端面不堵孔包覆對(duì)多孔發(fā)射藥燃燒和彈道性能的影響

楊春海，何衛(wèi)東，堵 平

（南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京210094）

引 言

對(duì)發(fā)射藥進(jìn)行阻燃包覆，會(huì)明顯改變其燃燒性能［1-2］，尋求不同材料對(duì)發(fā)射藥進(jìn)行包覆，并研究其燃燒性能的改變規(guī)律，一直是人們研究的熱點(diǎn)。國(guó)外在20世紀(jì)70年代對(duì)包覆火藥進(jìn)行了廣泛研究［3-4］，得到包覆藥應(yīng)用于火炮裝藥可以不同程度地改善膛內(nèi)壓力行程曲線的形狀，提高炮口的動(dòng)能。我國(guó)隨后也進(jìn)行了廣泛深入的研究，特別是在低溫感裝藥的研究方面，取得了突破性的成果［5-6］。

羅運(yùn)軍等人［7］研究指出，在全包覆、側(cè)面包覆和端面包覆中，對(duì)燃燒漸增性貢獻(xiàn)最大的是端面包覆。大口徑火炮裝藥一般采用大弧厚多孔藥做主裝藥，通過(guò)混合一定比例的包覆藥來(lái)增加裝藥的燃燒漸增性，由于主裝藥端面較大，減面性燃燒顯著，對(duì)端面進(jìn)行阻燃包覆，可以消除此不利因素，但是端面閉孔阻燃包覆后，由于內(nèi)孔被堵塞，造成點(diǎn)火困難。

本研究用一種較大表面張力的環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合阻燃材料對(duì)37孔硝基胍發(fā)射藥藥粒端面進(jìn)行包覆，包覆層在固化過(guò)程中由于表面張力的作用使藥粒內(nèi)孔裸露，形成端面不堵孔包覆藥。通過(guò)密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)和彈道性能預(yù)估，獲得了端面不堵孔包覆對(duì)彈道性能的影響。

1 端面不堵孔包覆藥形狀函數(shù)的特征量分析

1.1 形狀函數(shù)模型邊界條件

假設(shè)：（1）藥粒只進(jìn)行端面包覆，端面包覆層固化后藥粒內(nèi)孔裸露不堵塞；（2）包覆層燃速遠(yuǎn)小于發(fā)射藥的燃速，包覆層和發(fā)射藥的燃速比等于包覆層厚度和發(fā)射藥藥粒肉厚一半之比，當(dāng)藥粒分裂時(shí)，包覆層同一時(shí)間燃盡，且其整個(gè)燃燒過(guò)程符合平行層燃燒規(guī)律；（3）在假設(shè)（2）的條件下，包覆層厚度小于發(fā)射藥藥粒肉厚的一半。

1.2 形狀函數(shù)特征量的推導(dǎo)及分析

設(shè)發(fā)射藥肉厚為2e1，孔徑為d0，藥粒直徑為D0，藥長(zhǎng)為2c，孔數(shù)為n，初始體積為V1，某個(gè)瞬間已燃厚度為e，2e／2e1=Z，該瞬間發(fā)射藥的剩余體積為V′，端面包覆層厚度為eb，其與發(fā)射藥半肉厚的比值為eb／e1=r（由于eb＜e1，r＜1）。

則藥粒的初始體積：V

在某個(gè)瞬間藥粒的體積（此時(shí)體積的減少有藥粒側(cè)面的燃燒，內(nèi)孔的燃燒，包覆層的燃燒三方面的因素）為：

發(fā)射藥燃去的百分?jǐn)?shù)為：

當(dāng)藥粒燃燒分裂后：假設(shè)ρ為分裂瞬間發(fā)射藥燃燒所剩曲邊棒狀體的內(nèi)切圓半徑，Zb為分裂后碎粒全部燃完時(shí)的燃去相對(duì)厚度，此時(shí)已燃百分?jǐn)?shù)Ψs，則有：

以37孔藥為例，以St表示藥粒端面面積，端面不堵孔包覆藥分裂后長(zhǎng)度為2c-2eb=2c-2re1，則藥粒分裂時(shí)有：

對(duì)于相同藥型的未包覆發(fā)射藥藥粒，因?yàn)榇嬖诙嗣娴娜紵?，則分裂后長(zhǎng)度為2c-2e1，分裂點(diǎn)藥粒的已燃百分?jǐn)?shù)為：

由于r＜1，則Ψs＞Ψ′s，說(shuō)明端面不堵孔包覆藥藥粒分裂后的燃面較未包覆藥粒分裂后的燃面大，這為火炮膛內(nèi)彈丸運(yùn)動(dòng)后期提供較高的壓力，改善火炮裝藥的p-l曲線形狀非常有利。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 材料與儀器

E44環(huán)氧樹(shù)脂，工業(yè)級(jí)，星辰化工無(wú)錫樹(shù)脂廠；650聚酰胺，工業(yè)級(jí)，南京化工原料總公司；二氧化鈦，工業(yè)級(jí)，鎮(zhèn)江太白粉有限公司；乙醇（AR），丙酮（AR），南京化工原料總公司。

JJ-1型分散攪拌機(jī)，上海諾頂儀器設(shè)備有限公司；KH-1000型三維視頻顯微鏡，美國(guó)科視達(dá)公司HiRDX。

2.2 包覆液的制備

在工業(yè)級(jí)E44環(huán)氧樹(shù)脂（用650 聚酰胺作固化劑，質(zhì)量比為4∶3）中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的二氧化鈦，置于分散攪拌機(jī)中高速分散0.5h后，外加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的稀釋劑（質(zhì)量比1∶1醇酮溶液配制，AR）再置于分散機(jī)中分散20min后待用。

2.3 端面不堵孔包覆發(fā)射藥的制備

多孔發(fā)射藥的配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：硝化棉（氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)12.6%），28%；硝化甘油，23%；硝基胍，47%；2號(hào)中定劑，1%；硫酸鉀，1%。藥粒尺寸：花邊形37 孔藥，弧厚2.55mm，孔徑0.7mm，藥長(zhǎng)29mm。

采用刷涂的方法，在上述藥粒端面涂覆包覆劑，然后置入60℃烘箱烘干，在表面張力的作用下，包覆液固化形成端面不堵孔的包覆藥藥粒，涂覆量為涂覆前藥粒質(zhì)量的1.5%。

2.4 密閉爆發(fā)器試驗(yàn)

用同質(zhì)量的未包覆藥粒和包覆藥進(jìn)行密閉爆發(fā)器試驗(yàn)，裝填密度為0.2g／cm3，密閉爆發(fā)器容積200mL，點(diǎn)火藥為20g的2號(hào)硝化棉，點(diǎn)火壓力10MPa。

3 結(jié)果與討論

3.1 發(fā)射藥包覆結(jié)果分析

圖1為涂覆前后藥粒端面的三維視頻顯微鏡照片。

圖1 藥粒端面包覆前后的三維視頻照片F(xiàn)ig.1 3Dvideo picture of end-surface（a）of uncoated propellant and coated propellant

由圖1可知，發(fā)射藥包覆后，包覆層由于表面張力的作用，固化后在藥粒內(nèi)孔孔口處開(kāi)孔，形成了不堵孔端面包覆層，有個(gè)別孔沒(méi)有形成完全開(kāi)孔，這是由發(fā)射藥藥粒孔徑不一致造成的。

3.2 密閉爆發(fā)器試驗(yàn)結(jié)果分析

圖2和圖3分別為多孔發(fā)射藥包覆前后的pt曲線和L-B曲線。

圖2 多孔發(fā)射藥包覆前后的p-t曲線Fig.2 The p-t curves of uncoated and coated propellant

由圖2可知，端面不堵孔包覆藥由于包覆層的緩燃作用，壓力上升緩慢，使燃燒時(shí)間延長(zhǎng)；同時(shí)由于包覆層含有非含能成分，影響發(fā)射藥的總能量，使得最大壓力降低。

圖3 多孔發(fā)射藥包覆前后的L-B 曲線Fig.3 The L-Bcurves of uncoated and coated propellant

以圖3中動(dòng)態(tài)活度最低點(diǎn)和最高點(diǎn)的差值ΔL來(lái)定量比較包覆前后發(fā)射藥的漸增性大小，由圖3中曲線對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)計(jì)算，未包覆藥和包覆藥的動(dòng)態(tài)活度增量分別為0.164 4和0.202 1MPa-1·s-1，兩者的差值為0.037 7MPa-1·s-1，相對(duì)于未包覆藥，端面不堵孔包覆藥的動(dòng)態(tài)活度增量增加22.9%。

由圖3曲線可看出，燃燒初期未包覆藥的動(dòng)態(tài)活度較大，到燃燒后期，包覆藥動(dòng)態(tài)活度較大，說(shuō)明包覆層起到緩燃的作用，使端面不堵孔包覆藥具有更高的燃燒漸增性。

3.3 內(nèi)彈道性能過(guò)程預(yù)估

以100mm 加農(nóng)炮彈道諸元為例，對(duì)未包覆藥和包覆藥采用南京理工大學(xué)裝藥技術(shù)研究所研制的內(nèi)彈道模擬計(jì)算軟件進(jìn)行內(nèi)彈道性能預(yù)估，燃速方程為指數(shù)方程，燃速系數(shù)u1為0.205cm／（s·MPa），燃速壓力指數(shù)n為0.824，由于包覆層的含量極少，視為包覆前后火藥力基本不變（fv=1 080kJ／kg）。

圖4和圖5分別為預(yù)估的壓力行程（p-l）曲線和速度行程（v-l）曲線，表1為預(yù)估的彈道性能特征點(diǎn)。

圖4 3種裝藥的預(yù)估p-l曲線Fig.4 The estimated p-l curves of three different charges

圖5 3種裝藥的預(yù)估v-l曲線Fig.5 The estimated v-l curves of three different charges

表1 不同裝藥預(yù)估的彈道性能參數(shù)Table 1 Interior ballistic characteristic parameters of different charges by estimation

由圖4和表1可以看出，在相同的裝填密度條件下，與未包覆藥裝藥相比，端面不堵孔包覆藥在彈丸運(yùn)動(dòng)初期，壓力上升較慢，達(dá)到最大壓力點(diǎn)的時(shí)間推后，最大壓力點(diǎn)后壓力下降速度較緩，在彈丸運(yùn)動(dòng)后期膛內(nèi)壓力較未包覆藥裝藥大，同時(shí)，膛壓和初速均有不同程度的下降，燃燒結(jié)束點(diǎn)推后，但由于最大壓力下降，p-l曲線變得相對(duì)平緩，示壓效率提高約4%。

增加端面不堵孔包覆藥弧厚，同時(shí)增加裝藥量，在達(dá)到與原裝藥相同的膛壓和燃燒結(jié)束點(diǎn)下，初速可提高16m／s，示壓效率提高約4%。

由以上分析可知，采用端面不堵孔包覆藥裝藥，可以有效提高裝藥的示壓效率，達(dá)到提高火炮初速的目的。

4 結(jié) 論

（1）對(duì)多孔發(fā)射藥的端面進(jìn)行不堵孔包覆，提高了發(fā)射藥的燃燒漸增性。

（2）相對(duì)于未包覆藥，37孔端面不堵孔包覆藥最大動(dòng)態(tài)活度增量提高約23%。

（3）在相同的膛壓和燃燒結(jié)束點(diǎn)條件下，端面不堵孔包覆藥的示壓效率比未包覆藥提高4%，炮口初速提高16m／s。

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