單基硝酸銨發(fā)射藥的炮口焰研究

劉 佳，賀增弟，程 山, 馬忠亮，蕭忠良

（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原，030051）

火藥潔凈燃燒技術(shù)是使火炸藥的燃燒、爆炸產(chǎn)物具有盡可能少的有害氣體和凝聚態(tài)物質(zhì)，降低武器彈藥在作用過程中的諸多不良現(xiàn)象，如煙、焰以及其他特征信號對人體的毒害[1]。從發(fā)射藥配方的角度考慮，可在制式發(fā)射藥中加入硝酸銨，提高發(fā)射藥配方的氧平衡水平[2]，降低發(fā)射藥燃燒產(chǎn)物中可燃性氣體(CO、H2、CH4)含量，從而有利于抑制發(fā)射藥燃燒時(shí)煙、焰的形成，減少不良射擊現(xiàn)象。本文通過理論計(jì)算，分析單基發(fā)射藥氧平衡調(diào)節(jié)途徑的優(yōu)缺點(diǎn)，研究硝酸銨對炮口焰的影響，采用高速攝像機(jī)對炮口焰進(jìn)行拍攝，以及氣相色譜測定氣體燃燒產(chǎn)物成分，實(shí)驗(yàn)證明了添加氧化劑硝酸銨是提高發(fā)射藥氧平衡的一種有效方法。該方法既未改變裝藥結(jié)構(gòu)，又能有效消除炮口焰，為我國自主研發(fā)新型發(fā)射藥技術(shù)，提高武器系統(tǒng)研發(fā)水平及武器系統(tǒng)平臺的生存作戰(zhàn)能力提供了技術(shù)支持。

1 理論計(jì)算結(jié)果

計(jì)算條件為：T＝2 800.0 K，P＝250.0MPa（不考慮解離）；配方：含氮量 13.1%硝化纖維素 96.3%，二苯胺 1.3% ，樟腦 2.4%，硝酸銨外加。硝酸銨含量從0～30%按照5%遞增。

利用最小自由能法計(jì)算出不同硝酸銨含量混裝藥的可燃?xì)怏w含量（GAS），計(jì)算裝藥的氧平衡[3]，見表1。

表1 不同含量硝酸銨混裝藥對氧平衡及可燃?xì)怏w含量的影響Tab.1 Influence of AN with different content on OB and combustible gas

通過表1可以看出，隨著發(fā)射藥中硝酸銨含量的增加，發(fā)射藥的氧平衡增加，可燃?xì)怏w含量減小，CO2含量增加。當(dāng)硝酸銨含量達(dá)30%時(shí)，氧平衡增加約51.28%；可燃?xì)怏w總量減少約51.23%，CO2氣體含量增加約53.72%。發(fā)射藥中氧平衡的增加可使發(fā)射藥燃燒地更加充分，進(jìn)而減少發(fā)射藥燃?xì)庵锌扇細(xì)怏w的生成。所以，在發(fā)射藥中加入硝酸銨可以降低發(fā)射藥燃?xì)庵锌扇細(xì)怏w含量，降低燃?xì)馀c空氣混合形成二次火焰的能力，降低產(chǎn)生炮口焰的可能性。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 密閉爆發(fā)器-氣相色譜法靜態(tài)測試實(shí)驗(yàn)

密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)[4]采用內(nèi)觸發(fā)方式，實(shí)驗(yàn)條件為：DYY-1壓力傳感器，量程600MPa；容積：106.000cm3；表面積：140.000cm2；裝填密度：0.2g/cm3；裝藥量：21.20g；點(diǎn)火壓力：9.810MPa；點(diǎn)火藥量：0.987 1g。

氣相色譜[4]條件：色譜柱：TDX；爐溫90℃；檢測器：TCD；載氣：He；進(jìn)樣量：200μL，柱壓: 0.10MPa。

把成型的硝酸銨發(fā)射藥用分析天平按比例稱取一定的量，在密閉爆發(fā)器進(jìn)行爆炸，然后用氣體采集袋采集燃?xì)?，用氣相色譜儀分析燃?xì)饨M成，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 燃?xì)饨M成及含量Tab.2 The composition and content of combustible gas

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著配方中硝酸銨含量增加，燃燒產(chǎn)物中可燃性氣體含量降低，CO2含量增加?？扇?xì)怏w總量由最初的52.61%減少到46.72%，這與制式藥相比降低了約11.12%，這就降低了燃?xì)馀c空氣混合形成二次火焰的能力，進(jìn)而降低產(chǎn)生炮口焰的可能性，燃燒產(chǎn)物中可燃?xì)怏w含量變化趨勢和理論計(jì)算結(jié)果相符合。

2.2 炮口焰試驗(yàn)研究

采用 30mm彈道炮測試平臺對混裝發(fā)射藥進(jìn)行試驗(yàn)，并利用高速攝像儀對炮口焰進(jìn)行拍攝，對比火焰的亮度、大小[5-6]。主要測試儀器：Redlake公司的Motion HG-100型高速攝像儀；測試樣品：硝酸銨發(fā)射藥AN50、30mm制式火炮發(fā)射藥混裝；測量參數(shù)：拍攝速度2 000p/s，光圈2.8；利用Image-Pro Plus6.0對各試樣的炮口焰圖像進(jìn)行分析。圖像分析：將每個(gè)試樣連續(xù)拍攝得到的相片進(jìn)行疊加，得到炮口焰疊加圖，用以表示炮口焰的傳播過程，對比標(biāo)尺，得到炮口焰疊加圖的相應(yīng)參數(shù)。

采用30mm火炮進(jìn)行試驗(yàn)，制式發(fā)射藥和混裝發(fā)射藥的炮口火焰圖及3D光密度圖如圖1～5所示。采用IPP軟件進(jìn)行圖像分析，得到炮口焰面積（A）、最大直徑（Dm）、平均直徑（Dme）、周長（Pe）、積分光密度（IOD）值、火焰最大直徑減小率和積分光密度減小率。炮口焰參數(shù)分析結(jié)果見表3。

表3 炮口焰參數(shù)分析結(jié)果Tab.3 The analysis results of muzzle flash parameters

圖1 制式發(fā)射藥炮口焰圖Fig.1 The picture of muzzle flash of the service propellant

圖2 試樣10%炮口焰圖Fig.2 The picture of muzzle flash of propellant with 10%AN

圖3 試樣20%炮口焰圖Fig.3 The picture of muzzle flash of propellant with 20%AN

圖4 試樣30%炮口焰圖Fig.4 The picture of muzzle flash of propellant with 30%AN

圖5 試樣40% 炮口焰圖Fig.5 The picture of muzzle flash of propellant with 40%AN

圖1～5及表3結(jié)果表明：隨著硝酸銨含量增加，炮口焰面積、最大直徑和平均直徑均減小，說明火焰尺寸、傳播距離、持續(xù)時(shí)間減小；IOD值是光密度和面積的乘積，綜合反映炮口焰亮度和體積的變化情況，積分光密度降低說明火焰亮度降低和體積減小。硝酸銨含量為40%時(shí)，與制式藥相比，炮口焰面積減少了31.18%，炮口焰最大直徑減少了27.32%，平均直徑減少了 16.62%，炮口焰積分光密度減少了35.75%。

3 結(jié)論

（1）隨著配方中硝酸銨含量增加，氧平衡增加，燃燒產(chǎn)物中可燃性氣體含量降低。理論計(jì)算表明，當(dāng)硝酸銨含量為30%時(shí)，氧平衡增加了約51.28%，可燃?xì)怏w總量減少了51.23%，CO2氣體含量增加約53.72%，進(jìn)而降低了產(chǎn)生炮口焰的可能性。

（2）混裝發(fā)射藥體系中，隨著硝酸銨含量增加，炮口焰尺寸、傳播距離、持續(xù)時(shí)間都減小。硝酸銨含量為40%時(shí)，與制式藥相比，混合發(fā)射藥炮口焰面積減少了31.18%，炮口焰最大直徑減少了27.32%，炮口焰平均直徑減少了 16.62%，炮口焰積分光密度減小了35.75%。

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[2]賀增弟,呂智星,袁治雷,等.硝酸銨對炮射導(dǎo)彈發(fā)射藥燃?xì)庵蠧O濃度的影響[J].火炸藥學(xué)報(bào), 2010,33(2): 82-85.

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[4]王澤山，張緒柱，韓盤銘,等.火藥實(shí)驗(yàn)[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社,1992.

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