基于密閉爆發器試驗的發射裝藥內彈道性能預估

趙煜華，肖正剛，嚴文榮，閆光虎，梁 磊

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

引 言

發射藥在貯存過程中，隨貯存時間不斷延長，安定劑含量降低，發射藥會加速分解，甚至會出現自燃或自爆的可能，給彈藥系統的安全貯存帶來嚴重隱患。目前，國內外大多采用熱老化加速試驗法來預測發射藥的安全貯存壽命[1-4]。但對貯存發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行火炮試驗，成本高昂。此外，發射藥產品的出廠校驗仍以火炮彈道試驗為判定依據，存在流程復雜、成本較高的問題。綜上所述，發射藥產品驗收和貯存性能最終都以彈道性能試驗結果為依據。

密閉爆發器試驗方法目前已成為發射藥靜態燃燒實驗研究中最重要的實驗方法之一，該方法在發射藥能量示性數、燃燒性能和燃燒規律的測定方面發揮著不可替代的作用，也給槍炮武器內彈道設計和裝藥設計提供了大量的基礎數據[5-6]。國外Rodrigues B等[7]采用爆發器數據進行建模及彈道參數擬合，進而預估發射藥的壽命，該方法尚需進一步完善；Rotariu A、Laurence J等[8-9]研究了火炮射擊條件下與密閉爆發器條件下的發射藥燃燒性能，通過對爆發器測試的性能參數進行修正，進而預估內彈道性能。由于Rodrigues B等[7-9]均是基于一定假設條件對爆發器測試的燃燒數據進行了修正進而計算彈道性能，該類方法的實用性較低，尤其對于發射藥樣品不同批次間的內彈道性能難以進行高效精確的預估。而國內對發射藥貯存樣品的彈道使用性能及發射藥的出廠校驗仍依賴于大量火炮射擊試驗[10-12]，試驗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器試驗檢測發射藥的靜態燃燒性能參數進而預測其裝藥內彈道性能的方法，并采用30mm火炮及不同批次的單樟-5/7發射藥開展了內彈道試驗，驗證了該方法的計算精度。結果表明，建立的內彈道性能預估方法精度較高，適用于對發射藥樣品不同批次間的內彈道性能高效精確的預估，為發射藥樣品提供了一種高效低成本的內彈道性能評價方法。

1 計算模型

根據GJB770B-2005 703.1密閉爆發器試驗微分壓力法開展密閉爆發器實驗，定義彈道性能已知且性能數據可靠的發射藥為基準批發射藥，定義其他批次發射藥與基準批發射藥的相對壓力和相對陡度如下：

(1)

(2)

基于密閉爆發器試驗的發射裝藥內彈道性能預估計算模型如下：

(3)

ΔRQ=RQ-RQs

(4)

Δω=ωt-ωs

(5)

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

ΔRF=RF-RFs

(6)

式中：RFs為基準批發射藥的相對壓力；

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

(7)

被試發射藥的炮口初速v0按照公式(8)計算：

(8)

式中：v0為被試發射藥的彈丸炮口速度，m/s。

被試發射藥最大膛壓ptm按照公式(9)計算：

(9)

式中：ptm為被試發射藥的最大膛壓，MPa。

采用計算出的擬合系數進行被試發射藥的內彈道性能預估計算時，被試發射藥的裝藥量要滿足公式(10)的條件：

ωmin≤ωt≤ωmax

(10)

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

采用上述模型進行的基于密閉爆發器試驗的發射裝藥內彈道性能預估流程如圖1所示。

圖1 基于密閉爆發器試驗的發射裝藥內彈道性能計算流程圖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射藥選擇1批發射藥作為基準批，開展爆發器試驗，計算其他批次發射藥與基準批發射藥的相對壓力和相對陡度，代入公式(3)或公式(7)計算出擬合系數，然后分別計算出各樣本批的Δv0i和Δptmi，并與實際彈道數據對比計算預估誤差，若各樣本批的預估誤差不滿足誤差指標，則重新選擇基準批根據上述步驟進行回歸計算。若滿足誤差指標，則計算被試發射藥相對基準批的RF和RQ，以前文計算的擬合系數帶入公式(3)或公式(7)，計算出被試發射藥的Δv0和Δptm，進而計算被試發射藥初速和最大膛壓。

2 試 驗

2.1 樣品和儀器

單樟-5/7發射藥，瀘州北方化學工業有限公司，主要成分為硝化棉、二苯胺、樟腦和石墨等，批號分別為1/10、1/11、1/12、2/14、1/15。

DEWE-2010型數據采集儀，奧地利德維創公司；6213B型壓電壓力傳感器，瑞士Kistler公司；激光靶測速系統，中北大學。

2.2 密閉爆發器試驗

采用5個批次的單樟-5/7發射藥按照GJB770B-2005方法703.1進行密閉爆發器實驗，獲得發射藥的靜態燃燒壓力—時間曲線。

2.3 裝藥內彈道射擊試驗

采用30mm口徑火炮，對被試批單樟-5/7發射藥進行火炮內彈道試驗，以驗證基于密閉爆發器試驗的發射裝藥內彈道性能計算模型的預估精度。試驗中樣彈質量260g、金屬藥筒裝藥成組試驗并將組平均值作為內彈道性能試驗測試結果。按照GJB2973A-2008《火炮內彈道試驗方法》電測壓法測試膛底壓力，按照GJB2179-94《炮用發射藥與裝藥內彈道試驗方法》測試初速，測試系統如圖2所示。

圖2 裝藥內彈道射擊試驗測試系統圖Fig.2 Sketch of interior ballistic performance testing system

3 結果與討論

3.1 密閉爆發器試驗結果

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

圖3 不同批次發射藥密閉爆發器試驗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個批次樣品的p—t曲線一致性較好，1/11批發射藥樣品從10MPa達到最大壓力的燃燒時間為8.9ms,1/12批發射藥樣品達到最大壓力的燃燒時間為5個批次樣品中最短的，約為7.8ms;剩余3個樣品的燃燒時間接近，約為8.2ms。p—t曲線分析表明，5個批次發射藥樣品在能量性能基本一致的同時燃速存在一定差異。

基于圖3中的p—t曲線計算得出的相對壓力及相對陡度如表1所示。

表1 不同批號的單樟-5/7發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計算結果也表明，1/11批發射藥樣品的爆發器燃燒性能相較于其他批次存在一定的偏離。

3.2 火炮試驗結果

已通過發射藥產品出廠校驗程序的4個批次的樣品成組內彈道試驗結果組平均值見表2所示。

表2 不同批號的單樟-5/7發射藥內彈道試驗結果

注：v0為測試的炮口速度;ptm為測試的最大膛壓;ω為裝藥質量。

以1/12批作為基準批，則Δptm、Δv0、Δω如表3所示。

表3 不同批號的單樟-5/7發射藥Δptm、Δv0、ΔωTable 3 Δptm、Δv0、Δω of 5/7 single-base camphor gun propellant from different batches

將表1中計算出的不同批號的單樟-5/7發射藥相對壓力及相對陡度及表3中計算出的Δptm、Δv0、Δω代入式(7)求解擬合系數，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。結合圖3和表1試驗結果可知，由于1/11批發射藥樣品的爆發器燃燒性能及彈道性能與其他批次存在較為明顯的偏離，可能會對擬合系數的精度產生影響，后續可以通過增大樣本批的樣品量提高擬合系數的精度，進而降低內彈道性能預估誤差。

3.3 裝藥預估結果及精度驗證

采用建立的模型計算獲得的1/15批發射藥的內彈道性能預估結果和對應的成組火炮射擊試驗結果、計算誤差如表4所示。

表4 單樟-5/7發射藥內彈道性能計算誤差

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

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

4 結 論

(1)建立了基于密閉爆發器試驗的內彈道性能計算方法，通過對基準批回歸計算并與樣本批彈道數據進行比對，提高了預估計算準確性，對新批次發射藥裝藥的最大膛壓計算誤差為3.27%，對炮口初速的誤差為1.11%。

(2)采用本研究建立的計算方法，在已知發射藥產品前期批次批量彈道數據樣本基礎上，可有效計算獲得新批次發射藥產品的初速和最大膛壓，該方法可在一定程度上降低發射藥產品的出場校驗試驗數量或者完全取代出廠校驗內彈道試驗，簡化發射藥出廠交驗流程，降低發射藥產品交驗成本，同時也為長貯發射藥樣品的內彈道性能評估提供了一種高效低成本的內彈道性能評價方法。