趙寶明，劉 波，何昌輝，靳建偉，張鄒鄒，陳 琪

3種點火藥點火性能試驗研究

趙寶明1，劉 波1，何昌輝1，靳建偉1，張鄒鄒1，陳 琪2

（1.西安近代化學研究所，陜西 西安，710065； 2.北京交通大學，北京，100044）

以常用點火藥劑NC（硝化棉）、奔奈和BP（2#小粒黑）作為點火藥，以點火延遲時間及特征點火藥量作為點火性能判據(jù)，考察了3種點火藥的點火性能。點火性能實驗結(jié)果表明：BP點火延遲時間最短，電熱鎳鎘橋絲點火時間約23ms；奔奈點燃發(fā)射藥的能力最強，點燃RGD7A基發(fā)射藥特征點火藥量較NC和BP少6%；使用BP和奔奈作為點火藥，可使裝藥的點火燃燒速度提高。

點火藥；點火性能；點火延遲時間；燃燒速度

發(fā)射裝藥的點火由點火藥劑來完成，點火藥劑的種類、藥量的確認及點火藥在裝藥中的位置設(shè)計等對裝藥的點火效果影響很大，從而影響整個內(nèi)彈道性能[1-4]。

目前中大口徑火炮彈藥所使用的點火藥主要為奔奈或黑火藥，另外，硝化棉作為一種潔凈燃燒火藥，也常作為點火藥劑使用。這3種點火藥由于其配方組分不同，所以點火性能差異較大[5]。3種點火藥相比，硝化棉比容及爆熱最大，具有較高的產(chǎn)氣能力和燃燒熱量，但缺點是其燃燒無殘渣，沒有熱粒子生成，主要依賴燃燒火焰的熱輻射對發(fā)射藥表面進行傳熱，不利于快速點火。黑火藥比容及爆熱最小，但燃燒時產(chǎn)生56%的固體熱粒子，這些灼熱固體粒子接觸到發(fā)射藥表面時，將熱量集中傳給某一點，使火藥局部迅速升溫，達到熱分解溫度及燃點開始燃燒。奔萘藥的主要組成為：40%NC、44%KNO3、6.5%S、9.5%C，為NC和黑火藥的混合物，因此，奔奈比容、爆熱及熱粒子含量介于硝化棉與黑火藥之間。美國在傳火管裝藥中普遍采用黑火藥，但在硝基胍火藥裝藥中較多地采用了奔奈點火藥。這是由于奔奈點火藥熱量高，有利于難點火的硝基胍火藥點火。針對在發(fā)射裝藥確定的條件下如何選擇點火藥，本文對硝化棉、奔奈及2#小粒黑3種點火藥的點火性能進行了實驗研究，以實驗數(shù)據(jù)結(jié)果為根據(jù)，為發(fā)射裝藥的點傳火設(shè)計提供借鑒參考。

1 實驗

1.1 試劑及儀器

奔奈：工業(yè)級，西安北方惠安精細化工有限公司；NC：含氮量12%，GJB 3204-1998，西安近代化學研究所；BP：HY-2(2#小粒黑)，GJB1056-2004，西安近代化學研究所；雙芳-3-16/1發(fā)射藥，配方：NC（56%），NG（26.5%）、C2（3%）、其它（14.5%），西安近代化學研究所。RGD7A基發(fā)射藥，配方：NC+NG（55.2%）、RDX（26.63%）、NQ（15.73%）、其它（2.8%），西安近代化學研究所。

壓力傳感器：6213B型壓電傳感器，Kistler公司；數(shù)據(jù)采集器：3020型數(shù)據(jù)采集器，采樣頻率20kHz，DEWETRON公司；電子天平：CPA223S型電子天平，精確度0.000 1g，賽多利斯公司。

1.2 點火速度對比實驗

分別取1.1g NC、奔奈、BP作為點火藥，電熱鎳鎘橋絲外包點火藥，給電熱鎳鎘橋絲通電，電壓30V，在100mL密閉爆發(fā)器中進行密閉點火實驗。通過壓力傳感器記錄點火燃燒過程——曲線。

1.3 點火能力對比實驗

發(fā)射藥點火性能試驗裝置示意圖如圖1所示(自制)。該裝置容積100mL，內(nèi)徑40mm，外徑80mm，長度80mm。將點火藥用硫酸鋇紙包裹制成點火藥包，點火藥包置于裝置左側(cè)底端中心，正對測試樣品，保證點火藥燃燒產(chǎn)物均勻覆蓋發(fā)射藥樣品初始燃面。根據(jù)Bruceton升降法[6-7]調(diào)整點火藥量進行試驗，直到點火與不點火藥量相差0.002g為止。將恰好點燃裝藥的點火藥量作為實驗條件下試樣的特征點火藥量（也稱臨界點火藥量），該特征點火藥量應(yīng)連續(xù)3次點燃發(fā)射藥。最終以特征點火藥量作為發(fā)射藥樣品的點火性能衡量指標之一。本文使用20g RGD7A基發(fā)射藥作為被點火發(fā)射藥樣品。

圖1 發(fā)射藥點火性能試驗裝置示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 3種點火藥點火速度比較

圖2為點火速度對比實驗獲得的3種點火藥點火燃燒過程——曲線。電熱鎳鎘橋絲通電后發(fā)熱，引燃點火藥，使點火藥點火燃燒。表1為3種點火藥點火速度對比結(jié)果。

圖2 3種點火藥點火燃燒過程P——t曲線

表1 3種點火藥點火延遲時間

Tab.1 Ignition delay time result of the three ignition powders

注：0V為點火電壓0V時刻；29V為點火電壓29V時刻；0.2MPa為壓力到達0.2MPa時刻。假設(shè)電熱鎳鎘橋絲達到29V電壓后才對所接觸的點火藥劑傳熱，延遲為29V起至0.2MPa（認為點火藥劑表面產(chǎn)生火焰，點火藥燃燒使得壓力增長）。

由表1可看出，2#小粒黑點火延遲時間最短，點燃速度最快。硝化棉和奔奈的點火延遲時間出現(xiàn)反常，可能由于硝化棉為粉狀，在同樣的熱效率下（吸收同樣熱量），硝化棉藥粒單元由于粒徑小，藥粒表面溫度上升速率高，較快達到其燃點溫度，因此，粉狀硝化棉點火延遲時間較粒狀奔奈短。

2.2 3種點火藥點火能力對比

表2為3種點火藥點火能力對比實驗結(jié)果。

表2 3種點火藥點火能力實驗結(jié)果

Tab.2 Ignition strength of the three ignition materials

由表2實驗結(jié)果可以看出，在相同裝藥條件下，采用最少質(zhì)量的奔奈作為點火藥，即可點燃RGD7A基發(fā)射藥，說明奔奈點火藥點火能力最強，同樣發(fā)射裝藥條件下，需要的點火藥量最少。其次是BP（2#小粒黑），其點火時間較NC短；NC作為點火藥，點燃發(fā)射裝藥的能力最差。

表3為3種點火藥能量示性數(shù)。

表3 3種點火藥能量示性數(shù)[5]

Tab.3 Energy characteristics of the three ignition materials

注：Q為爆熱；1為比容；為火藥力。

奔萘藥的主要組成為：40%NC、44%KNO3、6.5%S、9.5%C。相比BP，奔萘藥中硝化棉的加入，提高了其爆熱和比容。奔萘藥集NC和BP傳質(zhì)（熱粒子多）、傳熱（燃燒熱大）、傳壓（比容大）的優(yōu)勢于一體，能量傳導效率高、速度快，燃燒室中火藥接受能量多，熱量積聚快，容易達到發(fā)火點著火，因此表現(xiàn)出較強的點火能力。

加熱層點火理論認為，要使火藥裝藥點燃并持續(xù)地燃燒下去，不但要使火藥表面達到著火溫度，而且要建立起適當厚度的加熱層?！斑m當厚度的加熱層”其本質(zhì)是強迫點火理論中[1]最小熱量的含義，即點火藥單位時間傳遞的熱量低于該最小熱量值時，即使火藥表面溫度達到著火溫度，火藥在著火后還有可能終止。將發(fā)射裝藥假設(shè)為厚度相同的一層一層均質(zhì)火藥[8]，如圖3所示，圖3中1、2、3表示厚度相同的第1層、第2層及第3層火藥。當?shù)?層火藥受到點火藥能量流作用，表面溫度達到著火溫度，且加熱層吸收的熱量大于穩(wěn)定燃燒所需的最低熱量Q，則第1層火藥可持續(xù)穩(wěn)定燃燒。第2層的火藥要穩(wěn)定燃燒，同樣需滿足上述2個條件：著火溫度和最低熱量Q。由于奔奈和2#小粒黑燃燒后有固體殘渣，即滿足圖3中固體熱粒子對發(fā)射藥表面的傳熱，固體熱粒子落在發(fā)射藥表面，對發(fā)射藥表面進行持續(xù)熱傳導，一方面，可能由于固體熱粒子接觸式導熱較火焰熱輻射及氣體傳熱效率高，因此表現(xiàn)出NC點火藥（無燃燒殘渣）特征點火藥量最大、點火時間最長，而有燃燒殘渣的奔奈和2#小粒黑點火時間較短。另一方面，固體熱粒子傳熱集中于與發(fā)射藥表面接觸點，可將有限的熱量傳遞于該點發(fā)射藥，使該點發(fā)射藥第1層、第2層……達到持續(xù)穩(wěn)定燃燒條件。而火焰熱輻射及高溫氣體覆蓋大部分發(fā)射藥表面區(qū)域，熱量過于分散，不利于快速達到發(fā)射藥第1層、第2層……穩(wěn)定燃燒條件，因此NC點火藥點火最慢。

圖3 火藥分層點火過程示意圖

2.3 3種點火藥點燃雙芳-3發(fā)射藥的區(qū)別

利用3種點火藥在相同裝藥條件下對雙芳-3-16/1分別進行點火實驗驗證，驗證點火藥不同是否會影響發(fā)射裝藥的燃燒。裝藥條件為：100mL 密閉爆發(fā)器中，點火藥1.1g，雙芳-3-16/1裝填密度0.2g /mL，——曲線如圖4所示。

圖4 3種點火藥點燃雙芳-3過程P——t曲線

由圖4（a）曲線可以看出，3種點火藥點燃雙芳-3的燃燒壓力曲線基本一致，燃燒時間均為20ms左右。由于硝化棉火藥力最大，BP（2#小粒黑）火藥力最小，表現(xiàn)為硝化棉點火藥曲線峰值壓力最高，BP（2#小粒黑）最低。由圖4（b）可看出，在10MPa以下的低壓段，BP（2#小粒黑）壓力上升速率最高，硝化棉壓力上升速率最低。說明在點火初始的低壓段，采用黑火藥建壓快，點火速度迅速。圖5為3種點火藥點燃裝藥的——曲線。

圖5 3種點火藥點燃雙芳-3過程v——P曲線

從圖5中可看出，在10～200MPa壓力范圍，BP和奔奈點燃裝藥的燃速均高于NC，說明使用BP和奔奈作為點火藥，可使裝藥的點火燃燒速度提高。原因可能在于BP和奔奈點火初期建壓快，壓力的增加可使暗區(qū)和混合相區(qū)壓縮，高溫火焰區(qū)接近雙芳-3發(fā)射藥的表面，加速了火焰區(qū)向發(fā)射藥表面的傳熱作用，從而促進了固相發(fā)射藥的分解速度。此外，壓力增加也加大了氣相物質(zhì)的密度，加速了氣相化學反應(yīng)速度和氣相熱傳導系數(shù)，有利于雙芳-3發(fā)射藥的點火燃燒。并且可使藥室裝藥的點火同時性提高，有利于降低較長藥室裝藥的負壓差，提高身管武器的發(fā)射安全性。另外，由于2#小粒黑提高了裝藥點火的同時性，有利于消除裝藥燃燒的不穩(wěn)定性，從而提高武器初速精度。因此，相比NC點火藥，黑火藥和奔奈具有降低負壓差的優(yōu)勢。

3 結(jié)論

（1）點火速度對比實驗結(jié)果表明，BP（2#小粒黑）點火延遲時間最短，點燃速度最快，電熱鎳鎘橋絲點火時間約23ms。

（2）點火能力對比實驗結(jié)果表明，奔奈點燃發(fā)射藥的能力強于NC和BP，點燃RGD7A基發(fā)射藥特征點火藥量較NC和BP少6%，NC點火能力最差。因此，對于難點火的發(fā)射藥，選擇奔奈點火藥較為合適。

（3）密閉爆發(fā)器試驗結(jié)果表明，在10～200MPa壓力范圍，BP和奔奈點燃裝藥的燃速均高于NC，說明使用BP和奔奈作為點火藥，可使裝藥的點火燃燒速度提高。

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The Ignition Performance of Three Kinds of Ignition Powder

ZHAO Bao-ming1, LIU Bo1, HE Chang-hui1,JIN Jian-wei1, ZHANG Zou-zou1, CHEN Qi2

(1.Xi’an Modern Chemistry Research Institute, Xi’an,710065；2. Beijing Jiaotong University, Beijing, 100044)

The ignition performance of common ignition material NC, benzene naphthalene drug and BP (2#small black powder) as ignition powder have been studied, by contrast experiment of ignition performance including characteristics of ignition charge and the ignition delay time. The experiment result shows that the ignition delay time of BP is the shortest and the ignition strength of benzene naphthalene drug is the strongest among the three ignition materials. The ignition delay time of BP is 23ms by an electrically heated wire. Characteristic mass of ignition charge of benzene naphthalene drug is cut down 6% compared with NC and BP on igniting RGD7A propellant, and by use of BP and benzene naphthalene drug as ignition powder, the burning rate of the gun propellant can be effectively improved.

Ignition powder；Ignition performance；Ignition delay time；Burning rate

TQ562

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.06.006

1003-1480（2019）06-0021-04

2019-10-18

趙寶明（1978-），男，副研究員。主要從事發(fā)射藥點傳火研究工作。