Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian gia nhiệt tới đặc tính thuật phóng của thuốc phóng pirocxilin 14/7

Hóa học & Kỹ thuật môi trường<br /> <br /> NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ<br /> VÀ THỜI GIAN GIA NHIỆT TỚI ĐẶC TÍNH THUẬT PHÓNG<br /> CỦA THUỐC PHÓNG PIROCXILIN 14/7<br /> Đoàn Song Quảng1,*, Đỗ Ngọc Khuê1, Trần Văn Chung2<br /> Tóm tắt: Bài báo này giới thiệu kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và<br /> thời gian gia nhiệt tới đặc tính của thuốc phóng pirocxilin 14/7. Kết quả thực<br /> nghiệm đo áp suất cực đại khí thuốc (Pmax), “lực” thuốc phóng (f), cộng tích (α) và<br /> hệ số tốc độ cháy (u1) bị suy giảm theo nhiệt độ và thời gian gia nhiệt, kết quả thực<br /> nghiệm cũng cho thấy các thông số thuật phóng trên cũng bị suy giảm theo đúng<br /> quy luật.<br /> Từ khóa: Pirocxilin; Áp suất cực đại của khí thuốc; Bom cao áp B180T.<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Thuốc phóng bị biến đổi chất lượng trong quá trình bảo quản đạn dược, vì vậy bên<br /> cạnh việc đánh giá chất lượng thuốc phóng thông qua các thông số như độ an định hóa<br /> học, hàm lượng chất an định hóa học trong thuốc phóng, nhiệt lượng cháy của thuốc<br /> phóng, còn phải nghiên cứu sự biến đổi đặc tính thuật phóng. Đặc trưng thuật phóng cơ<br /> bản của thuốc phóng là sơ tốc của đạn (vo, m/s) và áp suất cực đại của khí thuốc (pmax,<br /> kG/cm2) trong súng pháo hoặc buồng đốt phản lực. Các đặc trưng này có thể thay đổi phụ<br /> thuộc vào chất lượng thuốc phóng và kết cấu súng pháo và đạn. Thuốc phóng có khả năng<br /> sinh công càng cao, nhiệt lượng cháy càng lớn, thì sơ tốc của đạn càng lớn. Trong quá<br /> trình bảo quản lâu dài trong các nhà kho, thuốc phóng trong đạn bị phân hủy dẫn đến làm<br /> thay đổi đặc tính thuật phóng của đạn.<br /> Các tài liệu [1-6] đã khẳng định mối quan hệ trực tiếp giữa các đặc tính năng lượng như<br /> nhiệt lượng cháy( ), nhiệt độ cháy ( ), thể tích riêng sản phẩm cháy với đặc tính thuật<br /> phóng của thuốc phóng như: áp suất cực đại của khí thuốc ( ), “lực” thuốc phóng (f):<br /> = = (1)<br /> và = ( − 1) (2)<br /> trong đó: k ≈1,2 là hệ số đoạn nhiệt của sản phẩm cháy [7]. Rõ ràng “lực”của thuốc phóng<br /> là đại lượng có tính chất tổ hợp, bao gồm cả và , nghĩa là có quan hệ không những<br /> với dự trữ năng lượng của thuốc phóng mà còn cả với khả năng giãn nở sinh công. Vì vậy,<br /> có thể xem “lực”của thuốc phóng là đại lượng đặc trưng cho khả năng sinh công của khí<br /> thuốc và ở một mức độ nhất định có thể sử dụng f thay cho .<br /> Thuốc phóng Pirocxilin là loại thuốc phóng được sủ dụng chủ yếu cho các loại đạn<br /> pháo lắp chặt, hiện đang được bảo quản nhiều trong các nhà kho quân khí. Các công trình<br /> nghiên cứu trong nước trước đây tập trung vào nghiên cứu một số loại thuốc phóng đạn cỡ<br /> nhỏ và thuốc phóng balistic [1]. Thuốc phóng pirocxilin 14/7 được sử dụng cho đạn chống<br /> tăng 100 một loại đạn pháo lớn thường được sử dụng cho công tác huấn luyện, diễn tập<br /> hàng năm trong các đợn vị chủ lực. Do đó, việc nghiên cứu sự biến đổi đặc tính thuật<br /> phóng, cụ thể là “lực” (f) cần được nghiên cứu nhằm góp phần dự tính thời hạn sử dụng<br /> thuốc phóng.<br /> Thuốc phóng pirocxilin 14/7 được lấy từ đạn 100Д44 - PST- LN - LX được bảo quản<br /> tại các nhà kho Quân khí khu vực Đông Bắc bộ,có thành phần chủ yếu là: (8098)%<br /> pirocxilin (là NC có hàm lượng N > 12,1%), (0,5  5)% dung môi bay hơi, (1  2)% chất<br /> an định hoá học, 0,8  1,5% là độ ẩm và một số phụ gia công nghệ, nhiệt lượng cháy =<br /> 881 kcal/kg.<br /> <br /> <br /> 154 Đ. S. Quảng, Đ. N. Khuê, T. V. Chung, “Nghiên cứu ảnh hưởng … pirocxilin 14/7.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 2. PHẦN THỰC NGHIỆM<br /> 2.1. Thiết bị và hóa chất dùng cho nghiên cứu<br /> 2.1.1. Thiết bị<br /> - Tủ sấy Memmert có phạm vi làm việc từ 0°C đến 180°C; độ phân giải hiển thị 0,1°C.<br /> - Mồi lửa điện 043 loại 2m do nhà máy Z121 sản xuất.<br /> - Để đo đường cong áp suất đã sử dụng thiết bị điều khiển AVL B173 và bom cao áp<br /> B180T, và thực hiện theo quy trình đo đặc tính thuật phóng của Tổng cục Công nghiệp<br /> Quốc phòng.<br /> 2.1.2. Hóa chất<br /> - Axeton AR (Xilong chemical -TQ)<br /> 2.2. Phương pháp nghiên cứu<br /> Để nghiên cứu sự biến đổi đặc tính thuật phóng, các mẫu thuốc phóng được sấy gia<br /> nhiệt ở 3 nhiệt độ khác nhau 70oC, 80oC và 90oC. Thời gian lấy mẫu để đo áp suất cháy là<br /> 10, 20, 30, 40 ngày (ở 70oC); 8, 16, 24, 32 ngày (ở 80oC); 5, 10, 15, 20 ngày (ở 90oC). Sau<br /> đó, tiến hành đo trên thiết bị B180T đường cong áp suất khí thuốc p(t), từ đó xác định giá<br /> trị áp suất cực đại (pmax) của các mẫu thuốc phóng ở hai mật độ nhồi ( Δ1và Δ2 ) tương ứng<br /> với khối lượng mẫu là 20 g và 30 g thuốc phóng và tính các thông số hệ số tốc độ cháy<br /> (u1), “lực” (f), cộng tích ().<br /> Hệ số tốc độ cháy (u1) xác định từ công thức [1,7]:<br /> = = (3)<br /> ∫ ( )<br /> <br /> Trong đó, e1 - 1/2 bề dày cháy của phần tử thuốc phóng, Ik - Xung áp suất của sản<br /> phẩm cháy, xác định được từ đồ thị đường cong áp suất khí thuốc p(t) đối với từng mẫu<br /> thuốc phóng ở mỗi mật độ nhồi . Như vậy, với mỗi mẫu thuốc phóng ta nhận được hai<br /> giá trị u1 ở hai mật độ nhồi Δ1 và Δ2.<br /> Việc tính các giá trị f và  của thuốc phóng qua pmaxvà  dựa trên cơ sở công thức<br /> Noben-Aben [1, 7]:<br /> ∆<br /> = (4)<br /> ∆<br /> Từ (4) ta có hai phương trình ở hai mật độ nhồi Δ1 và Δ2 tương ứng là:<br /> ∆<br /> = (5)<br /> ∆<br /> ∆<br /> = (6)<br /> ∆<br /> Giải hệ hai phương trình (5) và (6) ta nhận được các giá trị f và  đối với mẫu thuốc<br /> phóng này. Trong quá trình gia nhiệt, thuốc phóng bị phân hủy, nhiệt lượng cháy và đồng<br /> thời là “lực” của thuốc phóng bị suy giảm theo thời gian sấy. Việc xác định sự biến đổi các<br /> đại lượng này cho phép ta đánh giá mức độ biến đổi chất lượng thuốc phóng, xác định<br /> thông số động học của quá trình phân hủy nhiệt thuốc phóng. Nhiệt lượng cháy ( ), cũng<br /> như “lực” của thuốc phóng (f), biến đổi theo thời gian ở nhiệt độ nhất định theo quy luật<br /> hàm mũ [7, 8], tức là ( ) = hằng số tốc độ biến đổi (k) được xác định theo<br /> phương trình = hoặc dạng logarit = − , với E là năng lượng hoạt hóa<br /> của quá trình phân hủy nhiệt thuốc phóng. Đồ thị − là một đường thẳng để xác định<br /> giá trị A và E. Chương trình xử lý số liệu tính hằng số tốc độ biến đổi (k) ở các nhiệt độ<br /> 70oC, 80oC và 90oC theo f được thiết lập cho phép xây dựng đồ thị quan hệ = −<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 155<br />  Hóa học & Kỹ thuật môi trường<br /> <br /> , tính giá trị A và E và dự tính thời hạn sử dụng của thuốc phóng ở các nhiệt độ bảo quản<br /> khác nhau.<br /> 3. KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN<br /> Trên hình 1, 2 dẫn kết quả đo đường cong áp suất khí thuốc với mẫu thuốc phóng 30g<br /> (hình 1) và với mẫu thuốc phóng 20g (hình 2). Kết quả đo sự biến đổi các đặc tính thuật<br /> phóng như: áp suất cực đại (pmax), lực thuốc phóng (f), cộng tích (), hệ số tốc độ cháy (u1)<br /> của mẫu thuốc phóng 14/7 theo nhiệt độ sấy, thời gian sấy và khối lượng mẫu thuốc phóng<br /> được dẫn trên hình 2, 3 và bảng 1<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Đồ thị đường cong áp suất khí thuốc Hình 2. Đồ thị đường cong áp suất khí<br /> với 30g mẫu thuốc phóng 14/7. thuốc với 20g mẫu thuốc phóng 14/7.<br /> Từ kết quả xác định áp suất (pmax), các giá trị “lực”của thuốc phóng (f), cộng tích (),<br /> hệ số tốc độ cháy (u1) của các mẫu thuốc phóng được tính và trình bày tại bảng 1.<br /> Bảng 1. Biến đổi đặc tính thuật phóng của thuốc phóng 14/7<br /> theo thời gian và nhiệt độ sấy.<br /> Nhiệt Thời gian Khối<br /> f α ⁄<br /> TT độ sấy, sấy, lượng mẫ u1 ( ⁄ )<br /> o (kG/cm2) (kG.m/kg) (l/kg)<br /> ( C) (ngày) u (g)<br /> 1 20 1026,7 0,0671<br /> 0 0 9141,08 1,3981<br /> 2 30 1735,0 0,0670<br /> 3 20 1068,4 0,0669<br /> 10 9295,51 1,2999<br /> 4 30 1346,9 0,0667<br /> 5 20 1062,2 0,0665<br /> 20 8746,65 1,7657<br /> 6 30 1784,7 0,0668<br /> 70<br /> 7 20 1018,2 8566,08 0,0673<br /> 30 1,5868<br /> 8 30 1686,3 0,0671<br /> 9 20 1015,0 0,0669<br /> 40 8528,97 1,5971<br /> 10 30 1682,4 0,0664<br /> 11 20 1091,1 0,0672<br /> 8 9944,09 0,8860<br /> 12 30 1720,2 0,0678<br /> 13 80 20 1066,6 0,0673<br /> 16 9406,40 1,1738<br /> 14 30 1712,5 0,0671<br /> 15 24 20 1057,8 8875,64 1,6096 0,0669<br /> <br /> <br /> <br /> 156 Đ. S. Quảng, Đ. N. Khuê, T. V. Chung, “Nghiên cứu ảnh hưởng … pirocxilin 14/7.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Nhiệt Thời gian Khối<br /> f α ⁄<br /> TT độ sấy, sấy, lượng mẫ 2 u1 ( ⁄<br /> )<br /> (kG/cm ) (kG.m/kg) (l/kg)<br /> (oC) (ngày) u (g)<br /> 16 30 1755,1 0,0665<br /> 17 20 1046,7 0,0670<br /> 32 8798,98 1,6475<br /> 18 30 1753,1 0,0674<br /> 19 20 1073,3 9293,93 0,0669<br /> 5 1,3407<br /> 20 30 1745,0 0,0667<br /> 21 20 1014,8 8505,58 0,0665<br /> 10 1,6181<br /> 22 30 1684,7 0,0668<br /> 90<br /> 23 20 1009,1 8547,17 0,0663<br /> 15 1,5303<br /> 24 30 1664,0 0,0664<br /> 25 20 994,0 0,0668<br /> 20 8316,32 1,6029<br /> 26 30 1642,3 0,0663<br /> Bảng 1 cho thấy ở các nhiệt độ sấy khác nhau, khi tăng thời gian sấy thì “lực” của thuốc<br /> phóng (f) đều giảm dần, còn cộng tích () ngược lại, tăng dần. Hệ số tốc độ cháy (u1) hầu<br /> như không đổi, bằng khoảng 0,1 mm/s: kG/cm2, chỉ phụ thuộc bản chất thuốc phóng. Điều<br /> này phù hợp với thực tế vì khi gia nhiệt, thuốc phóng bị phân hủy, nhiệt lượng cháy của<br /> thuốc phóng giảm [9], đồng thời “lực” của thuốc phóng cũng giảm tương ứng. Nhiệt độ sấy<br /> càng cao và thời gian sấy càng dài, thuốc phóng bị phân hủy càng mạnh, mức độ giảm nhiệt<br /> lượng cháy cũng như “lực” của thuốc phóng càng lớn.<br /> Dựa vào kết quả xác định sự biến đổi f của thuốc phóng theo thời gian ở các nhiệt độ<br /> khác nhau (bảng 1), bằng phương pháp xấp xỉ hàm số [10] ta tính được giá trị hằng số tốc<br /> độ biến đổi (k) trong các phương trình thực nghiệm có dạng chung ( ) = , ở các<br /> nhiệt độ 70oC, 80oC và 90oC tương ứng là k = 0,00287; 0,00577 và 0,00741 1/ngày, hệ số<br /> trước hàm mũ A = 91674542 1/ngày, năng lượng hoạt hóa E = 17080,71cal/mol, tương<br /> ứng công thức về sự phụ thuộc hằng số k với nhiệt độ T có dạng:<br /> ,<br /> = . = 91217313. (7)<br /> ,<br /> hoặc: = − = 18,33 − (8)<br /> Đồ thị quan hệ lnk-1/T là một đường thẳng được biểu diễn trên hình 3.<br /> -4.6<br /> -4.8<br /> -5<br /> -5.2<br /> lnk<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> -5.4<br /> -5.6<br /> -5.8<br /> -6<br /> 0.0027 0.0028 0.0029<br /> 1/T (1/độ K)<br /> <br /> Hình 3. Mối quan hệ giữa logarit hằng số tốc độ biến đổi “lực” thuốc phóng<br /> với nghịch đảo nhiệt độ (lnk-1/T) của thuốc phóng 14/7.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 157<br />  Hóa học & Kỹ thuật môi trường<br /> <br /> Bảng 2. Hằng số tốc độ biến đổi “lực” của thuốc phóng 14/7<br /> (k, 1/ngày) ở các nhiệt độ bảo quản.<br /> o<br /> TT Nhiệt độ ( C) k (ngày-1)<br /> 1 20 1,4489.10-5<br /> 2 25 2,3757.10-5<br /> 3 30 3,8323.10-5<br /> 4 35 6,0867.10-5<br /> 5 40 9,5256.10-5<br /> Từ kết quả tính hằng số k (bảng 2), ta có thể dự tính thời hạn sử dụng thuốc phóng.<br /> Như đã biết, thời hạn sử dụng ( ) của thuốc phóng được xác định trên cơ sở mức độ suy<br /> giảm 80% nhiệt lượng cháy ban đầu, dựa trên mối tương quan với độ sụt giảm sơ tốc cho<br /> phép đối với đạn pháo là 10% [11], và được tính theo công thức [5]:<br /> = 0,223/ (9)<br /> Đồng thời, ta cũng đã xác định mối quan hệ giữa nhiệt lượng cháy ( ) và “lực” của<br /> thuốc phóng (f) qua công thức = ( − 1) , với k 1,2 đối với khí thuốc [7], do vậy công<br /> thức (9) cũng phù hợp để tính thời hạn sử dụng thuốc phóng theo sự biến đổi f.<br /> Theo biểu thức (9), khi đã biết giá trị hằng số k ta có thể tính được thời hạn sử dụng<br /> thuốc phóng ở các nhiệt độ khác nhau. Trên bảng 3 trình bày kết quả tính thời hạn sử dụng<br /> thuốc phóng ở một số nhiệt độ bảo quản theo“lực” của thuốc phóng f.<br /> Bảng 3. Thời hạn sử dụng ( , năm) của thuốc phóng 14/7.<br /> TT Nhiệt độ (oC) (năm) theo “lực” của thuốc phóng f<br /> 1 20 42,2<br /> 2 25 25,71<br /> 3 30 15,94<br /> 4 35 10,03<br /> 5 40 6,41<br /> Từ bảng 3 cho thấy kết quả tính thời hạn sử dụng thuốc phóng tuân theo quy luật chung<br /> là nhiệt độ bảo quản càng cao thì tốc độ phân huỷ thuốc phóng càng lớn, nhiệt lượng cháy<br /> và “lực” của thuốc phóng đều càng giảm, thời hạn sử dụng càng ngắn. Khi tăng nhiệt độ<br /> lên 5oC thì thời hạn sử dụng của thuốc phóng 14/7 giảm trung bình khoảng 1,5 lần. Điều<br /> này phù hợp với lý thuyết về quá trình phân hủy chậm của thuốc phóng.<br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Từ kết quả đo đường cong áp suất khí thuốc ta tính được “lực” của thuốc phóng ở các<br /> nhiệt độ và thời gian khác nhau, từ đó xác định mối quan hệ giữa hằng số tốc độ phân hủy<br /> thuốc phóng với nhiệt độ. Trên cơ sở đó, có thể dự tính thời hạn sử dụng thuốc phóng ở<br /> các nhiệt độ bảo quản của thuốc phóng.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Đỗ Ngọc Khuê,"Kiểm soát môi trường sản xuất và đánh giá chất lượng thuốc phóng<br /> keo bằng các phương pháp hóa lý hiện đại", NXB Quân đội nhân dân, 2011.<br /> [2]. Đào Văn Lập, "Động học quá trình phân huỷ nhiệt của thuốc phóng keo", Tạp chí<br /> Nghiên cứu Khoa học kỹ thuật quân sự, Viện Kỹ thuật quân sự, số 2, 1992, trang 36-38.<br /> [3]. Trần Ba, Nguyễn Trầm, Hoàng Xuân Lâm,"Một số nét về quá trình động học phân<br /> hủy thuốc phóng và đánh giá tính năng của chúng", Tạp chí Nghiên cứu Khoa học kỹ<br /> thuật quân sự, Viện Kỹ thuật quân sự, số 2, 1992, trang 26-31.<br /> <br /> <br /> 158 Đ. S. Quảng, Đ. N. Khuê, T. V. Chung, “Nghiên cứu ảnh hưởng … pirocxilin 14/7.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> [4]. Nguyễn Tiến Nghi, Nguyễn Đức Hùng, Đào Văn Lập,"Nghiên cứu sự biến đổi đặc<br /> tính thuật phóng của thuốc phóng NDT-3", Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, Học viện<br /> Kỹ thuật quân sự, III, số 116,2006, trang 134-140.<br /> [5]. Z.K. Leciejewski, "Oddities in determining burning rate on base of closed vessel tests<br /> of single base propellant", Journal of theoretical and applied mechanics, 52, 2, 2014,<br /> pp. 313-321.<br /> [6]. И.В.Тишунин, "Курс порохов", Москва ,1946.<br /> [7]. Bộ môn Đạn-Khoa Trang bị cơ điện,"Thuốc phóng và thuốc nổ", Đại học Kỹ thuật<br /> Quân sự, 1976.<br /> [8]. Phạm Quốc Hùng,"Cơ sở lý thuyết cháy nổ", NXB Quân đội Nhân dân, 2001.<br /> [9]. Tạ văn Đĩnh, "Phương Pháp tính", Nxb Giáo dục, 1995.<br /> [10].Nguyễn Công Hoè, Trần Ba, Dương Đức Thục,"Một số vấn đề cơ sở về thuốc phóng<br /> và nhiên liệu tên lửa rắn", Học viện KTQS, 1982.<br /> [11].Nguyễn Ngọc Du, Đỗ Văn Thọ, "Thuật phóng trong của súng pháo",Trường Đại học<br /> KTQS, 1976.<br /> ABSTRACT<br /> INFLUENCE OF TEMPERATURE AND HEATING TIME ON INTERNAL<br /> BALLISTICS OF PIROCXILIN PROPELLANT 14/7<br /> In this paper, the results of investigating the influence of temperature and<br /> heating time on the characteristics of internal ballistics of pirocxilin 14/7 are<br /> presented. The measured experimental results showed that the maximum gas<br /> pressure (Pmax), launch force (f), additive (α) and firing rate coefficient (u1) are<br /> reduced with increasing temperature and heating time of propellant samples. The<br /> obtained results of internal ballistic parameters also follow this rule.<br /> Keywords: Pirocxilin; Maximum gas pressure; Closed vessel B180T.<br /> <br /> Nhận bài ngày 13 tháng 9 năm 2017<br /> Hoàn thiện ngày 13 tháng 11 năm 2017<br /> Chấp nhận đăng ngày 08 tháng 6 năm 2018<br /> 1<br /> Địa chỉ: Viện Công nghệ mới/Viện KH&CNQS;<br /> 2<br /> Viện Hóa học - Vật liệu/ Viện KH&CNQS.<br /> *<br /> Email: songquang@yahoo.com.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 55, 06 - 2018 159<br />