密閉爆發(fā)器中可燃藥筒火災(zāi)試驗(yàn)的分析

密閉爆發(fā)器中可燃藥筒火災(zāi)試驗(yàn)的分析

密度密度試驗(yàn)是在定容條件下研究固體氣體生成規(guī)律的實(shí)驗(yàn)。其基本原則是定容狀態(tài)方程（諾夫-阿貝爾方程）和力學(xué)定律。在火藥燃燒氣體狀態(tài)方程推導(dǎo)過程中,其中隱含一種假設(shè),即固體火藥全部轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w產(chǎn)物。筆者在研究中發(fā)現(xiàn),可燃藥筒在密閉爆發(fā)器內(nèi)燃燒結(jié)束后會(huì)留下大量的灰燼,這并不完全符合發(fā)射藥燃燒完全轉(zhuǎn)化為氣體的假設(shè)條件。但在以往處理可燃藥筒特征量時(shí),均沒有考慮燃燒灰燼對(duì)處理結(jié)果的影響。其他研究者在此方面做過一些工作,如喬麗潔介紹了火炮試驗(yàn)或爆發(fā)器試驗(yàn)中可燃藥筒燃燒后留下灰燼的情況。但迄今為止,還沒有學(xué)者研究過燃燒灰燼對(duì)可燃容器特征量的影響。筆者在研究中收集了可燃藥筒在密閉爆發(fā)器燃燒結(jié)束后的灰燼,研究了燃燒灰燼對(duì)可燃容器特征量的影響情況。1硝化棉含量對(duì)熱重燃燒了大量的灰渣可燃藥筒是發(fā)射裝藥的重要元器件,主要由硝化棉、木質(zhì)纖維和粘合劑組成,有些還添加二氧化鈦等緩蝕劑。這些組份有些是不可燃的,這決定了可燃藥筒在燃燒過程中會(huì)留下一些固態(tài)物質(zhì),本文稱之為燃燒灰燼。圖1為筆者在200mL密閉爆發(fā)器、可燃藥筒裝填密度為120kg/m3試驗(yàn)后拍攝的燃燒灰燼照片。這種燃燒灰燼的質(zhì)量隨著可燃藥筒中硝化棉含量的減小而增大。在可燃藥筒靜態(tài)試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn),硝化棉含量增加到50%時(shí),能夠收集的灰燼為3%~5%,硝化棉含量為65%時(shí)能夠收集的灰燼為2%~4%,在其它學(xué)者的研究中也有類似的結(jié)果。如喬麗潔介紹了在密閉爆發(fā)器試驗(yàn)中,速燃?xì)んw的燃燒剩余物為2.36%~5.27%,緩燃?xì)んw的燃燒剩余物為3.19%~8.64%。這些較大比例的灰燼使可燃藥筒的燃燒過程偏離“固體火藥全部轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w產(chǎn)物”這條假設(shè)。而在進(jìn)行火炮內(nèi)彈道計(jì)算時(shí),發(fā)射藥的特征量(火藥力、余容)是最基本的輸入?yún)?shù),如果該參數(shù)存在較大的誤差,則得到的彈道解必然不準(zhǔn)確或誤差較大。所以,有必要研究燃燒灰燼對(duì)可燃容器特征量的影響,保障發(fā)射裝藥的基本參數(shù)的準(zhǔn)確性,從而增加彈道解算的準(zhǔn)確性。2火炬燃燒參數(shù)傳統(tǒng)的密閉爆發(fā)器燃燒狀態(tài)方程為式中:p為氣體壓力,v為氣體比容,α為氣體余容,R為氣體常數(shù),T為氣體溫度。根據(jù)該狀態(tài)方程推導(dǎo)出發(fā)射藥燃燒過程中的壓力的表達(dá)式為式中:ω為火藥藥量;ψ為火藥燃去的百分比,在燃燒開始瞬間,ψ=0,在燃燒結(jié)束瞬間,ψ=1;T1為發(fā)射藥的爆溫;Vψ為爆發(fā)器內(nèi)的自由容積,其表達(dá)式為式中:Vψ為氣體自由容積,代表氣體分子可以自由運(yùn)動(dòng)的空間;V0為爆發(fā)器容積;ρp為火藥密度。由此可以看出,式(3)的推導(dǎo)隱含一種假設(shè),即固體火藥全部轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w產(chǎn)物。但可燃容器在燃燒過程中會(huì)留下大量灰燼,不符合該假設(shè),所以此式不能直接應(yīng)用于可燃容器火藥力和余容的處理。鑒于此,引入一修正系數(shù)kα,考慮灰燼對(duì)火藥力和余容的影響。假設(shè)在容積V0的密閉爆發(fā)器試驗(yàn)中,質(zhì)量為ω的可燃藥筒的燃燒灰燼的質(zhì)量為mα,其密度為ρα,則有:假設(shè)灰燼不可壓縮,則其占體積Vα為同時(shí)考慮氣體余容α,則可燃藥筒在密閉爆發(fā)器燃燒結(jié)束時(shí)的藥室的自由容積為在定容下,火藥氣體沒有做功,這時(shí)氣體溫度近似等于火藥燃燒時(shí)的爆溫T1,此時(shí)的氣體狀態(tài)方程為火藥力f的物理意義為1kg火藥燃燒后的氣體生成物,在一個(gè)大氣壓下,當(dāng)溫度由0升高到T1時(shí),膨脹所做的功表示單位質(zhì)量火藥作功的能力,即:因此,把式(6)、式(8)代入式(7),得到藥量ω在密閉爆發(fā)器燃燒后的狀態(tài)方程為從式(9)可以看出,在采用同一個(gè)密閉爆發(fā)器,可以用2個(gè)裝填密度做燃燒試驗(yàn),得到相應(yīng)2組(ω,p),如下式所示:聯(lián)立求解,便可以計(jì)算出(f,α),求解結(jié)果為式中:A=ω1p2/(ω2p1),V01、V02為減去點(diǎn)火藥影響的藥室容積,p1、p2為減去點(diǎn)火壓力的最大膛壓。3密度和燃燒了氫氣利用200mL密閉爆發(fā)器進(jìn)行可燃藥筒的燃燒性能試驗(yàn),可燃藥筒試驗(yàn)樣品為條形。試驗(yàn)采用2個(gè)裝填密度(分別為200kg/m3及120kg/m3)進(jìn)行交叉試驗(yàn),試驗(yàn)后對(duì)燃燒灰燼進(jìn)行了收集、烘干、稱量?；覡a的真密度采用美國(guó)麥克儀器公司的MicromeriticsAccuPycⅡ1340型真密度分析儀完成測(cè)試。表1是選取的5個(gè)灰燼樣品進(jìn)行密度測(cè)試的結(jié)果,表中ΔV為真密度分析儀的測(cè)量精度。由表1得到ρa(bǔ)的平均值為1.906g/cm3。爆發(fā)器的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表2,表中ρω為可燃藥筒裝填密度,mx為點(diǎn)火用硝化棉質(zhì)量,pm為最大膛壓,tm為最大膛壓時(shí)間。表3是發(fā)射藥特征量的處理結(jié)果,熱散失的修正采用克勞-格里姆肖法,膨脹體積修正按照參考文獻(xiàn)中的方法進(jìn)行。從處理結(jié)果看,在進(jìn)行灰燼修正后,火藥力變化幅度較小,增大約0.5%,而余容的影響較大,比不考慮灰燼影響減小了5.35%。值得一提的是,考慮了燃燒灰燼的影響后能較為準(zhǔn)確地描述可燃藥筒密閉爆發(fā)器的燃燒過程,但存在灰燼量的收集誤差問題。首先,方程中使用的灰燼量是最大壓力點(diǎn)時(shí)的灰燼量,而試驗(yàn)后收集的是冷卻后的灰燼;其次,由于每發(fā)試驗(yàn)后灰燼總量很少,所以收集、烘干、稱量的操作過程可能會(huì)造成灰燼量的損失,筆者在收集后的比較中發(fā)現(xiàn),一組試驗(yàn)樣品內(nèi),灰燼收集量的極差超過10%;再者,可燃藥筒材質(zhì)本身存在不均勻性,從而影響樣品的一致性。因此,在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)盡量避免以上三點(diǎn)中的人為因素造成的誤差,以期得出更真實(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。4考慮燃燒石灰對(duì)火焰力的影響本文在考慮了燃燒灰燼的基礎(chǔ)上,對(duì)可燃容器特征量的表達(dá)式進(jìn)行了推導(dǎo),并計(jì)算出了火藥力、余容的值,考慮燃燒灰燼影響前可燃藥筒的火藥力為626.53kJ/kg,余容為0.916m3/kg,考慮燃燒灰