发射药装药结构对炮口烟焰的影响

韩　冰，魏　伦， 王琼林， 唐小军， 刘少武， 刘金玉，辛凯迪

(1. 西安近代化学研究所，陕西西安710065； 2. 中国人民解放军63863部队，吉林白城137001)



发射药装药结构对炮口烟焰的影响

韩冰1，魏伦1， 王琼林1， 唐小军2， 刘少武1， 刘金玉1，辛凯迪1

(1. 西安近代化学研究所，陕西西安710065； 2. 中国人民解放军63863部队，吉林白城137001)

摘要：针对身管武器装备炮口烟焰严重的问题，以5.8mm弹道枪为试验平台，测定了枪口烟雾粒径和可见光透过率；以30mm和某大口径火炮为试验平台，测定了不同发射药装药的炮口火焰面积；研究了消焰剂粒度、消焰剂药包装填位置、发射药弧厚、可燃支撑筒长度等装药结构对炮口烟焰的影响。结果表明，消焰剂(K2SO4)粒径从160μm降至3μm，有助于提高消焰效果，但会引起炮口烟雾的可见光透过率下降；消焰剂用量相同时，含顶部和底部消焰剂药包的组合结构抑制火焰效果优于仅含顶部消焰剂药包的结构；发射药弧厚从1.8mm增至2.0mm时，炮口火焰面积增大；炮口火焰面积随着可燃支撑筒长度增加而增大。

关键词：发射药；装药结构；炮口烟焰；消焰剂；发射药弧厚；可燃支撑筒

引言

身管武器作为战场压制和精确打击的主力装备，在当今战争中发挥着不可替代的作用。近年来，我国自行研制并装备部队的各式身管武器总体性能有了很大提高，但与国外同类装备相比，存在炮口烟焰严重的问题，不仅造成环境污染，还暴露阵地，影响精确制导武器对目标的观察和跟踪，甚至会造成武器无法正常使用。为减小炮口烟焰的有害影响，在装药中添加碱金属盐类物质和火炮身管中使用消焰器是常用手段之一[1-2]。

美国Bracuti A J等[3]在轻型无后座力火炮上研究了不同品种消焰剂对炮口火焰的影响，发现用碳酸氢钾和碳酸氢铵在降低火焰闪光方面比用硝酸钾和硫酸钾要好；国内吉丽坤等[4]开展了新型高分子钾盐消焰剂的合成研究，制备的高分子钾盐在抗吸湿性方面优于传统的小分子钾盐；王育维等[5]开展了消焰剂对模块发射药装药内弹道性能的影响研究，建立了考虑消焰剂影响的经典内弹道数学模型；赵凤起等[6]研究了消焰剂对推进剂用催化剂燃烧性能的影响，发现有机消焰剂KD对燃烧催化剂的热分解行为影响最小。但是关于发射药装药结构对炮口火焰及烟雾影响的研究报道较少。

本实验以发射药定装式装药结构为对象，以不同口径火炮(枪)为试验平台，研究了消焰剂粒度、消焰剂装填位置、发射药弧厚、可燃支撑筒长度等装药结构因素对炮口火焰的影响，以期为炮口火焰的改善提供指导。

1实验

1.1样品与仪器

常规粒度硫酸钾消焰剂(粒度160μm)，分析纯，国药集团化学试剂厂；微纳米硫酸钾消焰剂(粒度3μm)，分析纯，西安近代化学研究所；可燃支撑筒，西安北方惠安化学工业有限公司；七孔梅花发射药，西安近代化学研究所。

M1363型高速彩色摄像机，德国Mikrotron GmbH公司，感光度1280×1024点，感光类型为CMOS，感光尺寸为12μm×12μm；X64 Xcelera-CL LX1 Base采集卡，美国DALSA公司，全分辨率格式下速度为500f/s，图像输出格式为8bit彩色。

可见光透过率测试系统，西安近代化学研究所，包括发射光学系统、接收光学系统、光电探测器、信号放大器和数据采集系统等5个部分，其中发射光学系统红外波长为1.8～2.6μm，可见光波长为0.4～0.7μm；调制器采用美国E&G公司斩波器，内孔频率15～300Hz，外孔频率150～3000Hz；信号采集处理系统为UDAQ-1006便携式采集系统，分辨率12位，采样率100Hz，采样时间2min。

动态燃烧烟雾收集系统，西安近代化学研究所，主要由枪口烟雾收集箱、安德森式颗粒物分级采样装置、分析天平、分级滤膜以及超声波清洗器组成，其中枪口烟雾收集箱是以美国NBS烟室为基础，固定体积、固定光程长的自研设备。

1.2测试方法

1.2.1枪口烟雾粒径分布与可见光透过率测试

烟雾粒径分布测试：以5.8mm弹道枪为试验平台，使用动态燃烧烟雾收集系统，将枪口燃气收集至烟雾收集箱中，通过密闭容器中的分级滤膜过滤掉燃气，称量分级滤膜增加的质量，根据每一级滤膜规格查表得到烟雾粒子的粒径分布，最后得到烟雾粒子粒径与粒子质量的对应关系。

可见光透过率测试：以5.8mm弹道枪为试验平台，采用制式装药结构，将含量相同的不同粒度消焰剂直接加入到枪弹发射药装药中，使用可见光透过率测试系统，按照Q/AY425-2004《发射药枪口烟雾透过率测试方法》进行膛口烟雾透过率测试，以可见光透过率来衡量发射时枪口的烟雾大小，可见光透过率越高，表明单位空间的烟雾微粒越少，即枪口烟雾浓度越小。

1.2.2火焰测试

以不同口径火炮为试验平台，使用火焰测试仪器，按照Q/AY 525-2011《发射药及装药炮口火焰高速摄影法》对不同结构的发射药装药炮口火焰图像进行拍摄，然后使用炮口火焰分析软件对图像进行叠加处理，得到火焰面积。

2结果与分析

2.1消焰剂粒度对枪口烟雾的影响

膛口烟雾可见光透过率测试结果见表1，烟雾粒径分级测试结果见表2。

表1　烟雾可见光透过率测试结果

注：d0为消焰剂粒径；τ为可见光透过率。

表2　烟雾粒径分级测试结果

注：d为烟雾粒径；w为烟雾粒径在各尺度内的含量。

从表1可看出，随着消焰剂粒度的减小，烟雾的可见光透过率下降；从表2可看出，含有微纳米粒度消焰剂的发射药装药燃烧后，75%的烟雾粒径分布在0.4 ~1.1μm，明显多于含常规粒度消焰剂的发射药装药，这部分烟雾粒子的粒径接近可见光波长，对光的吸收和散射作用增强，是消焰剂粒度减小后其光透过率下降的主要原因。因此从经济成本和降低枪口烟雾方面考虑，消焰剂粒度不宜过小。

2.2消焰剂粒度对炮口火焰的影响

以30mm火炮为试验平台，采用制式装药结构，研究了消焰剂粒度对炮口火焰的影响，结果见表3。

表3　30mm火炮炮口火焰的测试结果

注：d0为消焰剂粒径；m为装药质量；S为炮口火焰面积。

从表3可以看出，微纳米消焰剂质量分数不小于1.5%时可以消除炮口火焰，常规粒度消焰剂质量分数为1.5%时出现了炮口火焰，而常规粒度消焰剂质量分数2%以上时，才能达到消焰效果。表明消焰剂粒度减小后，消焰效果得到提升。

消焰剂能够抑制火焰，主要是装药燃烧后气态的K+参与可燃基团的链式反应，并终止了反应。消焰剂粒度越小，消焰剂中的K+分解速度也就越快，弹道周期内能够形成的气态K+数目越多，在发射药燃气中形成浓度较高的K+氛围，有效地阻止二次火焰链式反应，消焰效果就越好。因此减小消焰剂粒度能提高消焰剂的利用率，有利于抑制火焰。

2.3消焰剂药包装填位置对炮口火焰的影响

某大口径火炮发射药的装药结构如图1所示。

图1　某大口径火炮发射药装药结构示意图Fig.1　Schematic diagram of gun propellant chargestructure for big caliber gun

一般情况下，大中口径火炮弹药发射药装药中，消焰剂通常被装填到棉布袋中以装药元件—消焰剂药包的形式使用，因此为考察消焰剂药包在装药中位置对炮口火焰的影响，本实验分别采用将200g消焰剂药包置于装药顶部的装药结构，以及将200g消焰剂药包拆分为150g和50g两个药包，并且将50g消焰剂药包置于装药底部，测试炮口火焰的面积，共测试5发，结果见表4。

表4　消焰剂药包装填位置不同时炮口火焰的测试结果

由表4可看出，当200g消焰剂药包置于装药顶部时，5发中有3发出现炮口火焰；但将消焰剂药包拆分为两个药包，并将50g消焰剂药包放置在装药底部时，5发中仅1发出现炮口火焰，且炮口最大火焰面积由1.24m2降至0.17m2，说明消焰剂药包装填位置能够对炮口二次焰的消除产生影响。

分析认为，当整个消焰剂药包置于装药顶部时，在发射过程中随着火药气体向前运动，消焰剂受火药气体作用主要扩散到膛内火药气体流场的前端，靠近弹尾的火药气体含消焰剂成分较多，在其流出炮口后由于消焰剂的作用不会形成明显的炮口火焰。但随着消焰剂的消耗，含消焰剂成分较少的火药气体流出炮口，会形成较明显的炮口火焰；而将药包拆分为两个药包，并将其中一个药包移至装药底部后，相当于把消焰剂较为均匀地分配到整个装药药床内，在火炮发射过程中消焰剂成分可以充分与火药气体混合，从而能较好地消除炮口火焰。

2.4发射药弧厚对炮口火焰的影响

在最大膛压和炮口初速相当的条件下，不同发射药弧厚装药的某大口径火炮炮口火焰测试结果见表5。由表5可以看出，在其他装药结构相同的条件下，随着药型弧厚从1.8mm增加至2.0mm，炮口火焰呈增大趋势。根据内弹道理论可知，发射药的弧厚与其在膛内燃烧结束点直接相关；发射药弧厚(燃烧层厚度)增加，药粒燃烧结束点向膛口方向偏移，相当于缩短了燃气在膛内滞留与充分混合分散的时间；当药粒弧厚过大时，其理论燃烧结束点可能偏移至膛外，意味着发射药不能在膛内燃尽，在炮口与空气接触产生大量火焰；同时未燃尽残药在膛口的瞬态压力降作用下，出炮口后熄灭并形成燃烧残渣[8]。因此应在不影响发射装药内弹道性能的前提下，控制发射药弧厚，提高发射药的燃烧一致性，使发射药燃烧结束点远离炮口，降低炮口火焰。

表5　不同弧厚发射药装药的炮口火焰测试结果

注：δ为发射药弧厚；pm为最高膛压；v为炮口初速。

2.5可燃支撑筒长度对炮口火焰的影响

不同长度可燃支撑筒时发射药装药的炮口火焰测试结果见表6。

表6　不同长度可燃支撑筒装药的炮口火焰测试结果

注：L为可燃支撑筒长度。

由表6可以看出，同一种装药质量相同时，炮口火焰随着可燃支撑筒长度的增加而增大。可燃支撑筒的组分主要为硝化棉、硫酸盐木浆纸和一些加工助剂等，硫酸盐木浆纸和加工助剂的加入可显著提高可燃支撑筒的强度，但硫酸盐木浆纸和加工助剂的燃尽性和氧平衡系数较低，对装药整体化学平衡状态和燃烧反应动力学将产生不利影响，增加可燃支撑筒的长度，相当于降低了装药整体的氧平衡，造成装药燃烧不充分，燃气中可燃基团的含量增加，因此炮口火焰也随之增大。所以，在不影响装药内弹道性能和装药稳定性的前提下，减小可燃支撑筒长度，可以提高装药的燃尽性，有利于降低炮口火焰，本研究选用的某大口径火炮发射药装药可燃支撑筒长度约40cm时，炮口火焰面积较小。

3结论

(1)消焰剂(K2SO4)粒径从160μm减小至3μm，有助于提高消焰效果，但烟雾的可见光透过率从65.7%降至42.3%。

(2)消焰剂药包在装药中位置不同会造成消焰效果的差异，在消焰剂用量相同的条件下，装药顶部150g消焰剂药包加底部50g消焰剂药包的组合结构消焰效果优于仅含顶部200g消焰剂药包的结构。

(3)在其他装药条件不变的情况下，发射药弧厚从1.8mm增至2.0mm时，炮口火焰面积增大；炮口火焰随着可燃支撑筒长度的增加而增大。因此，在不影响装药内弹道性能和装药稳定性的前提下，应尽量减小发射药弧厚和可燃支撑筒长度。

参考文献：

[1]中国北方化学工业总公司.火炸药理论与实践[M]. 北京：中国北方化学工业总公司，2001.

[2]王泽山，徐复铭，张豪侠.火药装药设计原理[M]. 北京：兵器工业出版社， 1995.

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Bracuti A J，Battei L A，Davis R. Evaluation of multipurpose propellant additives - flame inhibitor and erosion reducing[J].Chinese Journal of Explosives and Propellants, 1985，8(2):51-57.

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Influences of Gun Propellant Charge Structures on the Muzzle Smoke and Flash

HAN Bing1, WEI Lun1, WANG Qiong-lin1, TANG Xiao-jun2, LIU Shao-wu1, LIU Jin-yu1, XIN Kai-di1

(1. Xi′an Modern Chemistry Research Institute,Xi′an 710065, China； 2. The 63863 Troop of PLA,Baicheng Jilin 137001, China)

Abstract:Aiming at the problem of serious muzzle smoke and flash for gun barrel weapon equipment, the particle size and visible light transmittance of muzzle smoke and flash were determined by 5.8mm ballistic gun as testing platform, the muzzle flash areas of different charge structures were determined by 30mm ballistic gun and big caliber gun as testing platform. The effects of gun charge structures, including particle size of flame inhibitor, location site of flame inhibitor, web size of gun propellant and length of combustible supporting piece, on the muzzle smoke and flash were investigated. The results show that reducing the particle size of flame inhibitor(K2SO4)from 160μm to 3μm helps to improve the suppression effect of flame but can cause the visible light transmittance of smoke down. When the same amount of flame inhibitor is used, the combination structure with top bag and bottom bag has the better effect on eliminating muzzle flame than the structure with only top bag. With increasing the web size of gun propellant from 1.8mm to 2.0mm, the area of muzzle flame increases. With increasing the length of the combustible supporting piece, the area of muzzle flame increases.

Keywords:gun propellant; charge structure; muzzle smoke and flash; flame inhibitor; web size of gun propellant; combustible supporting piece

中图分类号：TJ55; TQ562

文献标志码：A

文章编号：1007-7812(2016)01-0095-04

作者简介:韩冰(1982-)，男，工程师，从事发射药装药技术研究。E-mail: 57821340@qq.com通讯作者:唐小军(1976-)，男，高级工程师，从事武器装备试验研究。E-mail: milanhua2008@163.com

收稿日期:2014-10-13；修回日期:2015-08-15

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.01.018