可燃藥筒對模塊裝藥燃燒殘渣的影響

喬麗潔，堵平，廖昕，王澤山

(南京理工大學 化工學院，江蘇 南京210094)

0 引言

目前，世界各國都在發(fā)展以遠射程、高射速、大威力、強生存能力和射擊精度好為目標的火炮裝備［1］。為提高射速、適應自動裝填，大口徑火炮開始應用模塊裝藥技術取代傳統(tǒng)的藥包裝藥，其主要區(qū)別是可燃藥筒的應用［2］?？扇妓幫布绕鹬饘偎幫不蛩幇氖⒀b裝藥的“容器”作用，同時它也作為發(fā)射能源，成為發(fā)射裝藥的重要組成部分，參與了內(nèi)彈道的全過程［3］。但可燃藥筒本身是一種多孔復合材料，具有氧平衡系數(shù)低、燃燒后期漸減性大等特點，與主裝藥共同燃燒時，對主裝藥的燃燒規(guī)律影響明顯，進而帶來內(nèi)彈道性能的變化，尤其是小號裝藥有燃燒不完全現(xiàn)象發(fā)生，容易導致射擊殘渣的形成［4-5］。

消除身管武器射擊殘渣的研究，一直是國內(nèi)外裝藥工作者重視的課題。國外對可燃藥筒產(chǎn)生殘渣的研究較少。可燃藥筒的研究最早開始于二戰(zhàn)后期的德國，而美國最早將其應用于武器系統(tǒng)。經(jīng)過半個多世紀的努力，可燃藥筒已成為現(xiàn)代火炮裝藥的重要組成部分。國內(nèi)對可燃藥筒的燃燒特性進行了深入研究，主要針對可燃藥筒與主裝藥的匹配性進行，在共同燃燒時，降低對主裝藥燃燒規(guī)律的影響，保持內(nèi)彈道性能穩(wěn)定。如張兆鈞等的“3 種可燃藥筒燃燒特性分析”［6］、張會生等的“可燃藥筒點火問題淺析”［7］、李煜等的“可燃藥筒的定容燃燒特性”［8］。國內(nèi)外的研究大都集中于可燃藥筒的燃燒特性，本文針對其射擊殘余物進行重點研究。

我國某外貿(mào)型號火炮的模塊裝藥，其小號1、2號裝藥為A 模塊，采用小弧厚發(fā)射藥保證在較低膛壓下的燃盡性;3～6 號裝藥為B 模塊，采用大弧厚發(fā)射藥保證全裝藥時膛壓正常。但是，該裝藥的B模塊(尤其是3 號裝藥)射擊時，炮膛、藥室和炮閂處存在燃燒殘渣。燃燒殘渣會影響炮閂正常開關，甚至損壞炮閂;藥室里的殘渣會影響裝藥的正常裝填;炮管內(nèi)的殘渣會使下一發(fā)射擊時膛線磨損加重，增加火炮身管的維護和保養(yǎng)難度，縮短身管壽命［9-10］。

本研究重點針對B 模塊的可燃藥筒進行。利用密閉爆發(fā)器試驗，研究兩種可燃藥筒(速燃殼體和緩燃殼體)的燃燒性能，測試不同壓力下的燃燒殘渣量;結(jié)合靶場試驗，測試并分析殘渣產(chǎn)生的主要原因;通過改進可燃藥筒的結(jié)構和組成，驗證燃燒殘渣量的變化規(guī)律。

1 可燃藥筒的燃燒殘渣來源分析

可燃藥筒是以硝化纖維素(NC)為主，輔加木質(zhì)或紙質(zhì)纖維、合成樹脂及二苯胺等材料的可燃裝藥容器。NC 是含能材料，纖維和樹脂起增強、粘合、加固作用，二苯胺為安定劑［11］。從理論上分析，可燃藥筒的燃燒殘渣可能有3 個來源:一是可燃藥筒的主要組分NC，其能量較高，燃速快。若NC 含量＜40%時，燃燒性能降低，可能會產(chǎn)生少量燃燒殘渣;二是纖維增強材料，在可燃藥筒結(jié)構中起骨架支撐作用，提高強度。增強材料的含量，明顯影響藥筒的強度和燃燒性能。若含量高會影響燃盡性，射擊煙霧大，燃燒殘渣多;三是合成樹脂粘合劑，可燃藥筒的關鍵材料之一，屬于惰性材料，對強度、燃盡性、工藝性能影響很大。若粘合劑比例高時，藥筒的燃盡性降低。

有研究者認為:粘合劑因發(fā)射藥和藥筒中的含能成分燃燒而受熱分解，分解產(chǎn)物(如CO、H、C 等)與火藥氣體發(fā)生反應，使火藥燃氣溫度下降，易造成可燃藥筒或發(fā)射藥燃燒不完全［12-14］。另有研究者認為高溫高壓下，熔融的粘合劑覆蓋在藥筒和發(fā)射藥的表面阻礙其燃燒，影響點火火焰的傳布，導致藥筒或發(fā)射藥燃燒不完全［15］。還有研究者認為高溫高壓下，熔融的粘合劑附著于藥室及身管內(nèi)壁，使燃燒殘渣粘附其上，阻礙了發(fā)射藥燃燒產(chǎn)物快速向炮口方向的排出［15-16］。

2 密閉爆發(fā)器定容燃燒模擬試驗

通過測試可燃藥筒定容燃燒后的殘渣質(zhì)量，來評價某外貿(mào)型號武器火炮的模塊裝藥中可燃藥筒對燃燒殘渣含量的影響。具體操作過程:將兩種不同配方的可燃藥筒殼體置于密閉爆發(fā)器中，在不同的點火壓力下，使模塊殼體點火燃燒;打開密閉爆發(fā)器，使用已預先干燥、定量的海綿，蘸去離子水擦盡密閉爆發(fā)器內(nèi)壁粘附的殘渣，在干燥箱中干燥，前后質(zhì)量差即為燃燒殘渣量。為去除點火藥、發(fā)射藥可能帶來的殘渣影響，采用多孔NC 點火藥(CBI)、19孔粒狀單基發(fā)射藥進行試驗。

2.1 試驗設備及樣品

試驗設備:實際標定容積V0=100.16 cm3的密閉爆發(fā)器測試系統(tǒng)。

試驗樣品:緩燃殼體、速燃殼體。

與緩燃殼體相比，速燃殼體配方中NC 含量增加了3%，鈍感劑含量減少了25%，惰性粘合劑含量減少了12%，余下增強纖維成分作相應的調(diào)節(jié)。

2.2 結(jié)果與討論

不同燃燒壓力pm、不同模塊殼體在密閉爆發(fā)器中的燃燒殘渣測試結(jié)果見表1、表2所示。

由表1、表2可知，在相同的燃燒壓力下，緩燃殼體比速燃殼體產(chǎn)生的燃燒殘渣多。燃燒壓力對燃燒殘渣的影響如圖1所示。

表1 無發(fā)射藥時不同模塊殼體在不同燃燒壓力下燃燒殘渣Tab.1 Combustion residue of different combustible cases at different combustion pressures without propellant

表2 有發(fā)射藥時不同模塊殼體在不同燃燒壓力下燃燒殘渣Tab.2 Combustion residue of different combustible cases at different combustion pressures with propellant

圖1 燃燒壓力對不同模塊殼體燃燒殘渣的影響Fig.1 Effect of combustion pressure on combustion residue of different combustible cases

從圖1可知:在燃燒壓力較低時，緩燃殼體燃燒殘渣質(zhì)量多，明顯高于速燃殼體。當燃燒壓力＞50 MPa時，兩種殼體的燃燒殘渣質(zhì)量比近似于不變，緩燃殼體燃燒殘渣是速燃殼體的1.4 倍。密閉爆發(fā)器試驗中，模塊殼體燃燒后，在密閉爆發(fā)器內(nèi)壁上有黑色粘稠狀殘渣，緩燃殼體尤為明顯。這是因為緩燃殼體的惰性成分要高于速燃殼體。

氧平衡是火藥配方設計時需要重點考慮的依據(jù)之一。當火藥配方為負氧平衡時，含氧量不足，會出現(xiàn)燃燒不完全情況?？扇妓幫矠樨撗跗胶?，過多的惰性成分使燃燒后產(chǎn)生殘渣，而緩燃殼體更為嚴重。

3 靶場射擊試驗

通過密閉爆發(fā)器試驗，得到可燃藥筒在不同的燃燒壓力下，其燃燒殘渣量的變化規(guī)律。以此為參考，以藥包裝藥系統(tǒng)為對比體系，以3 號裝藥的條件作為基礎，設計成組的靶場射擊試驗，對每一發(fā)射擊后藥室和炮閂處的殘渣進行全面收集處理，測試其質(zhì)量。根據(jù)裝藥的情況，分析可燃裝藥成分與燃燒殘渣關系。靶場射擊試驗結(jié)果見表3所示。

對表3中的數(shù)據(jù)進行分析:

1)序號1 為單基藥包裝藥在射擊后的燃燒殘渣質(zhì)量(0.03 g)，近似于不產(chǎn)生殘渣;序號4 為某外貿(mào)型號火炮模塊裝藥的燃燒殘渣(7.66 g)，數(shù)量較多。

2)序號2、3 只有三基藥和單基藥的差別，燃燒殘渣相差0.55 g.單基藥的燃燒殘渣為0.03 g，則0.58 g 是三基藥和點火藥產(chǎn)生的燃燒殘渣。

3)序號4、5 只有消焰劑的差別，燃燒殘渣相差3.33 g，沒加消焰劑的殘渣反而比加消焰劑的殘渣多，這說明消焰劑有利于減少燃燒殘渣。這與作者在“炮用模塊裝藥燃燒殘渣的分析［10］”中得到的:消焰劑產(chǎn)生的燃燒殘渣僅為2%，不是產(chǎn)生燃燒殘渣的主要原因的結(jié)論互相印證［10］。故消焰劑產(chǎn)生0.15 g 殘渣。

4)序號4、6 只有鈍感襯紙的差別，燃燒殘渣相差2.11 g，此來源于鈍感襯紙。

5)序號7、8 只有速燃殼體和緩燃殼體的差別，燃燒殘渣相差1.58 g，既緩燃殼體比速燃殼體產(chǎn)生的殘渣多1.58 g.

表3 各種裝藥結(jié)構在射擊中產(chǎn)生的燃燒殘渣Tab.3 Combustion residue produced by different charging structures during firing

根據(jù)1)～5)的分析，得出某外貿(mào)型號火炮模塊裝藥緩燃殼體產(chǎn)生的燃燒殘渣量為7.66-0.58-0.15-2.11=4.82 g.由此可知，緩燃殼體燃燒殘渣是速燃殼體的1.5 倍，這與密閉爆發(fā)器試驗結(jié)果可以互相印證?？扇佳b藥成分與燃燒殘渣關系的分析研究結(jié)果見表4所示。

由此可知:在某外貿(mào)型號火炮模塊裝藥中，2/3的燃燒殘渣來源于緩燃殼體，鈍感襯紙亦是主要來源;三基藥發(fā)射藥及點火藥也會產(chǎn)生燃燒殘渣，但并非主要因素。

4 改進可燃藥筒后靶場射擊試驗

結(jié)合密閉爆發(fā)器和靶場試驗結(jié)果，在保持某外貿(mào)型號火炮模塊裝藥的可燃藥筒加工工藝不變的條件下，對可燃藥筒進行配方配比的改進，并用射擊試驗考核其效果。結(jié)果見表5所示。

表4 模塊裝藥可燃裝藥成分產(chǎn)生的燃燒殘渣Tab.4 Combustion residue produced by flammable components in modular charges

表5 可燃藥筒改進前后的燃燒殘渣各組分質(zhì)量Tab.5 Combustion residue of combustible case before and after improvement

由表5可知:改進后的可燃藥筒，由于增加可燃藥筒中的NC 含量，減少合成樹脂粘合劑和纖維增強材料，改進后的模塊裝藥的燃燒殘渣質(zhì)量降低了2/3，說明原模塊裝藥的可燃藥筒燃燒不完全，究其原因，主要是原藥筒設計時，考慮到要求其必須具有一定的力學強度，因此加入了紙纖維和粘合劑;同時，要求可燃藥筒外形必須與藥室形狀相配合，其加工工藝是已定的;所以可燃藥筒中的粘合劑、增強材料和NC 含量是決定可燃藥筒燃盡性的重要原因。粘合劑和增強材料對可燃藥筒的燃盡性有重要影響。

5 結(jié)論

本文研究了可燃藥筒對某外貿(mào)型號火炮模塊裝藥燃燒殘渣的影響，表明可燃藥筒的燃盡性嚴重影響著模塊裝藥的清潔燃燒。通過密閉爆發(fā)器定容燃燒實驗表明，緩燃藥筒產(chǎn)生的燃燒殘渣比速燃藥筒多50%左右，與靶場射擊試驗結(jié)果一致。近2/3 的模塊裝藥燃燒殘渣是由可燃藥筒產(chǎn)生的。找到了燃燒殘渣產(chǎn)生的最主要因素。

在其它裝藥條件不變、保證內(nèi)彈道性能穩(wěn)定、保持某外貿(mào)型號火炮模塊裝藥的可燃藥筒加工工藝不變的條件下，對可燃藥筒進行配方配比的改進，增加可燃藥筒中的NC 含量，減少合成樹脂粘合劑和纖維增強材料，燃燒殘渣質(zhì)量降低了2/3，基本消除了模塊裝藥的射擊殘渣問題。

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