EI发射药的燃烧特性

郭建忠，刘少武，张 研

（1.西北工业大学燃烧流动和热结构国家重点实验室，陕西 西安710069；2.海军装备部驻西安地区军事代表局，陕西 西安710054；3.西安近代化学研究所，陕西 西安710065））

引 言

发射药作为武器系统的动力能源，决定着弹丸的初速、有效射程和发射稳定性等弹道特性，随着新概念武器系统、超高速发射系统、高精度发射系统的出现，对发射药的要求也在不断提高，具有高燃烧渐增性的发射药得到了发展，如钝感发射药、程序控制发射药、多层变燃速发射药、改性单基发射药（EI发射药）、预制开裂发射药技术等。其中以硝化棉为主要组分的EI发射药，具有低烧蚀、低温度系数、高初速特点，能够大幅度提高火炮炮口的动能水平，瑞士已经研制成功并已推广应用［1-2］，王琼林等在燃烧机理方面研究已取得较大进展［3-7］。

本研究通过对EI发射药的结构特征分析，建立了相关药型燃烧的数学模型，对制备的两种样品进行了密闭爆发器试验。

1 EI发射药燃烧模型的建立

1.1 EI发射药的结构特征

EI发射药采用压伸浸渍工艺制备，首先压出单孔、七孔等不同药型形状的以硝化棉为基本能量组分的均质单基发射药，然后通过浸渍高能组分（主要是硝化甘油）使能量得到大幅度提升，为降低初始燃速，在表面浸渍一薄层钝感剂，最后在表面包覆一层均匀的高性能改性材料。

EI发射药具有如下结构特征：（1）药粒整体为非均质发射药；（2）药粒表层（指发射药外圆周面及两端面）浸渍深度较深，小孔内部浸渍深度较浅；（3）浸渍浓度和深度服从一定的规律；（4）药粒的外型尺寸比均质单基发射药粒（基体药粒）增大；（5）发射药内层未浸渍部分为均质硝化棉层。

1.2 EI发射药燃烧数学模型的建立

为方便计算，作以下假设：（1）EI发射药基体为质地严格均一的同质材料发射药；（2）浸渍浓度的分布和浸渍深度以某一函数的形式给出，其他随机因素和工艺细节的影响不予考虑；（3）包覆层为表面（不包含小孔内部表面）一薄层；（4）各发射药药粒完全相同，所有计算均不考虑发射药的外形偏差；（5）发射药燃烧服从几何燃烧定律，同层发射药具有相同的燃速；（6）不同层不均质部分具有各自的主要物性参数，包括火药力、燃速系数、压力指数、密度，且燃烧产物具有均一的物性；（7）根据试验和经验，EI发射药体积的增大为可忽略的数值，因此，假定EI发射药与空白发射药相比体积不变，密度随浸渍参数变化，用某一函数给出（一般为抛物线形式［3］）。

根据以上假定，对于一定量的5／7空白发射药，加入质量分数5%～20%硝化甘油的浸渍量，以浸渍深度x为自变量，则浓度分布cJ（x）=fJ（x），加入0～3%聚酯的浸渍量，则浓度分布cz（x）=fz（x）。

由物理学中密度的定义知，在任意深度x处有：

组分混合过程中没有反应且火药力符合加和定律有：

其中假定在某一均质基层的体积为V1，在体积V1中浸渍含能组分后，因试验中体积的增量较小，因此忽略体积的变化，则有V1=Vn=Vk，由于钝感剂组分含量少且为不含能的材料，可以略去不计，即最后一项近似等于0，化简后得：

火药燃烧规律为：

xb为浸渍深度的边界值，在燃烧深度大于xb后，为均质空白发射药的燃烧，服从一般发射药燃烧规律。

为对发射药密闭爆发器中的数据进行计算，结合以上EI发射药的燃烧特点，有

根据燃速的定义公式有

公式（5）为EI发射药在密闭爆发器中的燃速关系式。

2 实 验

2.1 样品的制备

空白发射药为5／7 单基发射药，采用浸渍-钝感-烘干-光泽的工艺处理：（1）在基体药中浸入质量分数10%的NG，经工艺处理后再加入质量分数2.5%的聚酯进行钝感，得到EI-1发射药；（2）在基体药中加入质量分数15%NG，经工艺处理后加入质量分数2.5%的聚酯进行顿感，制得EI-2发射药。

2.2 密闭爆发器试验

密闭爆发器容积为100mL，装填密度为0.2g／mL，点火药包采用1.1g硝化棉，正常点火压力为10MPa，在此条件下对EI-1、EI-2发射药及基体单基发射药分别进行密闭爆发器试验。

3 结果及讨论

3.1 浸渍量与浸渍深度的关系

发射药的火药力、爆热、药型系数测试结果见表1。

表1 样品基本性能测试结果Table1 Basic performance of samples

从表1可知，经过浸渍的EI-1发射药，爆热由基体药的3 798kJ／kg 增加到3 894kJ／kg，增幅2.53%，火药力由986kJ／kg增加到1 056kJ／kg，增幅7.1%；EI-2发射药爆热由基体药的3 798kJ／kg增加到4 076kJ／kg，增幅7.32%，火药力由986kJ／kg增加到1 086kJ／kg，增幅10.14%。表明采用NG 浸渍后，发射药能量提高幅度较大，浸渍量为15%时，火药力提高了10.14%，工艺方法成熟，增能效果较好。由表1数据可知，发射药体积基本没有变化，述假定条件（7）较合理。对EI-2发射药进行显微切片照相，EI-2发射药显微横切照片和显微剖切照片见图1（a）和图1（b）。

图1 EI-2发射药显微照片Fig.1 Transverse and longitudinal micrographs of EI-2propellant

从图1（a）可看出，NG 浸渍层外表面的浸渍深度较深，小孔处有一定的浸渍且较均匀，浸渍深度没有外层浸渍深度大。由图1（b）知，浸渍层在外围分布均匀，细孔中分布不太均匀，两端浸渍深度要高于中间浸渍深度。EI发射药的实际组成与模型中的假设基本相符。

3.2 浸渍与燃烧渐增性的关系

对EI发射药和空白发射药进行了密闭爆发器试验，采用公式（5）及得到的边界条件值 对试验曲线进行了计算，图2（a）为3种发射药的p—t曲线，图2（b）为根据实验数据计算得到的u—p曲线，图2（c）为3种发射药的L—B曲线。

由图2（b）和2（c）可知，基体药经增能钝感后，能量较基体药有了一定幅度的提高，EI-2发射药的最大压力最高，基体药和EI-1发射药的最大压力相当，图2（a）中EI-2的曲线起始燃烧及上升明显快于EI-1，这可能是由于钝感剂的质量分数均为2.5%，而NG 浸渍量不同所致。当NG 浸渍量较大时，钝感剂所起的作用并不是呈线性值，因此导致EI-2发射药燃烧较快，由于钝感剂对燃烧影响的复杂性以及含量少，计算部分未考虑钝感剂能量的影响。用公式（5）对EI发射药的燃速曲线进行求解，结果如图2（b）所示，基体药的燃速高于EI发射药，EI-2发射药较EI-1 发射药的燃速略高，燃烧渐增性能较好，在60MPa以后比较接近，说明未考虑钝感剂能量影响的数学模型在一定程度上与试验结果吻合，基本上能够描述EI发射药的燃烧过程。由图2（b）可知，三条曲线在150MPa附近重合，说明在能量较大幅度提高的条件下，EI发射药的燃速变化在低压下较慢，高压下较快。图2（c）的L—B曲线中，EI-2的前半部分较EI-1和基体药的曲线低，而后半部分基本平行，说明EI-2 发射药的燃烧渐增性较好。

图2 三种发射药p-t曲线Fig.2 p-t curves of three gun propellants

4 结 论

（1）基于EI发射药的结构组成，提出了药型燃烧过程的理论模型，并经试验证，所建立的理论模型在不考虑钝感剂能量性能影响的情况下，基本上能够反应EI发射药的燃烧特性。

（2）EI发射药在实现高能量的同时，燃速在低压力下较小，高压下较大，实现了在药型不变的情况下，具有较强的燃烧渐增性。

（3）在NG 浸渍量和聚酯浸渍量配比合适的条件下，EI发射药的火药力和燃烧渐增性可以做到同步增加。

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