小口徑可燃藥筒及裝藥的燃燒性能研究

鄒偉偉，郝曉琴，張志勇，黨海燕，周偉良

（1.北京特種機械研究所，北京100039；2.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇南京210094）

小口徑可燃藥筒及裝藥的燃燒性能研究

鄒偉偉1，郝曉琴1，張志勇1，黨海燕1，周偉良2

（1.北京特種機械研究所，北京100039；2.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇南京210094）

為改善可燃藥筒的燃盡性，以含能纖維為添加組分，經(jīng)抽濾模壓工藝制備了3個配方的小口徑可燃藥筒，并對所制藥筒的燃燒性能與力學(xué)性能進行了測試研究，同時分析了藥筒裝藥的能量釋放規(guī)律。結(jié)果表明：含能纖維的引入能夠使得可燃藥筒的燃燒速度加快，燃燒結(jié)束時間縮短，火藥力增大，藥筒的燃盡性得到改善；和4/7-單與可燃藥筒組成的裝藥相比，可燃藥筒與19孔火藥匹配較合理，裝藥能量下降幅度小，能量釋放充分?？扇妓幫才c19孔火藥組成裝藥的射擊實驗表明，含能纖維的加入能夠提高藥筒裝藥的彈道性能。

兵器科學(xué)與技術(shù)；可燃藥筒；含能纖維；裝藥；燃燒性能

0 引言

可燃藥筒具有生產(chǎn)工藝簡單、成本低廉，便于戰(zhàn)時大量生產(chǎn)與勤務(wù)處理的特點，且具有容器與提供能量的雙重作用，戰(zhàn)略意義重大，因此自從20世紀問世以來，得到了迅速發(fā)展［1-3］?？扇妓幫驳某霈F(xiàn)促進了火炮結(jié)構(gòu)與裝藥結(jié)構(gòu)的改進，并使模塊化裝藥得以實現(xiàn)。目前，主戰(zhàn)坦克、大中口徑自行火炮所使用各類炮彈及模塊化裝藥中大多以可燃藥筒作為發(fā)射裝藥容器［4］。

可燃藥筒的燃燒性能是其最主要的性能之一，在各國的戰(zhàn)術(shù)指標中都列在首要位置［5］。可燃藥筒燃燒性能的好壞直接影響到炮彈的彈道性能及其使用價值。以抽濾模壓制備的可燃藥筒是一種含能的多孔復(fù)合材料，孔隙分布不均一，呈現(xiàn)出滲透性燃燒的特點，與符合幾何燃燒規(guī)律的火藥相比，具有特殊的燃燒特性，因而不能把火藥的燃燒規(guī)律簡單地套用于可燃藥筒。同時藥筒在裝藥過程中參與主裝藥的共同燃燒，對主裝藥的燃燒規(guī)律影響明顯，進而對彈丸發(fā)射和內(nèi)彈道性能帶來較大影響［6-9］。因此研究可燃藥筒及其裝藥的燃燒規(guī)律能夠為可燃藥筒裝藥設(shè)計、膛內(nèi)裝藥的燃燒規(guī)律及彈道性能的模擬奠定基礎(chǔ)，具有十分重要的意義。

抽濾模壓工藝制備的可燃藥筒強度與燃盡性是一對矛盾體［10］，藥筒中硝化棉含量增加或藥筒密度降低有助于燃燒，能夠提高藥筒的燃速，縮短藥筒的燃燒時間，改善藥筒的燃盡性，但會使得藥筒強度降低［11］。相反，增強材料硫酸鹽木漿紙含量增加、藥筒密度增大對提高藥筒的強度有利，但卻使得藥筒的燃速大幅度降低，不利于藥筒的燃燒完全。因此，如何在保證可燃藥筒強度的前提下改善藥筒的燃盡性成為藥筒研究的關(guān)鍵。

針對可燃藥筒發(fā)展過程中存在的矛盾，本文以自制含能纖維為組分替換參比配方中的硫酸鹽木漿紙，通過抽濾模壓工藝制備了一系列小口徑（25 mm）可燃藥筒，研究了含能纖維對小口徑可燃藥筒力學(xué)性能和燃燒性能的影響，并分析了藥筒裝藥的彈道性能。同時，采用彈道炮進行了小口徑可燃藥筒裝藥的射擊實驗，考察了藥筒及其裝藥的燃盡性與內(nèi)彈道性能。

1 實驗

1.1 試樣制備

實驗以硝化棉、硫酸鹽木漿紙、粘結(jié)劑、自制含能纖維及分散成型助劑為原材料，采用抽濾模壓工藝制備3種配方的小口徑可燃藥筒，其中N0為參比配方，N1、N2分別以質(zhì)量百分比5%和10%的含能纖維替代參比配方中的硫酸鹽木漿紙，具體配方見表1所示。

表1 小口徑可燃藥筒制備實驗配方Tab.1 Composition of small-bore combustible cartridge cases

1.2 實驗方法

密度：采用美國的Micromeritics AccuPyc II 1340型真密度分析儀測試，測試介質(zhì)為高純氦氣。測試溫度25℃±2℃，試樣尺寸為35 mm×21 mm× 2.5 mm.

壓縮力：從殼體靠近底部位置切取50 mm± 1 mm圓環(huán)，上下截面平行，外觀平整，測試溫度25℃±2℃，加載速度20 mm/min.試樣破壞時的載荷值即為壓縮力，每個試樣測試5次求平均值。

抗拉強度：從殼體中部位置切取120 mm圓環(huán)，以美國標準ASTM1708—95標準裁剪成啞鈴狀，進行抗拉強度測試，測試溫度為25℃±2℃，拉伸速度為10 mm/min.用試樣破壞時的拉力值計算抗拉強度，每個試樣測試5次求平均值。

燃燒性能：以密閉爆發(fā)器為能量測試手段，容積為109 mL，測試溫度為20℃±2℃，2號硝化棉為點火藥，點火藥量為1.1 g，藥筒試樣尺寸為35 mm× 21 mm×2.5 mm.測試方法依據(jù)GJB5472.9—2005.對小口徑可燃藥筒及其與發(fā)射藥混合組成的裝藥分別進行0.12 g/cm3、0.20 g/cm3兩種裝填密度下的實驗，每個裝填密度實驗3發(fā)。

2 結(jié)果與討論

2.1 小口徑可燃藥筒的力學(xué)性能

可燃藥筒作為裝藥的一個重要部件，力學(xué)性能是其主要的性能之一，對藥筒的使用性能及裝藥的安全性能有很大的影響。對抽濾模壓工藝制備的3種小口徑可燃藥筒的密度、壓縮力與抗拉強度進行測試，測試結(jié)果見表2.其中ρ為實驗測得的可燃藥筒的密度，σ為藥筒的抗拉強度，G為藥筒的壓縮力。

表2 小口徑可燃藥筒力學(xué)性能對比Tab.2 Comparison of mechanical properties of small-bore combustible cartridge cases

由表2可知：與參比配方N0相比，配方N1藥筒的壓縮力提高14%，抗拉強度降低5.6%；而配方N2藥筒的壓縮力與抗拉強度均降低，壓縮力較參比配方降低1%，抗拉強度降低24%.結(jié)果表明，在不改變粘結(jié)劑種類和用量的情況下，加入合適比例的含能纖維能夠提高藥筒的壓縮力，但是抗拉強度有一定程度的下降。當配方中的含能纖維含量超過10%時，藥筒的壓縮力及抗拉強度均下降。

2.2 小口徑可燃藥筒的定容燃燒性能

采用密閉爆發(fā)器對所制備的小口徑可燃藥筒的燃燒特性進行研究。表3為密閉爆發(fā)器測得的可燃藥筒的定容燃燒結(jié)束時間tk.tk是從點火藥完全燃燒（壓力達到10 MPa）到測試壓力值達到最大時所對應(yīng)的時間。從表3中可以看出，N1配方燃燒結(jié)束時間較參比配方縮短2.86 ms，N2配方燃燒結(jié)束時間較參比配方縮短3.3 ms.密閉爆發(fā)器實驗的p-t曲線如圖1所示。由圖1可知，p-t曲線起始段壓力上升迅速，尤其是在1/4tk時壓力開始迅速上升，燃燒后段，壓力上升趨于平緩。與參比配方N0相比，N1與N2配方藥筒燃燒速度加快，最大壓力提高，燃燒結(jié)束時間明顯縮短。且隨含能纖維加入量的增大，該變化趨勢更為明顯。

表3 小口徑可燃藥筒密閉爆發(fā)器燃燒結(jié)束時間Tab.3 Burning-off times of small-bore combustible cartridge cases in closed-bombms

3種小口徑可燃藥筒的火藥力f、余容α見表4.表4中，pm1、pm2分別為裝填密度為0.12 g/cm3與0.20 g/cm3下測得的最大壓力扣除點火壓力10 MPa后的數(shù)值。由表4中數(shù)據(jù)可以看出，在藥筒中添加含能纖維后，藥筒的火藥力提高。與參比配方N0相比較，N1、N2配方的火藥力分別提高了15%、17%.

圖1 小口徑可燃藥筒密閉爆發(fā)器p-t曲線Fig.1 p-t cures of small-bore combustible cartridge cases in closed-bomb

表4 小口徑可燃藥筒密閉爆發(fā)器實驗測得的火藥力、余容Tab.4 Measured values of impetus and covolume of small-bore combustible cartridge cases in closed-bomb

圖2為可燃藥筒的動態(tài)活性-相對壓力（L-B）曲線。圖2中，3種可燃藥筒的動態(tài)活性在0.21～0.33范圍內(nèi)達到峰值，此時可燃藥筒瞬間燃燒最為劇烈，隨后又迅速下降，表現(xiàn)出強漸減性，在粘結(jié)劑和硝化纖維素含量一定的情況下，含能纖維的加入量越高，藥筒的活性越大。活性是單位壓力下壓力的變化速率，活性越大，低壓下壓力變化速率越快，燃燒結(jié)束時間越早，故含能纖維的加入使藥筒燃盡時間縮短，即提高了藥筒的燃燒速度，也使得藥筒的燃盡性能得到改善。

由上述分析可知，含能纖維具有提高藥筒的能量、改善藥筒燃燒性能的作用，在一定程度上能夠有效解決藥筒燃盡性問題。

2.3 可燃藥筒與4/7-單裝藥的定容燃燒特性

為研究可燃藥筒含量對裝藥的影響規(guī)律，采用密閉爆發(fā)器對4/7-單與參比配方N0組成的裝藥的燃燒規(guī)律進行分析，藥筒的含量分別選擇0%、10%、20%、40%、60%、80%、90%、100%.4/7-單與藥筒組成的混合裝藥的名稱采用混加數(shù)字組成，混為混合裝藥，數(shù)字為可燃藥筒的百分含量。

圖2 可燃藥筒密閉爆發(fā)器L-B曲線Fig.2 L-B curves of combustible cartridge cases in closed-bomb

圖3為混合裝藥的密閉爆發(fā)器p-t曲線。由圖3可見，隨著可燃藥筒的含量的增加，混合裝藥的起始段壓力上升速率加快，最大壓力下降，燃燒結(jié)束時間縮短。4/7-單與可燃藥筒組成的裝藥在燃燒初期，可燃藥筒的燃燒起主要作用，藥筒的減面性大，氣體生成速率快，壓力增加迅速，壓力的增大使得4/7-單的燃燒速度提高，因而混合裝藥燃燒結(jié)束時間縮短。另外，在燃燒過程中4/7-單提供的氧和熱量有助于可燃藥筒的燃燒充分進行，使得混合裝藥最大壓力降低。

圖3 混合裝藥密閉爆發(fā)器p-t曲線Fig.3 p-t cures of mixed charge in closed-bomb

圖4與圖5分別為混合裝藥的密閉爆發(fā)器dp/dt-t曲線與L-B曲線。從圖4中可以看出，4/7-單、混合裝藥、可燃藥筒的燃燒都屬于漸減性燃燒，只是漸減性程度有區(qū)別。4/7-單是均質(zhì)火藥，dp/dt-t曲線的變化趨勢比較平緩，燃氣生成速率開始階段上升緩慢，經(jīng)過一定的時間后才迅速上升，達到最大壓力后迅速下降。在混合裝藥中，隨著可燃藥筒含量的增加，dp/dt-t曲線上升段的陡度增加，混合裝藥的初期燃氣生成速率增大，但峰值降低，下降段趨勢變緩。可燃藥筒結(jié)構(gòu)多孔，比表面積較大，初期的燃氣生成速率增加迅速，但達到最大值后又迅速降低，表現(xiàn)出強漸減性燃燒的特點，且燃燒未段有較長的延遲。

圖4 混合裝藥密閉爆發(fā)器的dp/dt-t曲線Fig.4 dp/dt-t curves of mixture charge in closed-bomb

圖5 混合裝藥密閉爆發(fā)器的L-B曲線Fig.5 L-B cures of mixture charge in closed-bomb

由圖5可知，添加可燃藥筒后，混合裝藥的L-B曲線的開始階段較4/7-單高，且隨著混合裝藥中藥筒含量的增加逐漸增大，這表明4/7單基藥加入藥筒后，裝藥初始燃速大于火藥燃速，低壓下壓力上升較快，而下降段變陡表明混合裝藥的燃燒漸減性增強，當裝藥全部為可燃藥筒時，燃燒程度最為劇烈，達到極值后迅速下降，表現(xiàn)出強漸減性燃燒。隨著可燃藥筒的含量增加，混合裝藥的最大活性逐漸增大，這表明添加可燃藥筒后裝藥的瞬時燃燒更劇烈，這是由藥筒的多孔結(jié)構(gòu)與滲透性燃燒的特點所決定的。

表5為混合裝藥的氧平衡、火藥力及余容。從表5中可以看出，混合裝藥的氧平衡、火藥力隨著混合裝藥中可燃藥筒的含量增加而下降，基本呈直線關(guān)系，下降程度較大。藥筒中由于添加了增強組分硫酸鹽木漿紙，其氧平衡系數(shù)很低，因而與4/7-單組成混合裝藥時會降低整個裝藥的氧平衡，使得裝藥的能量下降。另外，理論計算的火藥力ft與實驗得到的f值不同，說明混合裝藥的能量不是簡單的二者按比例加成，這一方面是由于可燃藥筒與火藥的燃燒規(guī)律不同，其呈滲透性燃燒；另一方面是當藥筒中加入火藥（4/7-單）后，火藥提供的熱量和氧有助于藥筒燃燒的充分進行，能量釋放完全，這也是實驗值大于理論計算值的原因。

表5 混合裝藥的氧平衡及火藥力、余容Tab.5 Oxygen balance，impetus and covolume of mixture charge

2.4 可燃藥筒與不同主裝藥組成的混合裝藥定容

燃燒性能比較

采用容積為109 mL的密閉爆發(fā)器對參比配方N0與4/7-單、參比配方N0與19孔火藥組成的混合裝藥的定容燃燒特性進行研究，混合比例為1:9（可燃藥筒:主裝藥），該比例與彈道炮中所采用的裝藥比例一致。裝填密度分別選擇0.12 g/cm3、0.20 g/cm3，每個裝填密度實驗3發(fā)，測試溫度為20℃～22℃（室溫）。采用密閉爆發(fā)器測得的混合裝藥的燃燒結(jié)束時間tm、最大壓力pm、火藥力f分別見表6.

表6 混合裝藥的密閉爆發(fā)器實測參量Tab.6 Parameters of mixture charge measured by closed-bomb tests

由表6可以看出，與純火藥相比，混合裝藥的燃燒結(jié)束時間縮短，最大壓力與火藥力均降低。相比4/7-單，藥筒與4/7-單組成的混合裝藥的火藥力下降11.7%，而與19孔火藥相比，藥筒與19孔火藥組成的混合裝藥的火藥力下降4.7%，下降幅度較小，能量釋放完全?？梢?，可燃藥筒與不同成分、不同形狀的主裝藥組成的混合裝藥的燃燒規(guī)律不同，存在著匹配問題。

圖6、圖7分別為可燃藥筒與19孔火藥、4/7單組成的混合裝藥的p-t曲線、動態(tài)活性曲線。從圖中曲線可以看出，兩種裝藥的燃燒規(guī)律差異較大。主裝藥為19孔火藥時，裝藥的壓力上升平緩，達到最大壓力的時間較長，活性較低，有益于藥筒的完全燃燒。因此，一般在彈道炮中選擇19孔火藥作為主裝藥。

圖6 混合裝藥的p-t曲線Fig.6 p-t curves of mixture charges

通過對抽濾模壓工藝所制備的可燃藥筒的定容燃燒性能及力學(xué)性能的研究表明，以5%含能纖維替換硫酸鹽木漿紙的可燃藥筒N1的壓縮力較參比配方N0提高了14%，而且其燃速提高，燃燒結(jié)束時間縮短，火藥力增大，平衡了藥筒強度與燃燒性能間的矛盾。因此，在彈道炮射擊實驗中，可燃藥筒選擇配方N1.另外，在裝藥的定容燃燒實驗研究結(jié)果中，藥筒與19孔火藥匹配較合理，裝藥能量下降幅度小，能量釋放充分，從而將其作為主裝藥。

圖7 混合裝藥的L-B曲線Fig.7 L-B curves of mixture charges

2.5 小口徑可燃藥筒裝藥的射擊實驗

采用彈道炮對藥筒裝藥進行射擊實驗，可燃藥筒選擇配方N0、N1，主裝藥為19孔火藥，裝藥量為95.4 g.彈道炮結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為：藥室容積V0= 0.4 dm3，彈丸質(zhì)量m=0.23 kg.實驗溫度為常溫（約20℃）。

彈道炮測得的小口徑可燃藥筒裝藥的內(nèi)彈道性能結(jié)果如表7所示，其中藥筒裝藥燃燒過程的壓力及相應(yīng)的燃燒時間（實測值）是運用電傳感器測壓系統(tǒng)測試得到的，彈丸初速是采用天幕靶測速系統(tǒng)測試得到的，并采用窺膛鏡對可燃藥筒在膛內(nèi)的燃燒情況進行觀察。

表7 小口徑可燃藥筒裝藥內(nèi)彈道性能實驗結(jié)果Tab.7 Experimental results of interior ballistic performance of small-bore combustible cartridge case charge

在表7中第1發(fā)為冷彈，用于溫炮，將該數(shù)據(jù)剔除，第2發(fā)、第3發(fā)為N0與19孔火藥組成的混合裝藥的測試結(jié)果，第4發(fā)～第7發(fā)為N1與19孔火藥組成的混合裝藥的實驗結(jié)果。

由表7中的實驗結(jié)果可知，參比配方N0與19孔火藥組成的混合裝藥在膛內(nèi)燃燒不完全，膛底有微煙，且炮栓被熏黑。而N1與19孔火藥組成的混合裝藥在膛內(nèi)燃燒完全，炮栓無熏黑現(xiàn)象。同時，與參比配方N0相比，配方N1與19孔火藥組成的裝藥平均膛壓提高了5.3%，而彈丸的平均初速提高了2.9%.可見，含能纖維的加入，不但提高了藥筒裝藥的彈道性能，而且使得藥筒裝藥的燃盡性得到明顯的改善。

N2與19孔火藥組成的裝藥的平均膛壓為319.2 MPa，膛壓標準偏差為7.67 MPa，彈丸的平均初速為1 079 m/s，初速或然誤差為6.42 m/s.

3 結(jié)論

1）在小口徑可燃藥筒中加入合適比例的含能纖維能夠有效提高藥筒的壓縮力，但是當含能纖維含量大于10%時，藥筒的壓縮力與抗拉強度均降低。含能纖維的引入對藥筒的燃燒性能有著重要的影響，其有利于提高藥筒的能量，使藥筒燃燒速度加快，燃燒結(jié)束時間縮短，且隨藥筒中含能纖維含量的增加，這種趨勢更為明顯，從而改善了可燃藥筒的燃盡性。

2）在參比配方與4/7單基藥組成的混合裝藥中，隨著可燃藥筒含量的增加，裝藥的起始段燃燒速率增大，最大壓強下降，燃燒結(jié)束時間縮短，火藥力降低。與4/7-單相比，可燃藥筒與19孔火藥匹配較合理，裝藥能量下降幅度小，能量釋放充分。

3）射擊實驗表明，含能纖維的引入不但可以提高藥筒裝藥的彈道性能，而且能夠明顯改善藥筒裝藥的燃盡性。

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Research on Combustion Performance of Small-bore Molded Combustible Cartridge Case and Charge

ZOU Wei-wei1，HAO Xiao-qin1，ZHANG Zhi-yong1，DANG Hai-yan1，ZHOU Wei-liang2
（1.Beijing Institute of Specialized Machinery，Beijing 100039，China；2.School of Chemical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

In order to improve the burning-off property，a small-bore combustible cartridge cases with energetic fibers are manufactured by using pulp molding method.The combustion performance and mechanical property of small-bore combustible cartridge case and the energy discharge function of combustible small-bore cartridge case charge are analyzed by experimental measurement.The results show that the small-bore combustible cartridge case with energetic fibers is beneficial to increase the burning rate，shorten the constant volume combustion time，and improve the burn-off property and ballistic property. The impetus of the mixed charge declines and burning rate increases with the increase in CCC.Compared to the mixed charge of combustible cartridge case and 4/7 single base propellants，the small-bore combustible cartridge case with 7/19 single base propellants is more reasonable，the charge energy decline lightly and the energy can be released sufficiently.

ordnance science and technology；combustible cartridge case；energetic fiber；charge；combustion performance

TJ410.3+66

A

1000-1093（2015）08-1423-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.08.008

2014-05-05

國家“973”重大基礎(chǔ)研究項目（973-613126）

鄒偉偉（1985—），男，工程師。E-mail：zouweiwei57@sina.com；周偉良（1965—），男，研究員，博士生導(dǎo)師。E-mail：wlzhou331@163.com