发射药的基本性能

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
• 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。
• “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。
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。
• 火药定压爆热与定容爆热的关系为 •
Q p(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) ng RT
• 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。
• 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”。
以发射药热分解反应是自动催化的来自百度文库热反应。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。
• 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。
• 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
• 当T为298K，R取8.314J/mol·K，则
Qp(g) QV (g) 2.478ng
Qp(g) QV 41.536 nH2O 2.478ng
• （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；
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
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• 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。
• 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
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。
• 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：
• (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。
• back
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。
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。
• （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。
• 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。
• 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。
• 下表列出了几种发射药的燃烧性质。
双基发射药
美国M2
装填密度/( g·cm-3)
0．1
温度/℃
21
μ1/[mm·s-1·(MPa)-n] 压力指数n
2.6462 0.755
单基发射药 美国M6 0.2 21 2.7152 0.650
三基发射药 美国M30 0.2 21 3.7551 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。
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。
• 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。
• 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
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。