傳火藥燃燒理論

1、傳火藥的燃燒性能研究摘要：本文概述了對(duì)火工元件及傳火藥的研究背景，調(diào)研介紹了導(dǎo)火索中傳火藥的燃燒機(jī)理和燃燒模型。分析總結(jié)了傳火藥在小直徑導(dǎo)火索中的燃燒特點(diǎn)。傳火藥的燃燒存在著穩(wěn)態(tài)燃燒和非穩(wěn)態(tài)燃燒，在具有管壁限制的環(huán)境中傳火藥的燃燒和管壁材料以及藥柱直徑具有很復(fù)雜的關(guān)系。AbstractThispapersummarizedthebackgroundofthepyrotechnicdeviceandpyrotechnic,andintroducedthecombustionmechanismandcombustionmodelofthepyrotechnicinignitioncord.Thec

2、ombustioncharacteristicsofthepyrotechnicinsmalldiameterignitioncordwassummarizedandanalyzed.Thecombustionofpyrotechnicincludedsteady-statecombustionandunsteady-statecombustion,ithadcomplexdrelationshipsbetweenthecombustionofpyrotechnicandthewallmaterialsandchargediameterinconfinedsurroundings.研究背景火工

3、品是裝有火藥或炸藥，受外界能量刺激后產(chǎn)生燃燒或爆炸，用以引燃火藥、引爆炸藥、做機(jī)械功或產(chǎn)生特種效應(yīng)的一次使用元器件和裝置的總稱。隨著新一代武器的研制及發(fā)展，作為武器系統(tǒng)最敏感的火工品將不再以單個(gè)引燃、引爆元器件應(yīng)用于武器系統(tǒng)中，而是作為武器系統(tǒng)不可缺少的子系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于彈藥、火箭、導(dǎo)彈、飛船等系統(tǒng)中。傳火元件是傳遞并擴(kuò)大火焰強(qiáng)度的火工品，可以裝在點(diǎn)火元件或延期元件之后，有傳火藥柱、傳火藥包、傳火管和導(dǎo)火索等，一般由黑火藥或其它煙火藥制成。而其中導(dǎo)火索作為一種重要的點(diǎn)火、傳火元件，在武器系統(tǒng)，航空航天系統(tǒng)中都有著極為重要的應(yīng)用。但是導(dǎo)火索多采用紙質(zhì)或塑料外殼，且尺寸較大，無(wú)法保證傳火過(guò)程中的密封

4、性和無(wú)泄漏。近年來(lái)還把點(diǎn)火、傳火、傳爆等系列火工品組合在一起，形成組合式火工系統(tǒng)產(chǎn)品，以簡(jiǎn)化引信、彈藥裝配工藝，提高產(chǎn)品可靠性，同時(shí)也加強(qiáng)了系統(tǒng)的密封性，確保產(chǎn)品的長(zhǎng)貯性能。在國(guó)外，由煙火自控元件組成的煙火控制系統(tǒng)是煙火學(xué)發(fā)展的最新成就，常用的煙火自控元件包括：起動(dòng)型元件、能量傳遞型元件、時(shí)間編程元件、信號(hào)轉(zhuǎn)換型、邏輯型和執(zhí)行元件。在俄羅斯，煙火自動(dòng)控制系統(tǒng)得到了很大的發(fā)展，其中作為能量傳遞元件的主要是柔性金屬導(dǎo)火索。它是一種特制的，細(xì)長(zhǎng)柔性金屬外殼傳火元件。金屬外殼可以是銅，鋁等柔性材料，金屬管外徑一般為24mm。導(dǎo)火索具有一定的柔性，因此可以用其制成具有復(fù)雜立體結(jié)構(gòu)的密封式火焰?zhèn)鬟f網(wǎng)絡(luò)。也

5、有一些導(dǎo)火索是內(nèi)徑為2.54mm的空心管，在管子的一端裝有在燃燒時(shí)生成（氣流）熱質(zhì)點(diǎn)或火焰作用力的煙火藥。而在另一端則裝有能在該質(zhì)點(diǎn)流或火焰作用下被點(diǎn)燃的煙火藥。這種空心導(dǎo)火索傳遞火焰信號(hào)的可靠距離可達(dá)1.5m，傳火速度甚至可達(dá)每秒幾米到幾十米。導(dǎo)火索可以彎曲，不過(guò)其傳遞信號(hào)的距離相應(yīng)的減小。傳火藥燃燒過(guò)程中的基本概念火藥是中國(guó)古代四大發(fā)明之一，由中國(guó)的煉丹家，通過(guò)試驗(yàn)將硫磺、硝石和木炭混合在一起，制成一種能發(fā)火的新物質(zhì)。馮家昇指出，利用火藥具有燃燒和爆炸的性質(zhì)于軍事目的是在晚唐，在宋代有很大的發(fā)展，可以用火藥制出火箭、突火槍、震天雷等火器，后來(lái)又出現(xiàn)了銅鐵火炮等管型火器。傳火藥的燃燒過(guò)程首先

6、要經(jīng)過(guò)點(diǎn)火要局部點(diǎn)燃，然后火焰進(jìn)行擴(kuò)展和傳播?；鹚帍狞c(diǎn)火到燃燒完的過(guò)程的好壞，直接影響到武器的內(nèi)彈道性能。從理論設(shè)計(jì)上要求火藥在燃燒過(guò)程中有規(guī)律地呈平行層燃燒，即燃燒過(guò)程服從幾何燃燒定律。在外界條件（壓力、初溫）一定時(shí)，火藥燃燒速度不隨時(shí)間變化，這種燃燒稱為穩(wěn)態(tài)燃燒，反之稱為非穩(wěn)態(tài)燃燒。燃速穩(wěn)定同時(shí)又是完全燃燒的穩(wěn)態(tài)燃燒稱為正常燃燒，反之稱為不正常燃燒。所謂完全燃燒，是指火藥各組分間燃燒時(shí)充分反應(yīng)，并使能量獲得最大釋放的燃燒。火藥在武器中只有保證正常燃燒才能保證武器有良好的內(nèi)彈道性能。按照內(nèi)彈道學(xué)觀點(diǎn)，火藥的燃燒過(guò)程可分為點(diǎn)火，引燃和燃燒三個(gè)階段。1）點(diǎn)火階段：火藥在點(diǎn)火能源的作用下，局部表面

7、溫度升高至發(fā)火點(diǎn)以上出現(xiàn)火焰而被點(diǎn)燃，這一過(guò)程稱為點(diǎn)火。火藥燃燒面各部位點(diǎn)火的同時(shí)性直接影響火藥后階段的燃燒，點(diǎn)火源溫度和壓力越高、點(diǎn)火的同時(shí)性能越好，但壓力過(guò)高對(duì)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)容易出現(xiàn)一次壓力峰，對(duì)于身管武器，由于壓力急升可能使藥粒破碎而引起最大膛壓值增大。2）引燃：點(diǎn)火壓火焰沿火藥表面?zhèn)鞑サ倪^(guò)程叫引燃。3）燃燒：點(diǎn)火后，火焰向火藥內(nèi)部傳播的過(guò)程叫燃燒。煙火藥的燃燒機(jī)理煙火藥一經(jīng)點(diǎn)燃，反應(yīng)就在沒(méi)有任何外來(lái)能量輸入的情況下自動(dòng)進(jìn)行。固體組分可能發(fā)生晶體相變、熔化、沸騰和分解，可能生成液相和氣相，在能量輸入的表面上如果能量達(dá)到必要的活化能時(shí)則發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。高能反應(yīng)放出的熱使下一層藥劑的溫度升高，在

8、放出熱量和導(dǎo)熱性足以給下一層提供必要的活化能的情況下，會(huì)接著發(fā)生反應(yīng)再放出熱量，使反應(yīng)沿藥柱長(zhǎng)度方向傳播，熱傳遞給高能藥劑、高能藥劑產(chǎn)生熱和損失熱的量和速度，都是實(shí)現(xiàn)燃燒傳播和支持化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵因素。自行加速反應(yīng)的發(fā)生可用兩種極限機(jī)理來(lái)解釋。（1）由Semenov提出的“熱爆炸”理論。在緩慢的初始反應(yīng)中產(chǎn)生的熱由于對(duì)環(huán)境損失的熱不大而被積累起來(lái)，其結(jié)果是積累起來(lái)的熱量使反應(yīng)物的溫度升高。反應(yīng)物的速度越快，因而釋放出更多的熱量。這個(gè)熱量又使溫度升高，從而使反應(yīng)加速到一個(gè)很高的速率。(2)分支鏈鎖反應(yīng)機(jī)理。某些反應(yīng)一旦被某種激發(fā)過(guò)程所引發(fā)，即按照鏈鎖反應(yīng)過(guò)程以很快的速率進(jìn)行，如果鏈中產(chǎn)生鏈載體多于

9、一個(gè)，就形成所謂的“分支鏈鎖反應(yīng)”。由于這些活化組份擴(kuò)散到周圍環(huán)境中的損失不大，所以它們?cè)谙到y(tǒng)中積累起來(lái)從而增大了反應(yīng)速率，因此也就使這些活化組分本身的生成速率增大。燃燒過(guò)程本身是相當(dāng)復(fù)雜的，涉及高溫和各種短壽命高能化學(xué)物種。固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)都可能出現(xiàn)于實(shí)際火焰以及與其緊接的區(qū)域中，隨著反應(yīng)的進(jìn)行而生成產(chǎn)物，它們或者以氣體形式排出，或以固體形式聚集在反應(yīng)區(qū)內(nèi)。反應(yīng)過(guò)程中的煙火藥劑內(nèi)會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)主要區(qū)域，其中自動(dòng)傳播放熱過(guò)程出現(xiàn)在反應(yīng)區(qū)，反應(yīng)區(qū)的特征是產(chǎn)生高溫、火焰和煙以及很可能出現(xiàn)氣體和液體，在向前推進(jìn)的反應(yīng)區(qū)后面是反應(yīng)過(guò)程中生成的固體產(chǎn)物(除非所有產(chǎn)物都是氣體)，緊接在反應(yīng)區(qū)前面的是就要發(fā)生反

10、應(yīng)的下一層，這一層由趨近的反應(yīng)加熱，可能出現(xiàn)熔化、固固相變和低速著火向前反應(yīng)，煙火劑的導(dǎo)熱性在由反應(yīng)區(qū)向鄰接的未反應(yīng)材料傳熱過(guò)程中起重要作用。熱氣體以及熱固體和液體粒子有助于燃燒傳播。在火藥中前進(jìn)的高溫反應(yīng)區(qū)是燃燒反應(yīng)的特征，這一區(qū)域?qū)⑽捶磻?yīng)的原材料與反應(yīng)產(chǎn)物隔開(kāi)，進(jìn)行燃燒反應(yīng)的區(qū)域與其余未反應(yīng)火藥劑部分之間無(wú)壓力差是燃燒與爆轟的區(qū)別是。要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的燃燒過(guò)程中就要控制防止燃燒轉(zhuǎn)爆轟。煙火藥燃燒模型煙火藥的燃燒過(guò)程是許多吸熱和放熱化學(xué)過(guò)程及傳熱物理過(guò)程的綜合，燃燒狀況受很多因素影響，整個(gè)過(guò)程極為復(fù)雜。就其燃燒模型來(lái)看，至今尚無(wú)一致公認(rèn)并普遍使用的完整理論。埃利費(fèi)里曼(EI-Freeman)認(rèn)為：

11、煙火藥燃燒所以復(fù)雜，是因?yàn)樗婕傲藥讉€(gè)過(guò)程，包括固體煙火藥從初始溫度開(kāi)始轉(zhuǎn)變的火焰溫度時(shí)的氣體、液體和固體的燃燒產(chǎn)物。通常，燃燒初期，整體未反應(yīng)物的溫度不受燃燒影響，隨著燃燒的傳播，未反應(yīng)物被加熱，溫度逐漸增加直到分解為揮發(fā)分，有時(shí)在反應(yīng)前還會(huì)有液化的過(guò)程。穩(wěn)態(tài)燃燒的傳播速度基本由反應(yīng)溫度和傳導(dǎo)至未燃物中的熱量決定，而這些熱量又受組分配比、外部壓力和溫度、化學(xué)反應(yīng)速率、熱傳導(dǎo)、粒度及裝藥孔隙率的影響，因此影響因素很多。假定側(cè)向熱損失很小，煙火藥組分輻射和擴(kuò)散的熱量可以忽略，煙火藥穩(wěn)定燃燒傳播的模型可由圖4.1表示。圖4.1穩(wěn)態(tài)燃燒模型(ElFreeman)Tm最大反應(yīng)溫度；T1最小點(diǎn)火溫度；T

12、f熔化溫度；Ttr轉(zhuǎn)變溫度；TO環(huán)境溫度；1反應(yīng)區(qū)；2熔化區(qū);3晶體轉(zhuǎn)變區(qū)；4熱傳導(dǎo)區(qū)；Z坐標(biāo)方向；V燃速反應(yīng)物可由初始溫度、最小點(diǎn)火溫度和最高反應(yīng)溫度分為反應(yīng)區(qū)和預(yù)點(diǎn)火區(qū)。反應(yīng)區(qū)的化學(xué)反應(yīng)熱傳到鄰近的預(yù)點(diǎn)火區(qū)未反應(yīng)物中引起物理轉(zhuǎn)變并開(kāi)始預(yù)點(diǎn)火反應(yīng)。假定跨過(guò)反應(yīng)區(qū)和預(yù)點(diǎn)火區(qū)的溫度梯度不隨時(shí)間變化，反應(yīng)區(qū)隨時(shí)間呈線形變化，假定熱容、熱傳導(dǎo)以及混合物密度在所涉及的溫度區(qū)域內(nèi)不變，則該模型可用式(4.1)表示i4.1)Q反應(yīng)熱；S阿累尼烏斯頻率因子；Ni單位體積內(nèi)可燃物個(gè)數(shù)；nii組分額分子數(shù)；Aii組分的活度；P密度；Cm平均熱容；T溫度梯度。根據(jù)式(4.1)，煙火藥燃燒速度正比于反應(yīng)熱、特征速度

13、、反應(yīng)物濃度及比表面積，反比于混合物密度、平均熱容及溫度梯度。燃燒速度還和熱傳導(dǎo)成正比。正如先前假定，該模型適用于理想狀態(tài)下的穩(wěn)定燃燒，沒(méi)有考慮外界壓力及粒度等影響，該模型為預(yù)測(cè)煙火藥的燃燒情況，研究煙火藥火焰?zhèn)鞑ヌ峁┝嘶痉椒?。?duì)于煙火藥的燃燒歷程，希特洛夫斯基認(rèn)為：燃燒在凝聚相中開(kāi)始，在氣相中結(jié)束。在非均勻物系的煙火藥中產(chǎn)生快速反應(yīng)，必須使反應(yīng)物之間的分子能緊密接觸，這在固態(tài)中是不可能的，因此，煙火藥燃燒反應(yīng)必須處于液固或液液態(tài)時(shí)才能迅速進(jìn)行。煙火藥的非均質(zhì)性還對(duì)進(jìn)行過(guò)程的特性有很大影響。此外，在溫度最高的區(qū)域內(nèi)所有反應(yīng)物均為氣態(tài)。燃燒歷程可用圖4.2表示。圖4.2燃燒反應(yīng)歷程圖1煙火藥；

14、2受熱區(qū)域；3凝聚相中的反應(yīng)區(qū)域；4氣相中的反應(yīng)區(qū)域；5反應(yīng)生成物；6氣相分解面上的反應(yīng)除弗里曼和希特洛夫斯基的燃燒模型外，還有柏木(Kashiwagi)建立的均勻物系固體燃料的燃燒模型以及疋田強(qiáng)的半經(jīng)驗(yàn)式延期藥燃燒模型?？偨Y(jié)對(duì)于燃燒機(jī)理的研究，由于煙火藥的燃燒反應(yīng)較復(fù)雜，尤其是固態(tài)原料之間進(jìn)行的快速燃燒化學(xué)反應(yīng)，并不能建立化學(xué)反應(yīng)平衡態(tài)。因而其反應(yīng)步驟、產(chǎn)物、添加劑在反應(yīng)中所起的作用等都難以測(cè)量。但是為了藥劑的進(jìn)一步發(fā)展，也為了能從理論上解釋一些燃燒反應(yīng)中的特殊現(xiàn)象，便于建立煙火藥燃燒反應(yīng)模型，國(guó)內(nèi)外多采用先進(jìn)的儀器和設(shè)備對(duì)藥劑及其燃燒反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行研究，用觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，從而通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算指導(dǎo)藥劑設(shè)計(jì)及反應(yīng)機(jī)理的研究，也為藥劑在生產(chǎn)、加工、使用、運(yùn)輸和貯存中的安全可靠性提供重要的實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)，常用的實(shí)驗(yàn)方法如DSC，DTA，TG等。金屬管殼的材料和壁厚對(duì)燃速都會(huì)有一定的影響，一般來(lái)說(shuō)在不影響燃燒順利進(jìn)行的前提下，壓裝在金屬管內(nèi)的傳火藥會(huì)比自由狀態(tài)下藥柱的燃速快，這是因?yàn)榻饘俟艿膶?dǎo)熱性好，可以對(duì)未反應(yīng)的藥劑進(jìn)行預(yù)熱；但是當(dāng)導(dǎo)火索因?yàn)楣軞げ牧匣虮诤竦挠绊憣?dǎo)致熱損失過(guò)大時(shí)，會(huì)使燃速下降甚至還會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)火索出現(xiàn)點(diǎn)火困難或無(wú)法維持自持燃燒而出現(xiàn)中途熄火的現(xiàn)象。導(dǎo)火索在改變其彎曲半徑時(shí)，燃速也會(huì)有所改變，彎曲半徑增大時(shí)，導(dǎo)火索的燃速