多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥的燃燒性能

王　鋒，李梓超，劉國濤，李　達(dá)，姚月娟，于慧芳，王瓊林，張遠(yuǎn)波，劉少武

(西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065)

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多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥的燃燒性能

王鋒，李梓超，劉國濤，李達(dá)，姚月娟，于慧芳，王瓊林，張遠(yuǎn)波，劉少武

(西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065)

摘要：為了研究多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥與粒狀發(fā)射藥的燃燒性能差異，采用半密閉爆發(fā)器試驗(yàn)研究了多孔桿狀發(fā)射藥的解體燃燒過程，通過密閉爆發(fā)器試驗(yàn)和高壓30mm模擬火炮試驗(yàn)對比了多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥和粒狀藥的靜態(tài)燃燒性能和膛內(nèi)燃燒性能。結(jié)果表明，多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥的燃燒按平行層燃燒進(jìn)行，沒有出現(xiàn)侵蝕燃燒，燃燒性能穩(wěn)定，燃燒漸增性比粒狀發(fā)射藥好；用多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥時，膛內(nèi)負(fù)壓差為-7MPa，示壓效率比粒狀發(fā)射藥提高4.93%。

關(guān)鍵詞：物理化學(xué)；多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥；燃燒性能；粒狀發(fā)射藥；密閉爆發(fā)器試驗(yàn)

引言

提高火炮初速一直是發(fā)射藥領(lǐng)域追求的目標(biāo)之一。目前，提高火炮初速可采用高能量發(fā)射藥[1-2]，而最便捷、最有效的途徑是采用高燃燒漸增性發(fā)射藥[3-5]和提高裝藥的裝填密度[6-10]。提高裝填密度通常采用的方法是調(diào)節(jié)發(fā)射藥的形狀和裝藥結(jié)構(gòu)，如將不同的發(fā)射藥薄片堆在一起能夠得到不同配置的層狀發(fā)射藥[11]，將球形藥壓制成球扁藥或柱狀藥能顯著提高裝填密度[6-10,12]。目前，關(guān)于高裝填密度發(fā)射裝藥燃燒性能和內(nèi)彈道性能的研究多停留在理論研究階段[6-7]，相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究的報道較少。俄國Semenov化學(xué)物理研究所采用將粒狀藥壓實(shí)成柱狀藥的裝填方法研究了燃燒性能和內(nèi)彈道性能[8-10]。

多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥是一種含有切口的大長徑比的多孔桿狀發(fā)射藥。國外研究表明[6-10]，采用多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥裝藥技術(shù)可大幅提高裝藥的裝填密度，最大裝填密度達(dá)到1.1g/cm3以上，與粒狀藥裝藥相比裝填密度可提高10%以上。但國內(nèi)外關(guān)于多孔環(huán)切桿狀藥的燃燒性能和內(nèi)彈道性能方面的報道較少。

本研究通過半密閉爆發(fā)器試驗(yàn)分析了多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥的解體燃燒過程，通過密閉爆發(fā)器試驗(yàn)和高壓30mm模擬炮試驗(yàn)對比研究了多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥和粒狀發(fā)射藥的靜態(tài)燃燒性能、膛內(nèi)燃燒性能和內(nèi)彈道性能，為多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考。

1實(shí)驗(yàn)

1.1樣品制備

選用高能硝胺發(fā)射藥配方，采用三基藥制備工藝，經(jīng)過吸收、壓延、膠化、壓伸成型等工藝制備出7/14藥型的粒狀發(fā)射藥和多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥樣品，編號分別為G1和G2。

1.2半密閉爆發(fā)器試驗(yàn)

用半密閉爆發(fā)器試驗(yàn)裝置觀察不同燃燒壓力條件下的樣品狀態(tài)，以此研究多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥的解體燃燒過程。裝置體積100mL，試驗(yàn)溫度20℃，點(diǎn)火藥為2號NC，點(diǎn)火藥量1.1g，點(diǎn)火壓力10MPa。在破孔壓力為20MPa和50MPa下進(jìn)行測試。

1.3密閉爆發(fā)器試驗(yàn)

密閉爆發(fā)器燃燒裝置為西安近代化學(xué)研究所標(biāo)

準(zhǔn)計量儀器，體積100mL，裝填密度0.2g/cm3，試驗(yàn)溫度20℃，點(diǎn)火壓力10.0MPa，點(diǎn)火藥為2號NC，點(diǎn)火藥量1.1g。

1.4高壓30mm模擬火炮試驗(yàn)

高壓30mm模擬火炮試驗(yàn)裝置示意圖見圖1，測試彈丸發(fā)射過程中炮口、彈底、膛底3處的壓力以及彈丸速度。彈丸采用220g自制模擬彈，采用syc-2000壓電式傳感器測試壓力，按GJB349.4-87方法測試燃速。

圖1　高壓30mm模擬炮試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1　Test system of 30mm simulation gun

2結(jié)果與討論

2.1解體燃燒過程分析

圖2　多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥在半封閉爆發(fā)器試驗(yàn)前后的照片F(xiàn)ig.2　The photos of multi-perforated curve-cut stick propellants before and after semi-closed bomb test

通過半密閉爆發(fā)器試驗(yàn)測試環(huán)切桿狀發(fā)射藥在20MPa和50MPa下的燃燒狀態(tài)，結(jié)果見圖2。從圖2(b)可以看出，與未燃燒的樣品相比，當(dāng)燃燒壓強(qiáng)達(dá)到20MPa時多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥仍保持著多孔環(huán)切桿狀藥的長桿狀結(jié)構(gòu)(由于樣品太長，測試時需將樣品截斷)，只是隨著燃燒的進(jìn)行切縫縫隙增大、藥體沒有發(fā)生破孔和碎裂，說明多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥燃燒過程穩(wěn)定，其燃燒過程與粒狀藥相似，燃燒按平行層燃燒進(jìn)行，且沒有出現(xiàn)侵蝕燃燒；從圖2(c)可以看出，當(dāng)燃燒壓強(qiáng)達(dá)到50MPa時多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥已發(fā)生解體，變成粒狀藥，其燃燒過程與粒狀藥的燃燒相同。由此可見，多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥的燃燒過程主要分為兩個階段：(1)第一階段是桿狀藥外表面和內(nèi)孔被同時點(diǎn)火燃燒，同時燃燒火焰沿著環(huán)切切口擴(kuò)張推進(jìn)，直至使原本相連成桿狀的連體粒狀藥分裂成獨(dú)立的正在燃燒的多孔粒狀藥；(2)第二階段是分裂解體后的多孔粒狀藥繼續(xù)燃燒直至燃盡。

2.2靜態(tài)燃燒性能

通過密閉爆發(fā)器試驗(yàn)得到多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥和粒狀發(fā)射藥的p-t曲線，結(jié)果見圖3，對壓力變化曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理, 得到L-B曲線和dp/dt-t曲線,見圖4。

從圖3可以看出，多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥p-t曲線光滑，說明其燃燒正常，與粒狀發(fā)射藥燃燒規(guī)律相似，只是多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥p-t曲線起始階段較平緩，燃燒時間長，這是由于多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥比粒狀發(fā)射藥的起始燃面小，因而造成發(fā)射藥起始點(diǎn)火燃燒燃?xì)馍伤俾瘦^慢，壓力較低；從圖4(a)可以看出，多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥的燃燒起始階段L值比粒狀發(fā)射藥的L值低，說明其起始燃燒猛度較低，而后階段的L值比粒狀發(fā)射藥的L值大，說明多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥后期燃?xì)馍伤俾时攘钏幟黠@加快，這是由多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥的特殊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的，多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥相比粒狀發(fā)射藥起始燃面較小，當(dāng)燃燒到一定階段時桿狀發(fā)射藥解體，燃面迅速增加，因此具有較高的燃燒漸增性。

圖3　不同發(fā)射藥的p-t曲線Fig.3　The p-t curves of different gun propellants

圖4　不同發(fā)射藥的L-B曲線和dp/dt-t曲線Fig.4　L-B and dp/dt-t curves of different gun propellants

由圖4(b)可以看出，多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥和粒狀藥的dp/dt-t曲線起始階段有明顯的差異，后期則基本相同。燃燒時間小于1ms時多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥的dp/dt-t曲線與粒狀發(fā)射藥相比較為平緩，1～3ms時多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥比粒狀藥dp/dt-t曲線的斜率明顯增大，3ms以后兩者曲線的斜率完全一致。由此可以看出多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥的燃燒變化過程：燃燒開始階段由于環(huán)切切縫很小，多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥類似于多孔長管狀藥的燃燒，燃燒較為平緩；當(dāng)燃燒到一定階段，切縫明顯變大，燃面相對增加，其燃燒類似于大長徑比的多孔粒狀藥燃燒，隨著燃燒壓力的增大，桿狀發(fā)射藥解體，多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥變?yōu)槎嗫琢钏?，燃面迅速增加，其燃燒過程與粒狀藥相同。

2.3膛內(nèi)燃燒性能

多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥和粒狀發(fā)射藥的膛內(nèi)燃燒試驗(yàn)結(jié)果見表1，膛內(nèi)壓力曲線見圖5。

表1　高壓30mm模擬炮試驗(yàn)結(jié)果

圖5　多孔環(huán)切桿狀藥和粒狀藥的膛內(nèi)壓力曲線Fig.5　The pressure curves in chamber of multi-perforatedcurve-cut stick gun propellants and grain gun propellant

從表1可以看出，在相同裝藥量的條件下，多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥和粒狀發(fā)射藥膛內(nèi)不同部位的壓力不同，多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥膛底、彈底的壓力較粒狀發(fā)射藥小，炮口壓力較大。從圖5可以看出，多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥和粒狀發(fā)射藥的膛底、彈底和炮口壓力曲線都較為光滑，這說明多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥的膛內(nèi)燃燒較為穩(wěn)定。從圖4(b)可知，多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥出現(xiàn)的第一個負(fù)壓差極值的絕對值為7MPa，而粒狀發(fā)射藥相應(yīng)的負(fù)壓差極值的絕對值為15MPa。多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥的負(fù)壓差極值的絕對值比粒狀藥明顯降低，這可能是由于環(huán)切桿狀發(fā)射藥本身排列較為整齊，其縱向的傳火通道比較暢通，因此在起始點(diǎn)火階段，不易出現(xiàn)局部點(diǎn)火不均勻，其負(fù)壓差絕對值很小。而粒狀發(fā)射藥由于其起始燃面較大，裝藥燃?xì)馄鹗忌伤俾瘦^大，排列相對散亂，傳火通道較差，因而負(fù)壓差絕對值相對較大，造成最大膛底壓力和最大彈底壓力較大。

3結(jié)論

(1)多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥的燃燒過程主要分為兩個階段：第一階段是桿狀藥外表面和內(nèi)孔被同時點(diǎn)火燃燒，同時燃燒火焰沿著環(huán)切切口擴(kuò)張推進(jìn)，直至使原本相連成桿狀的連體粒狀藥分裂成獨(dú)立的正在燃燒的多孔粒狀藥的過程；第二階段是分裂解體后的多孔粒狀藥的燃燒過程。

(2)多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥的燃燒性能穩(wěn)定，燃燒漸增性強(qiáng)，膛內(nèi)燃燒穩(wěn)定性比粒狀發(fā)射藥更好，多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥的整齊排列使得發(fā)射裝藥的傳火通道較為通暢，有利于提高裝藥的點(diǎn)傳火性能，大大降低裝藥膛內(nèi)壓力波的產(chǎn)生，負(fù)壓差最大值為-7MPa，比粒狀藥明顯降低。

(3)與粒狀發(fā)射藥相比，相同裝藥量下多孔環(huán)切桿狀發(fā)射藥的最大膛壓和初速較低，示壓效率明顯提高，提高幅度達(dá)4.93%。

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Combustion Performances of Multi-Perforated Curve-Cut Stick Gun Propellants

WANG Feng, LI Zi-chao, LIU Guo-tao, LI Da, YAO Yue-juan, YU Hui-fang, WANG Qiong-lin,

ZHANG Yuan-bo, LIU Shao-wu

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China)

Abstract:To study the performance differences of multi-perforated curve-cut stick gun propellants and grain gun propellants, the process of disorganization combustion of multi-perforated curve-cut stick gun propellant was investigated by a semi-closed bomb , and the static combustion performance and combustion performance in chamber of multi-perforated curve-cut stick gun propellants and grain gun propellants were contrasted by the closed bomb test and high pressure 30mm simulation gun experiment. The results show that the combustion of multi-perforated curve-cut stick gun propellants is consistent with the parallel mode, its combustion performance is stable and erosive burning is avoid, the progressively burning characteristics of the multi-perforated curve-cut stick propellant is better than that of grain gun propellants; the negative pressure difference of the multi-perforated curve-cut stick gun propellant is -7MPa, and the piezometric effeiciency is improved by 4.93% compared with that of grain gun propellant.

Keywords:physical chemistry; multi-perforated curve-cut stick gun propellant; combustion performance; negative pressure difference; pressure curve in charmber; grain gun propellant; closed bomb test

通訊作者:王瓊林(1966-)，男，博士，研究員，從事發(fā)射藥及裝藥技術(shù)研究。

作者簡介:王鋒(1978-)，男，副研究員，從事發(fā)射藥及裝藥性能研究。

收稿日期:2014-08-21；修回日期:2015-02-01

中圖分類號：TJ55; TQ562

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-7812(2015)02-0089-04

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.02.020