燃烧速度测试方法及原理简介

烟火药的燃烧速度是烟火药燃烧的一个重要示性数。烟火药的燃烧速度有线燃烧速度和质量燃烧速度两种表示法。

(1)线燃烧速度(υ)，它是根据h毫米长的药柱在t秒内燃烧完毕所计算出来的一种平均计算值，通常以mm/s表示，即

(2)质量燃烧速度(υm)，它是根据m克药剂以A燃烧面燃烧，在t秒内燃烧完计算出来的计算值，通常以g/cm2·s表示，即

线速度和质量速度有下列关系:

式中　ρ——药剂的密度(g/cm3)。

烟火药燃烧速度的稳定性与密度有关。对于压制的烟火药来说，只当药剂压得相当紧密时才能稳定地燃烧。压紧程度用压紧系数k表示，k为药剂试剂达到的密度ρi与药剂极限密度ρ极限的比值，而极限密度是根据药剂中所含成分的密度计算出来的，即

其中，

式中　ρ1，ρ2，…，ρi——药剂中各成分密度；

n1，n2，…，ni——药剂中各成分的含量(%)。

对于多数压紧药剂而言，其压紧系数为0.7～0.9。松散的粉状药剂其密度为(40%～60)%ρ极限。(www.xing528.com)

各种烟火药的燃速如表3-6所示。

表3-6　几种烟火药的燃速

对于烟火药的燃速测试，有如下几种方法。

靶线法是传统和经典的测试方法，主要应用在固体推进剂的燃烧性能测试中。该方法可测得一定压力下的燃速，进而计算得到燃速压力指数等燃烧性能参数。其基本原理是:将包覆的推进剂试样钻孔穿入靶线，在规定的实验压强和温度下，在氮气中测定燃尽试样靶距长度所需的时间，计算出燃速。根据一定温度下不同压强和一定压强下不同温度的燃速，可以计算燃速压强指数和燃速温度系数。

水下声发射法是国军标中用于测量固体推进剂燃烧性能的另一种方法。水下声发射法的基本原理是:利用声发射探头接收试样燃烧时的声信号，转化为电信号，经前置放大器放大送至声发射仪进行计数。当试样燃完时，计数停止，此时数字显示器的数值就是试样的燃烧时间，试样有效长度除以燃烧时间即为燃速。

密闭爆发器微分压力法多用于测量发射药的燃烧特性。其基本原理是:在容积一定的密闭容器内燃烧已知形状和尺寸的发射药试样，产生的燃气使容器内的压强上升。燃烧过程的不同时刻，容器内的压强值不同。在某一时刻，试样的燃速r为一定值，燃去的试样厚度x也为一定值。据此并结合试样的初始几何形状和尺寸，可以确定试样此时刻的燃面面积S从而可求得此时的燃气生成率dw/ds，并可确定此时的压强p和压强变化率dp/dt，而p和dp/dt也可由实验测得的压力—时间曲线确定。由此通过一定的数学处理，就可求得试样每一时刻的燃速，从而对应每一时刻的压强值，即可求得试样的燃速特性。

20世纪60年代中期，为了解决固体火箭发动机侵蚀燃烧的问题，国外展开了将超声波技术应用于测量固体推进剂的非稳态燃速研究。其基本原理是:通过连续测量超声波脉冲在推进剂中的往返时间，确定推进剂燃烧端面的位移从而得到推进剂燃速。这种方法的最大优点是可用于推进剂非稳态燃速的测试，研究推进剂燃速的压强响应函数关系，以更好地研究固体发动机内弹道性能及不稳定燃烧特性。

激光步进电机型固体推进剂药条燃面跟踪装置，简称激光燃速仪。这种实验方法的基本原理是:当药条点燃后，燃面下降，激光束穿过气相反应区，被光电池接收转换成电流信号经放大后输至电压频率转换器变成电脉冲，驱动步进电机，使药条被向上进给。当进给速度低于燃速，药条燃面位置就下降，透光量增大，进给速度加快；当进给速度等于燃速时，燃面就停留在某一位置上。因此，只要测出药条燃烧过程的输出电压，然后乘以装置常数即可得燃速。

光纤可以快速传递光信号，对各种爆炸和燃烧产生的光信号有极高的接收和传输能力，光纤直径和质量小、电绝缘性好而且其耐腐蚀性和挠曲性都很高，这些特点决定了光纤能在高压、强电磁干扰、高温、易燃易爆等环境下安全可靠地使用。光纤法测燃速的基本原理是:通过测试药柱燃烧过程中，燃烧波阵面到达不同光纤位置的时间，从而得出两光纤之间火焰传播的速度。

自变电阻法可以用来测试瞬时燃速和燃烧的全过程，把延期药或点火药看作是一个电阻，点火开始后随着药剂的燃烧，电阻发生变化，记录仪记录由于电阻变化而引起标准电阻上的变化，从而反推出瞬时燃速。该方法简单、易行、直观，但有一定的局限性。

测温电缆CCIT温度传感技术可以用来测量固体推进剂的燃速。该技术利用热电效应，推进剂点火燃烧放热，在线性燃烧时通过热电偶区形成热响应；该热信号转化为电信号，根据响应脉冲燃速时间和长度值，得到不同时间瞬间的燃速值。该方法同步测试压力变化曲线，根据燃速压强指数公式拟合燃速与压力曲线，计算出压力变化范围内的压力指数。

北京理工大学杜志明等人[21]把CCD(光电耦合器件)技术应用于药剂燃烧速度的测试，解决了以往无法测延期药、点火药瞬时燃速的难题。以Ti-BaCrO4系延期药为例，用该方法对其燃烧速度进行了实际测试，得到了该延期药燃烧波面位置-时间曲线、瞬时燃速曲线以及平均燃速随压力变化的曲线。

光-光靶法曾用来分析延期药中不同配比对燃速的影响。其原理是分别记录开始点火时间和燃烧结束的时间。点火时光信号会被光电传感器所感知，利用计算机记录下点火时间，燃烧结束时记下另一个时间，两段时间之差就是延期药的燃烧时间。用延期药的药条长度除以燃烧时间就得到了该延期药的燃烧速度。

在发动机内测定燃速可以采用中断燃烧法。中断燃烧法是首先将药柱点燃后测定燃烧室压强，燃烧一定的时间后突然中断燃烧；然后测定熄火的药柱各个轴向位置上烧去的推进剂厚度，通过测量不同燃烧时间后熄火的药柱来求得推进剂的平均燃速。