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

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