七孔發(fā)射藥內(nèi)外弧厚差異對其燃燒性能的影響

唐小軍，馮昌林，趙煜華，崔鵬騰，張玉成

(1. 中國白城兵器試驗中心，吉林 白城 137001；2. 海軍裝備研究院，北京 100161；3. 西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

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七孔發(fā)射藥內(nèi)外弧厚差異對其燃燒性能的影響

唐小軍1，馮昌林2，趙煜華3，崔鵬騰3，張玉成3

(1. 中國白城兵器試驗中心，吉林 白城 137001；2. 海軍裝備研究院，北京 100161；3. 西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

為了研究七孔發(fā)射藥內(nèi)外弧厚差異對其燃燒性能的影響，通過密閉爆發(fā)器靜態(tài)燃燒試驗及火炮發(fā)射藥裝藥內(nèi)彈道試驗研究了內(nèi)外弧厚一致性及弧厚偏差對高能低燒蝕疊氮硝胺七孔發(fā)射藥燃燒性能的影響。結(jié)果表明，當發(fā)射藥的內(nèi)外弧厚差異較大時，密閉爆發(fā)器試驗中發(fā)射藥增面燃燒階段結(jié)束點提前，增面燃燒階段已燃百分數(shù)由85.46%降至70.76%，燃燒時間由23.40ms增至27.75ms;發(fā)射藥燃燒時間隨著溫度變化的敏感性逐漸加大。裝藥發(fā)射試驗中，當外弧厚大于內(nèi)弧厚時，加大了裝藥的初速溫度系數(shù)，初速溫度系數(shù)由0.54m/(s·℃)增至0.78m/(s·℃)，裝藥質(zhì)量由9.4kg增至9.8kg，最大膛壓由266.9MPa降至262.6MPa。

七孔發(fā)射藥；疊氮硝胺發(fā)射藥；內(nèi)外弧厚一致性；燃燒性能；初速溫度系數(shù)

引　言

疊氮硝胺發(fā)射藥是我國研制成功的高能低燒蝕發(fā)射藥，該發(fā)射藥主要采用疊氮硝胺增塑劑，較好地解決了高能量與低燒蝕的矛盾，并且具有較高的燃速、良好的力學性能和物理化學穩(wěn)定性。近年來，針對艦炮武器系統(tǒng)對高能低燒蝕、低煙焰發(fā)射裝藥的需求，在疊氮硝胺發(fā)射藥的基礎上，通過增加硝基胍組分，研制成功了一種高能低燒蝕疊氮硝胺發(fā)射藥(ADG型發(fā)射藥)，其火藥力約為1050J/g，對火炮身管的燒蝕小，同時具有低煙焰的燃燒效果，具有較好的應用前景[1-2]。

在發(fā)射藥裝藥設計時，以發(fā)射藥幾何燃燒定律為基礎，設計發(fā)射藥的藥型參數(shù)(其中弧厚為主要參數(shù))，使發(fā)射藥的燃燒結(jié)束點在彈丸行程全長的70%～80%之間。受發(fā)射藥制造水平限制及操作人員技能差異等因素的影響，制備的發(fā)射藥藥?；『衽c理論設計值間存在一定偏差[3]，且同一型號的發(fā)射藥，其幾何尺寸不可能完全一致，會在一定范圍內(nèi)波動，使實際的發(fā)射藥弧厚均呈正態(tài)分布[4-5]。同時，在發(fā)射藥加工成型過程中，模針由于受力不均，出現(xiàn)向內(nèi)聚集或向外擴張的情況，導致同一批次的發(fā)射藥出現(xiàn)內(nèi)外弧厚不一致現(xiàn)象。

彈道計算表明[6]，弧厚的變化對彈道性能影響顯著，且在發(fā)射藥實際生產(chǎn)過程中較難控制。多孔發(fā)射藥的內(nèi)外弧厚一致性及弧厚偏差影響著發(fā)射藥能量的釋放速率，發(fā)射藥內(nèi)外弧厚一致性對裝藥的膛壓、初速或然誤差有重要影響。目前，弧厚偏差對武器內(nèi)彈道性能的影響已有相關(guān)研究，但針對內(nèi)外弧厚偏差與發(fā)射藥燃燒性能影響規(guī)律的研究尚未見文獻報道。

本實驗結(jié)合ADG型發(fā)射藥裝藥研究，針對由工藝引起的內(nèi)外弧厚不一致情況對發(fā)射藥燃燒性能的影響進行了探索，以期為該發(fā)射藥的成型加工及推廣應用提供參考。

1　實　驗

1.1樣品和儀器

疊氮硝胺發(fā)射藥主要由硝化棉(NC，含氮量為12.6%)、硝基胍(NGU)、1，5-二疊氮基-3-硝基-3-氮雜戊烷(DIANP)、硝化甘油(NG)、二硝基甲苯(DNT)和二號中定劑(C2)組成。

63T壓伸機，天津天鍛壓力機有限公司；10L臥式捏合機，陜西盛源非標設備科技有限公司；CP-YX-10型火藥藥型尺寸測量裝置，太原先導自動控制設備有限公司。

1.2樣品制備

取相同批次的原材料及配方，采用半溶劑法制備ADG型發(fā)射藥，分別經(jīng)過吸收、脫水、膠化、壓伸成型、切藥、烘干等工序制備了3個批次的七孔圓柱型試驗樣品，分別為ADG01、ADG02、ADG03，3個發(fā)射藥樣品的平均弧厚相同。內(nèi)弧厚(l1)指兩個內(nèi)孔之間的弧厚，外弧厚(l2)指最外層內(nèi)孔與藥粒最大圓周之間的弧厚，七孔發(fā)射藥及其內(nèi)外弧厚示意圖如圖1所示。

1.3藥形測試

按照GJB770B-2005中421.1小型藥形尺寸測量法，對3個發(fā)射藥樣品ADG01、ADG02、ADG03進行測量。根據(jù)藥形測量儀的工作原理，每1粒七孔藥的端面測量3個方向，每批樣品隨機取25個藥粒測試，不同發(fā)射藥樣品的平均內(nèi)弧厚、平均外弧厚及內(nèi)外弧厚偏差測量結(jié)果如表1所示。

表1　3個發(fā)射藥樣品的弧厚測量結(jié)果

圖1　七孔發(fā)射藥及其內(nèi)、外弧厚示意圖Fig.1　Sketch of 7-perf granular propellant and its inner and outer web thickness

1.4密閉爆發(fā)器試驗

按照GJB770B-2005 703.1密閉爆發(fā)器試驗方法，對3個發(fā)射藥樣品ADG01、ADG02、ADG03分別進行爆發(fā)器高、低、常溫試驗。密閉爆發(fā)器體積為100mL，發(fā)射藥的裝填密度為0.2g/mL，點發(fā)射藥為2號硝化棉，質(zhì)量為1.1g，點火壓力為10MPa。記錄壓力-時間(p-t)曲線，處理得到動態(tài)活度-相對壓力(L-B)曲線。

1.5發(fā)射裝藥動態(tài)燃燒試驗

按照GJB2973-1997火炮內(nèi)彈道試驗方法要求，分別采用3個發(fā)射藥樣品ADG01、ADG02、ADG03進行內(nèi)彈道試驗。火炮口徑130mm，彈丸質(zhì)量33kg。裝藥采用中心傳火管點火方式。通過選藥量試驗，確定常溫下初速為850m/s的裝藥量，固定裝藥量，進行高溫和低溫下的射擊試驗各1組，每組5發(fā)，同時記錄彈丸初速和最大膛壓。

2　結(jié)果與討論

2.1內(nèi)外弧厚差異對七孔藥燃燒過程的影響

按照七孔發(fā)射藥藥形設計原理[7]，1個孔位于端面的中心，其余6個孔分列在中間孔的周圍正六邊形頂點上，內(nèi)弧厚與外弧厚相同，從而保證弧厚燃完的同時性。然而由于工藝原因，造成孔與孔及孔與外邊緣的弧厚存在差異。由表1可見，3個發(fā)射藥樣品弧厚平均值基本相同，但樣品ADG01由于模針擴張致使平均內(nèi)弧厚比平均外弧厚略大，ADG02由于模針收縮致使平均內(nèi)弧厚比平均外弧厚小約0.53mm，ADG03平均內(nèi)外弧厚一致性較好，同時ADG02發(fā)射藥的內(nèi)、外弧厚偏差均較大，弧厚一致性差。

根據(jù)所測的內(nèi)外弧厚值可以預估3種發(fā)射藥的燃燒情況。3個發(fā)射藥斷面圖及增面燃燒階段結(jié)束后分裂情況示意圖如圖2所示。對于ADG03標準尺寸的七孔發(fā)射藥，在燃燒分裂的瞬間，燃燒面將增加到起始燃燒面的1.37倍，這時發(fā)射藥燃燒掉的質(zhì)量分數(shù)約為85%，有約15%的發(fā)射藥將在減面燃燒階段燃去，剩余6個大棒狀體內(nèi)切圓半徑為0.41mm。ADG01內(nèi)弧厚略大于外弧厚，其燃燒分裂過程經(jīng)歷3個過程，其第2階段燃燒分裂點的已燃相對百分數(shù)為84.56%。而AGD02發(fā)射藥在制造的過程中，模針向中心聚集，導致外弧厚明顯大于內(nèi)弧厚，如圖2(b)所示，增面燃去70.76%后，發(fā)射藥分裂成6塊小棒狀物及內(nèi)徑為曲邊形的圓環(huán)，進入減面燃燒階段，內(nèi)弧厚偏小致使增面燃燒分裂點提前。通過對已燃相對百分數(shù)的理論計算，燃燒漸增性ADG03最好，ADG01次之，ADG02最差。

圖2　3個發(fā)射藥斷面圖及增面燃燒階段結(jié)束之后的分裂情況示意圖Fig.2　Sections and separations of three kinds of gun propellants after progressive combustion period

2.2內(nèi)外弧厚差異對靜態(tài)燃燒性能的影響

為驗證內(nèi)外弧厚一致性對發(fā)射藥靜態(tài)燃燒性能的影響，對3個發(fā)射藥樣品分別進行低溫(-40℃)、常溫(20℃)以及高溫(50℃)的密閉爆發(fā)器試驗，結(jié)果如圖3所示。

圖3　不同溫度下ADG發(fā)射藥燃燒p-t曲線及L-B曲線Fig.3　p-t and L-B curves for ADG gun propellant combustion under different temperaturs

由圖3可以看出，不同溫度條件下ADG01和ADG03發(fā)射藥的p-t曲線、L-B曲線變化趨勢基本一致，燃燒結(jié)分裂點接近，與表1中內(nèi)、外弧厚的測量結(jié)果一致。在低溫、常溫條件下，與ADG01和ADG03相比，AGD02發(fā)射藥的燃完時間顯著增大，在L-B曲線中，在B值約為0.7時，動態(tài)活度開始下降，燃燒漸增性變差。由表1可知，ADG02樣品在燃去70.76%后便開始減面燃燒。因此，在燃燒漸增性方面，工藝弧厚一致性較好的ADG01和ADG03發(fā)射藥要明顯優(yōu)于ADG02發(fā)射藥。由圖3(e)～圖3(f)可以看出，3個發(fā)射藥樣品在高溫條件下燃燒時間差異顯著縮小，燃燒時間和燃燒壓力比較接近，L-B曲線后端的差異也逐漸縮小。

為了更直觀地了解工藝一致性對溫度敏感性的影響，在高、低、常溫條件下，對ADG02和ADG03發(fā)射藥的p-t和L-B曲線進行了對比分析，如圖4所示。由圖4可知，ADG03發(fā)射藥在高、低溫條件下燃燒時間差約為3.4ms，而ADG02發(fā)射藥為6.8ms。ADG02發(fā)射藥高、低、常溫條件下的p-t曲線離散性要大于ADG03發(fā)射藥。而反映在L-B曲線上，則表現(xiàn)為ADG02發(fā)射藥的燃燒漸增性低于ADG03發(fā)射藥。實驗結(jié)果表明，在內(nèi)、外弧厚一致性較差的情況下，溫度對爆發(fā)器發(fā)射藥燃燒時間測試結(jié)果的敏感性有較大影響。

圖4　不同溫度下ADG02和ADG03發(fā)射藥p-t曲線及L-B曲線對比Fig. 4　Comparison of the p-t and L-B curves of ADG02 and ADG03 at different temperatures

對于標準尺寸的七孔發(fā)射藥，在燃燒分裂的瞬間，發(fā)射藥已燃百分數(shù)約為85%，有約15%將在減面燃燒階段燒去，ADG01和ADG03發(fā)射藥均屬于此情況。由于內(nèi)、外弧厚差異及弧厚偏差的影響，ADG02發(fā)射藥在已燃百分數(shù)約為70%時開始進入減面燃燒階段。密閉爆發(fā)器試驗結(jié)果有效反映了表1中預測的燃燒過程，因此，密閉爆發(fā)器靜態(tài)燃燒試驗可以定性評判多孔粒狀發(fā)射藥內(nèi)外弧厚差異大小。

2.3內(nèi)外弧厚偏差對裝藥彈道性能的影響

為驗證ADG01、ADG02和ADG03發(fā)射藥的動態(tài)燃燒性能，在某火炮上進行了裝藥彈道性能試驗。按照選藥量結(jié)果確定裝填條件，分別在高、低、常溫條件下進行9組射擊試驗，每組5發(fā)取平均值。在初速850m/s條件下，按照修正系數(shù)對常溫膛壓及裝藥量進行修正，結(jié)果如表2所示。

表2　 發(fā)射裝藥燃燒試驗結(jié)果

注：m為裝藥質(zhì)量；p為膛壓；v0為彈丸初速；k為初速溫度系數(shù)。

從表2可以看出，常溫時，在達到相同初速的前提下，內(nèi)外層弧厚差別較大的ADG02發(fā)射藥所需的發(fā)射藥量最高，約為9.8kg。雖然ADG02發(fā)射藥的平均弧厚與ADG03發(fā)射藥的平均弧厚一致，但是由于ADG02發(fā)射藥外弧厚偏大，燃燒漸增性差，使裝藥量產(chǎn)生較大的差異。內(nèi)外層弧厚偏差增大，造成發(fā)射藥燃燒時間增長，增面燃燒結(jié)束時間提前，降低了發(fā)射藥的作功效率，若需要達到相同的初速，則需要增加裝藥量。

ADG01發(fā)射藥在-40～50℃間的初速溫度系數(shù)為0.54m/(s·℃)，ADG03發(fā)射藥為0.57m/(s·℃)，兩者基本接近。ADG02發(fā)射藥為0.78m/(s·℃)，較其他兩種發(fā)射藥約高36%以上。造成這種差異主要是由于ADG02拖尾燃燒嚴重，燃燒結(jié)束點趨向炮口，炮口流出能量損失增大。結(jié)果表明，內(nèi)外弧厚偏差增大，不但會造成發(fā)射藥裝藥量的增加，而且使裝藥高溫條件下的初速溫度系數(shù)明顯增大，雖然裝藥膛壓增幅較小(約4MPa)，但對初速影響比較大。對于七孔ADG型發(fā)射藥，隨著內(nèi)外弧厚偏差增大，裝藥的初速溫度系數(shù)也會增大。

3　結(jié)　論

(1)隨著內(nèi)外層弧厚一致性變差，七孔發(fā)射藥增面燃燒結(jié)束點提前，燃完時間增加，燃燒漸增性變差，弧厚值散布較大的發(fā)射藥燃燒時間隨著溫度變化的敏感性逐漸加大。

(2)對于七孔ADG型發(fā)射裝藥，隨著內(nèi)外弧厚差值增大，裝藥的初速溫度系數(shù)和裝藥量增加，最大膛壓降低。

(3)內(nèi)外弧厚差值增大，對發(fā)射藥靜態(tài)燃燒性能及裝藥燃燒性能均產(chǎn)生較大影響，隨著內(nèi)外弧厚一致性變差，發(fā)射藥的燃燒漸增性也變差。因此，在發(fā)射藥藥形質(zhì)量控制中，應將弧厚偏差作為衡量發(fā)射藥工藝和質(zhì)量一致性的重要參數(shù)。

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Effect of Inside and Outside Web Thickness Difference on the Combustion Performance of 7-Perf Granular Gun Propellant

TNAG Xiao-jun1,FENG Chang-lin2,ZHAO Yu-hua3,CUI Peng-teng3,ZHANG Yu-cheng3

(1.Chinese Baicheng Ordance Test Center, Baicheng Jilin 137001,China;2.Naval Academy of Armaement, Beijing 100161,China; 3.Xi′an Modern Chemistry Research Institute,Xi′an 710065,China)

To study the effect of difference between inner and outer web thickness of 7-perf granular gun propellant on its combustion performance, the effect of consistancy and deviation between inner and outer web thickness on the combustion performance of 7-perf azido nitramine granular gun propellant with high-energy and low erosion was studied by static combustion test of closed bomb and interior ballistic test of gun propellant charge. The results show that when the difference between inner and outer web thickness is large, the end point of progressive surface combustion stage for gun propellant in closed bomb test is advanced, the burned percentage of progressive surface combustion stage decreases from 85.46% to 70.76% and the combustion time increases from 23.40ms to 27.75ms. The sensitivity of combustion time of gun propellant with the change of the temperature gradually increases. When the outer web thickess is bigger than inner web thickess, the muzzle velocity temperature sensitivity coefficient of the charge increases from 0.54m/(s·℃) to 0.78m/(s·℃), the charge mass increases from 9.4kg to 9.8kg and the maximum bore pressure decreases from 266.9MPa to 262.6MPa.

7-perf gun propellant;azidonitramine propellant web thickness deviation; combustion performance; muzzle velocity temperature-sensitive coefficient

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.04.019

2016-03-30；

2016-06-29

國防科工局基礎產(chǎn)品創(chuàng)新計劃火炸藥專項

唐小軍(1976-)，男，高級工程師，從事彈藥技術(shù)研究。E-mail:milanhua2008@163.com

張玉成(1977- )，男，博士，研究員，從事發(fā)射藥裝藥技術(shù)研究。E-mail:zyc204@163.com

TJ55;O643.2

A

1007-7812(2016)04-0097-05