可燃藥筒降燒蝕技術(shù)研究

＊范文濤 趙振宇 高文歡 李忠山 袁麗

（1.海軍裝備部 陜西 710054 2.西安北方惠安化學(xué)工業(yè)有限公司 陜西 710302）

引言

現(xiàn)代火炮向著遠(yuǎn)射程、高初速、大威力的方向發(fā)展，火炮膛壓升高、高能發(fā)射藥應(yīng)用以及高射速等多因素，導(dǎo)致火炮身管的燒蝕問(wèn)題越來(lái)越突出，火炮身管的燒蝕壽命已經(jīng)成為影響身管使用壽命的主要因素[1]?；鹋谏砉軣g是受熱、機(jī)械磨損等綜合因素影響的結(jié)果，其中火藥燃?xì)獾臒嶙饔脤?duì)炮膛燒蝕有著極大的影響。為降低火炮身管燒蝕，最實(shí)用、最有效地解決方式是在火炮發(fā)射裝藥系統(tǒng)中，加入具有降燒蝕功能的裝藥元件。國(guó)內(nèi)外研究人員將鈦白粉（TiO2）、滑石粉等無(wú)機(jī)化合物與石蠟混溶涂抹在纖維上形成襯套結(jié)構(gòu)護(hù)膛劑，將該護(hù)膛劑放入發(fā)射裝藥系統(tǒng)中，取得了良好降燒蝕效果。但此方法對(duì)部分發(fā)射藥或裝藥方式緩蝕效果偏低，而且存在力學(xué)強(qiáng)度差、裝填體積大等問(wèn)題[2]。將TiO2型、滑石粉型、多元性和801型等降燒蝕添加劑直接加入發(fā)射藥中，雖然可以降低發(fā)射藥燃燒氣體對(duì)身管的燒蝕，但發(fā)射藥中增加降燒蝕添加劑將會(huì)帶來(lái)許多副作用，如發(fā)射藥做功能力降低、燃燒不完全、殘?jiān)嗟萚3-4]。

近年來(lái)，可燃藥筒能、隨發(fā)射裝藥燃燒完全的特性使其廣泛應(yīng)用于身管武器的彈藥系統(tǒng)中?？扇妓幫驳奶匦院?jiǎn)化了火炮結(jié)構(gòu)，解決了高膛壓武器金屬藥筒的退殼難題，便捷了勤務(wù)使用[5]。同時(shí)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)可燃藥筒緊貼火炮膛壁，燃燒時(shí)的燃燒氣流具有屏阻效應(yīng)，可減緩發(fā)射裝藥燃燒火藥氣流對(duì)火炮膛壁的沖刷。

如何提升可燃藥筒的降燒蝕性能，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文主要介紹高緩蝕組分模壓可燃藥筒配方設(shè)計(jì)，針對(duì)可燃藥筒的緩蝕組分選擇、高效留著開展研究，并進(jìn)行降燒蝕性能對(duì)比驗(yàn)證。

1.緩蝕功能可燃藥筒設(shè)計(jì)

(1)緩蝕劑類型選擇

常見的緩蝕劑類型主要有二氧化鈦型、二氧化硅型、硅酸鎂鹽型等。無(wú)機(jī)類緩蝕劑較高的比熱容有利于相同溫度下吸收更多的火藥燃?xì)鉄崃?；較大的導(dǎo)熱系數(shù)能夠使緩蝕劑粒子在較短的時(shí)間內(nèi)和一定的身管長(zhǎng)度內(nèi)更快吸收熱量；較高的密度有利于相同體積下加入更多質(zhì)量的緩蝕組分。此外良好的附著性，使在火炮身管表面形成堅(jiān)韌光滑層的固體粒子更有利于減小彈丸對(duì)身管的磨損。常用無(wú)機(jī)類緩蝕劑物理特性參數(shù)如表1所示。

表1 緩蝕劑物理特性參數(shù)

可燃藥筒作為發(fā)射裝藥容器，其結(jié)構(gòu)嚴(yán)格受到火炮及裝藥約束，有著有限的體積。在有限的體積內(nèi)，要實(shí)現(xiàn)高效的緩蝕作用，選擇高密度、高熔點(diǎn)的固體粒子效果更好。在某假定發(fā)射裝藥條件下，發(fā)射藥爆熱為3500kJ/kg，發(fā)射藥藥量為15kg，火藥燃?xì)鉁囟萒g=3000K，可燃藥筒約束體積為1500cm3，在緩蝕劑占可燃藥筒2%體積時(shí)，m緩蝕劑=V緩蝕劑/ρ緩蝕劑，Q緩蝕劑吸=m緩蝕劑×Cp緩蝕劑×dT，Q燃?xì)夥?m火藥×Qv火藥，吸收效率=Q緩蝕劑吸/Q燃?xì)夥?，進(jìn)行緩蝕劑吸熱效率計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 緩蝕劑吸熱效率

從表2可以看出，常用的二氧化鈦、二氧化硅、滑石粉等無(wú)機(jī)類緩蝕劑，二氧化鈦具有最高的吸熱效率和緩燒蝕作用。同時(shí)二氧化鈦熔點(diǎn)較高，在800℃下可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：3TiO2+2CO=Ti3O4+2CO2，可將引起炮膛燒蝕的主要成分CO轉(zhuǎn)化為CO2，對(duì)火炮降燒蝕有利。

(2)緩蝕劑粒徑選擇

緩蝕劑作用效果與傳熱時(shí)間有關(guān)，傳熱時(shí)間與其粒子直徑有較大關(guān)系。假定緩蝕劑為球形微粒，不同粒度緩蝕劑的傳熱時(shí)間Δt=Qs/Φ。其中，Q吸=m×Cp×dT，吸收功率Φ=-λ×As×ΔT/0.5Ds（λ為導(dǎo)熱系數(shù)）。根據(jù)初始表面積As=4×Pi×(Ds/2)2，初始體積Vs=4/3×Pi×(Ds/2)3，初始重量Ws=Vs×ρs，不同粒度緩蝕劑粒子傳熱時(shí)間如表3所示。

表3 不同粒度緩蝕劑粒子傳熱時(shí)間

緩燒蝕劑固體粒子直徑越小，其傳熱時(shí)間越短，1000目固體微粒傳熱時(shí)間僅為500目微粒的1/5左右。緩蝕功能可燃藥筒在水相漿料體系下通過(guò)真空吸濾工藝實(shí)現(xiàn)預(yù)成型，為實(shí)現(xiàn)更好的緩蝕劑留著性，避免緩蝕劑在可燃藥筒制備過(guò)程中流失，宜選擇1000目粒度緩蝕劑作為可燃藥筒緩蝕組分規(guī)格要求。

(3)可燃藥筒配方組成設(shè)計(jì)

根據(jù)緩蝕劑分析和傳統(tǒng)可燃藥筒組成條件，設(shè)計(jì)緩蝕功能可燃藥筒方案為：金紅石型/銳鈦型TiO2（平均粒徑15μm），四川龍蟒化工有限公司；硝化棉（含氮量12.5%），硫酸鹽木漿紙（a-纖維素含量大于95%），樹脂粘結(jié)劑（固含量50%），二苯胺，西安北方惠安化學(xué)工業(yè)有限公司；聚丙烯酰胺（PAM），鞏義億鑫凈水材料有限公司。

(4)緩蝕功能可燃藥筒制備

以硝化棉、硫酸鹽木漿紙、樹脂粘結(jié)劑、二苯胺、金紅石型/銳鈦型二氧化鈦、PAM等原材料為主，采用抽濾模壓工藝制備一系列可燃藥筒樣品。可燃藥筒的抽濾模壓工藝包括制漿、真空抽濾濕坯、壓制固化成型及烘干等工藝過(guò)程。制備可燃藥筒樣品的方案及配方比例見表4。

表4 緩蝕功能可燃藥筒配方比例

2.緩蝕功能可燃藥筒性能研究

(1)性能測(cè)試方法

緩蝕劑含量及留著率：通過(guò)灼燒法測(cè)定可燃藥筒中二氧化鈦含量，其結(jié)果與原漿料配方中緩蝕劑含量的占比即為緩蝕劑留著率。

靜態(tài)燒蝕性能實(shí)驗(yàn)：采用燒蝕管失重法，通過(guò)稱量燒蝕管在實(shí)驗(yàn)前后的質(zhì)量差，分析研究可燃藥筒與發(fā)射藥不同配比下可燃藥筒的防燒蝕性能。

實(shí)驗(yàn)條件：燒蝕管材料45號(hào)鋼；燒蝕管質(zhì)量10g；可燃藥筒片狀，發(fā)射藥藥型不變；可燃藥筒與發(fā)射藥總重為定值，可燃藥筒與發(fā)射藥均勻混合。

燃燒環(huán)境：半密閉爆發(fā)器，點(diǎn)火藥為2號(hào)NC，點(diǎn)火藥質(zhì)量1.1g，實(shí)驗(yàn)溫度20℃。

(2)PAM對(duì)緩蝕劑留著率的影響

對(duì)N-J、N-JP、N-RP配方可燃藥筒進(jìn)行緩蝕劑TiO2的留著率測(cè)試，其結(jié)果見表5。在PAM作用下，緩蝕劑金紅石型TiO2在可燃藥筒中的留存效率大幅提升，從無(wú)PAM添加的65.6%提高到87.0%。在PAM作用下，銳鈦型TiO2在可燃藥筒中的留著率與金紅石型TiO2留著率接近。

表5 可燃藥筒緩蝕劑實(shí)際含量及留著率

(3)二氧化鈦晶型及其用量對(duì)典型火藥燒蝕的影響

將N-JP、N-RP兩種可燃藥筒分別與AHGU發(fā)射藥（火藥力1227J/g）按照不同比例混合，混合總重量為9.431g，進(jìn)行靜態(tài)燒蝕性能測(cè)試后，4發(fā)總燒蝕量及平均最大壓力如圖1所示。

圖1 N-JP、N-RP可燃藥筒與AHGU發(fā)射藥?kù)o態(tài)燒蝕結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果可以看出，相同裝填條件下，N-JP配方可燃藥筒燒蝕管質(zhì)量損失相對(duì)偏小，表現(xiàn)出更優(yōu)的降燒蝕效果。相同可燃藥筒與發(fā)射藥占比下，金紅石型TiO2減少燒蝕管質(zhì)量損失是銳鈦型TiO2的1.94倍。在可燃藥筒與AHGU發(fā)射藥質(zhì)量比為1:9的條件下，N-JP可燃藥筒燒蝕管質(zhì)量損失下降46.4%，N-RP可燃藥筒燒蝕管質(zhì)量損失下降23.9%。

將N-JP可燃藥筒與三胍-15發(fā)射藥（火藥力1050 J/g）按照不同比例混合，混合總重量為11.021g，進(jìn)行靜態(tài)燒蝕性能測(cè)試后，3發(fā)總燒蝕量及平均最大壓力如圖2所示。

圖2 N-JP可燃藥筒與三胍-15發(fā)射藥?kù)o態(tài)燒蝕結(jié)果

從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，N-JP可燃藥筒對(duì)三胍-15發(fā)射藥也有較好的降燒蝕性。在可燃藥筒與三胍-15發(fā)射藥質(zhì)量比為1:9的條件下，燒蝕管質(zhì)量損失下降31.8%，2:8的條件下燒蝕管質(zhì)量損失下降77.4%。當(dāng)可燃藥筒使用量超過(guò)一定值時(shí)，燒蝕管質(zhì)量損失不再下降。

3.結(jié)論

（1）二氧化鈦應(yīng)用于可燃藥筒達(dá)到了降燒蝕效果，相同可燃藥筒與發(fā)射藥占比下，金紅石型二氧化鈦降燒蝕效果優(yōu)于銳鈦型二氧化鈦。

（2）采用聚丙烯酰胺（PAM）有助于提升可燃藥筒中緩蝕劑組分含量，緩蝕劑留著率達(dá)到87%。