发射药的基本性能解读

双基发射药
单基发射药
三基发射药
美国M2
美国M6
美国M30
装填密度/( g· cm-3)
0．1
0.2
0.2
温度/℃
21
21
21
μ1/[mm· s-1· (MPa)-n]
2.6462
2.7152
3.7551
压力指数n
0.755
0.650
0.652
• 因为燃烧过程关系到武器的效率和安全，所以燃烧性能是 发射药的重要性能之一。 • 按照规律进行燃烧，可获得高的弹道效率和稳定的燃烧过 程。 • 稳定的燃烧过程体现于燃烧气体的生成速率，即体现于燃 烧速度。 • 所以燃烧研究的重点是发射药的燃烧速度及燃速变化的规 律，以使发射药稳定、规律的燃烧，满足武器对不同燃速 和安全性的要求。 • back
Qp( g ) QV ( g ) 2 41.536 nH2O 2.478n
g
• （1）发射药的爆热与炸药的爆热是不相同的，虽然它们 都在定容条件下进行化学变化，但发射药的爆热是引燃后 燃烧化学变化放出的热，与发射药密度无关，而炸药的爆 热则是引爆后爆炸化学变化放出的热，与炸药的密度有关； • （2）爆热与物质的充分燃烧不同，爆热是与外界氧隔绝， 自身所含各元素进行燃烧化学反应所放出的热，而充分燃 烧是指某物质在过量氧存在下充分燃烧，使其元素生成稳 定的氧化物时所放出的热量。对于发射药常为负氧平衡， 很显然，发射药的充分燃烧热值比发射药的爆热值要大。
• 热分解反应是发射药自身的特征，无法改变，而自动催化 则既是关键因素，又是可能控制的因素。 • 在发射药的发展中，早已采用一种缓解自动催化反应的有 效方法，即在热分解反应不间断生成催化剂NO2的同时及 时消除它。 • 其方法是加入一种能立即与NO2发生反应，生成稳定、不 对热分解反应有任何影响之产物的物质。加入的物质被称 为安定剂，它虽然不能制止发射药的热分解反应，但可以 减缓自动催化作用。
3.2发射药物理安定性
• 吸湿性、组分迁移都属于物理安定性研究的内容。 • 组分迁移会改变预定的、在加工时形成的组分分布，造成 发射药的“渗析”、“晶析”和“汗析”。 • 有些发射药的主体物料是处于过饱和状态的溶液，有些发 射药是该过饱和溶液与固体物质的混合物，由于组分分布 不均、结构中物质化学势的差别，以及环境温度等条件的 变化，其组分分布要逐渐趋于平衡和稳定，所以组分的迁 移现象，不间断的在发射药中进行。 • 如果迁移物以固体的形式集中于发射物的表面，称为“晶 析”，析出的物质是晶析物； • 迁移物以液态形式存在于发射药的表面，称为“汗析”, 析出的物质是汗析物。
• • • • •
RCH2O…ONO2 = RCH2O-Q0+NO2 RCH2O+NO2 = H2O+NO+CO2+R1＇+Q1 NO2+RONO2 = NO+H2O+CO2+R2+Q2 因为Q1+Q2>Q0,所以总反应的放射量Q=Q1+Q2-Q0。 产生热分解的NO2又可以加速发射药自身的分解反应，所 以发射药热分解反应是自动催化的放热反应。有三个反应 出现于发射药热分解过程：自动催化、放热和爆发点的爆 炸反应。 • 如果放出的热量不能及时地排放，热量的积聚便使系统的 温度升高，自动催化再加速反应，则很容易达到含能材料 的爆发点。
• 根据理论计算，实验以及实际使用的经验，在正常的保管 条件下，常规的发射药（单基药、双基药、三基药、TNT、 RDX等）安全储存期可以达到数十年，甚至超过100年。 • 但是保管条件很重要的，如不按规定条件保管，安全储存 期可能减少数倍。在发射药的长期存放期间，安定剂是属 于不断消耗的物质，一旦安定剂数量减少或是消失，发射 药的自动催化反应就会加剧，所以安定剂的含量是发射药 是否达到危险期的重要标志。
发射药的基本性能
• 1、发射药的能量性质 go • 2、燃烧性质 go • 3、安定性 go
1、发射药的能量性质
• 发射药对外做功的能力主要是由它的潜能来决定。 • 直接用来度量发射药潜能的参数是爆热（QV）go和比体 积（Vl）。 • 爆热QV反映发射药可被利用的化学能，比体积（Vl） 反 映发射药可产生的工质的性质和数量。爆热高和比体积大 的发射药具有高的做功能力。 • 大多数发射药的能量性质都在下述范围之内：火药力 980.1～1225kJ/kg,火焰温度2500～3400K,爆热3300～ 4150 kJ/kg，比体积836～1100L/kg,比热容比1.2300～ 1.2527。下表的数据是几种发射药的能量示性数，都具有 代表性。
混合酯发射药
双基发射药
单基发射药
三基发射药
黑火药
德国JA2
俄HIT-3
美国M6
美国M30
火药力/(KJ· kg-1)
1140
960
980.4
1090
239～284
爆热/(KJ· kg-1)
火焰温度/K 比体积/(L· kg-1) 3412 900.48
4082
2600 1000
3330.5
2560 993.2
• “渗析”、“晶析“和“汗析”是发射药物理安定性能的 表现，不是所希望的。它们改变了原发射药的组分分布和 燃烧规律，形成弹道性能的反常。如果晶析物和汗析物是 硝化甘油或RDX一类感度较高的物质，往往会增加发射药 的感度。 • 另一种物理安定性也需要关注。虽然发射药的结构比较紧 密，但也有均一分布的微孔隙，发射药的某些组分可以吸 收水分，如硝酸铵具有较强的吸水性。如果储存条件达不 到要求，发射药的水含量要逐步增加，并要影响它的能量 性质和弹道性质。发射药的性能对水分很敏感。水分变化 1%，火炮最大膛压的变化量可能大于10%。吸湿性是发 射药物理安定性能的另一表现。
4082
2455 965.4
2782-3140
2800 286-356
比热容比
1.2250
1.2543
1.2385
应用
120mm等高初 速火炮
130、152mm等 火炮
155mm等中、 大口径火 炮
155mm等远射 程火炮
点火、抛撒、 爆破
back
• 1kg发射药在初温298K、隔绝氧和定容条件下进行燃烧， 并使反应物冷却到初温，水为液态时所放出的热量称为定 容爆热，以QV表示，单位kJ/kg。 • 对于水为气态的定容爆热，常以QV（g）表示，单位kJ/kg。 在298K温度下与QV的关系为
混合酯发射药双基发射药单基发射药三基发射药黑火药德国ja2俄hit3美国m6美国m30火药力kjkg1114096098041090239284爆热kjkg1408233305408227823140火焰温度k34122600256024552800比体积lkg190048100099329654286356比热容比122501254312385应用120mm等高初速火炮130152mm等火炮155mm等中大口径火155mm等远射程火炮点火抛撒爆破back1kg发射药在初温298k隔绝氧和定容条件下进行燃烧并使反应物冷却到初温水为液态时所放出的热量称为定g表示单位kjkg
2、燃烧性质
• 发射药反应的主要形式是燃烧反应，燃烧产生高温、高压 的气体再推动弹丸运动。 • 燃烧过程中燃气的热能转化为弹丸的动能和后座能等其它 形式的能量。 • 在能功转换的过程中，发射药只有部分能量转换为弹丸所 需要的动能，其转化效率和过程的安全性，都取决于发射 药的燃烧和能量释放的速率。 • 下表列出了几种发射药的燃烧性质。
QV ( g ) QV 41.536 nH2O
• 式中：nH2O——1kg火药爆发产物中水的质量摩尔浓度， mol/kg；41.536——水在298K时的摩尔汽化热，kJ/mol。
• 1kg发射药在初温298K、隔绝氧和定压条件下进行燃烧， 并使反应物冷却到初温，水为气态时所放出的热量称为水 为气态的定压爆热，以Qp(g)表示，单位kJ/kg。 • 火药定压爆热与定容爆热的关系为 •
• 爆热是表征发射药燃烧时由化学能转变为显能的多少，转 变为显能愈大，标志该发射药做功能力就愈大，所以，从 总体上来说，发射药的爆热愈大愈好。但对不同武器来说， 由于还要考虑武器的寿命和经济等因素，不是所有的武器 对发射药的爆热要求愈大愈好，而是要从综合各种因素来 提出对发射药爆热水平的要求。 • back
• 在发射药中，常用的安定剂是二苯胺和中定剂。二苯胺与 发射药热分解产物NO2的反应，开始形成二苯亚硝胺，最 后的产物是2，4，-三硝基二苯胺。 • 反应过程出现一系列中间产物，这些产物分别为黄色、橙 黄色、蓝色或是黑蓝色物质，所以保存久的发射药常常是 有颜色的。另一种安定剂是乙基中定剂，它与发射药热分 解产物作用形成的最终产物是2，4-二硝基-N-乙基苯胺。
• (2)发射药的水解 • 除了热分解反应外，发射药还伴随有水解反应，空气中的 水分遇到发射药而发生如下反应： • RCH2…ONO2 +H2O= RCH2…OHNO2+HNO3 • 与此同时，热分解形成的NO2也与水发生反应，形成 HNO3和HNO2，在这两种生成硝酸的反应中，后者是主要 的。 • 反应形成的H+对发射药的分解也起到催化作用，所以，潮 湿条件下发射药的寿命会减少。
• 汗析物中有硝化甘油、苯二甲酸二丁酯、二硝基甲苯等； 晶析物中有炸药吉纳、RDX、HMX和氧化剂、催化剂等。 • 有一类发射药，根据弹道性能的要求，需要某些组分的分 布浓度有一定的差别。例如，钝感发射药外表层的钝感剂 （通常是樟脑、中定剂、苯二甲酸二丁酯），它们在发射 药加工时，便借助溶剂从外部渗入发射药的表层。长期储 存后，它们将因为组分迁移，使其分布趋于平衡，有时将 这种现象称为“渗析”。
3、安定性
• 在特定条件下，发射药能发生爆炸反应，具有敏感性与不 安定性,所以发现各种发射药敏感性与不安定性的实质、 保持其物理和化学性质的相对不变、发展安全使用技术等， 是火药研究的一项重要内容。
3.1 发射药的化学安定性
• 因为组成发射药的硝基化合物、硝酸酯化合物、硝铵化合 物以及含有氧化剂和可燃物的物料，在储存期间要发生变 化，其中包括吸收水分、组分挥发、迁移、老化、高分子 降解、水解、氧化等，是发射药变质，并可能诱发燃烧和 爆炸反应。 • 生产、研究发射药时，药注意保持其物化性能不变或少变 化的能力，保证在处理和再加工过程中的安全性以及加工 后产品的稳定性。
Qp( g ) QV ( g ) p(V V p )
• 式中：p——压力；V——火药燃烧产物在p条件下的体积； Vp——火药的体积。
• 火药的体积与产物体积V相比可以忽略，由上式得 •
Qp( g ) QV ( g ) pV QV ( g ) n RT
g
• 式中：ng——1kg火药燃烧产物中气态产物物质的量； R——摩尔气体常数；T——温度。 • 当T为298K，R取8.314J/mol· K，则
• 考虑发射药的化学安定性，应首先注意发射药的热分解反 应，因为它和发射药的感度一样是导致爆发反应的重要因 素。也要注意发射药在组分和结构上发生的变化，不能把 劣质的组分引入到发射药中，不能忽视由于晶析、汗析而 造成敏感化的倾向。 • 发射药的主要组分是硝酸酯，更容易发生热分解反应。发 射药在热分解的初始阶段首先是硝酸酯键的断裂反应，这 是一个单分子的吸热反应，并释放出NO2，在初始反应之 后是分解产物之间的反应，是放热反应，总的反应是放热 的，反应方程式为：