单基硝酸铵发射药的炮口焰研究

刘 佳，贺增弟，程 山, 马忠亮，萧忠良

（中北大学化工与环境学院，山西 太原，030051）

火药洁净燃烧技术是使火炸药的燃烧、爆炸产物具有尽可能少的有害气体和凝聚态物质，降低武器弹药在作用过程中的诸多不良现象，如烟、焰以及其他特征信号对人体的毒害[1]。从发射药配方的角度考虑，可在制式发射药中加入硝酸铵，提高发射药配方的氧平衡水平[2]，降低发射药燃烧产物中可燃性气体(CO、H2、CH4)含量，从而有利于抑制发射药燃烧时烟、焰的形成，减少不良射击现象。本文通过理论计算，分析单基发射药氧平衡调节途径的优缺点，研究硝酸铵对炮口焰的影响，采用高速摄像机对炮口焰进行拍摄，以及气相色谱测定气体燃烧产物成分，实验证明了添加氧化剂硝酸铵是提高发射药氧平衡的一种有效方法。该方法既未改变装药结构，又能有效消除炮口焰，为我国自主研发新型发射药技术，提高武器系统研发水平及武器系统平台的生存作战能力提供了技术支持。

1 理论计算结果

计算条件为：T＝2 800.0 K，P＝250.0MPa（不考虑解离）；配方：含氮量 13.1%硝化纤维素 96.3%，二苯胺 1.3% ，樟脑 2.4%，硝酸铵外加。硝酸铵含量从0～30%按照5%递增。

利用最小自由能法计算出不同硝酸铵含量混装药的可燃气体含量（GAS），计算装药的氧平衡[3]，见表1。

表1 不同含量硝酸铵混装药对氧平衡及可燃气体含量的影响Tab.1 Influence of AN with different content on OB and combustible gas

通过表1可以看出，随着发射药中硝酸铵含量的增加，发射药的氧平衡增加，可燃气体含量减小，CO2含量增加。当硝酸铵含量达30%时，氧平衡增加约51.28%；可燃气体总量减少约51.23%，CO2气体含量增加约53.72%。发射药中氧平衡的增加可使发射药燃烧地更加充分，进而减少发射药燃气中可燃气体的生成。所以，在发射药中加入硝酸铵可以降低发射药燃气中可燃气体含量，降低燃气与空气混合形成二次火焰的能力，降低产生炮口焰的可能性。

2 实验部分

2.1 密闭爆发器-气相色谱法静态测试实验

密闭爆发器实验[4]采用内触发方式，实验条件为：DYY-1压力传感器，量程600MPa；容积：106.000cm3；表面积：140.000cm2；装填密度：0.2g/cm3；装药量：21.20g；点火压力：9.810MPa；点火药量：0.987 1g。

气相色谱[4]条件：色谱柱：TDX；炉温90℃；检测器：TCD；载气：He；进样量：200μL，柱压: 0.10MPa。

把成型的硝酸铵发射药用分析天平按比例称取一定的量，在密闭爆发器进行爆炸，然后用气体采集袋采集燃气，用气相色谱仪分析燃气组成，得到的实验数据见表2。

表2 燃气组成及含量Tab.2 The composition and content of combustible gas

实验结果表明，随着配方中硝酸铵含量增加，燃烧产物中可燃性气体含量降低，CO2含量增加。可燃气体总量由最初的52.61%减少到46.72%，这与制式药相比降低了约11.12%，这就降低了燃气与空气混合形成二次火焰的能力，进而降低产生炮口焰的可能性，燃烧产物中可燃气体含量变化趋势和理论计算结果相符合。

2.2 炮口焰试验研究

采用 30mm弹道炮测试平台对混装发射药进行试验，并利用高速摄像仪对炮口焰进行拍摄，对比火焰的亮度、大小[5-6]。主要测试仪器：Redlake公司的Motion HG-100型高速摄像仪；测试样品：硝酸铵发射药AN50、30mm制式火炮发射药混装；测量参数：拍摄速度2 000p/s，光圈2.8；利用Image-Pro Plus6.0对各试样的炮口焰图像进行分析。图像分析：将每个试样连续拍摄得到的相片进行叠加，得到炮口焰叠加图，用以表示炮口焰的传播过程，对比标尺，得到炮口焰叠加图的相应参数。

采用30mm火炮进行试验，制式发射药和混装发射药的炮口火焰图及3D光密度图如图1～5所示。采用IPP软件进行图像分析，得到炮口焰面积（A）、最大直径（Dm）、平均直径（Dme）、周长（Pe）、积分光密度（IOD）值、火焰最大直径减小率和积分光密度减小率。炮口焰参数分析结果见表3。

表3 炮口焰参数分析结果Tab.3 The analysis results of muzzle flash parameters

图1 制式发射药炮口焰图Fig.1 The picture of muzzle flash of the service propellant

图2 试样10%炮口焰图Fig.2 The picture of muzzle flash of propellant with 10%AN

图3 试样20%炮口焰图Fig.3 The picture of muzzle flash of propellant with 20%AN

图4 试样30%炮口焰图Fig.4 The picture of muzzle flash of propellant with 30%AN

图5 试样40% 炮口焰图Fig.5 The picture of muzzle flash of propellant with 40%AN

图1～5及表3结果表明：随着硝酸铵含量增加，炮口焰面积、最大直径和平均直径均减小，说明火焰尺寸、传播距离、持续时间减小；IOD值是光密度和面积的乘积，综合反映炮口焰亮度和体积的变化情况，积分光密度降低说明火焰亮度降低和体积减小。硝酸铵含量为40%时，与制式药相比，炮口焰面积减少了31.18%，炮口焰最大直径减少了27.32%，平均直径减少了 16.62%，炮口焰积分光密度减少了35.75%。

3 结论

（1）随着配方中硝酸铵含量增加，氧平衡增加，燃烧产物中可燃性气体含量降低。理论计算表明，当硝酸铵含量为30%时，氧平衡增加了约51.28%，可燃气体总量减少了51.23%，CO2气体含量增加约53.72%，进而降低了产生炮口焰的可能性。

（2）混装发射药体系中，随着硝酸铵含量增加，炮口焰尺寸、传播距离、持续时间都减小。硝酸铵含量为40%时，与制式药相比，混合发射药炮口焰面积减少了31.18%，炮口焰最大直径减少了27.32%，炮口焰平均直径减少了 16.62%，炮口焰积分光密度减小了35.75%。

[1]郑东升.AN对枪炮二次焰的影响[J].天津化工,2010,24 (2):36-38.

[2]贺增弟,吕智星,袁治雷,等.硝酸铵对炮射导弹发射药燃气中CO浓度的影响[J].火炸药学报, 2010,33(2): 82-85.

[3]肖倩.高能高强度发射药长贮稳定性研究[D].南京：南京理工大学,2010.

[4]王泽山，张绪柱，韩盘铭,等.火药实验[M].北京：中国科学技术出版社,1992.

[5]王宏,孙美,冯伟.发射药枪口烟焰检测技术研究[J].火炸药学报,2002,25(2):57-58.

[6]发射药理化分析编写组.单基发射药分析[M].北京：国防工业出版社,1985.