一种新型固体随行弹药的实验研究

梁 磊，闫光虎，赵煜华，刘 毅，张江波

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）



一种新型固体随行弹药的实验研究

梁 磊，闫光虎，赵煜华，刘 毅，张江波

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

摘 要：为实现固体随行装药的随行效果，设计了一种新型固体随行装药试验弹，对不同发射药进行了密闭爆发器试验，并开展了30mm火炮内弹道试验，分析了不同点火延迟机构的点火延迟效果。试验结果表明：RGD7-4/7发射药和2/1樟燃速相比5/7和4/7单基药更符合随行装药的速燃性要求，主装药采用5/7或4/7单基药装药，随行药室采用RGD7-4/7和2/1樟发射药，通过点火延迟机构控制合适的时间点燃随行药，可实现膛压P——t曲线压力平台；与常规装药对比，在膛压300MPa基本不变条件下，初速最高提高4.25％，表现出良好的随行效果。

关键词：固体随行装药；内弹道；点火延迟；初速

初速是火炮性能的一个重要指标。对于常规装药火炮，膛底和弹底之间存在一定的压力梯度，使得推动弹丸运动的弹底压力只约为膛底压力的70％，因而严重地影响了弹丸初速的提高。随行装药技术是将一部分发射药装于弹底，使其随弹丸一起运动，并在弹丸出炮口前燃烧完毕。随行装药的燃烧有效地提高了弹底压力，降低了膛底与弹底之间的压力梯度，从而在最大膛压和有效弹重不变的条件下，达到提高弹丸初速的目的[1]。另外，在一定压力条件下，随行装药技术的发射系统与现有的火炮结构相容，仅仅通过改变装药结构，就能达到改善火炮的内弹道性能和提高弹丸初速的目的。

国外学者[2-6]主要是研究超高燃速火药作为随行装药，虽取得一定进展，但燃烧稳定性不好。国内研究人员对采用强制携带片装药的方案[7]和整装式液体随行装药方案[8-9]进行研究。然而，随行装药的粘接技术不能保证其跟随弹丸运动直至炮口；此外，随行装药点火延迟的控制技术等[10]几个关键技术未能很好解决，使得随行装药的效能不能充分发挥。

本文采用新型固体随行装药方案，在弹丸尾部连接一个具有密封功能的点火延迟机构，通过30mm火炮内弹道试验研究，表明此结构采用固体发射装药可以实现随行原理，对提高弹丸炮口初速具有很大潜力，为随行装药技术的工程应用提供技术指导。

1　试验

1.1随行装药弹丸结构及作用原理

固体随行装药弹丸结构是由弹底螺旋盖、点火延迟机构、随行药室、弹带和弹体几个关键部件组成。其中点火延迟机构及燃气排放系统安装于弹底螺旋盖上，如图1所示。

图1　固体随行装药弹丸结构示意图Fig.1 Sketch of a solid traveling charge

点火延迟机构主要由延迟点火装置组成，可通过调节延迟点火装置，以实现随行装药的延迟点火；并且周边均匀分布随行药室高压气体排气系统。具体工作原理为：当主装药点燃后，高温高压气体通过延迟点火装置点燃随行药，此时，排气系统不工作处于密封状态，当随行药延迟点燃后，随行药室内与弹丸底部产生一定压力差，排气系统自动打开，实现排气功能，补强弹底压力，出现第2个压力峰值，以实现随行效果。

由经典内弹道理论[11]，可知全过程燃气膨胀所完成的机械功等于p——l曲线下的面积，如式（1）所示：

式（1）中：p为弹后空间的平均压力，而事实上弹丸是在弹底压力pd作用下运动的。

由内弹道学[11]可知，普通装药的膛底压力pt、弹底压力pd与平均压力p之间关系如式（2）～（3）所示：

由式（2）～（3）中看出，膛底压力pt远远低于弹底压力pd和平均压力p，并且弹丸重量ω与装药量m之比越大，pt与pd之差就越大。

因此，随行装药技术可以控制随行药在合适的时间点燃，在不增加最大压力的前提下，通过改变燃气生成规律，补强弹底压力，使得最大压力点附近曲线变得平缓，进而增加p——l曲线下的做功面积，提高弹丸初速。

1.2密闭爆发器试验

依据GJB 770B-2005火药密闭爆发器试验法，分别对5/7石、4/7石、2/1樟单基药以及4/7高能硝胺发射药进行静态燃烧性能测试。试验温度20℃，密闭爆发器容积为100mL，装填密度为0.2g/mL，点火药包采用1.1g 2#NC，点火压力为10MPa。

1.3内弹道试验

使用上述所设计的随行试验弹丸，在30mm高压滑膛弹道炮上进行内弹道试验。主药室采用制式单基药，随行装药采用高能硝胺发射药或与单基药的混装药，点火方式为DD2电底火点火，膛底和炮口处采用压电传感器测量P——t曲线变化。

2　结果与讨论

2.1密闭爆发器试验结果

对所用的制式单基发射药以及高能硝胺发射药进行了密闭爆发器试验，发射药的基本参数如表1所示。

表1　发射药基本参数Tab.1 The parameters of the gun propellant

图2为试验所得密闭爆发器的P——t曲线及对P——t曲线进行处理后得到的L——B曲线[12]。

图2　4种发射药的P——t曲线及L——B曲线Fig.2 P——t curves and L——B curves of conventional propellant

从图2（a）看出，RGD7-4/7发射药的P——t曲线上升速率明显高于5/7和4/7单基药，说明RGD7-4/7发射药的起始燃气生成速率较快，同时，RGD7-4/7发射药具有更高的燃烧能量。因为2/1樟发射药的弧厚薄，根据燃速定律，2/1樟发射药具有更高的燃烧速度。所以，RGD7-4/7发射药和2/1樟燃速相比5/7 和4/7单基药更符合随行装药的速燃性要求。图2（b）L——B曲线表明，5/7单基药、4/7单基药和RGD7-4/7发射药燃烧渐增性相近，而2/1樟发射药相对燃烧渐增性稍差，这种特性适宜随行装药能够在短时间内释放出更多的能量用来做功。通过以上分析知，燃烧速率较低的5/7和4/7单基药能够使主药室中内弹道的最大压力点延后，而RGD7-4/7发射药的高能量和较高燃速特性加上燃烧渐增性稍差的2/1樟单基药能够更好地补充炮膛内的能量，形成类压力平台效应，较大幅度提高炮口初速。

2.2内弹道试验结果

利用上述随行装药弹丸在30mm火炮上进行内弹道试验。考察所设计的延迟装置的点火延迟效果，同时，研究不同装药结构对随行弹丸膛压、初速的变化影响，考察所研制的固体随行试验弹的随行效果。

2.2.1不同延迟时间试验研究

采用4/7单基药为主装药，4/7高能硝胺发射药为随行药，通过控制点火延迟机构改变点火延迟时间，分别进行随行装药内弹道试验，其P——t曲线如图3所示。由图3（a）可见，Δ t为3.0ms，初速仅提高2.10％；图3（b）Δ t为0.7ms，初速提高3.64％；图3（c）Δ t为0.6ms，初速提高4.19％。由结果可以分析得到，当点火延迟时间保证在超过第1峰值时间的情况下，点火延迟时间越长，压力曲线下方面积越小，形成的初速越小，因此点火延迟时间应尽量靠近第1峰值。所设计的点火延迟机构，可根据装药调整其点火延迟时间，保证在最大膛压基本不变条件下，出现膛压P——t曲线双峰或平台现象。

图3　随行装药不同点火延迟时间下点燃的P——t曲线Fig.3 P——t curves for traveling charge at different ignition 1ag time

2.2.2不同装药结构试验研究

根据点火延迟试验结果，选取合适的点火延迟时间，开展其在不同装药结构下的内弹道试验，进一步优化随行装药试验。弹药装填条件及内弹道试验结果见表2。

表2　随行装药弹道试验结果Tab.2 The firing results of the 30mm solid-traveling-charge

由表2中数据可以看出：（1）相同主装药结构、同等装药量条件下，RGD7随行药的添加，在最大膛压不变情况下，初速有一定程度提高，序号2与序号1的最大膛压Pm相当，均为330MPa，初速提高2.16％；（2）相同主装药结构、随行药采用RGD7和2/1混合装药时，在最大膛压相当情况下，初速有较大幅度提高，初速提高最高达4.25％。分析其原因，主要是因为随行药加入了弧厚稍薄的2/1单基药，相对主装药提高了随行药的燃速，并且2/1单基药的燃烧特性保证了随行药在膛内燃尽，并将能量用于弹底压力补强，从而有效提高了弹丸初速；（3）试验所采用的装药并不是高燃速发射药，仅是通过改变药型与结构，以达到与燃速的合理匹配，取得了良好的弹道效果，但效果有限。由此可以得出：所设计的随行试验弹，采用固体发射药可以实现随行原理，合理地解决主装药结构与随行装药结构在燃速上的矛盾，其效果更佳。主装药结构相同，随行装药采用RGD7以及混装2/1单基药，其膛压及相应的炮口P——t曲线如图4所示。

图4　不同随行装药结构的膛底及对应炮口曲线Fig.4 P——t curves for traveling charge of different travelling charge structure

由图4的P——t曲线看出，随行装药膛内最大压力与空白装药相比基本保持不变，加随行药试验弹P——t曲线达到最大压力点后下降平缓且曲线光滑，曲线上除了有个明显峰值外，后期还出现一突台。其中第1个峰值为火炮主装药燃烧形成的最大膛压，第2个峰值或突台是跟随弹丸一起运动的固体随行药燃烧后形成的，它有效补充了弹后空间的压降，增大了膛压曲线的示压面积，提高了弹丸推进效率，从而增加了弹丸初速。从图4（a）第2发P——t曲线可以看出，第2个峰值偏后，且“平台”不太明显，说明随行药燃速较慢，随行药点燃达到最大压力点，即随行药燃烧结束点基本是在弹丸出炮口处达到，能量没有被充分利用，因此，也未能发挥理想随行效果。从图4（a）第3发、图4（b）第8发P——t曲线看出，在膛压最大压力点后约200MPa附近，出现一较明显的小“平台”，增大了做功面积。分析其原因，随行药混装2/1单基药，一定程度上提高了燃气生成速率，保证了随行药在膛内燃烧完全，表现出较明显的随行效果。说明通过合理地设计装药结构及装药量，实现压力平台，即随行效果，从而较大幅度地提高炮口初速。

3　结论

（1）随行装药采用主装药和随行装药燃速相差明显的发射装药能够更好地提高初速。即主药室装药具有起始缓燃性，附加药室装药具有速燃和燃烧渐减性。（2）所设计的新型点火延迟机构能够满足随行装药试验弹内弹道设计的需要，可以控制随行药在膛压最大压力点后点燃。（3）所设计的随行试验弹，在最大膛压300MPa基本不变条件下，弹丸初速提高最高4.25％，随行效果良好。可通过装药结构和装药量的优化设计，极大地发挥随行弹药增速潜能。

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Experimental Research on A New Solid Traveling Charge of 30mm Gun

LIANG Lei，YAN Guang-hu，ZHAO Yu-hua，LIU Yi，ZHANG Jiang-bo
（Xi’an Modern Chemistry Research Institute,Xi’an ,710065）

Abstract：In order to realize the traveling effects in the process of gun firing,a new solid traveling charge of 30mm gun was designed,and the static combustion performance of the different kinds of propellants were contrasted by the closed bomb test,as well as the effect of the ignition delay and the interior ballistic conditions were tested by 30 mm gun experiment.The experimental results show that,RGD7-4/7 high-energy nitramine and 2/1 single based propellant have the characteristic of higher initial burning rate,compared to that of the 5/7 and 4/7 propellant,so the 5/7 and 4/7 single based propellant are used as its main charge,and the RGD7-4/7 and 2/1 gun propellant are used as its traveling charge.The method of the ignition delay ensured that traveling charge is ignited at the appropriate ignition lag time,which obtained a pressure platform in chamber pressure——time curves.The muzzle velocity of the traveling charge can be increased 4.25％ compared to the blank charge (i.e.main charge only,no additional charge),under the condition of keeping the maximum pressure 300MPa,which shows the good traveling effect.

Key words：Solid traveling charge；Interior ballistic；Ignition delay；Muzzle velocity

作者简介：梁磊（1984 -），男，工程师，主要从事发射药装药技术研究。

收稿日期：2015-08-10

中图分类号：TJ303+.8

文献标识码：A

文章编号：1003-1480（2016）01-0049-04