徐 前, 何衛(wèi)東

(南京理工大學(xué)化工學(xué)院, 江蘇 南京 210094)

高初速、遠(yuǎn)射程是身管武器的主要發(fā)展方向，為了提高火炮初速，要求發(fā)射裝藥具有高的能量[1]。高能、高裝填密度發(fā)射藥應(yīng)用是提高發(fā)射裝藥能量的主要技術(shù)途徑[2-3]。

橫切棒狀藥(又稱部分切口多孔桿狀發(fā)射藥)具有裝填密度高[4]、點(diǎn)傳火性能好、燃燒漸增性好的特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。但隨著裝填密度的增加，最大膛壓也相應(yīng)地增加，為保證膛壓不超過(guò)火炮可承受的范圍，需要進(jìn)一步提高發(fā)射裝藥燃燒漸增性。包覆發(fā)射藥具有較多孔火藥更高的燃燒漸增性，采用橫切棒狀藥和包覆粒狀發(fā)射藥混合裝藥，可以在保持裝藥較高裝填密度的同時(shí)，獲得高的燃燒漸增性。對(duì)橫切棒狀藥、包覆發(fā)射藥、粒狀發(fā)射藥燃燒性能，已分別開(kāi)展了較多的研究工作，徐漢濤[5]等研究了不同切口的桿狀藥的燃燒性能，研究表明，具有合適切口距的部分切口多孔桿狀發(fā)射藥可以獲得和相同藥型的多孔粒狀藥相近的靜態(tài)燃燒性能。薛冪祎[6]等研究了鈍感球扁藥和主裝藥混合的燃燒性能，結(jié)果表明，其包覆鈍感技術(shù)可以改善混合裝藥燃燒漸增性。王鋒[7]等研究了部分切口多孔桿狀發(fā)射藥燃燒性能，證明了其燃燒漸增性比粒狀發(fā)射藥好。F W Robbins[8]研究表明其與粒狀藥相比，橫切棒狀藥具有更低膛壓和更高的初速。Carl[9]研究表明橫切棒狀藥在155 mm火炮上應(yīng)用，使火炮保持最大膛壓的同時(shí)初速提高了6%。但未見(jiàn)橫切棒狀藥和包覆粒狀發(fā)射藥混合裝藥的燃燒性能研究的報(bào)道。

本研究針對(duì)太根橫切棒狀藥和具有阻燃效果包覆粒狀發(fā)射藥，在不同裝填密度下，對(duì)它們的不同比例的混合裝藥的定容燃燒性能進(jìn)行研究，并分析發(fā)射藥混合裝藥的燃燒相互作用。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 樣品制備

按制式太根發(fā)射藥配方，經(jīng)過(guò)捏合、壓伸、切藥、驅(qū)溶等常規(guī)發(fā)射藥制備工序制成9/19梅花型橫切棒狀藥發(fā)射藥(PC)和7/19的粒狀發(fā)射藥，然后對(duì)粒狀藥(7/19)表面用含TiO2的高分子阻燃包覆材料在轉(zhuǎn)鼓包覆設(shè)備中進(jìn)行包覆處理，制備成含有TiO2的包覆粒狀發(fā)射藥。其中橫切棒狀藥(9/19)藥型尺寸: 異向切口，切口距20 mm，內(nèi)徑0.25 mm，弧厚0.95 mm，切口深度1/2直徑; 粒狀發(fā)射藥(7/19)藥型尺寸: 藥長(zhǎng)7.48 mm，內(nèi)徑0.24 mm，弧厚0.80 mm，制備了包覆粒狀發(fā)射藥(DCPC): 包覆層中TiO2含量為30%，包覆量為20%。

2.2 密閉爆發(fā)器試驗(yàn)

密閉爆發(fā)器發(fā)器容積為107 cm3，裝填密度分別為0.20 g·cm-3和0.32 g·cm-3，點(diǎn)火藥C#NC 1.1 g，點(diǎn)火壓力10.98 MPa，測(cè)得混合裝藥的發(fā)射藥壓力-時(shí)間(p-t)曲線，經(jīng)過(guò)處理得到相對(duì)活度-相對(duì)燃燒量(L-B)曲線。

表1 密閉爆發(fā)器試驗(yàn)方案

Table 1 Different schemes of closed-bomb tests

Nopropellants(mixedmassratio)loadingdensity/g·cm-31#PC2#DCPC3#PC/DCPC(3∶7)4#PC/DCPC(4∶6)5#PC/DCPC(8∶2)0.326#DCPC7#PC8#PC/DCPC(4:6)9#PC/DCPC(8:2)0.20

3 結(jié)果與討論

3.1 裝填密度對(duì)混合裝藥定容燃燒性能的影響

3.1.1 裝填密度為

1#～5#樣品的混合裝藥燃燒的相對(duì)活度-相對(duì)燃燒量(L-B)曲線如圖1所示。1#～5#相應(yīng)的L-B曲線漸增性燃燒特征量見(jiàn)表2。

圖1 1#～5#樣品的L-B曲線

Fig.1L-Bcurves of 1#-5#samples

從圖1可以看出: 單一橫切棒狀藥(1#)的起始活度大，相對(duì)活度(L)先快速上升，出現(xiàn)了燃燒尖峰。隨著燃燒的進(jìn)行，活度變化表現(xiàn)為先下降后上升，表明發(fā)射藥燃燒初期發(fā)生了明顯的侵蝕燃燒現(xiàn)象[10]。而單一包覆粒狀發(fā)射藥(2#)的起始活度小，活度逐漸升高，上升速度較緩慢。這主要由于它的包覆層表面阻燃，降低了包覆粒狀發(fā)射藥起始燃速，同時(shí)，由于包覆層的堵孔作用，初期內(nèi)孔不燃燒，消除了起始侵蝕燃燒現(xiàn)象。對(duì)于混合裝藥，隨著混合裝藥中包覆粒狀發(fā)射藥的比例增加，燃燒侵蝕峰漸漸減小。表明: 包覆粒狀發(fā)射藥有明顯降低起始燃燒尖峰的效果。隨著包覆層的破裂和逐漸燃盡，包覆粒狀發(fā)射藥內(nèi)孔開(kāi)始燃燒，燃面增大，表現(xiàn)出良好的燃燒漸增性。

表2 發(fā)射藥樣品的L-B曲線燃燒漸增性特征量

Table 2L-Bcurves progressive combustion characteristics of propellants

No.B0L0BmLmLm/L01#0.0501.1550.6922.1201.8352#0.0501.1730.4262.4022.0483#0.0501.0300.4942.2932.2274#0.0501.0270.5982.2462.1885#0.0501.0630.6812.1652.0366#0.0501.2870.5132.4221.8827#0.0501.3370.6612.0491.5328#0.0501.2750.6062.2711.7819#0.0501.3670.6262.1181.549

Note:Lm/L0[11]is progressive combustion characteristic,Lmis maximum activity,L0is the average value ofLbetweenB=0 toB=0.1.

從表2和圖1可以看到混合裝藥比例為3∶7(3#)的燃燒漸增性特征量較大，說(shuō)明該比例下混合裝藥的燃燒性能好。表明，并不是混合裝藥中橫切棒狀藥越多，燃燒漸增性就越好，選擇合適的橫切棒狀藥和包覆粒狀發(fā)射藥比例，是混合裝藥獲得更好的燃燒漸增性關(guān)鍵。

3.1.2 裝填密度為0.2 g·cm-3混合比對(duì)混合裝藥燃燒性能影響

6#～9#混合裝藥燃燒的相對(duì)活度-相對(duì)燃燒量(L-B)曲線如圖2所示。6#～9#的相對(duì)活度-相對(duì)燃燒量(L-B)曲線漸增性燃燒特征量見(jiàn)表2。

從圖2 看出，與裝填密度為0.32 g·cm-3類似，發(fā)射藥燃燒初期，橫切棒狀藥(7#)發(fā)生侵蝕燃燒效應(yīng)，而包覆粒狀發(fā)射藥(6#)由于包覆層阻燃效果而使得燃燒活度曲線緩慢上升，當(dāng)混合裝藥中橫切棒狀藥比例變小時(shí)，起始峰逐漸減小，侵蝕性燃燒現(xiàn)象減弱，侵蝕燃燒尖峰漸漸被“削平”，混合比例為4∶6時(shí)，混合裝藥(8#)的侵蝕燃燒尖峰已基本消失。

結(jié)合圖2和表2，可以看到，本試驗(yàn)條件下，當(dāng)裝填密度為0.2 g·cm-3時(shí)，在混合裝藥中，混合比例為4∶6的混合裝藥(8#)的燃燒漸增性特征量最大，燃燒漸增性較好。

圖2 6#～9#樣品的L-B曲線

Fig.2L-Bcurves of 6#-9#samples

3.1.3 裝填密度對(duì)混合裝藥燃燒性能的影響

綜合表2數(shù)據(jù)，可以看到裝填密度為0.32 g·cm-3的混合裝藥的燃燒性能明顯優(yōu)于裝填密度為0.2 g·cm-3的混合裝藥，燃燒漸增性更好。

從圖3a的不同裝填密度的相對(duì)活度-相對(duì)燃燒量(L-B)曲線對(duì)比上看到，發(fā)射藥燃燒的前期階段，對(duì)于單一橫切棒狀藥(1#和7#)的定容燃燒，裝填密度越大的橫切棒狀裝藥，它的燃燒起始活度上升越快，因?yàn)檠b填密度越高，產(chǎn)生壓力越大，活度越高; 但是，另一方面，裝填密度越大的橫切棒狀藥活度下降也越快，侵蝕燃燒結(jié)束的也越早，從圖3a上看到，當(dāng)B為0.15時(shí)，裝填密度為0.32 g·cm-3，橫切棒狀藥(1#)的侵蝕燃燒結(jié)束; 當(dāng)B為0.3時(shí)，裝填密度為0.20 g·cm-3，橫切棒狀藥(7#)的侵蝕燃燒才結(jié)束。這是發(fā)射藥的裝填密度越小，侵蝕燃燒更加嚴(yán)重的結(jié)果[11]。結(jié)合圖3a和表2得出結(jié)論，隨橫切棒狀藥的裝填密度增加，侵蝕燃燒現(xiàn)象減弱，燃燒漸增性增加。

對(duì)于單一包覆粒狀發(fā)射藥(2#和6#)的定容燃燒，裝填密度越小，它的起始燃燒活度上升幅度越大，主要原因是破孔前，當(dāng)達(dá)到相同的壓力時(shí)，高裝填密度下燃燒的包覆層厚度必定小于低裝填密度下的厚度。因此，當(dāng)達(dá)到相同的壓力，發(fā)射藥在裝填密度較小的包覆粒狀發(fā)射藥表面阻燃層燃燒的多，破孔較早，這時(shí)，發(fā)射藥表面破孔發(fā)生增面燃燒，相對(duì)活度增加，導(dǎo)致曲線上升明顯。結(jié)合圖3a和表2得出結(jié)論，隨包覆藥的裝填密度增加，燃燒漸增性增加。

發(fā)射藥燃燒的后期階段，不同裝填密度下的發(fā)射藥燃燒相對(duì)活度-相對(duì)燃燒量(L-B)曲線基本相當(dāng)，表明不同裝填密度對(duì)發(fā)射藥的燃燒后期的影響不大。

對(duì)于發(fā)射藥混合裝藥(5#，8#和4#，9#)的定容燃燒，由圖3b可以看到，混合裝藥的相對(duì)活度-相對(duì)燃燒量(L-B)曲線是橫切棒狀藥和包覆粒狀發(fā)射藥共同燃燒作用的結(jié)果。同樣地，隨著混合裝藥的裝填密度增加，侵蝕燃燒效應(yīng)降低，燃燒漸增性增加。

綜上，在其他試驗(yàn)條件相同的條件下，發(fā)射藥的裝填密度越大，燃燒漸增性越好。

a. DCPC and PC

b. mixed charge propellants

圖3 不同裝填密度下的L-B曲線

Fig.3L-Bcurves of different loading densities

3.2 混合裝藥的定容燃燒相互作用機(jī)理

活度L的變化反映了燃速和燃面對(duì)火藥氣體生成量的綜合影響，B反映了火藥燃去量的變化。本研究通過(guò)擬合計(jì)算混合裝藥獨(dú)立燃燒時(shí)的活度與試驗(yàn)測(cè)試的活度對(duì)比來(lái)表征發(fā)射藥混合裝藥的燃燒過(guò)程。

以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：混合裝藥各組份之間的燃燒既有一定的獨(dú)立性，又相互干擾。為了分析混合裝藥各組份燃燒的相互作用機(jī)理，假設(shè)混合裝藥中橫切棒狀藥和包覆粒狀發(fā)射藥的兩組分燃燒是各自獨(dú)立的，即彼此不影響，那么可以認(rèn)為混合裝藥的活度值具有線性加和性。即：

Ln=α1Ls+α2Lc

(1)

式中，Ln為擬合計(jì)算的活度，α1和α2分別是混合裝藥中橫切棒狀藥和包覆粒狀發(fā)射藥所占的比值(α1+α2=1)，Ls表示橫切棒狀藥獨(dú)立燃燒時(shí)的活度，Lc表示包覆粒狀發(fā)射藥獨(dú)立燃燒的活度。

而實(shí)際測(cè)試得到的混合裝藥的燃燒的相對(duì)活度-相對(duì)燃燒量(L-B)曲線是實(shí)際情況下桿狀藥和包覆藥各自燃燒對(duì)活度的貢獻(xiàn)，即：

Le=β1Ls+β2Lc

(2)

其中，Le為試驗(yàn)的活度，β1為橫切棒狀藥在某一燃去量時(shí)的實(shí)際燃燒活度貢獻(xiàn)比值，β2為包覆粒狀發(fā)射藥在某一燃去量時(shí)的燃燒活度貢獻(xiàn)比值(β1+β2=1)。

通過(guò)L擬合的Ln-B曲線，與實(shí)際密閉爆發(fā)器不同比例的Le-B曲線進(jìn)行對(duì)比。

圖4為3#，4#，5#的混合裝藥實(shí)驗(yàn)和擬合計(jì)算L-B曲線。

a. 3#

b. 4#

c. 5#

圖4 擬合計(jì)算與試驗(yàn)的L-B曲線比較

Fig.4 Comparison of simulated and experimentalL-Bcurves

從圖4可以看出，不同混合比例的混合裝藥定容燃燒規(guī)律基本是相似的，燃燒初期，Ln的數(shù)值大，即：Leα2，表明橫切棒狀藥燃燒對(duì)包覆粒狀發(fā)藥的燃燒具有影響，包覆粒狀發(fā)射藥較獨(dú)立燃燒時(shí)對(duì)混合裝藥燃?xì)馍删哂懈蟮呢暙I(xiàn)，分析其原因，橫切棒狀藥燃燒改善了包覆粒狀發(fā)射藥的點(diǎn)火，使得包覆粒狀發(fā)射藥點(diǎn)火一致性變好，起始燃面變大，導(dǎo)致包覆粒狀發(fā)射藥對(duì)混合裝藥燃?xì)馍伤俾守暙I(xiàn)較擬合的大，橫切棒狀藥對(duì)混合裝藥燃?xì)馍伤俾守暙I(xiàn)較擬合的相應(yīng)減小，包覆粒狀發(fā)射藥相對(duì)燃燒質(zhì)量較擬合增加。

混合裝藥燃燒中后期，Le≈Ln，即:β1≈α1，β2≈α2，實(shí)際燃燒橫切棒狀藥與包覆粒狀發(fā)射藥燃燒相互影響小，燃燒趨于獨(dú)立。

從圖4上還可以看出，隨著混合裝藥中包覆粒狀發(fā)射藥的比例減小，試驗(yàn)與擬合計(jì)算的活度的相差值減小，進(jìn)一步證明了混合裝藥燃燒的相互作用機(jī)理。

4 結(jié) 論

(1)橫切棒狀藥和包覆粒狀發(fā)射藥混合裝藥可獲得良好漸增性，裝填密度對(duì)發(fā)射藥混合裝藥定容燃燒性能產(chǎn)生影響，隨著裝填密度增加，侵蝕燃燒效應(yīng)降低，燃燒漸增性增加。

(2)混合比例對(duì)混合裝藥燃燒漸增性產(chǎn)生影響，合適的混合比例是混合裝藥良好漸增性的保證，在裝填密度為0.20 g·cm-3和0.32 g·cm-3條件下，橫切棒狀和包覆粒狀發(fā)射藥獲得較佳燃燒漸增性的混合比例分別為4∶6和3∶7。

(3)橫切棒狀藥和包覆粒狀發(fā)射藥混合裝藥燃燒的相互影響主要表現(xiàn)在燃燒前期,橫切棒狀藥改善了包覆粒狀發(fā)射藥的點(diǎn)火，燃燒中后期，橫切棒狀藥和包覆粒狀發(fā)射藥燃燒趨于獨(dú)立。

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