賈永杰, 楊建興, 石先銳, 崔鵬騰

(西安近代化學(xué)研究所, 陜西 西安 710065)

1 引 言

棒狀發(fā)射藥裝填密度高,內(nèi)彈道性能平穩(wěn),且發(fā)射藥軸向排列能產(chǎn)生點(diǎn)火所需要的良好氣流通道,減小了局部壓力波,在中大口徑火炮發(fā)射裝藥領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景[1-3]。20世紀(jì)60年代,美國(guó)XM578152 mm火炮以及70年代中期XM208遠(yuǎn)程155 mm火炮均采用了棒狀發(fā)射藥作為發(fā)射裝藥[2,4]。在坦克炮穿甲彈方面,美國(guó)目前最先進(jìn)的120 mm口徑M829A3貧鈾彈采用了8.1 kg RPD-380長(zhǎng)棒狀發(fā)射藥[4]。棒狀發(fā)射藥的研究涉及單孔棒狀藥、單孔開(kāi)槽棒狀藥、PSS棒狀藥以及分段部分切口多孔棒狀藥,其燃燒漸增性和內(nèi)彈道性能逐步提高,PSS棒狀藥和環(huán)切棒狀藥藥型復(fù)雜,目前該方面的研究報(bào)道較多[4-10],但制備工藝較為復(fù)雜。單孔棒狀發(fā)射藥藥型簡(jiǎn)單,是目前國(guó)內(nèi)唯一成功通過(guò)無(wú)溶劑工藝制備的發(fā)射藥藥型,研究表明,非開(kāi)槽單孔棒狀藥中可能存在的侵蝕燃燒效應(yīng)能?chē)?yán)重影響其大口徑火炮中的內(nèi)彈道性能[11-13]。

基于提高單孔棒狀藥裝填密度、燃燒漸增性等方面的考慮,本研究設(shè)計(jì)了一種新型大弧厚六翼星孔棒狀發(fā)射藥,針對(duì)非開(kāi)槽單孔棒狀藥中可能存在的侵蝕燃燒效應(yīng),重點(diǎn)討論了不同長(zhǎng)徑比星孔棒狀發(fā)射藥燃燒特征,并通過(guò)改變發(fā)射藥長(zhǎng)徑比以及對(duì)發(fā)射藥端面進(jìn)行封堵處理,并對(duì)處理后的發(fā)射藥結(jié)合高膛壓大口徑火炮進(jìn)行了裝藥驗(yàn)證,分析了其內(nèi)彈道性能,以期為星孔棒狀發(fā)射藥的應(yīng)用提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 星孔棒狀發(fā)射裝藥設(shè)計(jì)及制備

星孔棒狀發(fā)射藥外形結(jié)構(gòu)如圖1a所示,L為發(fā)射藥長(zhǎng)度。圖1b為發(fā)射藥端面結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)的特性參數(shù)為六翼,h為翼高,D為外徑,d為孔徑,2e1為弧厚,具體尺寸如圖1b所示。

采用了一種高能三基發(fā)射藥(配方代號(hào)AH-1),通過(guò)無(wú)溶劑壓伸成型工藝以及專(zhuān)用切藥機(jī)制備了長(zhǎng)徑比L/D=1、L/D=2、L/D=6和L/D=14的星孔棒狀發(fā)射藥樣品。AH-1的配方組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為: 硝化棉(NC)42/硝化甘油(NG)28/黑索今(RDX)25/鄰苯二甲酸二丁酯(DOP)3.5/二號(hào)中定劑(C2)1.5。以丙酮為溶劑,采用不同厚度的硝基軟片對(duì)L/D=6、14的發(fā)射藥端面進(jìn)行封堵處理,得到封堵片厚度與發(fā)射藥弧厚比s/e1分別為0.05、0.1的發(fā)射藥樣品。

2.2 靜態(tài)燃燒性能測(cè)試及數(shù)據(jù)處理

利用100 mL常規(guī)密閉爆發(fā)器進(jìn)行了L/D=1、L/D=2的星孔棒狀發(fā)射藥及不同端面封堵的星孔棒狀發(fā)射藥?kù)o態(tài)燃燒實(shí)驗(yàn)。由于長(zhǎng)度較長(zhǎng),L/D=6的發(fā)射藥樣品采用700 mL密閉爆發(fā)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn),L/D=14的發(fā)射藥樣品未進(jìn)行密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件均為: 裝填密度0.2 g·cm-3、實(shí)驗(yàn)溫度20 ℃、點(diǎn)火壓力10 MPa。

a. shape of the star-hole gun propellant

b. endstructure

圖1 星孔棒狀發(fā)射藥外形結(jié)構(gòu)和端面結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Schematic diagrams of the shape and endstructure for the star-hole stick gun propellant

通過(guò)對(duì)星孔棒狀發(fā)射藥進(jìn)行密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn),得到p-t曲線(xiàn),對(duì)p-t曲線(xiàn)進(jìn)行后處理得到L-B曲線(xiàn)。

2.3 內(nèi)彈道性能測(cè)試

選用某大口徑火炮對(duì)s/e1分別為0、0.05、0.1的端面封堵星孔棒狀發(fā)射藥進(jìn)行內(nèi)彈道性能實(shí)驗(yàn),發(fā)射藥長(zhǎng)徑比為14。初速測(cè)試方法按GJB349.4-1987進(jìn)行; 膛壓測(cè)試方法按GJB349.5-1987進(jìn)行。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同長(zhǎng)徑比星孔棒狀發(fā)射藥燃燒性能

通過(guò)長(zhǎng)徑比為L(zhǎng)/D=1、L/D=2和L/D=6的星孔棒狀發(fā)射藥的密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn),獲得了發(fā)射藥的燃燒規(guī)律,結(jié)果如圖2所示。由圖2a可見(jiàn),隨著長(zhǎng)徑比增大,發(fā)射藥起始燃面降低,發(fā)射藥燃燒時(shí)間明顯延長(zhǎng);L/D=1、L/D=2發(fā)射藥最大壓力基本相同,而L/D=6發(fā)射藥最大壓力偏小,這可能是長(zhǎng)徑比增大后燃燒時(shí)間延長(zhǎng)使熱損失增大。由圖2b可見(jiàn),六翼星孔棒狀發(fā)射藥呈平行層燃燒,燃燒穩(wěn)定,沒(méi)有出現(xiàn)侵蝕燃燒。依據(jù)參考文獻(xiàn)[10],計(jì)算發(fā)射藥樣品的燃燒漸增性因子Pr,結(jié)果分別為0.285、0.37和0.447。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可見(jiàn),與L/D=1相比,L/D=6時(shí),Pr增加了56.8%。L/D=1時(shí),發(fā)射藥燃燒活度緩慢下降;L/D=2時(shí),發(fā)射藥起始燃燒活度下降,隨著B(niǎo)值增大,燃燒活度略微下降;L/D=6時(shí),在燃燒過(guò)程中,發(fā)射藥燃燒活度基本不變,直至接近燃完時(shí)快速下降。長(zhǎng)徑比增大,初始燃面和初始燃燒活度降低,端面對(duì)發(fā)射藥燃燒減面性的影響減小,發(fā)射藥起始燃?xì)馍擅投冉档?最大壓力點(diǎn)滯后。另外,從圖2b中可以看出,隨著長(zhǎng)徑比增大,發(fā)射藥燃燒分裂點(diǎn)逐漸后移,分裂后未燃盡比例減小。

a. p-t curves

b. L-B curves

圖2 三種不同長(zhǎng)徑比發(fā)射藥樣品的p-t曲線(xiàn)及L-B曲線(xiàn)

Fig.2 Thep-tcurves andL-Bcurves of three gun propellant samples with differentL/Dratios

表1 三種不同長(zhǎng)徑比發(fā)射藥樣品的L-B曲線(xiàn)特征點(diǎn)

Table 1 Characteristic points of theL-Bcurves of three gun propellant samples with differentL/Dratios

L/DBsLs/MPa-1·s-1L0.1/MPa-1·s-1L0.3/MPa-1·s-1Pr10.8860.2950.4650.4530.28520.890.3330.3830.4180.3760.9230.3830.4070.4210.447

Note:L/Dis the ratio of length to diameter,Bsis the splitting point of combustion,Lsis the dynamic vivacity at Bs,L0.1is the dynamic vivacity whenBis 0.1,L0.3is the dynamic vivacity whenBis 0.3,Pris the combustion progressing factor.

3.2 端面封堵星孔棒狀發(fā)射藥燃燒性能

圖3是長(zhǎng)徑比L/D=6,s/e1分別為0、0.05、0.1三種不同端面封堵厚度的星孔棒狀發(fā)射藥的定容燃燒壓力-時(shí)間曲線(xiàn)。從圖3可看出,封堵片厚度越厚,即s/e1越大,定容燃燒時(shí)間曲線(xiàn)上升越緩慢,燃燒的時(shí)間越長(zhǎng)。表2是三種不同端面封堵厚度的星孔棒狀發(fā)射藥的燃燒特征點(diǎn),其中t50為壓力達(dá)到50 MPa時(shí)的燃燒時(shí)間,由表3看出,隨著封堵片厚度的增加,最大壓力基本維持不變,由50 MPa到最大壓力的燃燒時(shí)間(tK-t50)也變化不大,而達(dá)到50 MPa壓力的時(shí)間變化明顯。這說(shuō)明,端面封堵只影響星孔棒狀發(fā)射藥的燃燒及能量釋放過(guò)程,并不影響其總能量,封堵片對(duì)星孔棒狀發(fā)射藥燃燒規(guī)律的影響,主要集中在封堵片燃燒完以前,也就是破孔以前,封堵層越厚,燃燒時(shí)破孔越晚,低壓下燃燒時(shí)間明顯越長(zhǎng)。

圖3 三種不同端面封堵厚度/發(fā)射藥弧厚(s/e1)比的發(fā)射藥樣品的p-t曲線(xiàn)

Fig.3 Thep-tcurves of three gun propellant samples with differents/e1ratios

表2 三種不同端面封堵厚度的發(fā)射藥樣品的p-t曲線(xiàn)燃燒特征點(diǎn)

Table 2 Combustion characteristic points of thep-tcurves of three gun propellant samples with differents/e1ratios

s/e1t50/mstK/mstK-t50/mspm/MPa018.637.118.5290.00.0535.054.319.3290.10.140.259.018.8292.1

Note:s/e1is the ratio of sealing layer thickness to web size,t50is the combustion time whenpis 50 MPa,tkis the combustion time at the maximum pressure,pmis the maximum bore pressure.

L-B曲線(xiàn)反映了氣體生成量與火藥已燃百分?jǐn)?shù)的關(guān)系。圖4為不同端面封堵厚度樣品的L-B曲線(xiàn),由圖4可見(jiàn),經(jīng)端面封堵后,L-B曲線(xiàn)顯示了明顯的降低起始燃燒活性和燃燒破孔特征,且破孔后體現(xiàn)出與基體發(fā)射藥相似的燃燒特征。s/e1分別為0.05、0.1時(shí),星孔棒狀發(fā)射藥的起始?xì)怏w生成量降低了約1/2;s/e1分別為0.05、0.1時(shí),破孔時(shí)間約為火藥已燃份數(shù)的10%～20%,且隨著s/e1的增加,破孔時(shí)間略微延后; 由于s/e1分別為0.05、0.1時(shí),封堵層厚度相對(duì)燃燒層厚度仍較小,且破孔條件復(fù)雜,在破孔時(shí)間上體現(xiàn)不出明顯區(qū)別,可以通過(guò)增加封堵層厚度進(jìn)一步改善和控制燃燒規(guī)律。在L-B曲線(xiàn)上,還可以看出,星孔棒狀發(fā)射藥的燃燒分裂大約發(fā)生在已燃份數(shù)達(dá)到90%以上時(shí),其分裂后的減面燃燒性能對(duì)整體燃燒影響較小。從上面的分析可知, 封堵層的厚度對(duì)星孔棒狀發(fā)射藥的燃燒性能有著重要影響,隨著封堵層厚度的增加,燃燒的漸增性越強(qiáng)。所以,選擇合適的封堵層厚度,就能得到所需要的破孔規(guī)律和氣體生成規(guī)律,實(shí)現(xiàn)最佳的彈道效果。

圖4 三種不同端面封堵厚度/發(fā)射藥弧厚比的星孔棒狀發(fā)射藥樣品的L-B曲線(xiàn)

Fig.4 TheL-Bcurves of three star-hole stick gun propellant samples with differents/e1ratios

3.3 裝藥內(nèi)彈道性能

表3是大弧厚六翼星孔棒狀發(fā)射藥結(jié)合某大口徑火炮進(jìn)行的內(nèi)彈道性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果,ω為裝藥量,q為彈重,pm為銅柱測(cè)得的最大膛壓,v32.5為離炮口32.5 m處測(cè)得的彈丸初速。由表3可見(jiàn),端面封堵可以有效改善發(fā)射藥內(nèi)彈道性能。當(dāng)s/e1分別為0.05、0.1時(shí),隨封堵層厚度的增加,最大膛壓pm分別下降了1.3%和3.5%,而初速v32.5分別提高了0.28%和1.4%。封堵層厚度是調(diào)控星孔棒狀發(fā)射藥燃燒過(guò)程的重要參數(shù),它不僅影響發(fā)射藥燃燒性能,而且還影響其裝藥的彈道性能。不同火炮需根據(jù)其具體結(jié)構(gòu)及彈道指標(biāo)要求,選擇星孔裝藥結(jié)構(gòu)及封堵層厚度。

表3 內(nèi)彈道實(shí)驗(yàn)的結(jié)果

Table 3 Results of internal ballistic tests

s/e1ω/kgq/kgpm/MPav32.5/m·s-109.850310.0769.60.051050306.0771.80.110.1450299.0780.3

Note:s/e1is the sealing layer thicknesses/gun propellant web size ratio;ωis the charge quantity;qis the weight of projectile;pmis the maximum bore pressure;v32.5is the initial speed of projectile measured at 32.5 m from gun muzzle.

4 結(jié) 論

(1)大弧厚六翼星孔棒狀發(fā)射藥燃燒穩(wěn)定,呈平行層燃燒,可通過(guò)調(diào)整長(zhǎng)徑比和封堵層厚度來(lái)改善星孔棒狀發(fā)射藥的燃燒規(guī)律。

(2)大弧厚六翼星孔棒狀發(fā)射藥的燃燒性能受長(zhǎng)徑比影響較大,隨著長(zhǎng)徑比的增加,發(fā)射藥起始燃?xì)馍擅投冉档?最大壓力點(diǎn)遲后,長(zhǎng)徑比L/D由1增加至6時(shí),燃燒漸增性因子Pr由0.285增加至0.447,增加56.8%,而且最大壓力點(diǎn)滯后。

(3)經(jīng)端面封堵后,降低了六翼星孔棒狀發(fā)射藥的起始燃燒猛度,并表現(xiàn)出明顯的破孔燃燒特征。s/e1分別為0.05、0.1時(shí),星孔棒狀發(fā)射藥的起始?xì)怏w生成量降低了約1/2,破孔時(shí)間約為火藥已燃分?jǐn)?shù)的10%～20%,端面封堵后可提高裝藥內(nèi)彈道性能。

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