顆粒固結發(fā)射藥作隨行裝藥的應用研究

梁泰鑫, 肖忠良, 呂秉峰, 馬忠亮, 代淑蘭

(中北大學化工與環(huán)境學院, 山西 太原 030051)

1 引 言

初速是身管武器性能的一個重要指標,提高初速是武器發(fā)展的核心任務之一。就常規(guī)火炮而言,一般采用增加發(fā)射藥量與彈丸質量比(ω/m)的方法提高初速,由于膛底到彈底間的壓力梯度是ω/m的強函數,所以隨著ω/m值的增加,壓力梯度越明顯,而彈底壓力的提升卻相對較小,不利于彈丸初速的再提高[1-2]。在這種背景下,隨行裝藥技術應運而生,其基本設想是在彈底部攜帶一定量的發(fā)射裝藥,并使之隨彈丸一起運動。隨行裝藥在膛內適時點燃,對彈底“空穴”區(qū)進行沖壓,實現(xiàn)最大膛壓不變,彈丸初速大幅提高的目標[3-5]。

Oberle[6]、Tompkins[7]等將高燃速火藥作隨行裝藥進行了內彈道試驗,并對其發(fā)射過程進行了模擬,研究了隨行裝藥的延遲機構、隨行裝藥與主裝藥的質量配比等問題。Michel[8]等將穩(wěn)態(tài)爆燃技術引入隨行裝藥中,通過內彈道試驗對該方案的可行性進行了分析。楊京廣[9-10]等在彈后固連一個隨行藥室,藥室內裝入單基4/7和3/1發(fā)射藥,藥室后部安裝延遲機構和后螺蓋,在30 mm火炮上進行了射擊試驗,實現(xiàn)了隨行裝藥原理。Liu[11]等將包覆阻燃發(fā)射藥作隨行裝藥,采用可燃藥筒攜帶的方式進行了內彈道試驗,實現(xiàn)了最大膛壓不變而初速提高的目標。Ermolaev[12]等將顆粒粘結壓實藥柱作隨行裝藥,采用粘結隨行技術在23 mm滑膛實驗炮上進行了射擊試驗,實現(xiàn)了局部壓力平臺的彈道效果。上述文獻均指出,隨行裝藥的點火延遲時間、燃燒性能的穩(wěn)定性及高燃速是隨行裝藥技術研究的關鍵問題。

顆粒固結發(fā)射藥在隨行裝藥中的應用研究還在探索階段,因此對其進一步的研究具有理論意義和實用價值。鑒于顆粒固結發(fā)射藥具有高裝填密度、高力學強度和燃燒性能穩(wěn)定性較好等特點[13-18],本研究提出了一種新的隨行裝藥方案: 將顆粒固結發(fā)射藥成型于特制圓柱形鋼桶內,依托裝藥藥柱的高力學強度,在其端面安裝延遲機構,以期實現(xiàn)對裝藥點火延遲時間的控制,并將其整體安裝在與之匹配的彈尾腔體內。通過密閉爆發(fā)器和30 mm彈道炮試驗,對該隨行裝藥的點火延遲時間、力學強度、燃速和燃燒性能的穩(wěn)定性進行了研究。

2 試驗部分

2.1 試樣制備

以多孔單基小粒藥多-125發(fā)射藥為基體藥,與一定比例的粘結劑(二縮三乙二醇二硝酸酯、雙鉛推進劑、2#硝化棉)預先混合; 置于捏合機內捏合30 min,使粘結劑對基體藥粒表面進行充分浸潤; 在適當壓力下成型于特制圓柱形鋼桶內,該裝藥藥柱的密度(以下稱之為壓制密度)可通過壓力進行控制,且藥柱成型后基體藥與粘結劑均勻分布,藥柱與鋼體緊密結合、無縫隙; 最后在裝藥端面安裝延遲機構,完成了隨行裝藥試樣制備,其整體結構見圖1所示。

圖1 隨行裝藥結構示意圖

Fig.1 Schematic drawing of traveling charge structure

圖1中隨行裝藥方案的延遲機構實質是一種緩燃材料,其材料均為可燃物質,與隨行裝藥端面能有效粘合、可塑性強,若要實現(xiàn)對隨行裝藥點火延遲時間的控制,需要隨行裝藥有較高的力學強度,保證其在高壓下結構完整,從而通過延遲機構的緩燃,實現(xiàn)隨行裝藥的延遲點燃。

隨行裝藥的力學強度,主要是通過粘結劑的含量與壓制密度來控制。在隨行裝藥中加入一定比例的粘結劑,不僅增加了基體藥粒間的粘結力,同時填充藥粒間縫隙,其目的是使壓制的隨行裝藥具有較高的力學強度。

針對該隨行裝藥結構,制式彈丸尾部設計了與之匹配的腔體結構。在彈道試驗時,只需將其安裝在彈尾腔體內即可。

2.2 密閉爆發(fā)器試驗

為研究延遲機構的厚度、組分乙基纖維素 (EC)含量對隨行裝藥點火延遲時間的影響,隨行裝藥的粘結劑含量、壓制密度對其力學強度、燃氣釋放速率的影響,隨行裝藥燃燒性能的穩(wěn)定性,將6/7發(fā)射藥與隨行裝藥試樣采用混裝的方式進行200 cm3密閉爆發(fā)器試驗,試驗方案見表1。試驗條件: 裝填密度0.2 g·cm-3; 點火壓力10 MPa; 壓力傳感精度0.005 MPa; 采樣時間間隔0.05 ms。為便于分析隨行裝藥的點火延遲時間,需使隨行裝藥在點燃前的p-t曲線與6/7發(fā)射藥的p-t曲線重合,這就要求密閉爆發(fā)器試驗時,裝填密度0.2 g·cm-3不變。故在計算其裝填密度時,隨行裝藥試樣占用的體積不可忽略。本次試驗中所用隨行裝藥試樣的體積均為17.5 cm3,在密閉爆發(fā)器容積中扣除該部分,計算得到6/7發(fā)射藥的裝藥量應為36.5 g。

為研究隨行裝藥的燃速,進行了100 cm3密閉爆發(fā)器試驗。試驗條件: 裝填密度0.2 g·cm-3; 點火壓力10 MPa; 壓力傳感精度0.005 MPa; 采樣時間間隔0.02 ms; 在室溫下進行實驗。

2.3 彈道試驗

彈道試驗采用30 mm彈道炮,藥室容積140 cm3,彈丸行程長2.4 m,標準彈丸質量389 g,試驗彈丸質量322 g,點火藥為2號小粒黑,銅柱測壓法測試膛底最大壓力。

表1 隨行裝藥試驗方案

Table 1 Experimental schemes of traveling charge

samplepropellant6/7/gtravelingchargedose/gporouspropellant125/%binder/%presseddensity/g·cm-3timedelayunitthickness/mmcontentofEC/%AC?040noneAC?136．512．59281．5110AC?236．512．59281．51．510AC?336．512．59281．5210AC?436．512．59281．50．610AC?536．512．59281．50．620AC?636．512．59281．50．630AC?736．511．79551．40．47AC?836．512．59551．50．47AC?936．511．79281．40．47AC?1036．512．59281．50．47

Note: EC is ethyl cellulose.

3 結果與分析

3.1 延遲機構的厚度、EC含量對隨行裝藥點火延遲時間的影響

為研究延遲機構厚度對隨行裝藥點火延遲時間的影響,選用延遲機構厚度不同的3個試樣AC-1、AC-2、AC-3進行了密閉爆發(fā)器實驗,得到了相應的p-t曲線,如圖2所示。從圖2可以看出,試樣AC-1、AC-2、AC-3的p-t曲線均存在兩個壓力增長階段。與試樣AC-0的p-t曲線對比可知,第一個壓力增長階段為6/7發(fā)射藥與延遲機構共同燃燒階段,該階段的壓力增長主要由6/7發(fā)射藥燃燒決定。在第一個壓力增長階段結束后,三條曲線均出現(xiàn)了“壓力保持”階段,該階段為延遲機構的緩燃。說明在該裝藥條件下,延遲機構厚度≥1.0 mm時,可將隨行裝藥點火延遲時間延長到6/7發(fā)射藥燃完以后。經過一段時間的緩燃,延遲機構燃盡,進入第二個壓力增長段,隨行裝藥開始燃燒,并在燃燒結束時壓力達到最大值。同時可以看出,試樣AC-1、AC-2、AC-3的p-t曲線在不同時刻與試樣AC-0的p-t曲線分離,分離時間即隨行裝藥點火延遲時間分別為57、59.7 ms和63 ms,較6/7發(fā)射藥燃完的時間56 ms,分別延遲了1、3.7 ms和7 ms。說明在靜態(tài)燃燒環(huán)境下,依托隨行裝藥的高力學強度,延遲機構可實現(xiàn)對隨行裝藥點火延遲時間進行有效控制。隨著延遲機構厚度的增加,隨行裝藥點火延遲時間延長。

圖2 不同延遲機構厚度的隨行裝藥試樣p-t曲線

Fig.2p-tcurves of traveling charge samples with different time delay unit thickness

由于延遲機構組分中EC為主要阻燃物質,改變其含量,必然會對隨行裝藥點火延遲時間產生影響。為此,選用EC含量不同的3個試樣AC-4、AC-5、AC-6進行了密閉爆發(fā)器試驗,得到了相應的p-t曲線,如圖3所示。從圖3可以看出,試樣AC-4、AC-5、AC-6的p-t曲線在不同時刻與試樣AC-0的p-t曲線分離,分離時間即隨行裝藥點火延遲時間分別為53.2,53.6 ms和53.9 ms。說明在延遲機構厚度一定的情況下,增加其組分EC的含量,可使延遲機構緩燃能力增強,從而使隨行裝藥點火延遲時間延長。

圖3 不同EC含量的隨行裝藥試樣p-t曲線

Fig.3p-tcurves of traveling charge samples with different EC content

3.2 隨行裝藥粘結劑含量、壓制密度對其力學強度、燃氣釋放速率的影響

由于粘結劑的含量與壓制密度可以影響隨行裝藥的力學強度,且在一定程度上影響其燃氣釋放速率。為此,選用粘結劑含量、壓制密度不同的4個試樣AC-7、AC-8、AC-9、AC-10進行了密閉爆發(fā)器試驗,得到了相應的p-t曲線,見圖4所示。從圖4可以看出,在52.5～56 ms內,對應時刻下試樣AC-7的p-t曲線要高于試樣AC-8的p-t曲線,試樣AC-9的p-t曲線要高于試樣AC-10的p-t曲線。說明隨著壓制密度的增加,提高了隨行裝藥的力學強度,降低了隨行裝藥的燃氣釋放速率。同時可以看出,在52.5～56 ms內,試樣AC-7與AC-9的p-t曲線相比較,試樣AC-9的p-t曲線陡度較小,試樣AC-8與AC-10的p-t曲線相比較,試樣AC-10的p-t曲線陡度較小。說明隨著粘結劑含量的增加,提高了隨行裝藥的力學強度,降低了隨行裝藥的燃氣釋放速率。通過以上分析可知,增加隨行裝藥的壓制密度和粘結劑含量,均可使其力學強度增加、燃氣釋放速率降低。這是由于針對該隨行裝藥方案,增加粘結劑含量,可提高多-125發(fā)射藥粒間的粘結能力,增加壓制密度,可提高隨行裝藥的密實性,從而提高了隨行裝藥的力學強度,控制其解體過程,使隨行裝藥的燃氣釋放速率降低。

圖4 不同粘結劑含量、壓制密度的隨行裝藥試樣p-t曲線

Fig.4p-tcurves of traveling charge samples with different binder content and pressed density

3.3 隨行裝藥燃燒性能的穩(wěn)定性

對試樣AC-8進行了平行試驗,測試了隨行裝藥燃燒性能的穩(wěn)定性,得到了相應的動態(tài)活度曲線(L-B),見圖5所示。從圖5可以看出,三次試驗曲線始終具有較好的重合度。以相對壓力0.4(隨行裝藥開始燃燒)處為界,三條曲線呈現(xiàn)出階梯上升。在相對壓力0.4處,三條曲線基本重合,說明在相同裝藥條件下,依托隨行裝藥的高力學強度,延遲機構對隨行裝藥點火延遲時間的控制,具有良好的穩(wěn)定性; 相對壓力0.4～1,為主裝藥與隨行裝藥共同燃燒階段,該階段三條曲線基本重合,說明在相同裝藥條件下,隨行裝藥的燃燒性能基本穩(wěn)定。因此在靜態(tài)燃燒條件下,該隨行裝藥整體的燃燒性能基本穩(wěn)定。

圖5 隨行裝藥重復性試驗L-B曲線

Fig.5L-Bcurves of traveling charge in repeated experiments

3.4 隨行裝藥的燃速

為研究隨行裝藥的燃速,壓制了直徑19 mm、高26 mm,粘結劑含量5%,壓制密度1.5 g·cm-3,質量為10 g的隨行裝藥藥柱。在無鋼體及延遲機構的情況下,對其進行了100 cm3密閉爆發(fā)器試驗,試驗時隨行裝藥的裝藥量20 g。為對比說明該隨行裝藥具有較高的燃速,對6/7發(fā)射藥也進行了試驗,裝藥量20 g。對試驗得到的p-t曲線進行處理,得到了其在不同壓力下的燃速值,見圖6所示。從圖6可以看出,在相應壓力下隨行裝藥的燃速值均大于6/7發(fā)射藥的燃速值,隨行裝藥與6/7發(fā)射藥的燃速最大值分別為4130.8 mm·s-1和89.1 mm·s-1,隨行裝藥燃速最大值是6/7發(fā)射藥的46倍。說明隨行裝藥具有較高的燃速。

圖6 隨行裝藥和6/7發(fā)射藥的u-p曲線

Fig.6u-pcurves of traveling charge and propellant 6/7

3.5 內彈道試驗結果

將試樣AC-8安裝在試驗彈丸尾部腔體內,為防止高壓氣體對延遲機構的沖擊而造成的整體結構的變形、失效,在彈尾加蓋了0.2 mm厚的硝化纖維塑料片,總彈重為389 g。主裝藥為6/7發(fā)射藥,在裝藥量113 g、117.5 g的情況下,對隨行裝藥試樣AC-8進行30 mm彈道炮試驗,并于標準彈丸的試驗進行了對比,結果見表2。

表2 隨行裝藥內彈道試驗結果

Table 2 Results of interior ballistic experiment for traveling charge

No．maincharge/gpm/MPav0/m·s-1standard113279．8909．7projectile117．5307．9956．51113276．1980．82113286．79753113282．4989．64113274．4986．25117．5342．110216117．5332．91017．6

Note:pmis the maximum chamber pressure,v0is the muzzle velocity.

從表2可以看出,主裝藥量113 g時,對試樣AC-8的4次內彈道試驗(1、2、3、4)的最大膛壓(pm)與標準彈丸的pm相當,而初速(v0)有較大的提升。說明在該裝藥條件下,延遲機構厚0.4 mm,可將隨行裝藥點火延遲時間延長在pm以后,獲得較佳的點火延遲時間,v0顯著提升。可見在動態(tài)燃燒環(huán)境下,依托隨行裝藥的高力學強度,延遲機構可實現(xiàn)對隨行裝藥點火延遲時間進行有效控制。4次內彈道試驗的平均初速約983 m·s-1,與標準彈丸v0909.7 m·s-1相比,v0增加73.3 m·s-1,增幅約8%。主裝藥量117.5 g時,對試樣AC-8的2次內彈道試驗(5、6)的pm與標準彈丸的pm相比相對較高,說明隨行裝藥在pm以前已開始燃燒?？梢娫谠撗b藥條件下,若要實現(xiàn)隨行裝藥在pm后點燃,延遲機構厚度應>0.4 mm,還需作進一步的試驗探索。

從表2同時可以看出,主裝藥量113 g時,4次內彈道試驗(1、2、3、4)的試驗結果基本穩(wěn)定,初步驗證了該隨行裝藥,在動態(tài)燃燒條件下燃燒性能基本穩(wěn)定。在試驗中,通過高速攝影儀對彈丸出炮口后的情況進行了觀察,該組試驗均未發(fā)現(xiàn)有彈尾光,說明隨行裝藥在膛內已燃燒完全。

4 結 論

(1) 密閉爆發(fā)器與內彈道試驗均表明: 依托隨行裝藥高力學強度,延遲機構可對隨行裝藥點火延遲時間進行控制; 初步驗證了該隨行裝藥的燃燒性能基本穩(wěn)定。

(2) 增加延遲機構的厚度、組分EC含量,均可使隨行裝藥點火延遲時間延長。增加隨行裝藥的粘結劑含量、壓制密度,均可使隨行裝藥的力學強度增加、燃氣釋放速率降低。

(3) 該隨行裝藥具有較高的燃速,粘結劑含量5%、壓制密度1.5 g·cm-3時,其燃速最大值是6/7發(fā)射藥的46倍。

(4) 主裝藥量113 g、延遲機構厚0.4 mm,在最大膛壓基本不變的情況下,隨行裝藥在內彈道試驗中的初速較標準彈丸初速增加73.3 m·s-1,增幅約8%。

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