RDX和NGU對疊氮硝胺發射藥動態燃燒穩定性的影響?

石先銳 閆光虎 賈永杰 胡 睿 崔鵬騰 張玉成西安近代化學研究所(陜西西安，710065)

引言

發射藥的膛內燃燒是一個復雜而有序的過程，其中壓力波現象普遍存在[1]。壓力波的強度在一定程度上反映了發射裝藥結構的合理性以及內彈道性能的穩定性[2]。目前，抑制壓力波強度仍是考核高裝填密度裝藥和點傳火結構合理性的重要指標之一，其基本測試方法是測出膛底和坡膛的p-t曲線，從中獲取發射裝藥膛內燃燒基本規律[3]。隨著發射裝藥發射安全重要性的進一步提升，研究人員在膛內壓力波產生機理、發展規律、抑制方法及發射安全性評判方法等方面開展了大量的工作，成果較多。黃振亞等[4]通過對比RGD7發射藥與單基藥的膛內壓力波特征和低溫動態燃燒活性，提出RGD7發射藥具備良好的使用安全性，但需進一步改善低溫力學性能。楊麗俠等[5]通過短管炮內彈道試驗和點火模擬裝置試驗，研究了鈍感與包覆兩種不同表面處理工藝的疊氮硝胺(DIANP)發射藥膛內起始燃燒性，發現兩種工藝均能改善壓力波強度，但本質不同。楊建興等[6]用密閉爆發器靜態試驗和30 mm高壓模擬炮的動態試驗，以制式單基藥作為對比發射藥，研究了DAGR 125發射藥的靜態燃燒特性及膛內燃燒特征，并找出了DAGR 125發射藥內彈道穩定性的原因。肖正剛等[3]研究了兩種點傳火結構對高裝填密度裝藥壓力波強度的影響，提出了低爆速傳火結構對抑制壓力波效果明顯。

本文中，從典型DIANP發射藥配方的基本組成出發，采用相同點傳火結構和相同裝藥結構，以30 mm高壓模擬試驗裝置為試驗平臺，以單基藥為參照，對比研究高含量黑索今(RDX)或硝基胍(NGU)對DIANP發射藥動態燃燒穩定性的影響規律，分析配方組成變化對DIANP發射藥起始燃燒特征、膛內壓力上升過程及壓力波動的影響，探討DIANP配方組成與起始燃燒特征、膛內壓力上升特點和壓力波強度的相互關系，從而從配方設計、配方改性等方面為抑制膛內壓力波強度和提高發射藥安全性提供一些試驗參考。

1 試驗

1.1 材料與儀器

試驗所采用的發射藥樣品如表1所示(NC為硝化棉)。樣品1＃、2＃分別為制式未鈍感單基發射藥和單樟發射藥；樣品3＃為均質DIANP發射藥；樣品4＃、5＃為非均質DIANP發射藥，固體組分分別為RDX和NGU。采用的試驗樣品均為小弧厚七孔發射藥，低溫抗沖性能均較好。

30 mm高壓模擬試驗裝置:藥室容積W0＝0.336 dm3，身管內膛直徑d＝0.30 dm，彈丸行程Lg＝16.6 dm，彈質量約為200 g。該裝置可同步測試膛底壓力(pt)、藥室坡膛位置壓力(pd)隨時間的變化曲線，用來研究發射藥在不同裝藥條件下的膛內動態燃燒過程。

1.2 試驗方法

參考GJB 2973A—2008火炮內彈道試驗方法和GJB 2179—94炮用發射藥與裝藥內彈道試驗方法，采用30 mm高壓模擬試驗裝置，在相同裝藥及點傳火結構條件下，對比研究不同配方發射藥的膛內動態燃燒特征。

1.3 試驗條件

采用自主設計的30 mm高壓模擬試驗裝置，裝藥結構為自主設計的可燃藥筒結構，點傳火方式采用中心傳火管方式，裝藥結構如圖1所示。試驗溫度為常溫，試驗前均采用單樟發射藥進行溫炮處理。采用的彈丸均為標準彈丸，質量約為200 g。點火藥為小粒黑，藥量為裝藥量的1%。為了保證試驗中最大膛壓不小于350 MPa，根據試驗樣品的能量水平，設計1＃～5＃樣品裝藥量均為190 g，基本保證各樣品裝藥結構一致。

表1 試驗用發射藥樣品Tab.1 Test gun propellant samples

2 結果與討論

2.1 DIANP發射藥動態燃燒膛底壓力和坡膛壓力的變化

圖2為5種配方發射藥膛內燃燒膛底壓力pt和坡膛壓力pd隨時間的變化曲線。圖2中，對燃燒起始階段p-t曲線進行了放大處理。由圖2可見，未鈍感單基發射藥燃燒起始階段兩處壓力均出現明顯的波動，曲線不光滑；經樟腦表面鈍感后，單樟發射藥燃燒起始階段膛底壓力和坡膛壓力幾乎同時上升，兩條p-t曲線在上升階段幾乎重合，曲線光滑；3＃樣品坡膛壓力上升明顯延遲，并在起始階段出現波峰和壓力平臺，p-t曲線不光滑；添加了RDX和NGU的4＃和5＃樣品，燃燒起始階段，膛底壓力和坡膛壓力隨時間的變化曲線光滑，未出現明顯波動。圖2中標出了5種發射藥試驗過程中的最大膛壓，分別為378、356、413、445 MPa和395 MPa。可見，最大膛壓變化規律與不同發射藥能量水平一致，但與膛內起始燃燒過程的壓力曲線波動現象無明顯相關性。裝藥結構一致的條件下，初始氣體生成速率越大，由藥床點火燃燒不均勻引起的膛內壓力波動就越明顯[6]。單基發射藥主要由NC組成，其點火性能較好，起始燃燒也較快，經樟腦鈍感后，點火過程和起始燃燒都明顯減緩[7]；因此，1＃樣品p-t曲線出現波動，而2＃樣品p-t曲線光滑。DIANP雙基發射藥由于含有大量小分子含能增塑劑，其點火延遲短、起始燃燒較快，特別是DIANP含量較高時，起始氣體生成速率會大幅增加[5]。因此，3＃樣品p-t曲線出現了明顯的波動。在3＃樣品配方的基礎上，通過添加固體組分RDX和NGU，發射藥初始燃速降低，發射藥起始氣體生成猛度減小[6]，在起始燃燒階段表現為較弱的膛內壓力波動。

2.2 RDX和NGU對DIANP發射藥膛內起始燃燒規律的影響

將圖2中膛底壓力變化曲線中不同壓力段的時間提取出來，結果如表2所示。△t1、△t2、△t3和△t4分別為膛底壓力從10 MPa上升至30 MPa、從30 MPa上升至50 MPa、從50 MPa上升至100 MPa和從100 MPa上升至最大壓力所需的時間。膛底壓力變化是藥床燃燒程度的反映，膛底壓力區間對應的時間越小，說明該壓力區間內藥床燃燒越迅速。從表2中可以看出，在100 MPa以上，各樣品△t4均相差不大；在低壓階段，不同樣品的△t1、△t2、△t3均差別較大，其中10～30 MPa階段影響因素較多，包括點火過程一致性、樣品點火性能等。因此，△t1不能準確地反映樣品起始氣體生成猛度。△t2影響因素較少，相對可較為準確地反映樣品起始氣體的生成猛度。對比鈍感前、后的單基藥，△t2從0.069 ms增加至0.259 ms，膛壓上升所需時間增加275%；說明樟腦鈍感后，單基藥起始燃燒速度明顯降低，起始膛壓上升變得緩慢。對比DIANP發射藥的△t2可見，DIANP雙基藥△t2為0.066 ms，添加了30%RDX或30%NGU后，△t2分別增加了92%和78%；說明添加固體組分后，藥床起始燃燒速度變慢，起始膛壓上升變慢。

表2 單基藥及DIANP發射藥樣品的起始燃燒時間Tab.2 Initial combustion times of different gun propellants ms

表3主要反映了鈍感及添加固體組分前、后，發射藥燃燒起始階段坡膛壓力和膛底壓力上升一致性和發射藥藥床起始燃燒一致性的差別。表3中，△t5、△t6分別為膛底壓力從5 MPa上升至10 MPa、坡膛壓力從5 MPa上升至10 MPa所需時間；△t7＝△t6-△t5；△t8為30 MPa時坡膛壓力與膛底壓力對應的時間差；△p30為坡膛壓力30 MPa時對應的膛底壓力和坡膛壓力之差。2＃、4＃和5＃樣品△t7值僅為0.03 ms左右，而1＃、3＃樣品△t7值高達0.271 ms和0.175 ms；說明鈍感后的單基藥和添加RDX、NGU的DIANP藥床起始燃燒一致性較好，而單基藥和DIANP雙基藥藥床起始燃燒一致性相對較差，導致坡膛壓力上升延遲相對明顯。另外，30 MPa時，△t8變化規律與△t7一致；坡膛壓力30 MPa時，樣品起始燃燒一致性越差，膛底壓力越偏離坡膛壓力。采用中心點火管的方式點火，發射藥藥床仍存在不同部位點火不一致的現象，當發射藥起始氣體生成猛度較小時，這種點火不一致現象不會被放大，而當發射藥起始氣體生成猛度較大時，該現象將會放大，表現為膛底壓力上升和坡膛壓力上升差別變大，從而導致壓力波動和曲線不光滑。

表3 單基藥及DIANP發射藥樣品的動態燃燒特征值Tab.3 Characteristic value of dynamic combustion of different gun propellants

2.3 RDX和NGU對DIANP發射藥裝藥燃燒穩定性的影響

圖3為5種發射藥樣品膛內燃燒過程膛底、坡膛壓力差(pD＝pt-pd)變化曲線。其中，圖3(a)為單基藥，圖3(b)為DIANP發射藥。表4為不同樣品壓差曲線的特征值，包括最大正負壓差點、起始負壓差點等。p-D，m(最大負壓差)、t-m分別為壓差曲線最大負值峰壓差點及其時間；p-D(起始負壓差)、ti分別為壓差曲線首次出現的負值峰壓差點及其時間；p﹢D，m(最大正壓差)、t﹢m分別為壓差曲線中最大正值峰壓差點及其時間；△t為最大正壓差點與起始負壓差點的時間差，△t＝t﹢m-ti；以壓差曲線-1 ms為時間零點。

由圖3(a)可見，單基藥膛底、坡膛壓力差變化較為明顯，分別在1.078 ms和1.415 ms處出現了的峰值較高的起始負壓差(-28.8 MPa)和最大正壓差(46.9 MPa)；通過樟腦鈍感后，壓差曲線在起始階段和壓力上升過程中未出現轉折和明顯波動，說明鈍感后膛底壓力和坡膛壓力上升一致性較好，膛內燃燒穩定性較好。由圖3(b)可見，DIANP雙基藥壓差曲線類似于單基藥，也出現了明顯的波動，且最大正壓差和起始負壓差均較高，分別為-40.7 MPa和52.5 MPa；添加了30% RDX或30% NGU后，起始負壓差峰明顯減弱，且因壓力波動而產生的正壓差尖峰基本消失，膛內壓力上升過程中壓力波動明顯減弱。結果說明，在均質DIANP發射藥中引入一定量RDX或NGU，通過起始緩燃提高了發射裝藥膛內燃燒穩定性。另外，5個樣品的壓差曲線首次出現的正值峰壓差均不明顯，說明藥床點火一致性較好，避免了局部點火現象[8]。由壓差曲線可見，5個樣品的壓力波特征均為衰減型，且在最大壓力后壓力波基本消失，壓差曲線未見波動，說明藥床在受到沖擊、擠壓作用下，發射藥均沒有發生明顯破碎。

研究表明，在實際燃燒過程中，，發射藥燃燒層鄰近的凝聚相表面(亞表面)熱分解過程是決定發射藥燃速特性的控制步驟。在燃燒過程的初期低壓階段，亞表面的熱分解特性與普通條件下的熱分析結果相近，可以通過正常的熱分析手段進行預測[8]。單基藥起始燃燒較快，經惰性材料表面鈍感后，發射藥表層熱分解速率降低，點火時間延長，導致燃氣生成猛度降低，膛底和坡膛壓力上升差異減小，從而有效降低起始壓力波。對于DIANP雙基藥，NG熱分解產物對NC存在催化作用，同時，DIANP更能促進基體的熱分解，因此，DIANP雙基藥起始燃燒猛度較大，在膛底和坡膛點火時間的微小差異的前提下，膛底壓力和坡膛壓力上升差異較大，導致壓力波也較為明顯。添加30%RDX后，在燃燒起始階段，由于壓力較低，RDX在熱分解前需要熔融吸熱，發射藥熱分解速率降低，發射藥起始燃氣生成猛度降低，壓力波強度也明顯減小[9]。NGU的能量比雙基藥的能量低，高比例NGU的加入，使發射藥熱分解產生的能量減小，從而導致NGU發射藥的燃速比對應的雙基藥要小；因此，NGU基DIANP發射藥起始燃氣生成猛度和壓力波強度均較低[10]。另外，NGU火藥在燃燒過程中，燃燒表面會形成熔融層，抑制了高壓燃氣從藥粒內部裂紋逸出，從而降低了燃氣生成猛度[11]。可見，在DIANP發射藥配方中添加一定含量的固體組分RDX或NGU，其起始緩燃作用與發射藥表面鈍感的緩燃作用類似，可有效減小發射藥起始燃氣生成速率，降低發射裝藥起始燃氣生成猛度，減緩起始階段膛內壓力的上升，提高藥床起始燃燒一致性，減小膛內壓力波強度，增加膛內燃燒穩定性。

表4 不同配方發射藥壓力波特征值Tab.4 Characteristic value of pressure wave of different gun propellants

3 結論

1)在均質DIANP發射藥配方中添加高含量(質量分數30%)的固體組分RDX或NGU，可有效減小DIANP發射藥起始燃氣生成速率，降低發射裝藥起始燃氣生成猛度，提高藥床起始燃燒一致性，減小膛內壓力波強度，增加膛內燃燒穩定性，膛壓從30 MPa增至50 MPa所需時間分別增加了92%和78%，起始負壓差從-40.7 MPa分別降低至-4.44 MPa和-10.66 MPa。

2)對比制式單基發射藥，在相同的裝藥結構和點傳火結構以及最大膛壓大于350 MPa的條件下，設計的含RDX或NGU的DIANP發射藥膛內壓力波強度與鈍感單基藥相當，裝藥燃燒更為穩定，無明顯壓力波現象，在高膛壓環境中應用前景較好。