粘结压实药柱变容燃烧中止实验研究

肖正刚，应三九，徐复铭

（南京理工大学 化工学院，南京210094）

压实装药能显著提高装药的装填密度，从而增加装药潜能，提高弹丸动能；在相同装药量的情况下也能缩减弹药尺寸，适应武器轻量化的需求［1－6］。

国内外报道的压实装药均是采用小粒药粘结压实工艺。首先利用含能或惰性粘结剂对小粒药表面进行预处理，或进行预分裂处理［7］；然后在一定温度和压力下模压成型，另外也可根据实际应用需要进行表面处理，最终得到高密度的压实药柱，其堆积密度可达到1.35g·cm－3。

压实药的制备工艺强烈影响所制样品的分裂解体性能、燃烧稳定性。这些性能反过来又决定其安全和使用性能。

粘结压实药柱表面处理外层的存在有助于提高药柱整体粘结力学强度，减缓起始燃气生成速率，有利于实现渐增性燃烧。当表面处理外层燃完后，在燃气压力作用下，内层开始分裂、解体，分裂和解体燃烧开始时的相对压力和解体区间取决于药柱整体粘结力学强度以及内层粘结力学性能。对该解体燃烧过程一致性的控制将极大地提高压实药柱的燃烧重现性和稳定性。

国内外学者对装药发射安全性的研究表明，起始弹道阶段药粒破碎后的燃面突增是导致膛内压力剧增、形成危险压力波进而产生膛炸的根本原因［8－15］。对于粘结压实装药，由于其装填密度较高，压实药柱分裂和解体瞬间燃面剧增，燃气压力升高，极易产生未燃完药粒的挤压破碎问题，从而削弱装药发射安全性能。

目前对粘结压实装药的研究主要侧重于压实装药的定容密闭燃烧［7，16－18］、定容中止燃烧［19］、解体一致性［20］和提高弹丸动能［21］等的研究，对其变容中止燃烧性能及其发射安全性研究等方面未见充分报道。

定容燃烧模拟试验方法及其装置均是基于经典内弹道理论，特别是装药的传统中止试验方法仅仅能考察装药在一定的模拟器燃烧室压力下发射药的受力情况，无法考察此时弹带逐渐挤进膛线时燃烧药室容积变化过程等。另外，传统的火炮模拟器试验系统综合考察点传火、装药等在一定装填条件下与弹丸炮口参量及相关动态参数之间关系，假定弹带全部挤进膛线达到挤进压力时弹丸才开始运动，也不计及弹带逐渐挤进膛线的过程。静态的定容燃烧模拟对于发射药在弹丸启动及挤进过程中的受力、中止燃烧及化学分析等反面缺乏应有的考虑，因此需要变容动态燃烧模拟手段进行更深入和逼近真实环境下的研究。

针对上述的压实药柱变容燃烧及药粒破碎问题，本文设计了针对压实装药变容燃烧试验装置，模拟压实装药变容射击试验过程，通过记录的压力－时间曲线，讨论不同表面处理的压实药柱的点火性能及起始动态燃烧渐增性能，减小压实药柱的分裂和解体过程中的药粒破碎，提高安全性能，为压实装药的实际研究建立仿真研究基础。

1 变容燃烧中止模拟试验装置及原理

变容燃烧中止模拟试验装置如图1所示。试验装置由燃烧室本体、点火堵头、收药盘、出弹压螺、测压孔等组成，主要用来模拟压实药早期点火、分裂及解体燃烧过程，研究燃气生成规律。通过中止试验，回收未燃完药粒，观察变容燃烧过程中药柱的分裂、解体及破碎情况，模拟药粒在燃烧过程所受力学环境，评定发射过程的安全性能。

图1 变容燃烧中止模拟试验装置示意图

本体的两端各开有具有螺纹的孔，本体左端装上点火堵头后，将发射药放入燃烧室。本体右端先装上收药盘，将弹丸推入出弹压螺的坡膛处，然后将装好弹丸的出弹压螺旋入连接件，再将该连接件旋入本体右端开孔处。

装好本体后，即可利用点火药点燃本体燃烧室的发射药，发射药开始点火燃烧。当本体内部达到一定压力后，弹丸开始挤进出弹压螺；当弹丸被推出出弹压螺后，本体泻压，中止仪内燃烧着的发射药因迅速降压而熄火，拧开收药盘即可将残余发射药回收。

该装置本体壁处有测压孔，可以连接压力传感器和数据采集系统记录发射药及装药在点火、燃烧中止全过程的压力等。

整个模拟试验过程中的变容过程则利用弹丸挤进弹带过程中弹后空间的变化来模拟。

2 压实药柱的制备

应用预解体技术将太根小粒药进行表面处理后，采用乙醇／丙酮高温热蒸汽软化法将其压实成扇形小药柱，再进行表面处理，得到待测的压实药柱样品。主要工艺参数如下。

太根小粒药的弧厚为1.6mm。扇型药柱的高度为31mm，压实药量为8.0g。高温软化温度为90℃，时间为24h。压药温度为30℃，压力为0.8～1.0MPa，保压时间为5～10min。

表面涂层的基础配方为硝化棉胶NC。醇酮溶剂比例为1∶1。表面处理时点火敏化剂及钝感剂含量及溶棉比均为3∶7。

压制及表面处理完成后的样品先在常温下放置一段时间后，再在烘箱中60℃的条件下保温8h，进行表层烘干驱溶处理。压实后的样品堆积密度均约为1.35g·cm－3。药柱质量为（8.4±0.2）g。

3 装药变容燃烧中止试验

装药试验时，变容燃烧圆柱形药筒直径为30mm，由4个扇型小药柱组成1个大的圆形药柱，共装3层，装药量为（100.8±0.6）g。散装药作为对比样。试验样品为硝化棉胶涂覆的压实药柱、添加敏化剂表面处理的压实药柱以及钝感表面处理的压实药柱。每种样品3发重复。点火药为1＃硝化棉，药量为1.1g；弹丸为25mm填砂弹，质量为250g。

试验过程中利用软回收装置回收未燃完的药粒和弹丸。利用压力传感器和数据采集系统记录变容燃烧中止全过程的压力－时间曲线。中止压力约为116MPa；其中添加敏化剂的表面处理样品的中止压力稍高，约为130MPa。

4 结果分析与讨论

4.1 表面处理方法对中止燃烧时间和压力上升速率的影响

3种不同表面处理方法制备的粘结压实药柱在变容中止燃烧全过程的压力－时间曲线如图2所示。

从图2可以看出，与对比样散装药相比，3种表面处理方法涂覆的压实药的点火延迟及达到中止压力的燃烧时间明显滞后，这是由压实药柱燃烧特性决定的。压实药柱表面涂覆后，存在涂覆外层，当表面处理外层燃完后，在燃气压力作用下内层开始分裂、解体，药柱进入碎粒燃烧阶段。自由散装药显然没有类似于压实药柱外层分裂和解体燃烧过程，同等条件下，压力上升时间更短。

图2 不同表面处理方法制得压实药柱中止燃烧的压力－时间曲线

3种表面涂覆方法得到的压实药柱达到中止压力的燃烧时间显著不同。与硝化棉胶涂覆的粘结压实药柱达到中止压力的燃烧时间（4.5ms）相比，添加点火敏化剂的涂覆胶制成的压实药柱达到中止压力的燃烧时间明显缩短（3.8ms），而表面钝感处理压实药柱达到中止压力的燃烧时间最长（4.8ms）。添加敏化剂的样品，表层点火容易，燃气生成速率较快，快速的燃烧气流对药柱内层具有冲击作用，药柱内层分裂解体后达到中止压力时的燃烧时间较短。而钝感处理的压实药柱达到中止压力时的燃烧时间则较长。这与文献中关于表层处理方法对解体和定容中止燃烧性能的研究结论是一致的［20］。

图3是这些样品的压力上升速率曲线图。

图3 不同表面处理方法制得压实药柱中止燃烧的dp／dt－t曲线

从图3可以看出，与散装药相比，3种表面处理方法涂覆的压实药的压力上升速率明显不同。散装药没有压实以及表面涂覆，点火后，燃气生成速率很快，达到峰值的时间也很短，约2.2ms。

纯的硝化棉胶涂覆的压实药柱的压力上升速率和燃烧时间介于另外2种样品之间。值得提出的是，添加点火敏化剂的涂覆胶制成的压实药柱，开始点火时的燃气生成速率比涂覆硝化棉胶及钝感胶的粘结压实药柱明显较高，表明样品外层容易点火，并没有出现像另外2种样品的dp／dt曲线中在时间1.1～1.3ms时出现的转折点。该转折点与粘结压实药柱的外层和内层分裂燃烧有关。内层分裂解体后，燃面突增，压力上升速率也急剧增加，进而形成该转折点。纯的硝化棉胶涂覆的样品的转折点大约位于1.1ms处，钝感处理的样品能延迟该转折点出现的时间，此时的转折时间为1.3ms。一旦外层燃完，内层分裂解体，粘结压实药柱就进入碎粒燃烧阶段，药柱燃速就与原来药粒的燃速一致了。在此阶段，后期压力上升率的斜率大致相同，这三者的燃速就趋于一致了。

4.2 动态燃烧渐增性的讨论

文献中有很多燃烧渐增性的讨论，绝大部分是基于定容燃烧试验。主要的判断评价方法有气体生成猛度法［22］、动态活性法［23－24］（包括王琼林根据动态活性曲线计算得到的综合参量评价法）以及根据发射药的燃气生成速率相对于相对冲量分数曲线提出的燃烧渐增性评价的新方法等［25－26］。

对于变容燃烧试验，典型的如火炮装药射击过程，经典内弹道理论依据射击全过程的压力－时间曲线提出药室容积充满系数ηg，其大小可以表征发射药装药燃烧渐增性。由于涉及到装药实际射击试验，试验成本较高、耗时也长，该评价方法的广泛应用受到较大限制。因此模拟试验就尤为必要。

传统的密闭爆发器等定容燃烧试验燃烧渐增性的评定方法均是建立在发射药静态燃烧与动态燃烧可类同的相似假设基础上，很难符合实际应用情况。

变容燃烧中止试验中，弹丸离开出弹压螺时药粒并没有燃完，试验中测得的压力－时间曲线类似于密闭爆发器试验中的S形曲线，与火炮实际射击试验中测得的压力－时间曲线有所不同，因此所谓的充满系数概念就难以实用，需要借鉴和拓展密闭爆发器试验中的数据处理方法。

动态活性L和相对压力B的定义为

式中：pi为燃烧实时压力，pm为最大压力。动态活性是在当地压力条件下单位压力下的压力变化速率，它反映了发射药在燃烧条件下燃气的生成特性及燃烧速度特性。

根据定容燃烧试验的燃气状态方程推导出的结论：

式中：

式中：ψ为燃气生成量，ρp为发射药密度，α为发射药余容，f为发射药火药力，β为压力pi的弱函数。对常见发射药，压力从0变化到250MPa（Δ＝0.2g·cm－3），β从1.0变化到1.09，变化很小。

特别地，当燃速定律符合正比式时，L的变化基本反映了线性燃速系数a和燃烧面积对气体生成量的综合影响；B基本反映了发射药已燃质量百分数的变化［27］。因此L－B曲线同气体生成猛度Γ－ψ曲线一样，反映了发射药燃烧的渐增性。这也是动态活性在定容试验中作为燃烧渐增性判据的重要原因。

但是，在变容试验中情况就不同了。首先，燃气所适用的定容燃气状态方程不能照搬到变容试验中，动态活性与气体生成猛度或燃气生成速率的概念不再类同。其次，根据经典内弹道理论燃烧渐增性评价标准，药室容积充满系数直接与膛内压力－时间曲线的平缓性相关。

根据经典内弹道分析，变容射击试验中的燃气压力的变化规律有如下的方程式：

式中：lψ为药室自由容积缩径长，l为弹丸行程，m为装药量，Δ为装药密度，v为弹丸速度，γ为比热比，S为弹丸横截面积。

从式（7）可以看出，变容燃烧过程的燃气压力变化规律与装药气体生成速率和弹丸运动速度这2个因素有关。当燃气生成猛烈时，dψ／dt增大，从而使dp／dt增大，表明压力上升较快。而弹丸的运动速度则使压力下降，v越大，弹后空间增长越大，从而使dp／dt减小。按经典内弹道的表述，显然本文的变容中止试验的压力－时间曲线位于整个射击过程的前期和第一时期最大压力前的早期阶段。此时，弹丸刚开始挤进，速度加快，燃烧室内还未达到燃烧最大压力。这是与火炮射击过程的起始阶段有区别的。火炮射击过程的起始阶段燃烧室内压力上升的主要矛盾是气体生成速率dψ／dt。

然而，根据动态活性的定义和变容燃烧的实际，评价这一阶段的燃烧渐增性仍然可以移植动态活性概念，它较为简单方便，也能反映燃烧实际状况。因为动态活性是衡量压力上升速率的一个变量，它能较好地符合动态燃烧中压力上升的实际情况［28］。

图4是这3种表面处理方法涂覆的粘结压实药柱的动态活性曲线。

图4 不同表面处理方法制得压实药柱中止燃烧的L－B曲线

从图4可以看出，与自由散装药相比，经表面处理后的粘结压实装药的起始动态活性都能得到有效抑制，具有渐增性燃烧的特点。与纯的硝化棉胶涂覆的粘结压实药柱相比，添加敏化剂的涂覆胶处理的粘结压实药柱的起始动态活性有所提高，这与图2中的压力－时间曲线所表明的燃烧特征是一致的；钝感处理后，峰值动态活性有所降低，燃烧渐增性最好。这也与密闭爆发器燃烧试验的结果一致［19］。

4.3 粘结压实药柱药粒破碎和发射安全问题

通过回收的药粒能观察到药柱在分裂、解体和解体后药粒在点火燃烧冲击过程中的受力情况。由于是小粒药粘结，根据表面处理方法的不同，最终回收得到的样品只是碎粒聚集体和单独的一个个小药粒，并没有出现药粒碎裂情况，钝感处理后的样品抗冲击能力也较强，可以参考作者文献中的图片［19］。

从以上的压力－时间曲线也可以看出，粘结压实装药起始阶段的燃烧总体是平稳的，试验发射和软回收过程是安全的。

5 结论

①设计的粘结压实装药变容燃烧试验装置能模拟压实装药变容燃烧中止试验过程，观察回收的未燃完药粒破碎情况并评定燃烧过程的安全性能，证明达到了预定的试验目的。

②与散装药相比，3种表面处理方法涂覆的压实药的点火延迟及达到中止压力的燃烧时间明显滞后。表面处理的粘结压实药柱存在着外层—分裂解体—碎裂燃烧阶段。与纯的硝化棉胶涂覆的粘结压实药柱相比，添加点火敏化剂的涂覆层处理的药柱点火相对容易，钝感处理样品则较难。药柱分裂和解体后，三者的压力上升速率趋于一致，表面进入到碎裂燃烧阶段，三者表观燃速趋于一致。

③基于当地压力的动态活性概念能描述变容燃烧起始阶段的燃烧渐增性大小。合理的表面处理方法能有效抑制粘结压实药柱的起始燃气生成速率，提高燃烧渐增性。表面钝感处理的粘结压实药柱的燃烧渐增性最好。

④由回收药粒的观察和试验过程记录的压力－时间曲线可知，粘结压实装药起始阶段的燃烧总体是平稳的，试验和软回收过程是安全的。

［1］MAY I W，JUHASZ A A.Combustion processes in consolidated propellants［C］／／10th International Annual Meeting on Propellants and Explosives.Karlsruhe，Germany：Fraunhofer Institut Chemische Technologie（ICT），1979：223－242.

［2］JUHASZ A A，MAY I W，AUNGST W P，et al.Combustion characteristics of consolidated propellants［C］／／16th JANNAF Combustion Meeting.Monterey，Carnifornia：Chemical Propulsion Information Agency，1979：433－452.

［3］DOALI J O，JUHASZ A A，BOWMAN R E，et al.Combustion characteristics of consolidated propellants resulting from different consolidation techniques.AD－A201106［R］.2011.

［4］MARTIN R，GONZALEZ A.Applications of compacted ball powder propellant in medium caliber ammunition［C］／／JANNAF Propulsion Meeting.Monterey，California：Chemical Propulsion Information Agency，1993：353－357.

［5］BONNET C，PIETA P D.Investigations for modeling consolidated propellants［C］／／Proceedings of the 19th International Symposium on Ballistics.Interlaken，Switzerland：IBC，2001：99－105.

［6］CLOUTIER T，SADOWSKI L.Development of a lightweight ammunition concept using an alternative case material and enhanced propellant.AD－A434267［R］.2005.

［7］肖正刚，应三九，徐复铭.压实工艺对太根压实药柱定容燃烧性能的影响［J］.弹道学报，2009，21（4）：92－94.XIAO Zheng－gang，YING San－jiu，XU Fu－ming.Influence of consolidated technique on constant－volume combustion characteristic of consolidated TEGN charge［J］.Journal of Ballistics，2009，21（4）：92－94.（in Chinese）

［8］芮筱亭，贠来峰，王浩，等.发射药床挤压破碎的试验模拟［J］.兵工学报，2004，25（4）：498－502.RUI Xiao－ting，YUN Lai－feng，WANG Hao，et al.A study on the experimental simulation for bursting of charge bed［J］.Acta Armamentarii，2004，25（4）：498－502.（in Chinese）

［9］芮筱亭，刘军，陈涛，等.发射药挤压破碎动力学分析［J］.兵工学报，2004，25（6）：679－683.RUI Xiao－ting，LIU Jun，CHEN Tao，et al.Dynamic analysis on the extrusion and rupture of propellants［J］.Acta Armamentarii，2004，25（6）：679－683.（in Chinese）

［10］芮筱亭，贠来峰，沙南生，等.发射装药发射安全性评定技术的研究进展［J］.兵工学报，2005，26（5）：690－696.RUI Xiao－ting，YUN Lai－feng，SHA Nan－sheng，et al.Advance on launch safety for gun propellant charge［J］.Acta Armamentarii，2005，26（5）：690－696.（in Chinese）

［11］贠来峰，芮筱亭，王浩，等.对发射装药引起膛炸机理的讨论［J］.兵工学报，2007，28（2）：153－157.YUN Lai－feng，RUI Xiao－ting，WANG Hao，et al.Discussion about mechanism of breech－blow caused by gun propellant charge［J］.Acta Armamentarii，2007，28（2）：153－157.（in Chinese）

［12］翁春生，张小兵，袁亚雄，等.药粒破碎对压力异常影响的实验研究［J］.爆炸与冲击，1998，18（1）：15－20.WENG Chun－sheng，ZHANG Xiao－bing，YUAN Ya－xiong，et al.An experimental study of the effects of grain fracture on abnormal pressure in guns［J］.Explosion and Shock Waves，1998，18（1）：15－20.（in Chinese）

［13］金志明.火炮膛内压力波产生机理及其特征分析［J］.华东工学院学报，1992（1）：26－31.JIN Zhi－ming.Generation mechanism and characteristic analysis of pressure wave in gun［J］.Journal of East China Institute of Technology，1992（1）：26－31.（in Chinese）

［14］袁亚雄.火炮膛内压力波研究综述［J］.兵工学报：武器分册，1990（2）：47－56.YUAN Ya－xiong.Review on pressure waves in gun［J］.Acta Armamentarii：Weapon Fascicle，1990（2）：47－ 56.（in Chinese）

［15］HORST A W，SMITH T C，MITCHELL S E.Experimental evaluation of three concepts for reducing pressure wave phenomena in navy 5inch，54－caliber guns：summary of firing data［R］.MD，USA：Naval Ordnance Station，Indian Head，1976.

［16］马忠亮，夏萍，贺增弟，等.胶黏固结发射药的燃烧性能［J］.火炸药学报，2006，29（5）：60－62.MA Zhong－liang，XIA Ping，HE Zeng－di，et al.Combustion properties of a glued consolidation gun propellant［J］.Chinese Journal of Explosives ＆Propellants，2006，29（5）：60－62.（in Chinese）

［17］刘林林，马忠亮，萧忠良.胶粘固结发射药定容燃烧规律研究［J］.弹箭与制导学报，2011，31（1）：125－127.LIU Lin－lin，MA Zhong－liang，XIAO Zhong－liang.The study on combustion law of glued consolidation propellant in constant volume［J］.Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guidance，2011，31（1）：125－127.（in Chinese）

［18］姚月娟，刘少武，王琼林，等.颗粒模压发射药的燃烧性能［J］.含能材料，2012，20（1）：76－79.YAO Yue－juan，LIU Shao－wu，WANG Qiong－lin，et al.Burning performance of grain molded propellant［J］.Chinese Journal of Energetic Materials，2012，20（1）：76－79.（in Chinese）

［19］XIAO Z，YING S，XU F.Studies on deconsolidation and com－bustion performance of thermally consolidated propellants deterred by coating multi－layers［C］／／2011International Autumn Seminar on Propellants，Explosives and Pyrotechnics.Nanjing，China：Science Press，2011：150－153.

［20］肖正刚，应三九，徐复铭.粘结压实药柱解体及渐增性燃烧性能的中止实验研究［J］.弹道学报，2013，25（3）：70－74.XIAO Zheng－gang，YING San－jiu，XU Fu－ming.Experimental studies of interrupted burning characteristics and deconsolidation performance of consolidated propellant charge［J］.Journal of Ballistics，2013，25（3）：70－74.（in Chinese）

［21］梁勇，姚月娟，杨建，等.颗粒密实模块药的弹道性能［J］.火炸药学报，2010，33（3）：51－54.LIANG Yong，YAO Yue－juan，YANG Jian，et al.Ballistic performance of gun propellant grain compressed modular［J］.Chinese Journal of Explosives ＆ Propellants，2010，33（3）：51－54.（in Chinese）

［22］801教研室.内弹道学［M］.南京：华东工学院，1986.Research Department 801.Interior Ballistics［M］.Nanjing：East China Institute of Technology，1986.（in Chinese）

［23］OBERLE W F.Dynamic vivacity and its application to conventional and electro thermal－chemical（ETC）closed chamber results.AD－A398117［R］.2001.

［24］王琼林，赵小锋.一种基于密闭爆发器试验的发射药燃烧渐增性定量评价方法［J］.火炸药学报，2009，32（3）：71－74.WANG Qiong－lin，ZHAO Xiao－feng.A quantitative assessment method of gun propellant combustion progressivity based on closed bomb test［J］.Chinese Journal of Explosives ＆ Propellants，2009，32（3）：71－74.（in Chinese）

［25］萧忠良，王泽山.发射药科学技术总体认识与理解［J］.火炸药学报，2004，27（3）：1－6.XIAO Zhong－liang，WANG Ze－shan.The understanding and comprehension of science and technology for propellant［J］.Chinese Journal of Explosives ＆ Propellants，2004，27（3）：1－6.（in Chinese）

［26］肖正刚，应三九，徐复铭.发射药实测密闭爆发器压力－表观燃速模型及数值计算［J］.南京理工大学学报，2010，34（2）：262－265.XIAO Zheng－gang，YING San－jun，XU Fu－ming.Numerical simulation of experimental pressure－apparent burning rate model of propellants in closed bomb［J］.Journal of Nanjing U－niversity of Science and Technology，2010，34（2）：262－265.（in Chinese）

［27］肖正刚.高装填密度装药结构及点传火研究［D］.南京：南京理工大学，2001.XIAO Zheng－gang.A study of the configuration and ignition of the propelling charge with high loading density［D］.Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2001.（in Chinese）

［28］王泽山，何卫东，徐复铭.火药装药设计原理与技术［M］.北京：北京理工大学出版社，2006.WANG Ze－shan，HE Wei－dong，XU Fu－ming.Principle and technology of propellant charge design［M］.Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2006.（in Chinese）