多孔環切桿狀發射藥的燃燒性能

王　鋒，李梓超，劉國濤，李　達，姚月娟，于慧芳，王瓊林，張遠波，劉少武

(西安近代化學研究所，陜西西安710065)

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多孔環切桿狀發射藥的燃燒性能

王鋒，李梓超，劉國濤，李達，姚月娟，于慧芳，王瓊林，張遠波，劉少武

(西安近代化學研究所，陜西西安710065)

摘要：為了研究多孔環切桿狀發射藥與粒狀發射藥的燃燒性能差異，采用半密閉爆發器試驗研究了多孔桿狀發射藥的解體燃燒過程，通過密閉爆發器試驗和高壓30mm模擬火炮試驗對比了多孔環切桿狀發射藥和粒狀藥的靜態燃燒性能和膛內燃燒性能。結果表明，多孔環切桿狀發射藥的燃燒按平行層燃燒進行，沒有出現侵蝕燃燒，燃燒性能穩定，燃燒漸增性比粒狀發射藥好；用多孔環切桿狀發射藥時，膛內負壓差為-7MPa，示壓效率比粒狀發射藥提高4.93%。

關鍵詞：物理化學；多孔環切桿狀發射藥；燃燒性能；粒狀發射藥；密閉爆發器試驗

引言

提高火炮初速一直是發射藥領域追求的目標之一。目前，提高火炮初速可采用高能量發射藥[1-2]，而最便捷、最有效的途徑是采用高燃燒漸增性發射藥[3-5]和提高裝藥的裝填密度[6-10]。提高裝填密度通常采用的方法是調節發射藥的形狀和裝藥結構，如將不同的發射藥薄片堆在一起能夠得到不同配置的層狀發射藥[11]，將球形藥壓制成球扁藥或柱狀藥能顯著提高裝填密度[6-10,12]。目前，關于高裝填密度發射裝藥燃燒性能和內彈道性能的研究多停留在理論研究階段[6-7]，相關實驗研究的報道較少。俄國Semenov化學物理研究所采用將粒狀藥壓實成柱狀藥的裝填方法研究了燃燒性能和內彈道性能[8-10]。

多孔環切桿狀發射藥是一種含有切口的大長徑比的多孔桿狀發射藥。國外研究表明[6-10]，采用多孔環切桿狀發射藥裝藥技術可大幅提高裝藥的裝填密度，最大裝填密度達到1.1g/cm3以上，與粒狀藥裝藥相比裝填密度可提高10%以上。但國內外關于多孔環切桿狀藥的燃燒性能和內彈道性能方面的報道較少。

本研究通過半密閉爆發器試驗分析了多孔環切桿狀發射藥的解體燃燒過程，通過密閉爆發器試驗和高壓30mm模擬炮試驗對比研究了多孔環切桿狀發射藥和粒狀發射藥的靜態燃燒性能、膛內燃燒性能和內彈道性能，為多孔環切桿狀發射藥的進一步應用提供參考。

1實驗

1.1樣品制備

選用高能硝胺發射藥配方，采用三基藥制備工藝，經過吸收、壓延、膠化、壓伸成型等工藝制備出7/14藥型的粒狀發射藥和多孔環切桿狀發射藥樣品，編號分別為G1和G2。

1.2半密閉爆發器試驗

用半密閉爆發器試驗裝置觀察不同燃燒壓力條件下的樣品狀態，以此研究多孔環切桿狀發射藥的解體燃燒過程。裝置體積100mL，試驗溫度20℃，點火藥為2號NC，點火藥量1.1g，點火壓力10MPa。在破孔壓力為20MPa和50MPa下進行測試。

1.3密閉爆發器試驗

密閉爆發器燃燒裝置為西安近代化學研究所標

準計量儀器，體積100mL，裝填密度0.2g/cm3，試驗溫度20℃，點火壓力10.0MPa，點火藥為2號NC，點火藥量1.1g。

1.4高壓30mm模擬火炮試驗

高壓30mm模擬火炮試驗裝置示意圖見圖1，測試彈丸發射過程中炮口、彈底、膛底3處的壓力以及彈丸速度。彈丸采用220g自制模擬彈，采用syc-2000壓電式傳感器測試壓力，按GJB349.4-87方法測試燃速。

圖1　高壓30mm模擬炮試驗系統Fig.1　Test system of 30mm simulation gun

2結果與討論

2.1解體燃燒過程分析

圖2　多孔環切桿狀發射藥在半封閉爆發器試驗前后的照片Fig.2　The photos of multi-perforated curve-cut stick propellants before and after semi-closed bomb test

通過半密閉爆發器試驗測試環切桿狀發射藥在20MPa和50MPa下的燃燒狀態，結果見圖2。從圖2(b)可以看出，與未燃燒的樣品相比，當燃燒壓強達到20MPa時多孔環切桿狀發射藥仍保持著多孔環切桿狀藥的長桿狀結構(由于樣品太長，測試時需將樣品截斷)，只是隨著燃燒的進行切縫縫隙增大、藥體沒有發生破孔和碎裂，說明多孔環切桿狀發射藥燃燒過程穩定，其燃燒過程與粒狀藥相似，燃燒按平行層燃燒進行，且沒有出現侵蝕燃燒；從圖2(c)可以看出，當燃燒壓強達到50MPa時多孔環切桿狀發射藥已發生解體，變成粒狀藥，其燃燒過程與粒狀藥的燃燒相同。由此可見，多孔環切桿狀發射藥的燃燒過程主要分為兩個階段：(1)第一階段是桿狀藥外表面和內孔被同時點火燃燒，同時燃燒火焰沿著環切切口擴張推進，直至使原本相連成桿狀的連體粒狀藥分裂成獨立的正在燃燒的多孔粒狀藥；(2)第二階段是分裂解體后的多孔粒狀藥繼續燃燒直至燃盡。

2.2靜態燃燒性能

通過密閉爆發器試驗得到多孔環切桿狀發射藥和粒狀發射藥的p-t曲線，結果見圖3，對壓力變化曲線進行數據處理, 得到L-B曲線和dp/dt-t曲線,見圖4。

從圖3可以看出，多孔環切桿狀發射藥p-t曲線光滑，說明其燃燒正常，與粒狀發射藥燃燒規律相似，只是多孔環切桿狀發射藥p-t曲線起始階段較平緩，燃燒時間長，這是由于多孔環切桿狀發射藥比粒狀發射藥的起始燃面小，因而造成發射藥起始點火燃燒燃氣生成速率較慢，壓力較低；從圖4(a)可以看出，多孔環切桿狀發射藥的燃燒起始階段L值比粒狀發射藥的L值低，說明其起始燃燒猛度較低，而后階段的L值比粒狀發射藥的L值大，說明多孔環切桿狀發射藥后期燃氣生成速率比粒狀藥明顯加快，這是由多孔環切桿狀發射藥的特殊結構特點決定的，多孔環切桿狀發射藥相比粒狀發射藥起始燃面較小，當燃燒到一定階段時桿狀發射藥解體，燃面迅速增加，因此具有較高的燃燒漸增性。

圖3　不同發射藥的p-t曲線Fig.3　The p-t curves of different gun propellants

圖4　不同發射藥的L-B曲線和dp/dt-t曲線Fig.4　L-B and dp/dt-t curves of different gun propellants

由圖4(b)可以看出，多孔環切桿狀發射藥和粒狀藥的dp/dt-t曲線起始階段有明顯的差異，后期則基本相同。燃燒時間小于1ms時多孔環切桿狀發射藥的dp/dt-t曲線與粒狀發射藥相比較為平緩，1～3ms時多孔環切桿狀發射藥比粒狀藥dp/dt-t曲線的斜率明顯增大，3ms以后兩者曲線的斜率完全一致。由此可以看出多孔環切桿狀發射藥的燃燒變化過程：燃燒開始階段由于環切切縫很小，多孔環切桿狀發射藥類似于多孔長管狀藥的燃燒，燃燒較為平緩；當燃燒到一定階段，切縫明顯變大，燃面相對增加，其燃燒類似于大長徑比的多孔粒狀藥燃燒，隨著燃燒壓力的增大，桿狀發射藥解體，多孔環切桿狀發射藥變為多孔粒狀藥，燃面迅速增加，其燃燒過程與粒狀藥相同。

2.3膛內燃燒性能

多孔環切桿狀發射藥和粒狀發射藥的膛內燃燒試驗結果見表1，膛內壓力曲線見圖5。

表1　高壓30mm模擬炮試驗結果

圖5　多孔環切桿狀藥和粒狀藥的膛內壓力曲線Fig.5　The pressure curves in chamber of multi-perforatedcurve-cut stick gun propellants and grain gun propellant

從表1可以看出，在相同裝藥量的條件下，多孔環切桿狀發射藥和粒狀發射藥膛內不同部位的壓力不同，多孔環切桿狀發射藥膛底、彈底的壓力較粒狀發射藥小，炮口壓力較大。從圖5可以看出，多孔環切桿狀發射藥和粒狀發射藥的膛底、彈底和炮口壓力曲線都較為光滑，這說明多孔環切桿狀發射藥的膛內燃燒較為穩定。從圖4(b)可知，多孔環切桿狀發射藥出現的第一個負壓差極值的絕對值為7MPa，而粒狀發射藥相應的負壓差極值的絕對值為15MPa。多孔環切桿狀發射藥的負壓差極值的絕對值比粒狀藥明顯降低，這可能是由于環切桿狀發射藥本身排列較為整齊，其縱向的傳火通道比較暢通，因此在起始點火階段，不易出現局部點火不均勻，其負壓差絕對值很小。而粒狀發射藥由于其起始燃面較大，裝藥燃氣起始生成速率較大，排列相對散亂，傳火通道較差，因而負壓差絕對值相對較大，造成最大膛底壓力和最大彈底壓力較大。

3結論

(1)多孔環切桿狀發射藥的燃燒過程主要分為兩個階段：第一階段是桿狀藥外表面和內孔被同時點火燃燒，同時燃燒火焰沿著環切切口擴張推進，直至使原本相連成桿狀的連體粒狀藥分裂成獨立的正在燃燒的多孔粒狀藥的過程；第二階段是分裂解體后的多孔粒狀藥的燃燒過程。

(2)多孔環切桿狀發射藥的燃燒性能穩定，燃燒漸增性強，膛內燃燒穩定性比粒狀發射藥更好，多孔環切桿狀發射藥的整齊排列使得發射裝藥的傳火通道較為通暢，有利于提高裝藥的點傳火性能，大大降低裝藥膛內壓力波的產生，負壓差最大值為-7MPa，比粒狀藥明顯降低。

(3)與粒狀發射藥相比，相同裝藥量下多孔環切桿狀發射藥的最大膛壓和初速較低，示壓效率明顯提高，提高幅度達4.93%。

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Combustion Performances of Multi-Perforated Curve-Cut Stick Gun Propellants

WANG Feng, LI Zi-chao, LIU Guo-tao, LI Da, YAO Yue-juan, YU Hui-fang, WANG Qiong-lin,

ZHANG Yuan-bo, LIU Shao-wu

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China)

Abstract:To study the performance differences of multi-perforated curve-cut stick gun propellants and grain gun propellants, the process of disorganization combustion of multi-perforated curve-cut stick gun propellant was investigated by a semi-closed bomb , and the static combustion performance and combustion performance in chamber of multi-perforated curve-cut stick gun propellants and grain gun propellants were contrasted by the closed bomb test and high pressure 30mm simulation gun experiment. The results show that the combustion of multi-perforated curve-cut stick gun propellants is consistent with the parallel mode, its combustion performance is stable and erosive burning is avoid, the progressively burning characteristics of the multi-perforated curve-cut stick propellant is better than that of grain gun propellants; the negative pressure difference of the multi-perforated curve-cut stick gun propellant is -7MPa, and the piezometric effeiciency is improved by 4.93% compared with that of grain gun propellant.

Keywords:physical chemistry; multi-perforated curve-cut stick gun propellant; combustion performance; negative pressure difference; pressure curve in charmber; grain gun propellant; closed bomb test

通訊作者:王瓊林(1966-)，男，博士，研究員，從事發射藥及裝藥技術研究。

作者簡介:王鋒(1978-)，男，副研究員，從事發射藥及裝藥性能研究。

收稿日期:2014-08-21；修回日期:2015-02-01

中圖分類號：TJ55; TQ562

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7812(2015)02-0089-04

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.02.020