹道温度系数。 方法是在装药中预制 微裂缝， 然后根据热胀冷缩的原理， 低温时微裂缝张开， 增加发射药的初始燃面: 高温时微裂缝消失，减少发射药的初始燃面，补偿了不同温度下de/ dt的变化， 使不同 温度下的d 尹 / dt一致， 降低了 发射药装药的 弹道温度系数。 实现该技术的 途径有: 用两种以上的小粒药制成大粒药， 粒与粒之间存在裂缝: 将球形药 进行辗压， 在辗压过程中， 出现细小裂缝: 采用固结装药， 这种装药可能在低 温燃烧期间具有更大的增面性， 达到降 低甚至消除弹道温度系数。 方法是将发射 药颗粒掺入到发射药基体中， 利用高、 低温下颗粒与基体间 粘结能力的差异获得 发射药装药的低温度系数。 这是由 于低温下颗粒与基质的结合能力下降， 形成越 来越大的发射药燃面， 随温度的升高， 颗粒与基质的粘结能力增强， 减少了相界 硕士论文 发射药静态嫩气生成规律的模拟计算研究 面， 通过调节基体中 颗粒的比 例及形状， 达到降低温度系数的最佳效果。 利用这 种技术已获得了 低温初速大于高温初速的弹道结果。 3 2 )发射药的 燃面斑速同时控制技术 火药钝感包覆技术所采用的方法是用高分子阻燃剂对多孔粒状药的表面进 行包覆， 使多孔粒状发射药的内 孔在膛内燃烧初期不参与燃烧。 而当膛内压力达 到一定值时，包覆层破孔， 内孔开始燃烧，发射药气体生成速率迅速增加。包覆 层破孔具有瞬时 燃面增大的作用， 破孔后内 孔的 燃烧也具有增面性， 控制了发射 药的燃烧面积， 高分子包覆层具有阻燃作用， 燃烧缓慢， 而当其燃烧以后发射药 本体的燃速又突然增加， 包覆层控制了发射药的姗烧速度， 两者共同作用的结果， 比单一的燃速或嫩面控制技术具有更强的渐增性。 控制包覆层的厚度就能控制出 现增面性的时间， 按照需要将能量送入p 一 t 曲线的预定区， 实现最佳弹道效果， 提高发射药的能量利用率。 对于燃面控制技术的发射药， 其多孔发射药药型尺寸符合几何燃烧定律， 传 统密爆测试不存在偏差， 但低温碎裂技术使得发射药内 部含有细小裂缝， 传统密 爆测试仍然存在偏差; 对于燃速控制技术的发射药以 及钝感包覆发射药， 其燃烧 层厚度不统一， 每层的火药力也均不相同， 传统密爆测试明 显存在不足。 基于以 上情况， 本论文引 入相对压力冲量2，由 密闭 爆发器测得的p 一 t 曲线直接计算 得到俨 一 2曲 线，以梦 一 2曲 线表征发射药的 燃速，从而克 服了药型尺寸对于发 射药燃速测试的限制。 硕士论文 发射药静态地气生成规律的模拟计算研究 4一种燃烧压力修正方法的分析 当火药在密闭爆发器燃烧时， 由于传热必然有一部分火药气体的热能消耗于 对器壁的加热。 同时， 容器在高温高压的火药气体作用下产生热形变和弹性形变， 使药室容积增大，即火药气体作了膨胀功。 这就使火药气体的热能进一步消耗， 转化为储存于器壁中的位能。 根据能量守恒定律， 这些能量间的相互转化关系可 以表示为 “ 一 犷 dq + c ( 4 . 1 )