多孔环切杆状发射药的燃烧性能

王　锋，李梓超，刘国涛，李　达，姚月娟，于慧芳，王琼林，张远波，刘少武

(西安近代化学研究所，陕西西安710065)



多孔环切杆状发射药的燃烧性能

王锋，李梓超，刘国涛，李达，姚月娟，于慧芳，王琼林，张远波，刘少武

(西安近代化学研究所，陕西西安710065)

摘要：为了研究多孔环切杆状发射药与粒状发射药的燃烧性能差异，采用半密闭爆发器试验研究了多孔杆状发射药的解体燃烧过程，通过密闭爆发器试验和高压30mm模拟火炮试验对比了多孔环切杆状发射药和粒状药的静态燃烧性能和膛内燃烧性能。结果表明，多孔环切杆状发射药的燃烧按平行层燃烧进行，没有出现侵蚀燃烧，燃烧性能稳定，燃烧渐增性比粒状发射药好；用多孔环切杆状发射药时，膛内负压差为-7MPa，示压效率比粒状发射药提高4.93%。

关键词：物理化学；多孔环切杆状发射药；燃烧性能；粒状发射药；密闭爆发器试验

引言

提高火炮初速一直是发射药领域追求的目标之一。目前，提高火炮初速可采用高能量发射药[1-2]，而最便捷、最有效的途径是采用高燃烧渐增性发射药[3-5]和提高装药的装填密度[6-10]。提高装填密度通常采用的方法是调节发射药的形状和装药结构，如将不同的发射药薄片堆在一起能够得到不同配置的层状发射药[11]，将球形药压制成球扁药或柱状药能显著提高装填密度[6-10,12]。目前，关于高装填密度发射装药燃烧性能和内弹道性能的研究多停留在理论研究阶段[6-7]，相关实验研究的报道较少。俄国Semenov化学物理研究所采用将粒状药压实成柱状药的装填方法研究了燃烧性能和内弹道性能[8-10]。

多孔环切杆状发射药是一种含有切口的大长径比的多孔杆状发射药。国外研究表明[6-10]，采用多孔环切杆状发射药装药技术可大幅提高装药的装填密度，最大装填密度达到1.1g/cm3以上，与粒状药装药相比装填密度可提高10%以上。但国内外关于多孔环切杆状药的燃烧性能和内弹道性能方面的报道较少。

本研究通过半密闭爆发器试验分析了多孔环切杆状发射药的解体燃烧过程，通过密闭爆发器试验和高压30mm模拟炮试验对比研究了多孔环切杆状发射药和粒状发射药的静态燃烧性能、膛内燃烧性能和内弹道性能，为多孔环切杆状发射药的进一步应用提供参考。

1实验

1.1样品制备

选用高能硝胺发射药配方，采用三基药制备工艺，经过吸收、压延、胶化、压伸成型等工艺制备出7/14药型的粒状发射药和多孔环切杆状发射药样品，编号分别为G1和G2。

1.2半密闭爆发器试验

用半密闭爆发器试验装置观察不同燃烧压力条件下的样品状态，以此研究多孔环切杆状发射药的解体燃烧过程。装置体积100mL，试验温度20℃，点火药为2号NC，点火药量1.1g，点火压力10MPa。在破孔压力为20MPa和50MPa下进行测试。

1.3密闭爆发器试验

密闭爆发器燃烧装置为西安近代化学研究所标

准计量仪器，体积100mL，装填密度0.2g/cm3，试验温度20℃，点火压力10.0MPa，点火药为2号NC，点火药量1.1g。

1.4高压30mm模拟火炮试验

高压30mm模拟火炮试验装置示意图见图1，测试弹丸发射过程中炮口、弹底、膛底3处的压力以及弹丸速度。弹丸采用220g自制模拟弹，采用syc-2000压电式传感器测试压力，按GJB349.4-87方法测试燃速。

图1　高压30mm模拟炮试验系统Fig.1　Test system of 30mm simulation gun

2结果与讨论

2.1解体燃烧过程分析

图2　多孔环切杆状发射药在半封闭爆发器试验前后的照片Fig.2　The photos of multi-perforated curve-cut stick propellants before and after semi-closed bomb test

通过半密闭爆发器试验测试环切杆状发射药在20MPa和50MPa下的燃烧状态，结果见图2。从图2(b)可以看出，与未燃烧的样品相比，当燃烧压强达到20MPa时多孔环切杆状发射药仍保持着多孔环切杆状药的长杆状结构(由于样品太长，测试时需将样品截断)，只是随着燃烧的进行切缝缝隙增大、药体没有发生破孔和碎裂，说明多孔环切杆状发射药燃烧过程稳定，其燃烧过程与粒状药相似，燃烧按平行层燃烧进行，且没有出现侵蚀燃烧；从图2(c)可以看出，当燃烧压强达到50MPa时多孔环切杆状发射药已发生解体，变成粒状药，其燃烧过程与粒状药的燃烧相同。由此可见，多孔环切杆状发射药的燃烧过程主要分为两个阶段：(1)第一阶段是杆状药外表面和内孔被同时点火燃烧，同时燃烧火焰沿着环切切口扩张推进，直至使原本相连成杆状的连体粒状药分裂成独立的正在燃烧的多孔粒状药；(2)第二阶段是分裂解体后的多孔粒状药继续燃烧直至燃尽。

2.2静态燃烧性能

通过密闭爆发器试验得到多孔环切杆状发射药和粒状发射药的p-t曲线，结果见图3，对压力变化曲线进行数据处理, 得到L-B曲线和dp/dt-t曲线,见图4。

从图3可以看出，多孔环切杆状发射药p-t曲线光滑，说明其燃烧正常，与粒状发射药燃烧规律相似，只是多孔环切杆状发射药p-t曲线起始阶段较平缓，燃烧时间长，这是由于多孔环切杆状发射药比粒状发射药的起始燃面小，因而造成发射药起始点火燃烧燃气生成速率较慢，压力较低；从图4(a)可以看出，多孔环切杆状发射药的燃烧起始阶段L值比粒状发射药的L值低，说明其起始燃烧猛度较低，而后阶段的L值比粒状发射药的L值大，说明多孔环切杆状发射药后期燃气生成速率比粒状药明显加快，这是由多孔环切杆状发射药的特殊结构特点决定的，多孔环切杆状发射药相比粒状发射药起始燃面较小，当燃烧到一定阶段时杆状发射药解体，燃面迅速增加，因此具有较高的燃烧渐增性。

图3　不同发射药的p-t曲线Fig.3　The p-t curves of different gun propellants

图4　不同发射药的L-B曲线和dp/dt-t曲线Fig.4　L-B and dp/dt-t curves of different gun propellants

由图4(b)可以看出，多孔环切杆状发射药和粒状药的dp/dt-t曲线起始阶段有明显的差异，后期则基本相同。燃烧时间小于1ms时多孔环切杆状发射药的dp/dt-t曲线与粒状发射药相比较为平缓，1～3ms时多孔环切杆状发射药比粒状药dp/dt-t曲线的斜率明显增大，3ms以后两者曲线的斜率完全一致。由此可以看出多孔环切杆状发射药的燃烧变化过程：燃烧开始阶段由于环切切缝很小，多孔环切杆状发射药类似于多孔长管状药的燃烧，燃烧较为平缓；当燃烧到一定阶段，切缝明显变大，燃面相对增加，其燃烧类似于大长径比的多孔粒状药燃烧，随着燃烧压力的增大，杆状发射药解体，多孔环切杆状发射药变为多孔粒状药，燃面迅速增加，其燃烧过程与粒状药相同。

2.3膛内燃烧性能

多孔环切杆状发射药和粒状发射药的膛内燃烧试验结果见表1，膛内压力曲线见图5。

表1　高压30mm模拟炮试验结果

图5　多孔环切杆状药和粒状药的膛内压力曲线Fig.5　The pressure curves in chamber of multi-perforatedcurve-cut stick gun propellants and grain gun propellant

从表1可以看出，在相同装药量的条件下，多孔环切杆状发射药和粒状发射药膛内不同部位的压力不同，多孔环切杆状发射药膛底、弹底的压力较粒状发射药小，炮口压力较大。从图5可以看出，多孔环切杆状发射药和粒状发射药的膛底、弹底和炮口压力曲线都较为光滑，这说明多孔环切杆状发射药的膛内燃烧较为稳定。从图4(b)可知，多孔环切杆状发射药出现的第一个负压差极值的绝对值为7MPa，而粒状发射药相应的负压差极值的绝对值为15MPa。多孔环切杆状发射药的负压差极值的绝对值比粒状药明显降低，这可能是由于环切杆状发射药本身排列较为整齐，其纵向的传火通道比较畅通，因此在起始点火阶段，不易出现局部点火不均匀，其负压差绝对值很小。而粒状发射药由于其起始燃面较大，装药燃气起始生成速率较大，排列相对散乱，传火通道较差，因而负压差绝对值相对较大，造成最大膛底压力和最大弹底压力较大。

3结论

(1)多孔环切杆状发射药的燃烧过程主要分为两个阶段：第一阶段是杆状药外表面和内孔被同时点火燃烧，同时燃烧火焰沿着环切切口扩张推进，直至使原本相连成杆状的连体粒状药分裂成独立的正在燃烧的多孔粒状药的过程；第二阶段是分裂解体后的多孔粒状药的燃烧过程。

(2)多孔环切杆状发射药的燃烧性能稳定，燃烧渐增性强，膛内燃烧稳定性比粒状发射药更好，多孔环切杆状发射药的整齐排列使得发射装药的传火通道较为通畅，有利于提高装药的点传火性能，大大降低装药膛内压力波的产生，负压差最大值为-7MPa，比粒状药明显降低。

(3)与粒状发射药相比，相同装药量下多孔环切杆状发射药的最大膛压和初速较低，示压效率明显提高，提高幅度达4.93%。

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Combustion Performances of Multi-Perforated Curve-Cut Stick Gun Propellants

WANG Feng, LI Zi-chao, LIU Guo-tao, LI Da, YAO Yue-juan, YU Hui-fang, WANG Qiong-lin,

ZHANG Yuan-bo, LIU Shao-wu

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China)

Abstract:To study the performance differences of multi-perforated curve-cut stick gun propellants and grain gun propellants, the process of disorganization combustion of multi-perforated curve-cut stick gun propellant was investigated by a semi-closed bomb , and the static combustion performance and combustion performance in chamber of multi-perforated curve-cut stick gun propellants and grain gun propellants were contrasted by the closed bomb test and high pressure 30mm simulation gun experiment. The results show that the combustion of multi-perforated curve-cut stick gun propellants is consistent with the parallel mode, its combustion performance is stable and erosive burning is avoid, the progressively burning characteristics of the multi-perforated curve-cut stick propellant is better than that of grain gun propellants; the negative pressure difference of the multi-perforated curve-cut stick gun propellant is -7MPa, and the piezometric effeiciency is improved by 4.93% compared with that of grain gun propellant.

Keywords:physical chemistry; multi-perforated curve-cut stick gun propellant; combustion performance; negative pressure difference; pressure curve in charmber; grain gun propellant; closed bomb test

通讯作者:王琼林(1966-)，男，博士，研究员，从事发射药及装药技术研究。

作者简介:王锋(1978-)，男，副研究员，从事发射药及装药性能研究。

收稿日期:2014-08-21；修回日期:2015-02-01

中图分类号：TJ55; TQ562

文献标志码：A

文章编号：1007-7812(2015)02-0089-04

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.02.020