胡 睿,楊偉濤,石先銳,賈永杰,趙寶明

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

疊氮硝胺對(duì)發(fā)射藥槍口焰的影響

胡 睿,楊偉濤,石先銳,賈永杰,趙寶明

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

為研究1,5-二疊氮基-3-硝基氮雜戊烷(DIANP)對(duì)發(fā)射藥槍口焰的影響，以14.5mm彈道槍為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用高速攝影儀測(cè)試了不同DIANP含量的發(fā)射藥槍口火焰參數(shù)；分析了DIANP含量及裝藥質(zhì)量對(duì)槍口焰面積(A)、最大直徑(C)、平均直徑(Dmean)和積分光密度(IOD)的影響；分析了疊氮硝胺發(fā)射藥槍口焰初始火焰、中間焰和二次焰的結(jié)構(gòu)及持續(xù)過(guò)程。結(jié)果表明，在雙基發(fā)射藥中加入DIANP以后，火藥力從1170kJ/kg增至1189kJ/kg，然后開(kāi)始降低，發(fā)射藥爆溫基本呈線性降低；發(fā)射藥爆溫及燃燒氣體產(chǎn)物組成共同影響槍口焰的形成，DIANP的加入增加了燃燒產(chǎn)物中可燃?xì)怏w含量，但可以有效降低發(fā)射藥的爆溫；與無(wú)DIANP的雙基發(fā)射藥相比，添加DIANP可以降低發(fā)射藥的槍口焰面積、最大直徑、平均直徑和積分光密度，當(dāng)添加DIANP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.5%時(shí)，疊氮硝胺發(fā)射藥樣品無(wú)二次焰的產(chǎn)生，火焰持續(xù)時(shí)間為8ms，比傳統(tǒng)雙基藥降低71%。

疊氮硝胺；1,5-二疊氮基-3-硝基氮雜戊烷；DIANP; 發(fā)射藥；燃?xì)饨M成；槍口焰；身管武器；火藥力

引 言

隨著身管武器系統(tǒng)的發(fā)展，發(fā)射藥炮口火焰大的問(wèn)題越來(lái)越受到重視。嚴(yán)重的炮口煙焰不但容易暴露發(fā)射陣地，甚至?xí)斐晌淦鳠o(wú)法正常使用，嚴(yán)重制約了高性能身管武器性能的發(fā)揮[1-2]。

目前，常規(guī)發(fā)射藥體系均處于負(fù)氧平衡狀態(tài)，燃燒產(chǎn)物中有大量可燃?xì)怏w[3-4]，加大了產(chǎn)生炮口火焰的概率。提高發(fā)射藥配方的氧平衡水平[5-6]，以降低膛口氣體中可燃?xì)怏w比例，可抑制發(fā)射藥炮口火焰的產(chǎn)生。另外，在發(fā)射藥中添加堿金屬化合物或外加消焰藥包也能有效抑制炮口火焰[7-8]，但是消焰劑的加入會(huì)導(dǎo)致炮口煙霧增加，而且還會(huì)導(dǎo)致膛壓上升較快，不利于彈道性能的提高[9]。

疊氮硝胺發(fā)射藥是我國(guó)研制的高能低燒蝕發(fā)射藥，1,5-二疊氮基-3-硝基氮雜戊烷(DIANP)具有凝固點(diǎn)低、感度低、揮發(fā)性小、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，且與NC相容性良好，不僅具有優(yōu)異的增塑性能，還具有高燃速、低燃溫、燃?xì)庀鄬?duì)分子質(zhì)量小、產(chǎn)氣量大等優(yōu)點(diǎn)[10-12]，爆溫比同能量級(jí)高能低燒蝕發(fā)射藥低200～400K[13]。將疊氮硝胺引入發(fā)射藥配方，解決了提高能量和降低燒蝕之間的矛盾，從而研究出高能低燒蝕疊氮硝胺發(fā)射藥，然而對(duì)于疊氮硝胺發(fā)射藥槍口焰現(xiàn)象的研究較少。

本研究通過(guò)理論計(jì)算，分析疊氮硝胺發(fā)射藥能量、爆溫及燃?xì)饨M成，采用高速攝影儀對(duì)槍口焰進(jìn)行拍攝，研究疊氮硝胺發(fā)射藥初始焰、中間焰和二次焰的形成及影響因素，為提高身管武器系統(tǒng)平臺(tái)的生存作戰(zhàn)能力提供技術(shù)支持。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

硝化棉，B型吸收藥，遼寧慶陽(yáng)化學(xué)工業(yè)公司； 疊氮硝銨(DIANP)，西安近代化學(xué)研究所；中定劑，重慶長(zhǎng)風(fēng)化學(xué)工業(yè)有限公司。

M1363型高速彩色攝影儀，德國(guó)Mikrotron GmbH公司，感光度1280×1024點(diǎn)，感光類(lèi)型為CMOS，感光尺寸為12μm×12μm；X64Xcelera-CL LX1 Base采集卡，美國(guó)DALSA公司，全分辨率格式下幀數(shù)為1000f/s，圖像輸出格式為8bit彩色。

1.2 樣品制備

發(fā)射藥配方由NC(含氮量12.7%)、硝化甘油(NG)和疊氮硝胺(DIANP)組成，采用半溶劑法擠壓成型工藝，制備七孔發(fā)射藥。

固定配方中NC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，增塑劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%。改變DIANP質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0～40%以5%遞增，對(duì)應(yīng)的NG質(zhì)量分?jǐn)?shù)從40%～0以5%遞減。按照吉布斯最小自由能法對(duì)不同DIANP含量的配方進(jìn)行理論計(jì)算，所得火藥力(f)、爆溫(Tv)數(shù)據(jù)繪制于圖1中，主要燃燒產(chǎn)物組成見(jiàn)表1。

圖1 DIANP含量對(duì)火藥力和爆溫的影響Fig.1 Effect of DIANP content on impetus and detonation temperature

由圖1可見(jiàn)，隨著DIANP含量的增加，火藥力先增加后降低，發(fā)射藥爆溫基本呈線性降低，DIANP質(zhì)量分?jǐn)?shù)在12.5%左右時(shí)，火藥力最大，為1189.06kJ/kg，爆溫為3552.13K。

表1 不同DIANP含量的疊氮硝胺發(fā)射藥的燃?xì)饨M成

注：w為疊氮硝胺的含量；b為每千克發(fā)射藥燃燒產(chǎn)物的摩爾數(shù)；w(可燃?xì)?為可燃?xì)怏w占總生成氣體的摩爾百分比。

由于發(fā)射藥中有效氧含量不足以徹底氧化所有可燃物，處于負(fù)氧平衡狀態(tài)。在這種情況下燃燒過(guò)程中的氧分配近似規(guī)律為[2,14]：先將C氧化成CO，剩下的氧分配于CO和H2之間，而將其進(jìn)一步氧化生成CO2和H2O。因此發(fā)射藥燃?xì)庵锌扇細(xì)怏w的含量與發(fā)射藥配方的氧平衡水平密切相關(guān)，即氧平衡增大時(shí)，燃?xì)庵锌扇細(xì)怏w質(zhì)量摩爾濃度降低；氧平衡降低時(shí)，燃?xì)庵锌扇細(xì)怏w質(zhì)量摩爾濃度增大。由表1可見(jiàn)，由于DIANP氧含量比硝化甘油低，由DIANP部分取代硝化甘油后，造成發(fā)射藥配方氧平衡降低，致使燃?xì)庵蠧O、H2的質(zhì)量摩爾濃度增加。而發(fā)射藥燃燒產(chǎn)物中可燃?xì)怏w質(zhì)量摩爾濃高是造成炮尾焰的主要原因之一[3-4]，因此，DIANP在配方中含量不宜過(guò)高。

根據(jù)DIANP含量對(duì)發(fā)射藥能量、爆溫及燃?xì)饨M成的影響分析，篩選能量較高的疊氮硝胺質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.5%和爆溫較低的DIANP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的發(fā)射藥配方，研究其槍口焰的形成。

1.3 槍口火焰試驗(yàn)

測(cè)試系統(tǒng)由彈道槍、高速數(shù)字?jǐn)z影儀、數(shù)據(jù)采集處理儀、計(jì)算機(jī)和標(biāo)桿組成。以14.5mm彈道槍為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，最大膛壓260MPa(銅柱測(cè)壓)，測(cè)試不同配方發(fā)射藥槍口火焰參數(shù)。利用高速CCD相機(jī)，采用B門(mén)照相法進(jìn)行槍口火焰面積檢測(cè)，相機(jī)采集速度1000f/s，曝光速度0.1ms。通過(guò)圖像分析，將照片序列疊加，獲得火焰疊加圖，表示火焰整體傳播過(guò)程，分析槍口焰疊加圖的相應(yīng)參數(shù)。進(jìn)入圖像處理程序進(jìn)行圖像處理，獲得火焰面積(A)，火焰周長(zhǎng)(C)、火焰最大直徑(Dmax)、火焰平均直徑(Dmean)、火焰平均光密度(IOD，即槍口焰區(qū)域所有像素的灰度值的平均值)?；鹧娉掷m(xù)時(shí)間按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：t為火焰持續(xù)時(shí)間，ms；n為高速數(shù)字相機(jī)或高速數(shù)字?jǐn)z影儀拍攝到的火焰圖像幅數(shù)；v為高速數(shù)字相機(jī)或高速數(shù)字?jǐn)z影儀的拍攝速度，f/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 槍口焰表征結(jié)果分析

取DIANP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、12.5%、20.0%的3種發(fā)射藥樣品分別記為樣品1、樣品2、樣品3，樣品1～3，槍口焰參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 不同發(fā)射藥樣品的槍口焰參數(shù)

注：w為疊氮硝胺的含量；A為火焰面積；C為火焰周長(zhǎng)；Dmax為火焰最大直徑；Dmean為火焰平均直徑；IOD為火焰平均光密度。

由表2可見(jiàn)，添加DIANP后，槍口火焰面積明顯減小，未添加DIANP的發(fā)射藥樣品火焰面積為1.98m2，平均火焰直徑為0.18m，光密度為162.14，而DIANP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.5%的樣品2，火焰面積減小至0.17m2，平均火焰直徑0.06m2，光密度減小至133.34，無(wú)論從火焰大小還是亮度來(lái)看，消焰效果顯著。而對(duì)于DIANP含量較高的樣品3，火焰面積和火焰直徑均有所增大，可能的原因是DIANP的加入致使發(fā)射藥配方氧含量降低，火藥燃?xì)庵锌扇細(xì)怏w含量增加致使二次焰的產(chǎn)生，從而增加了槍口焰，使光密度較增大。

槍口焰可分為3個(gè)區(qū)域：初次焰、中間焰及二次焰。樣品1～3的槍口焰疊加照片如圖2所示。

圖2 不同發(fā)射藥樣品的槍口焰疊加照片F(xiàn)ig.2 Superposed graphs of the muzzle flash of different gun propellant samples

由圖2可見(jiàn)，不添加DIANP的發(fā)射藥由于爆溫過(guò)高，致使槍口火焰大，初始焰、中間焰和二次焰并沒(méi)有明顯界限。而添加DIANP的兩個(gè)發(fā)射藥樣品，可以在圖中清晰區(qū)分初始焰、中間焰和二次焰。處于膛口的初次焰空間范圍小且強(qiáng)度低，其是由膛口噴出的膛內(nèi)氣體粒子流的熱激或流出槍口的火焰燃燒產(chǎn)物本身在槍口繼續(xù)燃燒形成的火焰所造成的，由于受到馬赫錐沖擊波結(jié)構(gòu)的限制，初始火焰結(jié)構(gòu)是相似的[15]。由于出槍口后火藥產(chǎn)物繼續(xù)膨脹冷卻，因而光密度迅速降低，其后即出現(xiàn)暗區(qū)。

3種發(fā)射藥樣品的槍口中間焰和二次焰結(jié)構(gòu)有較大差異。由圖2(c)可見(jiàn)，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%DIANP的發(fā)射藥配方，即使爆溫有了大幅度降低，但是生成的燃燒氣體中含有摩爾分?jǐn)?shù)高達(dá)52.6%的可燃?xì)怏w，未燃盡的高溫火藥可燃產(chǎn)物(約1500℃，與空氣混合后約800～1200℃)卷入空氣中氧氣重新點(diǎn)燃發(fā)生爆燃從而引起二次焰(H2與O2點(diǎn)燃溫度約500℃，CO和O2點(diǎn)燃溫度約700℃)，樣品3產(chǎn)生的二次火焰范圍、閃光強(qiáng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其中間焰。

由圖2(b)可見(jiàn)，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)12.5%DIANP的樣品2未產(chǎn)生明顯的二次焰，發(fā)射藥的爆溫及燃燒其他產(chǎn)物組成共同影響槍口焰的形成，添加DIANP后可降低發(fā)射藥爆溫，與樣品3相比，樣品2可燃?xì)怏w含量小，因此未產(chǎn)生明顯的二次焰。

不同最大壓強(qiáng)(pmax)下的樣品2的槍口焰疊加照片如圖3所示，相應(yīng)槍口焰參數(shù)見(jiàn)表3。

圖3 不同最大壓強(qiáng)下樣品2的槍口焰疊加照片 Fig.3 Superposed graphs of the muzzle flash of sample 2 at different maximum pressures

m/gpmax/MPaA/m2C/mDmax/mDmean/mIOD232350.150.210.070.05139.60252700.260.310.090.07140.97

由圖3和表3可見(jiàn)，槍口焰面積、直徑隨裝藥量增加而增加，主要原因是裝藥量增加，燃?xì)饪偭看?，樣?槍口焰以中間焰為主，在較高裝藥量下會(huì)產(chǎn)生較多的燃?xì)猱a(chǎn)物，氣體粒子流通過(guò)內(nèi)部激波盤(pán)時(shí)，被再次壓縮，對(duì)流能轉(zhuǎn)換為氣流內(nèi)能，使溫度上升到接近槍口的溫度而發(fā)光，從而引起中間焰面積和強(qiáng)度的增加。

2.2 火焰持續(xù)過(guò)程分析

利用高速攝影儀記錄了樣品1～3的槍口焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程，相機(jī)采集速度1000f/s，每1ms取一張火焰照片，得到最大膛壓260MPa下的槍口焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程如圖4所示。

圖4 發(fā)射藥樣品最大膛壓260MPa的槍口焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程Fig.4 The muzzle flash propagation process of gun propellant samples at a maximum bore pressure of 260MPa

由圖4可見(jiàn)，由于二次焰的產(chǎn)生，槍口焰持續(xù)時(shí)間明顯增加，樣品1火焰持續(xù)約28ms，樣品3約20ms，而樣品2火焰持續(xù)時(shí)間僅為8ms，與樣品1相比，火焰持續(xù)時(shí)間減少了71%。樣品1由于中間焰強(qiáng)度高，中間焰的快速擴(kuò)張引發(fā)二次焰的產(chǎn)生。而樣品2和樣品3由于爆溫低，其中間焰強(qiáng)度低，火焰的持續(xù)時(shí)間相比樣品1較短。對(duì)于樣品1和樣品3，由于二次焰的產(chǎn)生，其消退時(shí)間占火焰持續(xù)時(shí)間的一半以上。樣品2由于未產(chǎn)生二次焰，其火焰持續(xù)時(shí)間較短。

3 結(jié) 論

(1)發(fā)射藥爆溫及燃燒氣體產(chǎn)物組成共同影響槍口焰的形成。疊氮硝胺發(fā)射藥具有高能低爆溫等優(yōu)點(diǎn)，添加DIANP可以提高發(fā)射藥火藥力和降低爆溫，以降低槍口火焰；但添加DIANP會(huì)引起發(fā)射藥配方氧平衡的降低，當(dāng)添加的DIANP質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于12.5%時(shí)，燃燒產(chǎn)物中可燃?xì)怏w含量增多，不利于抑制槍口焰。

(2)添加DIANP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.5%的發(fā)射藥配方中，爆溫低于未添加DIANP的發(fā)射藥，并且燃?xì)庵锌扇細(xì)怏w含量少于添加DIANP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的發(fā)射藥，射擊過(guò)程中火焰面積最小，火焰持續(xù)時(shí)間最短。

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Effectof1,5-Diazido-3-nitrazpentontheMuzzleFlashofGunPropellants

HURui,YANGWei-tao，SHIXian-rui,JIAYong-jie,ZHAOBao-ming

(Xi′anModernChemistryResearchInstitute,Xi′an710065,China)

To study the effect of 1,5-diazido-3-nitrazpent (DIANP) on the muzzle flash of gun propellant, taking 14.5mm 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 1170kJ/kg to 1189kJ/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 8ms,which is reduced by 71% compared with traditional double-base gun propellant.

azidonitramine; 1,5-diazido-3-nitrazpent;DIANP; gun propellant; combustion gas composition; muzzle flash; gun barrel weapon; impetus

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.04.019

2017-02-11；

2017-05-03

胡睿(1989-)，男，碩士，從事發(fā)射藥技術(shù)研究。E-mail：373890081@qq.com

楊偉濤(1987-)男，博士，從事含能材料應(yīng)用研究。E-mail：njyangweitao@163.com

TJ55;TQ

A

1007-7812(2017)04-0102-05