七孔发射药内外弧厚差异对其燃烧性能的影响

唐小军，冯昌林，赵煜华，崔鹏腾，张玉成

(1. 中国白城兵器试验中心，吉林 白城 137001；2. 海军装备研究院，北京 100161；3. 西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)



七孔发射药内外弧厚差异对其燃烧性能的影响

唐小军1，冯昌林2，赵煜华3，崔鹏腾3，张玉成3

(1. 中国白城兵器试验中心，吉林 白城 137001；2. 海军装备研究院，北京 100161；3. 西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)

为了研究七孔发射药内外弧厚差异对其燃烧性能的影响，通过密闭爆发器静态燃烧试验及火炮发射药装药内弹道试验研究了内外弧厚一致性及弧厚偏差对高能低烧蚀叠氮硝胺七孔发射药燃烧性能的影响。结果表明，当发射药的内外弧厚差异较大时，密闭爆发器试验中发射药增面燃烧阶段结束点提前，增面燃烧阶段已燃百分数由85.46%降至70.76%，燃烧时间由23.40ms增至27.75ms;发射药燃烧时间随着温度变化的敏感性逐渐加大。装药发射试验中，当外弧厚大于内弧厚时，加大了装药的初速温度系数，初速温度系数由0.54m/(s·℃)增至0.78m/(s·℃)，装药质量由9.4kg增至9.8kg，最大膛压由266.9MPa降至262.6MPa。

七孔发射药；叠氮硝胺发射药；内外弧厚一致性；燃烧性能；初速温度系数

引　言

叠氮硝胺发射药是我国研制成功的高能低烧蚀发射药，该发射药主要采用叠氮硝胺增塑剂，较好地解决了高能量与低烧蚀的矛盾，并且具有较高的燃速、良好的力学性能和物理化学稳定性。近年来，针对舰炮武器系统对高能低烧蚀、低烟焰发射装药的需求，在叠氮硝胺发射药的基础上，通过增加硝基胍组分，研制成功了一种高能低烧蚀叠氮硝胺发射药(ADG型发射药)，其火药力约为1050J/g，对火炮身管的烧蚀小，同时具有低烟焰的燃烧效果，具有较好的应用前景[1-2]。

在发射药装药设计时，以发射药几何燃烧定律为基础，设计发射药的药型参数(其中弧厚为主要参数)，使发射药的燃烧结束点在弹丸行程全长的70%～80%之间。受发射药制造水平限制及操作人员技能差异等因素的影响，制备的发射药药粒弧厚与理论设计值间存在一定偏差[3]，且同一型号的发射药，其几何尺寸不可能完全一致，会在一定范围内波动，使实际的发射药弧厚均呈正态分布[4-5]。同时，在发射药加工成型过程中，模针由于受力不均，出现向内聚集或向外扩张的情况，导致同一批次的发射药出现内外弧厚不一致现象。

弹道计算表明[6]，弧厚的变化对弹道性能影响显著，且在发射药实际生产过程中较难控制。多孔发射药的内外弧厚一致性及弧厚偏差影响着发射药能量的释放速率，发射药内外弧厚一致性对装药的膛压、初速或然误差有重要影响。目前，弧厚偏差对武器内弹道性能的影响已有相关研究，但针对内外弧厚偏差与发射药燃烧性能影响规律的研究尚未见文献报道。

本实验结合ADG型发射药装药研究，针对由工艺引起的内外弧厚不一致情况对发射药燃烧性能的影响进行了探索，以期为该发射药的成型加工及推广应用提供参考。

1　实　验

1.1样品和仪器

叠氮硝胺发射药主要由硝化棉(NC，含氮量为12.6%)、硝基胍(NGU)、1，5-二叠氮基-3-硝基-3-氮杂戊烷(DIANP)、硝化甘油(NG)、二硝基甲苯(DNT)和二号中定剂(C2)组成。

63T压伸机，天津天锻压力机有限公司；10L卧式捏合机，陕西盛源非标设备科技有限公司；CP-YX-10型火药药型尺寸测量装置，太原先导自动控制设备有限公司。

1.2样品制备

取相同批次的原材料及配方，采用半溶剂法制备ADG型发射药，分别经过吸收、脱水、胶化、压伸成型、切药、烘干等工序制备了3个批次的七孔圆柱型试验样品，分别为ADG01、ADG02、ADG03，3个发射药样品的平均弧厚相同。内弧厚(l1)指两个内孔之间的弧厚，外弧厚(l2)指最外层内孔与药粒最大圆周之间的弧厚，七孔发射药及其内外弧厚示意图如图1所示。

1.3药形测试

按照GJB770B-2005中421.1小型药形尺寸测量法，对3个发射药样品ADG01、ADG02、ADG03进行测量。根据药形测量仪的工作原理，每1粒七孔药的端面测量3个方向，每批样品随机取25个药粒测试，不同发射药样品的平均内弧厚、平均外弧厚及内外弧厚偏差测量结果如表1所示。

表1　3个发射药样品的弧厚测量结果

图1　七孔发射药及其内、外弧厚示意图Fig.1　Sketch of 7-perf granular propellant and its inner and outer web thickness

1.4密闭爆发器试验

按照GJB770B-2005 703.1密闭爆发器试验方法，对3个发射药样品ADG01、ADG02、ADG03分别进行爆发器高、低、常温试验。密闭爆发器体积为100mL，发射药的装填密度为0.2g/mL，点发射药为2号硝化棉，质量为1.1g，点火压力为10MPa。记录压力-时间(p-t)曲线，处理得到动态活度-相对压力(L-B)曲线。

1.5发射装药动态燃烧试验

按照GJB2973-1997火炮内弹道试验方法要求，分别采用3个发射药样品ADG01、ADG02、ADG03进行内弹道试验。火炮口径130mm，弹丸质量33kg。装药采用中心传火管点火方式。通过选药量试验，确定常温下初速为850m/s的装药量，固定装药量，进行高温和低温下的射击试验各1组，每组5发，同时记录弹丸初速和最大膛压。

2　结果与讨论

2.1内外弧厚差异对七孔药燃烧过程的影响

按照七孔发射药药形设计原理[7]，1个孔位于端面的中心，其余6个孔分列在中间孔的周围正六边形顶点上，内弧厚与外弧厚相同，从而保证弧厚燃完的同时性。然而由于工艺原因，造成孔与孔及孔与外边缘的弧厚存在差异。由表1可见，3个发射药样品弧厚平均值基本相同，但样品ADG01由于模针扩张致使平均内弧厚比平均外弧厚略大，ADG02由于模针收缩致使平均内弧厚比平均外弧厚小约0.53mm，ADG03平均内外弧厚一致性较好，同时ADG02发射药的内、外弧厚偏差均较大，弧厚一致性差。

根据所测的内外弧厚值可以预估3种发射药的燃烧情况。3个发射药断面图及增面燃烧阶段结束后分裂情况示意图如图2所示。对于ADG03标准尺寸的七孔发射药，在燃烧分裂的瞬间，燃烧面将增加到起始燃烧面的1.37倍，这时发射药燃烧掉的质量分数约为85%，有约15%的发射药将在减面燃烧阶段燃去，剩余6个大棒状体内切圆半径为0.41mm。ADG01内弧厚略大于外弧厚，其燃烧分裂过程经历3个过程，其第2阶段燃烧分裂点的已燃相对百分数为84.56%。而AGD02发射药在制造的过程中，模针向中心聚集，导致外弧厚明显大于内弧厚，如图2(b)所示，增面燃去70.76%后，发射药分裂成6块小棒状物及内径为曲边形的圆环，进入减面燃烧阶段，内弧厚偏小致使增面燃烧分裂点提前。通过对已燃相对百分数的理论计算，燃烧渐增性ADG03最好，ADG01次之，ADG02最差。

图2　3个发射药断面图及增面燃烧阶段结束之后的分裂情况示意图Fig.2　Sections and separations of three kinds of gun propellants after progressive combustion period

2.2内外弧厚差异对静态燃烧性能的影响

为验证内外弧厚一致性对发射药静态燃烧性能的影响，对3个发射药样品分别进行低温(-40℃)、常温(20℃)以及高温(50℃)的密闭爆发器试验，结果如图3所示。

图3　不同温度下ADG发射药燃烧p-t曲线及L-B曲线Fig.3　p-t and L-B curves for ADG gun propellant combustion under different temperaturs

由图3可以看出，不同温度条件下ADG01和ADG03发射药的p-t曲线、L-B曲线变化趋势基本一致，燃烧结分裂点接近，与表1中内、外弧厚的测量结果一致。在低温、常温条件下，与ADG01和ADG03相比，AGD02发射药的燃完时间显著增大，在L-B曲线中，在B值约为0.7时，动态活度开始下降，燃烧渐增性变差。由表1可知，ADG02样品在燃去70.76%后便开始减面燃烧。因此，在燃烧渐增性方面，工艺弧厚一致性较好的ADG01和ADG03发射药要明显优于ADG02发射药。由图3(e)～图3(f)可以看出，3个发射药样品在高温条件下燃烧时间差异显著缩小，燃烧时间和燃烧压力比较接近，L-B曲线后端的差异也逐渐缩小。

为了更直观地了解工艺一致性对温度敏感性的影响，在高、低、常温条件下，对ADG02和ADG03发射药的p-t和L-B曲线进行了对比分析，如图4所示。由图4可知，ADG03发射药在高、低温条件下燃烧时间差约为3.4ms，而ADG02发射药为6.8ms。ADG02发射药高、低、常温条件下的p-t曲线离散性要大于ADG03发射药。而反映在L-B曲线上，则表现为ADG02发射药的燃烧渐增性低于ADG03发射药。实验结果表明，在内、外弧厚一致性较差的情况下，温度对爆发器发射药燃烧时间测试结果的敏感性有较大影响。

图4　不同温度下ADG02和ADG03发射药p-t曲线及L-B曲线对比Fig. 4　Comparison of the p-t and L-B curves of ADG02 and ADG03 at different temperatures

对于标准尺寸的七孔发射药，在燃烧分裂的瞬间，发射药已燃百分数约为85%，有约15%将在减面燃烧阶段烧去，ADG01和ADG03发射药均属于此情况。由于内、外弧厚差异及弧厚偏差的影响，ADG02发射药在已燃百分数约为70%时开始进入减面燃烧阶段。密闭爆发器试验结果有效反映了表1中预测的燃烧过程，因此，密闭爆发器静态燃烧试验可以定性评判多孔粒状发射药内外弧厚差异大小。

2.3内外弧厚偏差对装药弹道性能的影响

为验证ADG01、ADG02和ADG03发射药的动态燃烧性能，在某火炮上进行了装药弹道性能试验。按照选药量结果确定装填条件，分别在高、低、常温条件下进行9组射击试验，每组5发取平均值。在初速850m/s条件下，按照修正系数对常温膛压及装药量进行修正，结果如表2所示。

表2　 发射装药燃烧试验结果

注：m为装药质量；p为膛压；v0为弹丸初速；k为初速温度系数。

从表2可以看出，常温时，在达到相同初速的前提下，内外层弧厚差别较大的ADG02发射药所需的发射药量最高，约为9.8kg。虽然ADG02发射药的平均弧厚与ADG03发射药的平均弧厚一致，但是由于ADG02发射药外弧厚偏大，燃烧渐增性差，使装药量产生较大的差异。内外层弧厚偏差增大，造成发射药燃烧时间增长，增面燃烧结束时间提前，降低了发射药的作功效率，若需要达到相同的初速，则需要增加装药量。

ADG01发射药在-40～50℃间的初速温度系数为0.54m/(s·℃)，ADG03发射药为0.57m/(s·℃)，两者基本接近。ADG02发射药为0.78m/(s·℃)，较其他两种发射药约高36%以上。造成这种差异主要是由于ADG02拖尾燃烧严重，燃烧结束点趋向炮口，炮口流出能量损失增大。结果表明，内外弧厚偏差增大，不但会造成发射药装药量的增加，而且使装药高温条件下的初速温度系数明显增大，虽然装药膛压增幅较小(约4MPa)，但对初速影响比较大。对于七孔ADG型发射药，随着内外弧厚偏差增大，装药的初速温度系数也会增大。

3　结　论

(1)随着内外层弧厚一致性变差，七孔发射药增面燃烧结束点提前，燃完时间增加，燃烧渐增性变差，弧厚值散布较大的发射药燃烧时间随着温度变化的敏感性逐渐加大。

(2)对于七孔ADG型发射装药，随着内外弧厚差值增大，装药的初速温度系数和装药量增加，最大膛压降低。

(3)内外弧厚差值增大，对发射药静态燃烧性能及装药燃烧性能均产生较大影响，随着内外弧厚一致性变差，发射药的燃烧渐增性也变差。因此，在发射药药形质量控制中，应将弧厚偏差作为衡量发射药工艺和质量一致性的重要参数。

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Effect of Inside and Outside Web Thickness Difference on the Combustion Performance of 7-Perf Granular Gun Propellant

TNAG Xiao-jun1,FENG Chang-lin2,ZHAO Yu-hua3,CUI Peng-teng3,ZHANG Yu-cheng3

(1.Chinese Baicheng Ordance Test Center, Baicheng Jilin 137001,China;2.Naval Academy of Armaement, Beijing 100161,China; 3.Xi′an Modern Chemistry Research Institute,Xi′an 710065,China)

To study the effect of difference between inner and outer web thickness of 7-perf granular gun propellant on its combustion performance, the effect of consistancy and deviation between inner and outer web thickness on the combustion performance of 7-perf azido nitramine granular gun propellant with high-energy and low erosion was studied by static combustion test of closed bomb and interior ballistic test of gun propellant charge. The results show that when the difference between inner and outer web thickness is large, the end point of progressive surface combustion stage for gun propellant in closed bomb test is advanced, the burned percentage of progressive surface combustion stage decreases from 85.46% to 70.76% and the combustion time increases from 23.40ms to 27.75ms. The sensitivity of combustion time of gun propellant with the change of the temperature gradually increases. When the outer web thickess is bigger than inner web thickess, the muzzle velocity temperature sensitivity coefficient of the charge increases from 0.54m/(s·℃) to 0.78m/(s·℃), the charge mass increases from 9.4kg to 9.8kg and the maximum bore pressure decreases from 266.9MPa to 262.6MPa.

7-perf gun propellant;azidonitramine propellant web thickness deviation; combustion performance; muzzle velocity temperature-sensitive coefficient

10.14077/j.issn.1007-7812.2016.04.019

2016-03-30；

2016-06-29

国防科工局基础产品创新计划火炸药专项

唐小军(1976-)，男，高级工程师，从事弹药技术研究。E-mail:milanhua2008@163.com

张玉成(1977- )，男，博士，研究员，从事发射药装药技术研究。E-mail:zyc204@163.com

TJ55;O643.2

A

1007-7812(2016)04-0097-05