基于密閉爆發(fā)器試驗(yàn)的發(fā)射裝藥內(nèi)彈道性能預(yù)估

趙煜華，肖正剛，嚴(yán)文榮，閆光虎，梁 磊

(1.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094)

引 言

發(fā)射藥在貯存過程中，隨貯存時(shí)間不斷延長，安定劑含量降低，發(fā)射藥會(huì)加速分解，甚至?xí)霈F(xiàn)自燃或自爆的可能，給彈藥系統(tǒng)的安全貯存帶來嚴(yán)重隱患。目前，國內(nèi)外大多采用熱老化加速試驗(yàn)法來預(yù)測發(fā)射藥的安全貯存壽命[1-4]。但對貯存發(fā)射藥彈道性能的判定尚未有簡便有效的方法，仍需要大量的老化樣品進(jìn)行火炮試驗(yàn)，成本高昂。此外，發(fā)射藥產(chǎn)品的出廠校驗(yàn)仍以火炮彈道試驗(yàn)為判定依據(jù)，存在流程復(fù)雜、成本較高的問題。綜上所述，發(fā)射藥產(chǎn)品驗(yàn)收和貯存性能最終都以彈道性能試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)。

密閉爆發(fā)器試驗(yàn)方法目前已成為發(fā)射藥靜態(tài)燃燒實(shí)驗(yàn)研究中最重要的實(shí)驗(yàn)方法之一，該方法在發(fā)射藥能量示性數(shù)、燃燒性能和燃燒規(guī)律的測定方面發(fā)揮著不可替代的作用，也給槍炮武器內(nèi)彈道設(shè)計(jì)和裝藥設(shè)計(jì)提供了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[5-6]。國外Rodrigues B等[7]采用爆發(fā)器數(shù)據(jù)進(jìn)行建模及彈道參數(shù)擬合，進(jìn)而預(yù)估發(fā)射藥的壽命，該方法尚需進(jìn)一步完善；Rotariu A、Laurence J等[8-9]研究了火炮射擊條件下與密閉爆發(fā)器條件下的發(fā)射藥燃燒性能，通過對爆發(fā)器測試的性能參數(shù)進(jìn)行修正，進(jìn)而預(yù)估內(nèi)彈道性能。由于Rodrigues B等[7-9]均是基于一定假設(shè)條件對爆發(fā)器測試的燃燒數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正進(jìn)而計(jì)算彈道性能，該類方法的實(shí)用性較低，尤其對于發(fā)射藥樣品不同批次間的內(nèi)彈道性能難以進(jìn)行高效精確的預(yù)估。而國內(nèi)對發(fā)射藥貯存樣品的彈道使用性能及發(fā)射藥的出廠校驗(yàn)仍依賴于大量火炮射擊試驗(yàn)[10-12]，試驗(yàn)成本高昂且周期較長。

本研究針對以上研究工作的不足，建立了一種通過密閉爆發(fā)器試驗(yàn)檢測發(fā)射藥的靜態(tài)燃燒性能參數(shù)進(jìn)而預(yù)測其裝藥內(nèi)彈道性能的方法，并采用30mm火炮及不同批次的單樟-5/7發(fā)射藥開展了內(nèi)彈道試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的計(jì)算精度。結(jié)果表明，建立的內(nèi)彈道性能預(yù)估方法精度較高，適用于對發(fā)射藥樣品不同批次間的內(nèi)彈道性能高效精確的預(yù)估，為發(fā)射藥樣品提供了一種高效低成本的內(nèi)彈道性能評(píng)價(jià)方法。

1 計(jì)算模型

根據(jù)GJB770B-2005 703.1密閉爆發(fā)器試驗(yàn)微分壓力法開展密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)，定義彈道性能已知且性能數(shù)據(jù)可靠的發(fā)射藥為基準(zhǔn)批發(fā)射藥，定義其他批次發(fā)射藥與基準(zhǔn)批發(fā)射藥的相對壓力和相對陡度如下：

(1)

(2)

基于密閉爆發(fā)器試驗(yàn)的發(fā)射裝藥內(nèi)彈道性能預(yù)估計(jì)算模型如下：

(3)

ΔRQ=RQ-RQs

(4)

Δω=ωt-ωs

(5)

式中：ωt為被試發(fā)射藥裝藥量，kg；ωs為基準(zhǔn)批發(fā)射藥裝藥量，kg;RQs為基準(zhǔn)批發(fā)射藥的相對陡度；ΔRF為被試發(fā)射藥相對壓力與基準(zhǔn)批發(fā)射藥相對壓力之差，按照公式(6)計(jì)算：

ΔRF=RF-RFs

(6)

式中：RFs為基準(zhǔn)批發(fā)射藥的相對壓力；

將密閉爆發(fā)器試驗(yàn)獲得的被試發(fā)射藥的壓力及壓力變化率代入公式(1)和公式(2)可計(jì)算出被試發(fā)射藥的相對壓力和相對陡度，當(dāng)樣本發(fā)射藥批次不少于7個(gè)時(shí)，代入公式(3)則可計(jì)算7對(14個(gè))擬合系數(shù)，可用于計(jì)算獲得被試的最大膛壓及炮口初速；當(dāng)樣本發(fā)射藥批次不小于4個(gè)但又不足7個(gè)時(shí)，代入公式(7)則可計(jì)算4對(8個(gè))擬合系數(shù)，可用于計(jì)算獲得被試發(fā)射藥的最大膛壓及炮口初速。

(7)

被試發(fā)射藥的炮口初速v0按照公式(8)計(jì)算：

(8)

式中：v0為被試發(fā)射藥的彈丸炮口速度，m/s。

被試發(fā)射藥最大膛壓ptm按照公式(9)計(jì)算：

(9)

式中：ptm為被試發(fā)射藥的最大膛壓，MPa。

采用計(jì)算出的擬合系數(shù)進(jìn)行被試發(fā)射藥的內(nèi)彈道性能預(yù)估計(jì)算時(shí)，被試發(fā)射藥的裝藥量要滿足公式(10)的條件：

ωmin≤ωt≤ωmax

(10)

式中：ωmin為基準(zhǔn)批和樣本批中裝藥量的最小值，kg；ωmax為基準(zhǔn)批和樣本批中裝藥量的最大值，kg。

采用上述模型進(jìn)行的基于密閉爆發(fā)器試驗(yàn)的發(fā)射裝藥內(nèi)彈道性能預(yù)估流程如圖1所示。

圖1 基于密閉爆發(fā)器試驗(yàn)的發(fā)射裝藥內(nèi)彈道性能計(jì)算流程圖Fig.1 Flow chart of interior ballistic performance calculation based on closed-bomb tests

如圖1所示，在已知彈道性能的若干批發(fā)射藥選擇1批發(fā)射藥作為基準(zhǔn)批，開展爆發(fā)器試驗(yàn)，計(jì)算其他批次發(fā)射藥與基準(zhǔn)批發(fā)射藥的相對壓力和相對陡度，代入公式(3)或公式(7)計(jì)算出擬合系數(shù)，然后分別計(jì)算出各樣本批的Δv0i和Δptmi，并與實(shí)際彈道數(shù)據(jù)對比計(jì)算預(yù)估誤差，若各樣本批的預(yù)估誤差不滿足誤差指標(biāo)，則重新選擇基準(zhǔn)批根據(jù)上述步驟進(jìn)行回歸計(jì)算。若滿足誤差指標(biāo)，則計(jì)算被試發(fā)射藥相對基準(zhǔn)批的RF和RQ，以前文計(jì)算的擬合系數(shù)帶入公式(3)或公式(7)，計(jì)算出被試發(fā)射藥的Δv0和Δptm，進(jìn)而計(jì)算被試發(fā)射藥初速和最大膛壓。

2 試 驗(yàn)

2.1 樣品和儀器

單樟-5/7發(fā)射藥，瀘州北方化學(xué)工業(yè)有限公司，主要成分為硝化棉、二苯胺、樟腦和石墨等，批號(hào)分別為1/10、1/11、1/12、2/14、1/15。

DEWE-2010型數(shù)據(jù)采集儀，奧地利德維創(chuàng)公司；6213B型壓電壓力傳感器，瑞士Kistler公司；激光靶測速系統(tǒng)，中北大學(xué)。

2.2 密閉爆發(fā)器試驗(yàn)

采用5個(gè)批次的單樟-5/7發(fā)射藥按照GJB770B-2005方法703.1進(jìn)行密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)，獲得發(fā)射藥的靜態(tài)燃燒壓力—時(shí)間曲線。

2.3 裝藥內(nèi)彈道射擊試驗(yàn)

采用30mm口徑火炮，對被試批單樟-5/7發(fā)射藥進(jìn)行火炮內(nèi)彈道試驗(yàn)，以驗(yàn)證基于密閉爆發(fā)器試驗(yàn)的發(fā)射裝藥內(nèi)彈道性能計(jì)算模型的預(yù)估精度。試驗(yàn)中樣彈質(zhì)量260g、金屬藥筒裝藥成組試驗(yàn)并將組平均值作為內(nèi)彈道性能試驗(yàn)測試結(jié)果。按照GJB2973A-2008《火炮內(nèi)彈道試驗(yàn)方法》電測壓法測試膛底壓力，按照GJB2179-94《炮用發(fā)射藥與裝藥內(nèi)彈道試驗(yàn)方法》測試初速，測試系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 裝藥內(nèi)彈道射擊試驗(yàn)測試系統(tǒng)圖Fig.2 Sketch of interior ballistic performance testing system

3 結(jié)果與討論

3.1 密閉爆發(fā)器試驗(yàn)結(jié)果

分別對4個(gè)樣本批次樣品(1/10、1/11、1/12、2/14)及被試批(1/15)的樣品開展密閉爆發(fā)器試驗(yàn)，獲取p—t曲線如圖3所示。

圖3 不同批次發(fā)射藥密閉爆發(fā)器試驗(yàn)p—t曲線Fig.3 The p—t curves of gun propellants from different bathesobtained by closed-bomb test

由圖3可知，4個(gè)批次樣品的p—t曲線一致性較好，1/11批發(fā)射藥樣品從10MPa達(dá)到最大壓力的燃燒時(shí)間為8.9ms,1/12批發(fā)射藥樣品達(dá)到最大壓力的燃燒時(shí)間為5個(gè)批次樣品中最短的，約為7.8ms;剩余3個(gè)樣品的燃燒時(shí)間接近，約為8.2ms。p—t曲線分析表明，5個(gè)批次發(fā)射藥樣品在能量性能基本一致的同時(shí)燃速存在一定差異。

基于圖3中的p—t曲線計(jì)算得出的相對壓力及相對陡度如表1所示。

表1 不同批號(hào)的單樟-5/7發(fā)射藥相對壓力及相對陡度Table 1 The relative pressure and relative pressure gradient of 5/7 single-base camphor gun propellant from different batches

表1中RQ和RF計(jì)算結(jié)果也表明，1/11批發(fā)射藥樣品的爆發(fā)器燃燒性能相較于其他批次存在一定的偏離。

3.2 火炮試驗(yàn)結(jié)果

已通過發(fā)射藥產(chǎn)品出廠校驗(yàn)程序的4個(gè)批次的樣品成組內(nèi)彈道試驗(yàn)結(jié)果組平均值見表2所示。

表2 不同批號(hào)的單樟-5/7發(fā)射藥內(nèi)彈道試驗(yàn)結(jié)果

注：v0為測試的炮口速度;ptm為測試的最大膛壓;ω為裝藥質(zhì)量。

以1/12批作為基準(zhǔn)批，則Δptm、Δv0、Δω如表3所示。

表3 不同批號(hào)的單樟-5/7發(fā)射藥Δptm、Δv0、ΔωTable 3 Δptm、Δv0、Δω of 5/7 single-base camphor gun propellant from different batches

將表1中計(jì)算出的不同批號(hào)的單樟-5/7發(fā)射藥相對壓力及相對陡度及表3中計(jì)算出的Δptm、Δv0、Δω代入式(7)求解擬合系數(shù)，得到a1、b1、d1、f1分別為0、0.0750、-2.9546、0.0936;a2、b2、d2、f2分別為0、0.3289、-2.3034、-0.2314。結(jié)合圖3和表1試驗(yàn)結(jié)果可知，由于1/11批發(fā)射藥樣品的爆發(fā)器燃燒性能及彈道性能與其他批次存在較為明顯的偏離，可能會(huì)對擬合系數(shù)的精度產(chǎn)生影響，后續(xù)可以通過增大樣本批的樣品量提高擬合系數(shù)的精度，進(jìn)而降低內(nèi)彈道性能預(yù)估誤差。

3.3 裝藥預(yù)估結(jié)果及精度驗(yàn)證

采用建立的模型計(jì)算獲得的1/15批發(fā)射藥的內(nèi)彈道性能預(yù)估結(jié)果和對應(yīng)的成組火炮射擊試驗(yàn)結(jié)果、計(jì)算誤差如表4所示。

表4 單樟-5/7發(fā)射藥內(nèi)彈道性能計(jì)算誤差

注：pcm為計(jì)算的最大膛壓;vc0為計(jì)算的炮口初速;δp為最大膛壓計(jì)算誤差;δv為炮口速度計(jì)算誤差。

從表4可知，最大壓力預(yù)估誤差為3.27%，炮口初速預(yù)估誤差為1.11%，表明建立的計(jì)算模型具有較高的計(jì)算精度。

4 結(jié) 論

(1)建立了基于密閉爆發(fā)器試驗(yàn)的內(nèi)彈道性能計(jì)算方法，通過對基準(zhǔn)批回歸計(jì)算并與樣本批彈道數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，提高了預(yù)估計(jì)算準(zhǔn)確性，對新批次發(fā)射藥裝藥的最大膛壓計(jì)算誤差為3.27%，對炮口初速的誤差為1.11%。

(2)采用本研究建立的計(jì)算方法，在已知發(fā)射藥產(chǎn)品前期批次批量彈道數(shù)據(jù)樣本基礎(chǔ)上，可有效計(jì)算獲得新批次發(fā)射藥產(chǎn)品的初速和最大膛壓，該方法可在一定程度上降低發(fā)射藥產(chǎn)品的出場校驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)量或者完全取代出廠校驗(yàn)內(nèi)彈道試驗(yàn)，簡化發(fā)射藥出廠交驗(yàn)流程，降低發(fā)射藥產(chǎn)品交驗(yàn)成本，同時(shí)也為長貯發(fā)射藥樣品的內(nèi)彈道性能評(píng)估提供了一種高效低成本的內(nèi)彈道性能評(píng)價(jià)方法。