152mm火炮火药发射条件下除铜热力学研究

摘要

火炮内膛挂铜影响弹丸发射的稳定性和射击精度，长期以来，铅具有较好的除铜效果，但铅易锈蚀，且排放到环境中严重威胁着人类的健康和生命。因此，迫切需要研制出一种铅的替代物，以提高火炮的使用寿命、弹药的长贮性和射击精度，保护人类赖以生存的环境。为此，本文以双芳-3发射装药和152mm火炮为研究对象，使用MATLAB软件编写内弹道程序，计算火炮发射时膛内压力和温度，结合 REAL 软件和合金蒸馏热力学理论进行铅、锡、铋除铜的热力学研究。主要研究内容如下： （1）根据火炮经典内弹道学基本理论，建立了简单火药形状单一装药的内弹道数学模型，基于四阶龙格-库塔方法使用 MATLAB 软件编写内弹道程序，得到膛压、膛温随时间和弹丸行程的变化规律，利用膛压和膛温模拟火炮内膛环境。仿真结果表明：152mm 火炮膛温在火药点火瞬间达到火药爆温为 2598.3K，当弹丸运动4.5ms时达到最大膛压为224.7MPa。弹丸运动11.2ms后到达炮口，炮口温度为2039.1K，炮口压力为95.9MPa。与试验数据对比，最大膛压相对误差小于6%、火药爆温的相对误差小于1%。 （2）通过对火炮内膛环境模拟，利用REAL软件分别计算了在火炮发射条件下，在8.135kg双芳-3发射装药中加入装药质量2%铜、2%铜和2%铅、2%铜和2%锡、2%铜和2%铋时燃烧产物的化学组成和相组成。计算结果表明：当温度2039.1K，压力95.90MPa时，在加入铅、锡、铋后，剩余的液态铜质量均为 155.83g，剩余的液态铅、锡、铋的质量分别为58.22g、151.65g、32.95g。气态铜主要以Cu、CuOH、Cu2、CuH形式存在，铜的气化主要是温度以及和火药燃烧产物反应造成的。 （3）由于REAL软件存在缺陷，不能反映金属合金化的过程，计算结果不能真实的反映火炮除铜效果，因此提出了一种火炮除铜假设，火炮除铜主要分为三部分，第一部分是由于在高温的作用下，铜变成铜蒸气除掉，第二部分是铜和发射装药燃烧产物反应变成铜化合物蒸气除掉，第三部分是残留在膛内的液态铜和除铜液态金属利用膛内的环境形成合金，合金在高温高压下蒸馏挥发变成气体，在弹丸出炮口后，在膛压的作用下除掉。基于除铜假设，剩余的液态铜和铅、锡、铋形成的合金为73%Cu-Pb、50%Cu-Sn、82%Cu-Bi。 （4）利用 Miedema 合金生成热模型和 REAL 计算结果，计算了二元合金Cu-Pb、Cu-Sn、Cu-Bi在2039.1K时组元的活度系数和在火炮发射条件下的挥发系数。在此基础上，计算了 Cu-Pb、Cu-Sn、Cu-Bi 二元合金体系在火炮发射条件下的气液相平衡成分图。根据气液平衡成分图得出：73%Cu-Pb，50%Cu-Sn、82%Cu-Bi二元合金蒸馏时，155.83g铜的挥发质量分别为6.23g、64.36g、4.42g，可见Sn是一种比Pb有效的火炮除铜材料，Bi的除铜效果小于Pb的除铜效果。

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