七孔發射藥內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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七孔發射藥內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)

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

七孔發射藥；疊氮硝胺發射藥；內外弧厚一致性；燃燒性能；初速溫度系數

引　言

疊氮硝胺發射藥是我國研制成功的高能低燒蝕發射藥，該發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定性。近年來，針對艦炮武器系統對高能低燒蝕、低煙焰發射裝藥的需求，在疊氮硝胺發射藥的基礎上，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射藥(ADG型發射藥)，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]。

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

彈道計算表明[6]，弧厚的變化對彈道性能影響顯著，且在發射藥實際生產過程中較難控制。多孔發射藥的內外弧厚一致性及弧厚偏差影響著發射藥能量的釋放速率，發射藥內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，弧厚偏差對武器內彈道性能的影響已有相關研究，但針對內外弧厚偏差與發射藥燃燒性能影響規律的研究尚未見文獻報道。

本實驗結合ADG型發射藥裝藥研究，針對由工藝引起的內外弧厚不一致情況對發射藥燃燒性能的影響進行了探索，以期為該發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型發射藥，分別經過吸收、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個發射藥樣品的平均弧厚相同。內弧厚(l1)指兩個內孔之間的弧厚，外弧厚(l2)指最外層內孔與藥粒最大圓周之間的弧厚，七孔發射藥及其內外弧厚示意圖如圖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個發射藥樣品ADG01、ADG02、ADG03進行測量。根據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，不同發射藥樣品的平均內弧厚、平均外弧厚及內外弧厚偏差測量結果如表1所示。

表1　3個發射藥樣品的弧厚測量結果

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

1.4密閉爆發器試驗

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

1.5發射裝藥動態燃燒試驗

按照GJB2973-1997火炮內彈道試驗方法要求，分別采用3個發射藥樣品ADG01、ADG02、ADG03進行內彈道試驗。火炮口徑130mm，彈丸質量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，同時記錄彈丸初速和最大膛壓。

2　結果與討論

2.1內外弧厚差異對七孔藥燃燒過程的影響

按照七孔發射藥藥形設計原理[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弧厚比平均外弧厚略大，ADG02由于模針收縮致使平均內弧厚比平均外弧厚小約0.53mm，ADG03平均內外弧厚一致性較好，同時ADG02發射藥的內、外弧厚偏差均較大，弧厚一致性差。

根據所測的內外弧厚值可以預估3種發射藥的燃燒情況。3個發射藥斷面圖及增面燃燒階段結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，這時發射藥燃燒掉的質量分數約為85%，有約15%的發射藥將在減面燃燒階段燃去，剩余6個大棒狀體內切圓半徑為0.41mm。ADG01內弧厚略大于外弧厚，其燃燒分裂過程經歷3個過程，其第2階段燃燒分裂點的已燃相對百分數為84.56%。而AGD02發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弧厚，如圖2(b)所示，增面燃去70.76%后，發射藥分裂成6塊小棒狀物及內徑為曲邊形的圓環，進入減面燃燒階段，內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的理論計算，燃燒漸增性ADG03最好，ADG01次之，ADG02最差。

圖2　3個發射藥斷面圖及增面燃燒階段結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內外弧厚差異對靜態燃燒性能的影響

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

圖3　不同溫度下ADG發射藥燃燒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發射藥的p-t曲線、L-B曲線變化趨勢基本一致，燃燒結分裂點接近，與表1中內、外弧厚的測量結果一致。在低溫、常溫條件下，與ADG01和ADG03相比，AGD02發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發射藥要明顯優于ADG02發射藥。由圖3(e)～圖3(f)可以看出，3個發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發射藥在高、低溫條件下燃燒時間差約為3.4ms，而ADG02發射藥為6.8ms。ADG02發射藥高、低、常溫條件下的p-t曲線離散性要大于ADG03發射藥。而反映在L-B曲線上，則表現為ADG02發射藥的燃燒漸增性低于ADG03發射藥。實驗結果表明，在內、外弧厚一致性較差的情況下，溫度對爆發器發射藥燃燒時間測試結果的敏感性有較大影響。

圖4　不同溫度下ADG02和ADG03發射藥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射藥，在燃燒分裂的瞬間，發射藥已燃百分數約為85%，有約15%將在減面燃燒階段燒去，ADG01和ADG03發射藥均屬于此情況。由于內、外弧厚差異及弧厚偏差的影響，ADG02發射藥在已燃百分數約為70%時開始進入減面燃燒階段。密閉爆發器試驗結果有效反映了表1中預測的燃燒過程，因此，密閉爆發器靜態燃燒試驗可以定性評判多孔粒狀發射藥內外弧厚差異大小。

2.3內外弧厚偏差對裝藥彈道性能的影響

為驗證ADG01、ADG02和ADG03發射藥的動態燃燒性能，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發取平均值。在初速850m/s條件下，按照修正系數對常溫膛壓及裝藥量進行修正，結果如表2所示。

表2　 發射裝藥燃燒試驗結果

注：m為裝藥質量；p為膛壓；v0為彈丸初速；k為初速溫度系數。

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

ADG01發射藥在-40～50℃間的初速溫度系數為0.54m/(s·℃)，ADG03發射藥為0.57m/(s·℃)，兩者基本接近。ADG02發射藥為0.78m/(s·℃)，較其他兩種發射藥約高36%以上。造成這種差異主要是由于ADG02拖尾燃燒嚴重，燃燒結束點趨向炮口，炮口流出能量損失增大。結果表明，內外弧厚偏差增大，不但會造成發射藥裝藥量的增加，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型發射藥，隨著內外弧厚偏差增大，裝藥的初速溫度系數也會增大。

3　結　論

(1)隨著內外層弧厚一致性變差，七孔發射藥增面燃燒結束點提前，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型發射裝藥，隨著內外弧厚差值增大，裝藥的初速溫度系數和裝藥量增加，最大膛壓降低。

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

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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

國防科工局基礎產品創新計劃火炸藥專項

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

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

TJ55;O643.2

A

1007-7812(2016)04-0097-05