颗粒固结发射药作随行装药的应用研究

梁泰鑫, 肖忠良, 吕秉峰, 马忠亮, 代淑兰

(中北大学化工与环境学院, 山西 太原 030051)

1 引 言

初速是身管武器性能的一个重要指标,提高初速是武器发展的核心任务之一。就常规火炮而言,一般采用增加发射药量与弹丸质量比(ω/m)的方法提高初速,由于膛底到弹底间的压力梯度是ω/m的强函数,所以随着ω/m值的增加,压力梯度越明显,而弹底压力的提升却相对较小,不利于弹丸初速的再提高[1-2]。在这种背景下,随行装药技术应运而生,其基本设想是在弹底部携带一定量的发射装药,并使之随弹丸一起运动。随行装药在膛内适时点燃,对弹底“空穴”区进行冲压,实现最大膛压不变,弹丸初速大幅提高的目标[3-5]。

Oberle[6]、Tompkins[7]等将高燃速火药作随行装药进行了内弹道试验,并对其发射过程进行了模拟,研究了随行装药的延迟机构、随行装药与主装药的质量配比等问题。Michel[8]等将稳态爆燃技术引入随行装药中,通过内弹道试验对该方案的可行性进行了分析。杨京广[9-10]等在弹后固连一个随行药室,药室内装入单基4/7和3/1发射药,药室后部安装延迟机构和后螺盖,在30 mm火炮上进行了射击试验,实现了随行装药原理。Liu[11]等将包覆阻燃发射药作随行装药,采用可燃药筒携带的方式进行了内弹道试验,实现了最大膛压不变而初速提高的目标。Ermolaev[12]等将颗粒粘结压实药柱作随行装药,采用粘结随行技术在23 mm滑膛实验炮上进行了射击试验,实现了局部压力平台的弹道效果。上述文献均指出,随行装药的点火延迟时间、燃烧性能的稳定性及高燃速是随行装药技术研究的关键问题。

颗粒固结发射药在随行装药中的应用研究还在探索阶段,因此对其进一步的研究具有理论意义和实用价值。鉴于颗粒固结发射药具有高装填密度、高力学强度和燃烧性能稳定性较好等特点[13-18],本研究提出了一种新的随行装药方案: 将颗粒固结发射药成型于特制圆柱形钢桶内,依托装药药柱的高力学强度,在其端面安装延迟机构,以期实现对装药点火延迟时间的控制,并将其整体安装在与之匹配的弹尾腔体内。通过密闭爆发器和30 mm弹道炮试验,对该随行装药的点火延迟时间、力学强度、燃速和燃烧性能的稳定性进行了研究。

2 试验部分

2.1 试样制备

以多孔单基小粒药多-125发射药为基体药,与一定比例的粘结剂(二缩三乙二醇二硝酸酯、双铅推进剂、2#硝化棉)预先混合; 置于捏合机内捏合30 min,使粘结剂对基体药粒表面进行充分浸润; 在适当压力下成型于特制圆柱形钢桶内,该装药药柱的密度(以下称之为压制密度)可通过压力进行控制,且药柱成型后基体药与粘结剂均匀分布,药柱与钢体紧密结合、无缝隙; 最后在装药端面安装延迟机构,完成了随行装药试样制备,其整体结构见图1所示。

图1 随行装药结构示意图

Fig.1 Schematic drawing of traveling charge structure

图1中随行装药方案的延迟机构实质是一种缓燃材料,其材料均为可燃物质,与随行装药端面能有效粘合、可塑性强,若要实现对随行装药点火延迟时间的控制,需要随行装药有较高的力学强度,保证其在高压下结构完整,从而通过延迟机构的缓燃,实现随行装药的延迟点燃。

随行装药的力学强度,主要是通过粘结剂的含量与压制密度来控制。在随行装药中加入一定比例的粘结剂,不仅增加了基体药粒间的粘结力,同时填充药粒间缝隙,其目的是使压制的随行装药具有较高的力学强度。

针对该随行装药结构,制式弹丸尾部设计了与之匹配的腔体结构。在弹道试验时,只需将其安装在弹尾腔体内即可。

2.2 密闭爆发器试验

为研究延迟机构的厚度、组分乙基纤维素 (EC)含量对随行装药点火延迟时间的影响,随行装药的粘结剂含量、压制密度对其力学强度、燃气释放速率的影响,随行装药燃烧性能的稳定性,将6/7发射药与随行装药试样采用混装的方式进行200 cm3密闭爆发器试验,试验方案见表1。试验条件: 装填密度0.2 g·cm-3; 点火压力10 MPa; 压力传感精度0.005 MPa; 采样时间间隔0.05 ms。为便于分析随行装药的点火延迟时间,需使随行装药在点燃前的p-t曲线与6/7发射药的p-t曲线重合,这就要求密闭爆发器试验时,装填密度0.2 g·cm-3不变。故在计算其装填密度时,随行装药试样占用的体积不可忽略。本次试验中所用随行装药试样的体积均为17.5 cm3,在密闭爆发器容积中扣除该部分,计算得到6/7发射药的装药量应为36.5 g。

为研究随行装药的燃速,进行了100 cm3密闭爆发器试验。试验条件: 装填密度0.2 g·cm-3; 点火压力10 MPa; 压力传感精度0.005 MPa; 采样时间间隔0.02 ms; 在室温下进行实验。

2.3 弹道试验

弹道试验采用30 mm弹道炮,药室容积140 cm3,弹丸行程长2.4 m,标准弹丸质量389 g,试验弹丸质量322 g,点火药为2号小粒黑,铜柱测压法测试膛底最大压力。

表1 随行装药试验方案

Table 1 Experimental schemes of traveling charge

samplepropellant6/7/gtravelingchargedose/gporouspropellant125/%binder/%presseddensity/g·cm-3timedelayunitthickness/mmcontentofEC/%AC⁃040noneAC⁃136．512．59281．5110AC⁃236．512．59281．51．510AC⁃336．512．59281．5210AC⁃436．512．59281．50．610AC⁃536．512．59281．50．620AC⁃636．512．59281．50．630AC⁃736．511．79551．40．47AC⁃836．512．59551．50．47AC⁃936．511．79281．40．47AC⁃1036．512．59281．50．47

Note: EC is ethyl cellulose.

3 结果与分析

3.1 延迟机构的厚度、EC含量对随行装药点火延迟时间的影响

为研究延迟机构厚度对随行装药点火延迟时间的影响,选用延迟机构厚度不同的3个试样AC-1、AC-2、AC-3进行了密闭爆发器实验,得到了相应的p-t曲线,如图2所示。从图2可以看出,试样AC-1、AC-2、AC-3的p-t曲线均存在两个压力增长阶段。与试样AC-0的p-t曲线对比可知,第一个压力增长阶段为6/7发射药与延迟机构共同燃烧阶段,该阶段的压力增长主要由6/7发射药燃烧决定。在第一个压力增长阶段结束后,三条曲线均出现了“压力保持”阶段,该阶段为延迟机构的缓燃。说明在该装药条件下,延迟机构厚度≥1.0 mm时,可将随行装药点火延迟时间延长到6/7发射药燃完以后。经过一段时间的缓燃,延迟机构燃尽,进入第二个压力增长段,随行装药开始燃烧,并在燃烧结束时压力达到最大值。同时可以看出,试样AC-1、AC-2、AC-3的p-t曲线在不同时刻与试样AC-0的p-t曲线分离,分离时间即随行装药点火延迟时间分别为57、59.7 ms和63 ms,较6/7发射药燃完的时间56 ms,分别延迟了1、3.7 ms和7 ms。说明在静态燃烧环境下,依托随行装药的高力学强度,延迟机构可实现对随行装药点火延迟时间进行有效控制。随着延迟机构厚度的增加,随行装药点火延迟时间延长。

图2 不同延迟机构厚度的随行装药试样p-t曲线

Fig.2p-tcurves of traveling charge samples with different time delay unit thickness

由于延迟机构组分中EC为主要阻燃物质,改变其含量,必然会对随行装药点火延迟时间产生影响。为此,选用EC含量不同的3个试样AC-4、AC-5、AC-6进行了密闭爆发器试验,得到了相应的p-t曲线,如图3所示。从图3可以看出,试样AC-4、AC-5、AC-6的p-t曲线在不同时刻与试样AC-0的p-t曲线分离,分离时间即随行装药点火延迟时间分别为53.2,53.6 ms和53.9 ms。说明在延迟机构厚度一定的情况下,增加其组分EC的含量,可使延迟机构缓燃能力增强,从而使随行装药点火延迟时间延长。

图3 不同EC含量的随行装药试样p-t曲线

Fig.3p-tcurves of traveling charge samples with different EC content

3.2 随行装药粘结剂含量、压制密度对其力学强度、燃气释放速率的影响

由于粘结剂的含量与压制密度可以影响随行装药的力学强度,且在一定程度上影响其燃气释放速率。为此,选用粘结剂含量、压制密度不同的4个试样AC-7、AC-8、AC-9、AC-10进行了密闭爆发器试验,得到了相应的p-t曲线,见图4所示。从图4可以看出,在52.5～56 ms内,对应时刻下试样AC-7的p-t曲线要高于试样AC-8的p-t曲线,试样AC-9的p-t曲线要高于试样AC-10的p-t曲线。说明随着压制密度的增加,提高了随行装药的力学强度,降低了随行装药的燃气释放速率。同时可以看出,在52.5～56 ms内,试样AC-7与AC-9的p-t曲线相比较,试样AC-9的p-t曲线陡度较小,试样AC-8与AC-10的p-t曲线相比较,试样AC-10的p-t曲线陡度较小。说明随着粘结剂含量的增加,提高了随行装药的力学强度,降低了随行装药的燃气释放速率。通过以上分析可知,增加随行装药的压制密度和粘结剂含量,均可使其力学强度增加、燃气释放速率降低。这是由于针对该随行装药方案,增加粘结剂含量,可提高多-125发射药粒间的粘结能力,增加压制密度,可提高随行装药的密实性,从而提高了随行装药的力学强度,控制其解体过程,使随行装药的燃气释放速率降低。

图4 不同粘结剂含量、压制密度的随行装药试样p-t曲线

Fig.4p-tcurves of traveling charge samples with different binder content and pressed density

3.3 随行装药燃烧性能的稳定性

对试样AC-8进行了平行试验,测试了随行装药燃烧性能的稳定性,得到了相应的动态活度曲线(L-B),见图5所示。从图5可以看出,三次试验曲线始终具有较好的重合度。以相对压力0.4(随行装药开始燃烧)处为界,三条曲线呈现出阶梯上升。在相对压力0.4处,三条曲线基本重合,说明在相同装药条件下,依托随行装药的高力学强度,延迟机构对随行装药点火延迟时间的控制,具有良好的稳定性; 相对压力0.4～1,为主装药与随行装药共同燃烧阶段,该阶段三条曲线基本重合,说明在相同装药条件下,随行装药的燃烧性能基本稳定。因此在静态燃烧条件下,该随行装药整体的燃烧性能基本稳定。

图5 随行装药重复性试验L-B曲线

Fig.5L-Bcurves of traveling charge in repeated experiments

3.4 随行装药的燃速

为研究随行装药的燃速,压制了直径19 mm、高26 mm,粘结剂含量5%,压制密度1.5 g·cm-3,质量为10 g的随行装药药柱。在无钢体及延迟机构的情况下,对其进行了100 cm3密闭爆发器试验,试验时随行装药的装药量20 g。为对比说明该随行装药具有较高的燃速,对6/7发射药也进行了试验,装药量20 g。对试验得到的p-t曲线进行处理,得到了其在不同压力下的燃速值,见图6所示。从图6可以看出,在相应压力下随行装药的燃速值均大于6/7发射药的燃速值,随行装药与6/7发射药的燃速最大值分别为4130.8 mm·s-1和89.1 mm·s-1,随行装药燃速最大值是6/7发射药的46倍。说明随行装药具有较高的燃速。

图6 随行装药和6/7发射药的u-p曲线

Fig.6u-pcurves of traveling charge and propellant 6/7

3.5 内弹道试验结果

将试样AC-8安装在试验弹丸尾部腔体内,为防止高压气体对延迟机构的冲击而造成的整体结构的变形、失效,在弹尾加盖了0.2 mm厚的硝化纤维塑料片,总弹重为389 g。主装药为6/7发射药,在装药量113 g、117.5 g的情况下,对随行装药试样AC-8进行30 mm弹道炮试验,并于标准弹丸的试验进行了对比,结果见表2。

表2 随行装药内弹道试验结果

Table 2 Results of interior ballistic experiment for traveling charge

No．maincharge/gpm/MPav0/m·s-1standard113279．8909．7projectile117．5307．9956．51113276．1980．82113286．79753113282．4989．64113274．4986．25117．5342．110216117．5332．91017．6

Note:pmis the maximum chamber pressure,v0is the muzzle velocity.

从表2可以看出,主装药量113 g时,对试样AC-8的4次内弹道试验(1、2、3、4)的最大膛压(pm)与标准弹丸的pm相当,而初速(v0)有较大的提升。说明在该装药条件下,延迟机构厚0.4 mm,可将随行装药点火延迟时间延长在pm以后,获得较佳的点火延迟时间,v0显著提升。可见在动态燃烧环境下,依托随行装药的高力学强度,延迟机构可实现对随行装药点火延迟时间进行有效控制。4次内弹道试验的平均初速约983 m·s-1,与标准弹丸v0909.7 m·s-1相比,v0增加73.3 m·s-1,增幅约8%。主装药量117.5 g时,对试样AC-8的2次内弹道试验(5、6)的pm与标准弹丸的pm相比相对较高,说明随行装药在pm以前已开始燃烧。可见在该装药条件下,若要实现随行装药在pm后点燃,延迟机构厚度应>0.4 mm,还需作进一步的试验探索。

从表2同时可以看出,主装药量113 g时,4次内弹道试验(1、2、3、4)的试验结果基本稳定,初步验证了该随行装药,在动态燃烧条件下燃烧性能基本稳定。在试验中,通过高速摄影仪对弹丸出炮口后的情况进行了观察,该组试验均未发现有弹尾光,说明随行装药在膛内已燃烧完全。

4 结 论

(1) 密闭爆发器与内弹道试验均表明: 依托随行装药高力学强度,延迟机构可对随行装药点火延迟时间进行控制; 初步验证了该随行装药的燃烧性能基本稳定。

(2) 增加延迟机构的厚度、组分EC含量,均可使随行装药点火延迟时间延长。增加随行装药的粘结剂含量、压制密度,均可使随行装药的力学强度增加、燃气释放速率降低。

(3) 该随行装药具有较高的燃速,粘结剂含量5%、压制密度1.5 g·cm-3时,其燃速最大值是6/7发射药的46倍。

(4) 主装药量113 g、延迟机构厚0.4 mm,在最大膛压基本不变的情况下,随行装药在内弹道试验中的初速较标准弹丸初速增加73.3 m·s-1,增幅约8%。

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