改善单基发射药内弹道性能的途径研究

李 达，刘少武，刘 波，于慧芳，王 锋

（西安近代化学研究所，陕西西安 710065）

改善单基发射药内弹道性能的途径研究

李 达，刘少武，刘 波，于慧芳，王 锋

（西安近代化学研究所，陕西西安 710065）

为了改善单基药的内弹道性能，从理论上分析了有效提高弹丸初速的途径，以6／7单基发射药为基础，采用浸渍-钝感两步法工艺，制备了不同钝感厚度的改性单基发射药，分析了改性单基发射药的能量水平、燃气生成规律、温度系数对内弹道性能的影响，并以30 mm火炮为武器平台，进行了内弹道试验验证。结果表明：无论是理论分析还是内弹道试验验证，通过提高单基发射药能量、控制燃气生成规律以及降低温度系数等途径都能够有效地提高弹丸初速，与基础单基发射药相比，制得的改性单基发射药样品MSP-6／7- 1、MSP- 6／7- 2在不增加膛内最高压力的基础上，能够使得弹丸炮口初速分别提高4.27%、5.41%。

发射药；浸渍-钝感；初速；内弹道试验

单基发射药是目前国内外身管武器弹药装备所用最多的发射药，广泛应用于陆、海、空军各类枪炮武器系统。单基发射药已形成了雄厚的工业基础能力，但这类发射药主要以硝化棉作为能量组分，能量相对较低，导致火炮弹药的有效射程、打击威力和毁伤概率等综合性能受到影响［1］。

改性单基发射药，是以单基发射药为基础，通过浸渍硝化甘油、并用NA聚酯进行了表面缓燃处理得到的一类高渐增性发射药。上世纪80年代瑞士率先报道了该类发射药，于上世纪90年代成功研制出该类发射药，并在中小口径武器上得到了很好的应用。随后该发射药技术被德国、美国等国顺利引进并投入生产应用［2-4］。在国内王琼林等率先对该类发射药技术开展了研究，研究发现该类发射药具有良好的燃烧性能，使内弹道性能具有很大的提高潜力［5］，因此研究提高改性单基发射药内弹道性能的技术途径，对于进一步提高该类发射药的内弹道性能以及改善其综合性能具有较大意义。

笔者以6／7单基发射药为基础，从理论上分析了可有效提高弹丸初速的途径；采用“浸渍-钝感”两步法工艺，制得了不同钝感厚度的改性单基发射药，以30 mm火炮为武器平台，进行了内弹道试验验证，以期为改性单基药综合性能的改善以及推广应用提供参考。

1 改善单基发射药内弹道性能的原理

由火药内弹道弹丸运动方程

可得出

对上式积分

式中：p是弹后空间的平均压力；pd是弹底压力；φ、φ1分别为计算系数；S为炮膛横断面积；lg为弹丸行程长。

由式（4）可知，提高I值即增加p- l曲线下的面积即可提高弹丸初速v0，因此通过以下途径可有效提高单基发射药的内弹道性能，提高弹丸初速。

1）增加火药气体总能量。通过提高单基药的火药力以及增加装药量来增加火药气体总能量，从而提高弹丸初速。

2）改变燃气生成规律。通过提高单基发射药的燃烧渐增性，改善燃烧稳定性以及抑制初始燃气生成量、调节燃烧结束时间等措施来改变单基发射药的燃气生成规律，改善内弹道性能。

3）改变装药温度系数。可充分利用炮管强度以及火炮使用时对最大膛压的限制，通过对单基药改性消除或降低单基发射药的装药温度系数。温度系数的降低一方面提高了弹药的环境适应性；另一方面在火炮寿命及抗烧蚀等性能允许的前提下，可以通过适当的增加装药量，提高弹丸初速。

2 试验

2.1 样品制备

采用相同含量的硝化甘油与不同含量的NA聚酯对6／7单基药进行浸渍-钝感处理，即首先通过硝化甘油的渗入增加了单基药的能量，再通过NA聚酯的渗入改善单基药的燃烧渐增性，制备出了改性单基发射药样品MSP- 6／7- 1和MSP- 6／7- 2，其中样品MSP- 6／7- 2是在MSP- 6／7- 1的基础上增加了0.5%的NA聚酯。

2.2 物理化学性能测试

发射药弧厚测试依据GJB 700B－2005小粒药药形尺寸测量法进行；总挥测试依据GJB 700B－2005水分和外挥发份烘箱法进行；爆热测试按GJB 700B－2005爆温和燃烧热热恒温法进行。

2.3 密闭爆发器测试

药室容积100 cm3，装填密度0.2 g／cm3，试验温度20℃，压力传感器精度为0.005 MPa，采样间隔是0.05 ms，点火药为2号NC、药量1.1 g，点火压力10 MPa的条件下，在密闭爆发器中测试了6／7单基药、MSP- 6／7- 1和MSP- 6／7- 2样品的定容燃烧性能，得到p- t曲线。对测得的密闭爆发器压力-时间数据进行数据处理，得到L- B曲线。

式中：Pi为密闭爆发器试验中某时刻实测压力大小；Pm为密闭爆发器试验的最大压力。

2.4 内弹道性能测试

在30 mm弹道炮上进行内弹道试验，采用制式药筒，电测测压，用靶线法测试弹丸距炮口10 m处的速度。表1为30 mm火炮的构造诸元，其中，d为火炮口径，W0为药室容积，m0为弹丸质量。

表1 30 mm弹道炮的构造诸元

2.5 静态燃烧渐增性的表征

L- B曲线中L峰值对应的相对压力BS以及对应的燃烧活度LS可作为判定一种发射药燃烧渐增性的主要依据，给出了燃烧渐增性判定的计算公式：

Pr反应了实测L- B曲线与发射药理想燃烧的L- B曲线的重合程度，其值越大，表示燃烧渐增性越好。

2.6 动态燃烧渐增性的表征

从火药内弹道理论可知

ηg为容积充满系数，也可称为示压效率，其值大小可以反映火炮容积利用率的高低，以及火药燃烧渐增性的大小，当火炮平台与弹选择一定后其m、φ、Wg值为一固定值，而vg2与pm为变量，因此火炮示压效率及容积利用率ηg的大小与成正比，也就是说的大小能够较好地反映火药在身管武器膛内动态燃烧渐增性的大小［68］。

3 结果与分析

3.1 单基发射药能量水平的提高对其内弹道性能的影响

改性单基药配方体系的主要特点是在单基药的基础上加入了硝化甘油和NA聚酯，随着硝化甘油加入量的增加，火药的能量水平升高，随着NA聚酯的加入量的增加，火药的燃烧渐性升高而火药能量水平会降低。当改性单基发射药中硝化甘油含量为10%，NA聚酯含量为4%时，发射药的爆热可以维持在单基药的水平［5］。为了提高单基药的能量水平，同时保证制备的改性单基药具有一定的燃烧渐增性，硝化甘油的用量一般为单基药质量的10%～15%，NA聚酯的用量为单基药质量的2%～4%，因此通常情况下，制备的改性单基药的能量水平要高于单基发射药。改性单基发射药物理化学性能测试结果如表1所示，从表1可看出改性单基药MSP- 6／7- 1、MSP- 6／7- 2与处理前的6／7单基药在总挥基本相当的情况下爆热分别为4 119 J／g、4 064 J／g、4 032 J／g，通过增能钝感后制备的改性单基发射药，能量水平高于单基发射药，可用于提高炮口初速。

表1 改性单基发射药物化性能测试

3个样品的密闭爆发器曲线如图1、图2所示。

3.2 单基药燃气生成规律的改变对其内弹道性能的影响

3.2.1 改性单基药特点

3个样品的弧厚测试数据如表1所示，药粒外表面如图3所示，经过浸渍-钝感处理后的改性单基药和处理前的单基药相比具有以下几个方面的特点：

1）弧厚变大。由于改性单基药和单基药相比在硝化棉的表层先后渗入了硝化甘油和NA聚酯，会带来单个药粒质量的增加和体积的变大，造成弧厚增加。

2）药粒实现了端面堵孔。单基药药粒在硝化甘油、溶剂、水的混合溶液中长时间浸渍，硝化甘油在溶剂的辅助下渗入药体端面与内孔，在硝化甘油和溶剂的作用下端面和内孔的硝化棉迅速溶胀，靠近端面的孔口由于端面和内孔共同溶胀而使得堵孔速度快于内孔其他位置，从而造成了端面堵孔。

3）在药粒内孔及表面分布有一层硝化甘油。潘清等通过研究形成了测试改性单基药硝化甘油分布的方法，得出硝化甘油分布在药粒及内孔表面并呈抛物线状分布［9］。

4）在药粒表层分布有硝化甘油的同时还分布有NA聚酯。NA聚酯分布在药粒表面，其分布符合Fick第二定律扩散模型，浓度由表及里呈指数规律下降。

3.2.2 改性单基药组成及药型特点

改性单基药组成及药型方面的特点，对燃气生成规律影响较大，主要体现在：

1）弧厚变大使得燃烧结束点有所推迟。从图2所示的3个样品常温密闭爆发器p- t曲线可看出经过浸渍-钝感处理后的改性单基药燃烧结束点推后，当钝感层厚度增加0.5%后的改性单基发射药燃烧结束时间略有增加。燃烧结束点的适当推后有利于降低火炮膛内最高压力，在火炮弹筒容积及烧蚀允许的前提下，通过适当地提高装药量，维持火炮膛内最高压力基本不变，提高弹丸膛口初速。

2）药粒表层分布有NA聚酯有利于降低火药燃气初始生成猛度。从图3的L- B曲线可看出，起始阶段改性单基药的气体活度L小于单基发射药的火药气体活度，随着改性单基药燃去量B的增加，L值逐渐增加，这种起始缓燃，火药气体活度逐渐增加的燃烧特性有利于改善燃气生成速率，调整气体作功能力，从而提高内弹道性能。

3）药粒端面堵孔、表层分布有NA聚酯、内孔分布有硝化甘油的特点有利于提高改性单基药的燃烧渐增性；药粒点火燃烧后膛内压力迅速升高，端面堵孔受到升高的燃气压力冲击破孔后开始燃烧，由于内孔渗入一定量的硝化甘油而药粒表面却含有较多的NA聚酯，使得从内孔表面的增面性燃烧速度远大于从药粒表面向内的减面性燃烧速度，因此在燃烧的中后期阶段改性单基药的内孔燃烧增面性比单基发射药要大得多，带动了L值的增大，体现出较强的燃烧渐增性。从图3的L- B曲线以及表2的Pr值计算结果可看出改性单基药MSP- 6／7- 1、MSP- 6／7- 2的燃烧渐增性因子为0.356、0.412，单6／7- 1的燃烧渐增性因子为0.084。改性单基药体现出较强的燃烧渐增性，其中加入NA聚酯较多的样品MSP- 6／7- 2燃烧渐增性药优于样品MSP- 6／7- 1。

表2 3个样品Pr计算结果

因此改性单基发射药和单基药相比，其具有初始缓燃，燃烧结束点相对推后，燃烧渐增性强的特点，这种燃烧特性有利于装药总能量的增加以及弹丸在膛内运动后期能量的补充从而提高枪炮弹丸初速。

3.3 单基药发射药装药温度系数的降低对其内弹道性能的影响

温度系数降低可用于枪炮弹丸初速的提高。一般枪炮由于身管材料等方面的限制，对最高膛压都有一定的限制，要求枪炮在使用过程中不超过最高膛压（一般使用温度范围为－40℃～+50℃），因此当火药能够实现装药低温度系数后，高温和常温膛压一致，装药时在火炮寿命以及抗烧蚀等其他性能允许的前提下可将枪炮的常温膛压控制在最高膛压以内，即可保证高温膛压不超过最高膛压，从而大幅度地提高弹丸初速。

火药药粒受温度影响的基本特性是高温下燃速快于常温和低温，低温燃速慢于常温和高温，因此大部分未经过后期处理的火药都具有相对较高的温度系数。改性单基药由于药粒表面分布有NA聚酯和硝化甘油，内孔含有硝化甘油的特点使得改性单基药在膛内高温环境下表面发软发粘，点火燃烧后端面堵孔不易破孔，发软的药粒却更容易在高温高压情况下受到压缩使得内孔缩小、燃烧表面迅速减小，抵消了高温下燃速升高带来的燃气生成总量的迅速增加，避免了高温环境下膛压的迅速上升，实现了高温与常温的初速膛压基本一致；同样在低温条件下含有NA聚酯的改性单基药和未处理的单基药相比表面脆性增加，点火燃烧后能够实现快速破孔而使燃面增加，一定程度上弥补了低温下由于火药燃速下降带来的燃气总量不足，避免了低温环境下火药燃速下降过多而引起弹丸初速降低［10］。

4 试验验证

以30 mm模拟炮为平台，对3种样品进行内弹道试验，结果如表3所示。

从表3计算可得，常温下MSP- 6／7- 1、MSP-6／7- 2和单基药单6／7- 1相比，在不增加火炮最大膛压的基础上弹丸初速分别提高了4.27%、5.41%，同样从表3计算可得MSP- 6／7- 1高温膛压升为3.13%，低温初速降为2.68%，MSP- 6／7-2高温膛压升为－0.56%，低温初速降为3.62%，具有较低的装药温度系数。MSP- 6／7- 2在MSP-6／7- 1的基础上增加0.5%NA聚酯后高温膛压升有所降低，低温初速降有所增大，分析认为造成这一现象与NA聚酯的高低温特性有密切关系，NA聚酯软化点是45℃～50℃，常温和低温下为易脆性固体，在高温条件下变软，因此加入NA聚酯后的改性单基发射药具有高温表面发软而低温和常温易脆的特点。当MSP- 6／7- 2在MSP- 6／7- 1的基础上增加0.5%的NA聚酯后，高温表面变得更易发软、塑性更好，而低温和常温相比脆性改善不明显，反而由于堵孔厚度的增加使得低温更不易破孔燃烧，不利于低温燃面补偿，从而造成MSP- 6／7 -2和MSP- 6／7- 1相比高温膛压升有所降低，而低温初速降却变大。因此通过分析可知，当改性单基药加入的硝化甘油一定后，通过调节NA聚酯的加入量不仅可以改善改性单基发射药的燃烧渐增性，而且还可以适当地调节温度系数。

表3 30 mm火炮高低常温内弹道试验

从表3看出，单6／7- 1、MSP- 6／7- 1、MSP-6／7- 2的v2g／pm值分别为2 315.0、2 466.0、2 560.2，说明改性单基药动态燃烧渐增性要远大于制式药单6／7- 1，其中MSP- 6／7- 2样品燃烧渐增性要稍好于MSP- 6／7- 1，这与表2燃烧渐增性因子Pr值的计算结果一致，说明适当地增加钝感层厚度有利于改性单基药动态燃烧渐增性的提高。

5 结论

1）制备的改性单基发射药MSP- 6／7- 1、MSP- 6／7- 2和单基药相比能量水平高，可用于提高弹丸炮口初速。

2）制备的改性单基发射药MSP- 6／7- 1、MSP- 6／7- 2和单基药相比，起始缓燃，燃烧结束点相对推后，静态和动态燃烧渐增性均优于单基药，有利于提高弹丸初速。

3）制备的改性单基药在单基药的基础上加入了硝化甘油和NA聚酯，改变了单基药的塑性并形成了端面堵孔，这种特点，有利于降低温度系数，改善内弹道性能。

4）通过30 mm火炮内弹道试验，与单基药相比，采用MSP- 6／7- 1、MSP- 6／7- 2改性单基药在基本上不增加火炮最大膛压的基础上，弹丸炮口初速分别提高了4.27%、5.41%。

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The Teehnieal Route Researeh of Improving the Interior Ballistie Performanee of the Modified Single Base Gun Propellant

LI Da，LIU Shaowu，LIU Bo，YU Huifang，WANG Feng

（Xi'an Modern Chemistry Research Institute，Xi'an 710065，Shaanxi，China）

Abstraet：In order to enhance the interior ballistic performance of the single base gun propellant，the way of enhancing the muzzle velocity was analyzed theoretically.Based on the 6／7 single base gun propellant，the modified single base gun propellants with different desensitized degrees of thickness were prepared by the two-step process called“the energy-increased and desensitized”.The energy level，the gas generation rule and the temperature sensitivity of the modified single base gun propellant were analyzed with the interior ballistic experiment carried out based on the the weapon platform of 30mm gun shooting.The results show that the way of improving the energy，controlling the gas generation rule and decreasing the temperature sensitivity can availably improve the muzzle velocity of the single base gun propellant whether from the perspective of theoretical analysis or from the perspective of the practical interior ballistic experiment.Compared with the single base gun propellant，the muzzle velocity of the modified single base gun propellant MSP-6／7-1 and MSP-6／7-2 increases by 4.27%and 5.41%respectively under almost the same maximum pressure.

gun propellant；the energy-increased and desensitized；the muzzle velocity；interior ballistic experiment

TJ55

A

1673-6524（2015）04-0013-06

2014- 11- 26；

2015- 02- 11

李达（1981－），男，助理研究员，主要从事发射药装药技术研究。E-mail：lida20042008＠163.com