научная статья по теме КОНВЕКТИВНОЕ ГОРЕНИЕ БЛОЧНЫХ ЗАРЯДОВ ИЗ СЕМИКАНАЛЬНЫХ ПОРОХОВЫХ ЗЕРЕН, ИНГИБИРОВАННЫХ ПОЛИВИНИЛБУТИРАЛЕМ Химия

Текст научной статьи на тему «КОНВЕКТИВНОЕ ГОРЕНИЕ БЛОЧНЫХ ЗАРЯДОВ ИЗ СЕМИКАНАЛЬНЫХ ПОРОХОВЫХ ЗЕРЕН, ИНГИБИРОВАННЫХ ПОЛИВИНИЛБУТИРАЛЕМ»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2015, том 34, № 5, с. 47-57

ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ ^^^^^^^^^^^^ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ

УДК 662.612

КОНВЕКТИВНОЕ ГОРЕНИЕ БЛОЧНЫХ ЗАРЯДОВ

ИЗ СЕМИКАНАЛЬНЫХ ПОРОХОВЫХ ЗЕРЕН, ИНГИБИРОВАННЫХ ПОЛИВИНИЛБУТИРАЛЕМ

© 2015 г. Б. С. Ермолаев1*, А. А. Сулимов1, А. В. Романьков1, В. Е. Храповский1, А. А. Беляев1, А. Б. Кроули2

Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва 2Кранфильдский университет, Шривенхэм, Великобритания *Е-таП: bse@chph.ras.ru Поступила в редакцию 16.04.2014

Изучено горение блочных зарядов, изготовляемых из семиканальных пороховых зерен, ингибиро-ванных поливинилбутиралем. Опыты проводили в манометрической бомбе, сопловой бомбе с до-жигательной камерой и 23-миллиметровой лабораторной ствольной установке, что обеспечивало широкий спектр условий горения. Процесс горения и движение снаряда по стволу регистрировали с помощью набора пьезоэлектрических датчиков. В опытах варьировали количество ингибитора, плотность моноблока (1.2—1.45 г/см3) и мощность воспламенителя. Различные условия горения, реализуемые в бомбе и ствольной установке, дали возможность оценить влияние темпа роста давления на скорость конвективного горения блочного заряда. Подбирая свойства последнего, мы получили значения скорости конвективного горения в интервале от 10 до 60 м/с, который представляется оптимальным для использования блочного заряда при выстреле. Результаты исследования показывают, что крупные семиканальные пороховые зерна, несмотря на собственную высокую прогрессивность горения, при использовании их в блочных зарядах способны давать столь же высокий эффект, как и ранее изученные марки пороха с мелкими зернами. Наблюдаемый прирост дульной скорости блочного заряда по сравнению с зарядом из штатного семиканального пороха насыпной плотности при равном максимальном давлении превысил 12%. С помощью численного моделирования проведен анализ опытных данных и дано объяснение наблюдаемому в опытах влиянию темпа роста давления на скорость конвективного горения блочных зарядов.

Ключевые слова: конвективное горение, блочные заряды, манометрическая бомба, ствольная установка.

DOI: 10.7868/S0207401X15050040

ВВЕДЕНИЕ

В начале 80-х годов проф. А.А. Сулимов, опираясь на результаты исследований по стабилизации конвективного горения, которые к тому времени были выполнены в ИХФ РАН (обзор этих работ можно найти в [1]), предложил концепцию нового метательного заряда повышенной плотности. Заряд, получивший название "высокоплотный заряд конвективного горения" (ВЗКГ), имеет блочную конструкцию и изготовляется в виде одной или нескольких шашек нужной конфигурации путем прессования из пороховых гранул, покрытых с наружной поверхности тонкой пленкой полимерного материала толщиной в несколько микрон. Последующие исследования показали [2, 3], что применительно к ствольным системам ВЗКГ способен дать заметный прирост дульной скорости по сравнению с классическим зарядом при одинаковом

максимальном давлении. Это достигается благодаря сочетанию повышенной плотности заряжания с высокой прогрессивностью горения заряда. Прогрессивность горения ВЗКГ определяется двумя факторами [1, 4, 5]. Во-первых, процесс воспламенения порохового заряда протекает медленнее и длится дольше, чем при классической схеме; воспламенение заряда по всей длине завершается, когда давление в камере, достигнув максимума, начинает снижаться. Все это время поверхность порохового заряда, охваченная горением, увеличивается. Во-вторых, в момент начала горения каждого зерна большая часть его наружной поверхности все еще остается закрытой пленкой полимерного материала, и охват горением всей поверхности зерна занимает время, которое тем больше, чем толще пленка и меньше в ней дефектов.

В целом горение ВЗКГ при выстреле имеет кардинальные отличия от горения зарядов привычной классической конфигурации, при которой наилучшие результаты достигаются как раз, когда пороховой заряд оказывается полностью охваченным горением уже на начальной стадии выстрела при сравнительно низких давлениях. Применительно к ВЗКГ обе стадии процесса — распространение горения на весь объем блочного заряда и постепенный охват наружной поверхности зерен горением играют ключевую роль, определяя высокую прогрессивность горения. Поэтому знание закономерностей воспламенения и горения блочного заряда, умение подбирать нужные характеристики становятся важными условиями успеха. Фактически схема заряда с ВЗКГ является одним из примеров, когда во внутреннюю баллистику вводится концепция "управляемого горения".

Методика получения данных по воспламенению и горению ВЗКГ была предложена и опробована ранее в работах [1, 4, 5]. Эти исследования проводились главным образом на зарядах, изготовленных из тонкосводных бесканальных или одноканальных зерен, применительно к унитарным патронам стрелкового оружия. В данной работе исследуется конвективное горение блочных зарядов, изготовленных из крупных пороховых зерен, которые сами горят с высокой прогрессивностью. Такие заряды могут представлять интерес для метательных устройств большого калибра. Одна из целей данной статьи — показать, что основные свойства ВЗКГ, изученные на зарядах из мелких пороховых зерен, сохраняются независимо от размера зерна и числа каналов, открывая возможность повышения баллистических характеристик выстрела.

Опыты проводились в манометрической бомбе, в сопловой бомбе с дожигательной камерой и 23-миллиметровой лабораторной гладкоствольной установке. Манометрическая бомба традиционно применяется для получения первичной информации о горении пороха. Сопловая бомба используется для изучения конвективного горения, когда давление в камере сохраняется почти постоянным или слабо возрастает, пока волна конвективного горения распространяется вдоль заряда. Наконец, ствольная установка позволяет определить скорости конвективного горения при быстро нарастающем давлении и оценить баллистические свойства исследуемого заряда.

Для регистрации использовали пьезокварце-вые датчики давления; в сопловой бомбе и ствольной установке датчики размещались в нескольких точках вдоль камер и по длине ствола. Моноблоки диаметром 19 мм (для сопловой бомбы) или 28 мм (для ствольной установки) и длиной до 120 мм запрессовывали порционно непо-

средственно в зарядную камеру. Результаты опытов сопоставлены с теоретическими расчетами, проведенными с помощью ранее разработанной компьютерной программы конвективного горения блочных пороховых зарядов [4].

Исследование проведено на пироксилиновом порохе марки 5/7 с полутолщиной горящего свода в 0.33 мм при наружном диаметре зерна 3.3 мм и длине зерна 4.7 мм. Внешняя поверхность зерен ¿0 равна 10.5 см2/г, полная поверхность, включая каналы, равна 13.8 г/см3, эффективный диаметр зерен d0, определенный по величине ¿0, равен 3.6 мм. Чтобы создать на наружной поверхности зерен пленку ингибирующего покрытия, использовали поливи-нилбутираль (ПВБ). Ранее это вещество хорошо показало себя на ВЗКГ из тонкосводных порохов [2, 3]. Поливинилбутираль — полимерный материал белого цвета плотностью 1.1 г/см3, температура размягчения — 65°C. Опыты по термическому разложению ПВБ, проведенные на дериватографе Netzsch STA 409P в потоке аргона при скорости нагрева 10 град/мин, показали, что интенсивное разложение ПВБ начинается при температуре ~300°C и проходит в две последовательные стадии. Суммарный эндотермический эффект разложения равен 380 Дж/г. Покрытие наносили на зерна пороха из 5%-ного спиртового раствора при непрерывном перемешивании. Затем зерна сушили на открытом воздухе, в сушильном шкафу при температуре 60° C и снова на воздухе до полного удаления спирта. Процент покрытия определяли при взвешивании. Зерна засыпали порционно в зарядную камеру установки и прессовали, задавая давление прессования и время выдержки.

ОПЫТЫ В МАНОМЕТРИЧЕСКОЙ БОМБЕ

Опыты проводили в манометрической бомбе стандартной формы номинальным объемом 90 см3 на образцах насыпной плотности (0.8—0.83 г/см3). Цель опытов — изучить влияние содержания ПВБ в образцах на скорость горения. Образцы пороха массой 5.1 г засыпали в стаканчик из плексигласа внутренним диаметром 19 мм и длиной 56 мм. Стаканчик с образцом помещали в бомбу. Горение инициировали навеской пироксилиновой ваты, сгорание которой создавало в бомбе начальное давление, равное ~45 МПа, за время 2—3 мс. Результаты опытов на порохе марки 5/7 с различным содержанием ингибитора в виде диаграмм давление—время показаны на рис. 1. Можно выделить три характерных участка: начальный участок роста давления, вызванный сгоранием воспламенителя; основной участок, связанный с воспламенением и горением исследуемого заряда; и участок спада давления (после прохождения точки максимума), связанный с охлаждением продуктов горения. При увеличении содержания

ингибитора темп роста давления на начальной фазе основного участка заметно снижается. Некоторая разница в величине максимального давления не связана с обсуждаемым эффектом и объясняется тем, что реальный свободный объем бомбы несколько изменялся от опыта к опыту из-за используемых технических вставок.

Дифференцируя диаграмму давления на основном участке и применяя стандартные формулы пиростатики [6], можно получить связь интенсивности газообразования Г = (1/ Р)(й у/йг) с долей у сгоревшего пороха:

Р, МПа

¥ =

Г = 1 йУ = .

п( 1 - К) + К

к (й п ¿и)

л2 '

(1)

(2)

Рйг [Р + к(Рт - Р)][п(1 - К) + К]2

Здесь п = (Р — Р)/(Рт — Р) есть безразмерное давление в бомбе; Р — давление, создаваемое воспламенителем; Рт — максимальное давление в бомбе; коэффициент К = (1 — Р0А)/(1 — А/р0), где V есть коволюм продуктов горения, А — плотность заряжания и р0 - максимальная плотность пороха. Формулы выведены в предположениях, что горение исследуемого пороха начинается после завершения горения воспламенителя, температура газов в процессе горения остается постоянной и потерями тепла в стенки бомбы можно пренебречь. Пример результатов опытных данных обработки с использованием формул (1) и (2) при V = 0.95 см3/г и р0 = 1.58 г/см3 приведен на рис. 2. О прогрессивности горения м

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком