一種新型固體隨行彈藥的實驗研究

梁 磊，閆光虎，趙煜華，劉 毅，張江波

（西安近代化學研究所，陜西 西安，710065）

?

一種新型固體隨行彈藥的實驗研究

梁 磊，閆光虎，趙煜華，劉 毅，張江波

（西安近代化學研究所，陜西 西安，710065）

摘 要：為實現(xiàn)固體隨行裝藥的隨行效果，設計了一種新型固體隨行裝藥試驗彈，對不同發(fā)射藥進行了密閉爆發(fā)器試驗，并開展了30mm火炮內(nèi)彈道試驗，分析了不同點火延遲機構(gòu)的點火延遲效果。試驗結(jié)果表明：RGD7-4/7發(fā)射藥和2/1樟燃速相比5/7和4/7單基藥更符合隨行裝藥的速燃性要求，主裝藥采用5/7或4/7單基藥裝藥，隨行藥室采用RGD7-4/7和2/1樟發(fā)射藥，通過點火延遲機構(gòu)控制合適的時間點燃隨行藥，可實現(xiàn)膛壓P——t曲線壓力平臺；與常規(guī)裝藥對比，在膛壓300MPa基本不變條件下，初速最高提高4.25％，表現(xiàn)出良好的隨行效果。

關鍵詞：固體隨行裝藥；內(nèi)彈道；點火延遲；初速

初速是火炮性能的一個重要指標。對于常規(guī)裝藥火炮，膛底和彈底之間存在一定的壓力梯度，使得推動彈丸運動的彈底壓力只約為膛底壓力的70％，因而嚴重地影響了彈丸初速的提高。隨行裝藥技術是將一部分發(fā)射藥裝于彈底，使其隨彈丸一起運動，并在彈丸出炮口前燃燒完畢。隨行裝藥的燃燒有效地提高了彈底壓力，降低了膛底與彈底之間的壓力梯度，從而在最大膛壓和有效彈重不變的條件下，達到提高彈丸初速的目的[1]。另外，在一定壓力條件下，隨行裝藥技術的發(fā)射系統(tǒng)與現(xiàn)有的火炮結(jié)構(gòu)相容，僅僅通過改變裝藥結(jié)構(gòu)，就能達到改善火炮的內(nèi)彈道性能和提高彈丸初速的目的。

國外學者[2-6]主要是研究超高燃速火藥作為隨行裝藥，雖取得一定進展，但燃燒穩(wěn)定性不好。國內(nèi)研究人員對采用強制攜帶片裝藥的方案[7]和整裝式液體隨行裝藥方案[8-9]進行研究。然而，隨行裝藥的粘接技術不能保證其跟隨彈丸運動直至炮口；此外，隨行裝藥點火延遲的控制技術等[10]幾個關鍵技術未能很好解決，使得隨行裝藥的效能不能充分發(fā)揮。

本文采用新型固體隨行裝藥方案，在彈丸尾部連接一個具有密封功能的點火延遲機構(gòu)，通過30mm火炮內(nèi)彈道試驗研究，表明此結(jié)構(gòu)采用固體發(fā)射裝藥可以實現(xiàn)隨行原理，對提高彈丸炮口初速具有很大潛力，為隨行裝藥技術的工程應用提供技術指導。

1　試驗

1.1隨行裝藥彈丸結(jié)構(gòu)及作用原理

固體隨行裝藥彈丸結(jié)構(gòu)是由彈底螺旋蓋、點火延遲機構(gòu)、隨行藥室、彈帶和彈體幾個關鍵部件組成。其中點火延遲機構(gòu)及燃氣排放系統(tǒng)安裝于彈底螺旋蓋上，如圖1所示。

圖1　固體隨行裝藥彈丸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of a solid traveling charge

點火延遲機構(gòu)主要由延遲點火裝置組成，可通過調(diào)節(jié)延遲點火裝置，以實現(xiàn)隨行裝藥的延遲點火；并且周邊均勻分布隨行藥室高壓氣體排氣系統(tǒng)。具體工作原理為：當主裝藥點燃后，高溫高壓氣體通過延遲點火裝置點燃隨行藥，此時，排氣系統(tǒng)不工作處于密封狀態(tài)，當隨行藥延遲點燃后，隨行藥室內(nèi)與彈丸底部產(chǎn)生一定壓力差，排氣系統(tǒng)自動打開，實現(xiàn)排氣功能，補強彈底壓力，出現(xiàn)第2個壓力峰值，以實現(xiàn)隨行效果。

由經(jīng)典內(nèi)彈道理論[11]，可知全過程燃氣膨脹所完成的機械功等于p——l曲線下的面積，如式（1）所示：

式（1）中：p為彈后空間的平均壓力，而事實上彈丸是在彈底壓力pd作用下運動的。

由內(nèi)彈道學[11]可知，普通裝藥的膛底壓力pt、彈底壓力pd與平均壓力p之間關系如式（2）～（3）所示：

由式（2）～（3）中看出，膛底壓力pt遠遠低于彈底壓力pd和平均壓力p，并且彈丸重量ω與裝藥量m之比越大，pt與pd之差就越大。

因此，隨行裝藥技術可以控制隨行藥在合適的時間點燃，在不增加最大壓力的前提下，通過改變?nèi)細馍梢?guī)律，補強彈底壓力，使得最大壓力點附近曲線變得平緩，進而增加p——l曲線下的做功面積，提高彈丸初速。

1.2密閉爆發(fā)器試驗

依據(jù)GJB 770B-2005火藥密閉爆發(fā)器試驗法，分別對5/7石、4/7石、2/1樟單基藥以及4/7高能硝胺發(fā)射藥進行靜態(tài)燃燒性能測試。試驗溫度20℃，密閉爆發(fā)器容積為100mL，裝填密度為0.2g/mL，點火藥包采用1.1g 2#NC，點火壓力為10MPa。

1.3內(nèi)彈道試驗

使用上述所設計的隨行試驗彈丸，在30mm高壓滑膛彈道炮上進行內(nèi)彈道試驗。主藥室采用制式單基藥，隨行裝藥采用高能硝胺發(fā)射藥或與單基藥的混裝藥，點火方式為DD2電底火點火，膛底和炮口處采用壓電傳感器測量P——t曲線變化。

2　結(jié)果與討論

2.1密閉爆發(fā)器試驗結(jié)果

對所用的制式單基發(fā)射藥以及高能硝胺發(fā)射藥進行了密閉爆發(fā)器試驗，發(fā)射藥的基本參數(shù)如表1所示。

表1　發(fā)射藥基本參數(shù)Tab.1 The parameters of the gun propellant

圖2為試驗所得密閉爆發(fā)器的P——t曲線及對P——t曲線進行處理后得到的L——B曲線[12]。

圖2　4種發(fā)射藥的P——t曲線及L——B曲線Fig.2 P——t curves and L——B curves of conventional propellant

從圖2（a）看出，RGD7-4/7發(fā)射藥的P——t曲線上升速率明顯高于5/7和4/7單基藥，說明RGD7-4/7發(fā)射藥的起始燃氣生成速率較快，同時，RGD7-4/7發(fā)射藥具有更高的燃燒能量。因為2/1樟發(fā)射藥的弧厚薄，根據(jù)燃速定律，2/1樟發(fā)射藥具有更高的燃燒速度。所以，RGD7-4/7發(fā)射藥和2/1樟燃速相比5/7 和4/7單基藥更符合隨行裝藥的速燃性要求。圖2（b）L——B曲線表明，5/7單基藥、4/7單基藥和RGD7-4/7發(fā)射藥燃燒漸增性相近，而2/1樟發(fā)射藥相對燃燒漸增性稍差，這種特性適宜隨行裝藥能夠在短時間內(nèi)釋放出更多的能量用來做功。通過以上分析知，燃燒速率較低的5/7和4/7單基藥能夠使主藥室中內(nèi)彈道的最大壓力點延后，而RGD7-4/7發(fā)射藥的高能量和較高燃速特性加上燃燒漸增性稍差的2/1樟單基藥能夠更好地補充炮膛內(nèi)的能量，形成類壓力平臺效應，較大幅度提高炮口初速。

2.2內(nèi)彈道試驗結(jié)果

利用上述隨行裝藥彈丸在30mm火炮上進行內(nèi)彈道試驗?？疾焖O計的延遲裝置的點火延遲效果，同時，研究不同裝藥結(jié)構(gòu)對隨行彈丸膛壓、初速的變化影響，考察所研制的固體隨行試驗彈的隨行效果。

2.2.1不同延遲時間試驗研究

采用4/7單基藥為主裝藥，4/7高能硝胺發(fā)射藥為隨行藥，通過控制點火延遲機構(gòu)改變點火延遲時間，分別進行隨行裝藥內(nèi)彈道試驗，其P——t曲線如圖3所示。由圖3（a）可見，Δ t為3.0ms，初速僅提高2.10％；圖3（b）Δ t為0.7ms，初速提高3.64％；圖3（c）Δ t為0.6ms，初速提高4.19％。由結(jié)果可以分析得到，當點火延遲時間保證在超過第1峰值時間的情況下，點火延遲時間越長，壓力曲線下方面積越小，形成的初速越小，因此點火延遲時間應盡量靠近第1峰值。所設計的點火延遲機構(gòu)，可根據(jù)裝藥調(diào)整其點火延遲時間，保證在最大膛壓基本不變條件下，出現(xiàn)膛壓P——t曲線雙峰或平臺現(xiàn)象。

圖3　隨行裝藥不同點火延遲時間下點燃的P——t曲線Fig.3 P——t curves for traveling charge at different ignition 1ag time

2.2.2不同裝藥結(jié)構(gòu)試驗研究

根據(jù)點火延遲試驗結(jié)果，選取合適的點火延遲時間，開展其在不同裝藥結(jié)構(gòu)下的內(nèi)彈道試驗，進一步優(yōu)化隨行裝藥試驗。彈藥裝填條件及內(nèi)彈道試驗結(jié)果見表2。

表2　隨行裝藥彈道試驗結(jié)果Tab.2 The firing results of the 30mm solid-traveling-charge

由表2中數(shù)據(jù)可以看出：（1）相同主裝藥結(jié)構(gòu)、同等裝藥量條件下，RGD7隨行藥的添加，在最大膛壓不變情況下，初速有一定程度提高，序號2與序號1的最大膛壓Pm相當，均為330MPa，初速提高2.16％；（2）相同主裝藥結(jié)構(gòu)、隨行藥采用RGD7和2/1混合裝藥時，在最大膛壓相當情況下，初速有較大幅度提高，初速提高最高達4.25％。分析其原因，主要是因為隨行藥加入了弧厚稍薄的2/1單基藥，相對主裝藥提高了隨行藥的燃速，并且2/1單基藥的燃燒特性保證了隨行藥在膛內(nèi)燃盡，并將能量用于彈底壓力補強，從而有效提高了彈丸初速；（3）試驗所采用的裝藥并不是高燃速發(fā)射藥，僅是通過改變藥型與結(jié)構(gòu)，以達到與燃速的合理匹配，取得了良好的彈道效果，但效果有限。由此可以得出：所設計的隨行試驗彈，采用固體發(fā)射藥可以實現(xiàn)隨行原理，合理地解決主裝藥結(jié)構(gòu)與隨行裝藥結(jié)構(gòu)在燃速上的矛盾，其效果更佳。主裝藥結(jié)構(gòu)相同，隨行裝藥采用RGD7以及混裝2/1單基藥，其膛壓及相應的炮口P——t曲線如圖4所示。

圖4　不同隨行裝藥結(jié)構(gòu)的膛底及對應炮口曲線Fig.4 P——t curves for traveling charge of different travelling charge structure

由圖4的P——t曲線看出，隨行裝藥膛內(nèi)最大壓力與空白裝藥相比基本保持不變，加隨行藥試驗彈P——t曲線達到最大壓力點后下降平緩且曲線光滑，曲線上除了有個明顯峰值外，后期還出現(xiàn)一突臺。其中第1個峰值為火炮主裝藥燃燒形成的最大膛壓，第2個峰值或突臺是跟隨彈丸一起運動的固體隨行藥燃燒后形成的，它有效補充了彈后空間的壓降，增大了膛壓曲線的示壓面積，提高了彈丸推進效率，從而增加了彈丸初速。從圖4（a）第2發(fā)P——t曲線可以看出，第2個峰值偏后，且“平臺”不太明顯，說明隨行藥燃速較慢，隨行藥點燃達到最大壓力點，即隨行藥燃燒結(jié)束點基本是在彈丸出炮口處達到，能量沒有被充分利用，因此，也未能發(fā)揮理想隨行效果。從圖4（a）第3發(fā)、圖4（b）第8發(fā)P——t曲線看出，在膛壓最大壓力點后約200MPa附近，出現(xiàn)一較明顯的小“平臺”，增大了做功面積。分析其原因，隨行藥混裝2/1單基藥，一定程度上提高了燃氣生成速率，保證了隨行藥在膛內(nèi)燃燒完全，表現(xiàn)出較明顯的隨行效果。說明通過合理地設計裝藥結(jié)構(gòu)及裝藥量，實現(xiàn)壓力平臺，即隨行效果，從而較大幅度地提高炮口初速。

3　結(jié)論

（1）隨行裝藥采用主裝藥和隨行裝藥燃速相差明顯的發(fā)射裝藥能夠更好地提高初速。即主藥室裝藥具有起始緩燃性，附加藥室裝藥具有速燃和燃燒漸減性。（2）所設計的新型點火延遲機構(gòu)能夠滿足隨行裝藥試驗彈內(nèi)彈道設計的需要，可以控制隨行藥在膛壓最大壓力點后點燃。（3）所設計的隨行試驗彈，在最大膛壓300MPa基本不變條件下，彈丸初速提高最高4.25％，隨行效果良好?？赏ㄟ^裝藥結(jié)構(gòu)和裝藥量的優(yōu)化設計，極大地發(fā)揮隨行彈藥增速潛能。

參考文獻：

[1]鄒華,張領科,周彥煌.采用組合發(fā)射提高某型火炮初速的理論研究[J].火炸藥學報,2013,36(2):69-75.

[2]Ermolaev B S,Sulimov A A,Khrapovskii V E,et al.Traveling charge:investigation results[J].Combustion,Explosion,and Shockwaves,2011(4):255-261.

[3]Ermolaev B S,Sulimov A A,Romankov A V.Traveling high-density charge of convective burning in hybrid shot scheme:new results[J].Combustion,Explosion,and Shockwaces,2013,39 (6):206-210.

[4]Ermolaev B S,Romankov A V,Sulimov,A A,et al.Compacted modified propellant blocks as traveling charge in the hybrid shot scheme[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics,2014(6):881-889.

[5]Bear P G.Parametric study of a 40mm air defense gun using conventional and traveling charge[R].AD2A 193032,1988.

[6]Tompkins R E.Traveling charge gun firings using very high burning rate propellants[R].ADA 203307,1989.

[7]王浩,張振鐸.隨行裝藥火炮經(jīng)典內(nèi)彈道模型與實驗技術研究[J].兵工學報,1996,17(4):298-302.

[8]周彥煌,余永剛,陸欣,等.整裝式液體隨行裝藥關鍵技術研究[J].爆炸與沖擊學報,1997,18 (3):227-229.

[9]余永剛,陸欣,周彥煌,等.30mm火炮液體隨行裝藥的實驗研究[J].彈道學報,1997,9(3):91-93.

[10]顧永安.利用隨行裝藥技術實現(xiàn)超高速發(fā)射的探討[J].彈道學報,1993(2):94-96.

[11]金志明,溫春生.高等內(nèi)彈道學[M].北京:高等教育出版社,2003.

[12]王澤山.火藥試驗方法[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1996.

Experimental Research on A New Solid Traveling Charge of 30mm Gun

LIANG Lei，YAN Guang-hu，ZHAO Yu-hua，LIU Yi，ZHANG Jiang-bo
（Xi’an Modern Chemistry Research Institute,Xi’an ,710065）

Abstract：In order to realize the traveling effects in the process of gun firing,a new solid traveling charge of 30mm gun was designed,and the static combustion performance of the different kinds of propellants were contrasted by the closed bomb test,as well as the effect of the ignition delay and the interior ballistic conditions were tested by 30 mm gun experiment.The experimental results show that,RGD7-4/7 high-energy nitramine and 2/1 single based propellant have the characteristic of higher initial burning rate,compared to that of the 5/7 and 4/7 propellant,so the 5/7 and 4/7 single based propellant are used as its main charge,and the RGD7-4/7 and 2/1 gun propellant are used as its traveling charge.The method of the ignition delay ensured that traveling charge is ignited at the appropriate ignition lag time,which obtained a pressure platform in chamber pressure——time curves.The muzzle velocity of the traveling charge can be increased 4.25％ compared to the blank charge (i.e.main charge only,no additional charge),under the condition of keeping the maximum pressure 300MPa,which shows the good traveling effect.

Key words：Solid traveling charge；Interior ballistic；Ignition delay；Muzzle velocity

作者簡介：梁磊（1984 -），男，工程師，主要從事發(fā)射藥裝藥技術研究。

收稿日期：2015-08-10

中圖分類號：TJ303+.8

文獻標識碼：A

文章編號：1003-1480（2016）01-0049-04