传火药燃烧理论

传火药的燃烧性能研究

摘要：本文概述了对火工元件及传火药的研究背景，调研介绍了导火索中传火药的燃烧机理和燃烧模型。分析总结了传火药在小直径导火索中的燃烧特点。传火药的燃烧存在着稳态燃烧和非稳态燃烧，在具有管壁限制的环境中传火药的燃烧和管壁材料以及药柱直径具有很复杂的关系。

Abstract

This paper summarized the background of the pyrotechnic device and pyrotechnic,and introduced the combustion mechanism and combustion model of the pyrotechnic in ignition cord.The combustion characteristics of the pyrotechnic in small diameter ignition cord was summarized and analyzed.The combustion of pyrotechnic included steady-state combustion and unsteady-state combustion,it had complexd relationships between the combustion of pyrotechnic and the wall materials and charge diameter in confined surroundings.

1研究背景

火工品是装有火药或炸药，受外界能量刺激后产生燃烧或爆炸，用以引燃火药、引爆炸药、做机械功或产生特种效应的一次使用元器件和装置的总称。随着新一代武器的研制及发展，作为武器系统最敏感的火工品将不再以单个引燃、引爆元器件应用于武器系统中，而是作为武器系统不可缺少的子系统广泛应用于弹药、火箭、导弹、飞船等系统中。

传火元件是传递并扩大火焰强度的火工品，可以装在点火元件或延期元件之后，有传火药柱、传火药包、传火管和导火索等，一般由黑火药或其它烟火药制成。而其中导火索作为一种重要的点火、传火元件，在武器系统，航空航天系统中都有着极为重要的应用。但是导火索多采用纸质或塑料外壳，且尺寸较大，无法保证传火过程中的密封性和无泄漏。近年来还把点火、传火、传爆等系列火工品组合在一起，形成组合式火工系统产品，以简化引信、弹药装配工艺，提高产品可靠性，同时也加强了系统的密封性，确保产品的长贮性能。

在国外，由烟火自控元件组成的烟火控制系统是烟火学发展的最新成就，常用的烟火自控元件包括：起动型元件、能量传递型元件、时间编程元件、信号转换型、逻辑型和执行元件。在俄罗斯，烟火自动控制系统得到了很大的发展，其中作为能量传递元件的主要是柔性金属导火索。它是一种特制的，细长柔性金属外壳传火元件。金属外壳可以是铜，铝等柔性材料，金属管外径一般为2~4mm。导火索具有一定的柔性，因此可以用其制成具有复杂立体结构的密封式火焰传递网络。也有一些导火索是内径为

2.5~4mm的空心管，在管子的一端装有在燃烧时生成（气流）热质点或火焰作用力的烟火药。而在另一端则装有能在该质点流或火焰作用下被点燃的烟火药。这种空心导火索传递火焰信号的可靠距离可达1.5m ，传火速度甚至可达每秒几米到几十米。导火索可以弯曲，不过其传递信号的距离相应的减小。

2传火药燃烧过程中的基本概念

火药是中国古代四大发明之一，由中国的炼丹家，通过试验将硫磺、硝石和木炭混合在一起，制成一种能发火的新物质。冯家昇指出，利用火

药具有燃烧和爆炸的性质于军事目的是在晚唐，在宋代有很大的发展，可以用火药制出火箭、突火枪、震天雷等火器，后来又出现了铜铁火炮等管型火器。

传火药的燃烧过程首先要经过点火要局部点燃，然后火焰进行扩展和传播。火药从点火到燃烧完的过程的好坏，直接影响到武器的内弹道性能。从理论设计上要求火药在燃烧过程中有规律地呈平行层燃烧，即燃烧过程服从几何燃烧定律。在外界条件（压力、初温）一定时，火药燃烧速度不随时间变化，这种燃烧称为稳态燃烧，反之称为非稳态燃烧。燃速稳定同时又是完全燃烧的稳态燃烧称为正常燃烧，反之称为不正常燃烧。所谓完全燃烧，是指火药各组分间燃烧时充分反应，并使能量获得最大释放的燃烧。火药在武器中只有保证正常燃烧才能保证武器有良好的内弹道性能。按照内弹道学观点，火药的燃烧过程可分为点火，引燃和燃烧三个阶段。

1）点火阶段：火药在点火能源的作用下，局部表面温度升高至发火点以上出现火焰而被点燃，这一过程称为点火。火药燃烧面各部位点火的同时性直接影响火药后阶段的燃烧，点火源温度和压力越高、点火的同时性能越好，但压力过高对于火箭发动机容易出现一次压力峰，对于身管武器，由于压力急升可能使药粒破碎而引起最大膛压值增大。2）引燃：点火压、火焰沿火药表面传播的过程叫引燃。3）燃烧：点火后，火焰向火药内部传播的过程叫燃烧。

3烟火药的燃烧机理

烟火药一经点燃，反应就在没有任何外来能量输入的情况下自动进行。固体组分可能发生晶体相变、熔化、沸腾和分解，可能生成液相和气相，在能量输入的表面上如果能量达到必要的活化能时则发生化学反应。高能反应放出的热使下一层药剂的温度升高，在放出热量和导热性足以给下一层提供必要的活化能的情况下，会接着发生反应再放出热量，使反应沿药柱长度方向传播，热传递给高能药剂、高能药剂产生热和损失热的量和速度，都是实现燃烧传播和支持化学反应的关键因素。

自行加速反应的发生可用两种极限机理来解释。

(1) 由Semenov 提出的“热爆炸”理论。在缓慢的初始反应中产生的热由于对环境损失的热不大而被积累起来，其结果是积累起来的热量使反

应物的温度升高。反应物的速度越快，因而释放出更多的热量。这个热量又使温度升高，从而使反应加速到一个很高的速率。

(2) 分支链锁反应机理。某些反应一旦被某种激发过程所引发，即按照链锁反应过程以很快的速率进行，如果链中产生链载体多于一个，就形成所谓的“分支链锁反应”。由于这些活化组份扩散到周围环境中的损失不大，所以它们在系统中积累起来从而增大了反应速率，因此也就使这些活化组分本身的生成速率增大。

燃烧过程本身是相当复杂的，涉及高温和各种短寿命高能化学物种。固态、液态和气态都可能出现于实际火焰以及与其紧接的区域中，随着反应的进行而生成产物，它们或者以气体形式排出，或以固体形式聚集在反应区内。反应过程中的烟火药剂内会出现几个主要区域，其中自动传播放热过程出现在反应区，反应区的特征是产生高温、火焰和烟以及很可能出现气体和液体，在向前推进的反应区后面是反应过程中生成的固体产物(除非所有产物都是气体) ，紧接在反应区前面的是就要发生反应的下一层，这一层由趋近的反应加热，可能出现熔化、固—固相变和低速着火向前反应，烟火剂的导热性在由反应区向邻接的未反应材料传热过程中起重要作用。热气体以及热固体和液体粒子有助于燃烧传播。

在火药中前进的高温反应区是燃烧反应的特征，这一区域将未反应的原材料与反应产物隔开，进行燃烧反应的区域与其余未反应火药剂部分之间无压力差是燃烧与爆轰的区别是。要实现稳定的燃烧过程中就要控制防止燃烧转爆轰。

4烟火药燃烧模型

烟火药的燃烧过程是许多吸热和放热化学过程及传热物理过程的综合，燃烧状况受很多因素影响，整个过程极为复杂。就其燃烧模型来看，至今尚无一致公认并普遍使用的完整理论。

埃利·费里曼(El·Freeman) 认为：烟火药燃烧所以复杂，是因为它涉及了几个过程，包括固体烟火药从初始温度开始转变的火焰温度时的气体、液体和固体的燃烧产物。通常，燃烧初期，整体未反应物的温度不受燃烧影响，随着燃烧的传播，未反应物被加热，温度逐渐增加直到分解为挥发分，有时在反应前还会有液化的过程。

稳态燃烧的传播速度基本由反应温度和传导至未燃物中的热量决定，而这些热量又受组分配比、外部压力和温度、化学反应速率、热传导、粒度及装药孔隙率的影响，因此影响因素很多。

假定侧向热损失很小，烟火药组分辐射和扩散的热量可以忽略，烟火药稳定燃烧传播的模型可由图4.1表示。

反应物可由初始温度、最小点火温度和最高反应温度分为反应区和预点火区。反应区的化学反应热传到邻近的预点火区未反应物中引起物理转变并开始预点火反应。假定跨过反应区和预点火区的温度梯度不随时间变化，反应区随时间呈线形变化，假定热容、热传导以及混合物密度在所涉及的温度区域内不变，则该模型可用式(4.1)表示 图4.1 稳态燃烧模型（El •Freeman ） Tm —最大反应温度；T1—最小点火温度；Tf —熔化温度； Ttr —转变温度；T0—环境温度；1—反应区；2—熔化区； 3—晶体转变区；4—热传导区；Z —坐标方向；V —燃速

⎡a ⎤x i Q N i n i A i S exp ⎢⎥∑RT i ⎣⎦V = （4.1） ρ∇T C m []i

Q —反应热；

S —阿累尼乌斯频率因子；

Ni —单位体积内可燃物个数；

ni —i 组分额分子数；

Ai —i 组分的活度；

Xi —反应级数；

Ea —活化能；

R —气体常数；

T —绝对温度；

ρ—密度；

Cm —平均热容；

▽T —温度梯度。

根据式(4.1)，烟火药燃烧速度正比于反应热、特征速度、反应物浓度及比表面积，反比于混合物密度、平均热容及温度梯度。燃烧速度还和热传导成正比。

正如先前假定，该模型适用于理想状态下的稳定燃烧，没有考虑外界压力及粒度等影响，该模型为预测烟火药的燃烧情况，研究烟火药火焰传播提供了基本方法。

对于烟火药的燃烧历程，希特洛夫斯基认为：燃烧在凝聚相中开始，在气相中结束。在非均匀物系的烟火药中产生快速反应，必须使反应物之间的分子能紧密接触，这在固态中是不可能的，因此，烟火药燃烧反应必须处于液—固或液—液态时才能迅速进行。烟火药的非均质性还对进行过程的特性有很大影响。此外，在温度最高的区域内所有反应物均为气态。燃烧历程可用图4.2表示。

除弗里曼和希特洛夫斯基的燃烧模型外，还有柏木(Kashiwagi)建立的均匀物系固体燃料的燃烧模型以及疋田强的半经验式延期药燃烧模型。

图4.2燃烧反应历程图 1—烟火药；2—受热区域；3—凝聚相中的反应区域；4—气相中的反应区域；5—反应生成物；6—气相分解面上的反应

总结

对于燃烧机理的研究，由于烟火药的燃烧反应较复杂，尤其是固态原料之间进行的快速燃烧化学反应，并不能建立化学反应平衡态。因而其反应步骤、产物、添加剂在反应中所起的作用等都难以测量。但是为了药剂的进一步发展，也为了能从理论上解释一些燃烧反应中的特殊现象，便于建立烟火药燃烧反应模型，国内外多采用先进的仪器和设备对药剂及其燃烧反应过程进行研究，用观测数据对模型进行检验，从而通过实验和理论计算指导药剂设计及反应机理的研究，也为药剂在生产、加工、使用、运输和贮存中的安全可靠性提供重要的实验和理论依据，常用的实验方法如DSC ，DTA ，TG 等。

金属管壳的材料和壁厚对燃速都会有一定的影响，一般来说在不影响燃烧顺利进行的前提下，压装在金属管内的传火药会比自由状态下药柱的燃速快，这是因为金属管的导热性好，可以对未反应的药剂进行预热；但是当导火索因为管壳材料或壁厚的影响导致热损失过大时，会使燃速下降，甚至还会导致导火索出现点火困难或无法维持自持燃烧而出现中途熄火的现象。

导火索在改变其弯曲半径时，燃速也会有所改变，弯曲半径增大时，导火索的燃速将会降低，但是降低的程度不大。

参考文献

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