37 孔硝基胍发射药单一装药和混合装药的燃烧性能

蒋 帅，刘 琼，南风强，尹记红，堵 平

（1. 南京理工大学特种能源材料教育部重点实验室，江苏 南京 210094；2. 辽宁庆阳特种化工有限公司，辽宁 辽阳 111002）

1 引言

在载荷和结构一定的前提下，为了使火炮的初速更高、射程更远，就必须提高发射药的能量，主要技术途径就是采用高能发射药和高装填密度装药来提高发射药的能量［1］。但随着装填密度的提高，火炮最大膛压亦相应地增加，因此，为确保最大膛压未超过火炮能够承受的最大范围，必须进一步提高发射装药的燃烧渐增性［2-3］。

如果发射装药在燃烧时，燃气生成量会随着燃烧时间的增长而增加，那么其燃烧就被称为渐增性燃烧。为了提高发射装药的燃烧渐增性，国内外学者陆续提出了很多不同的技术，比如钝感技术、多孔发射药、包覆发射药、混合装药等［4-6］。目前，世界上有报道的具有实用价值的超多孔发射药是37孔。杨春海等［7］为降低低温感装药中37 孔硝基胍发射药（主装药）减面燃烧的副作用，使用一种具有较大表面张力的环氧树脂复合材料为阻燃材料，采用涂刷法对37 孔硝基胍发射药的端面进行不堵孔包覆，结果表明，该技术明显提高了37 孔硝基胍发射药的燃烧渐增性。张丽娜［8］为进一步提高37 孔硝基胍发射药的燃烧渐增性，选用二氧化钛作为阻燃剂，采用双层包覆工艺对37 孔硝基胍发射药进行包覆，结果表明，内、外包覆层含量均为5% 时包覆药的燃烧渐增性最好，相对于未包覆的37 孔硝基胍发射药，其燃烧增面值提高了43.53%。

混合装药属于燃面和燃速结合的渐增性装药技术，同时拥有包覆发射药和未包覆发射药的优点［9-10］。由于包覆多孔粒状药具有比多孔粒状药更高的燃烧渐增性，若采用二者以不同质量比组合而成的混合装药，不仅可以提高装填密度，亦可进一步提高发射装药的燃烧渐增性，还能降低装药的弹道温度系数，起到低温感效果；此外，还可以通过调节二者的混合比例，使得渐增性得到进一步提高。大口径火炮装药一般采用大弧厚大粒多孔药为主装药，通过混合一定比例的小粒包覆多孔药来增加装药的燃烧渐增性［11］。韩博［12］将大弧厚37 孔硝基胍发射药与19 孔不均等大弧厚硝基胍包覆药以一定混合质量比例组成混合装药，有效地提升了火炮初速和射程。

目前，尚未见国内外相关文献报道不同弧厚的37孔硝基胍发射药的燃烧性能及其与19 孔硝基胍包覆药以不同混合比例组合而成的混合装药的燃烧性能研究。根据某新型装药要求，本工作选用花边形37 孔粒状三胍-15 发射药为主装药（MC）、花边形19 孔粒状三胍-15 包覆药为辅助装药（B），通过定容密闭爆发器实验，装填密度为0.20 g·cm-3，在高温（50 ℃）、常温（20 ℃）、低温（-40 ℃）条件下，研究弧厚对单一MC 燃烧性能的影响以及混合比例对混合装药（MC+B）燃烧性能的影响，为以后的火炮装药设计提供基础。

2 实验部分

2.1 试剂与仪器

三胍-15 吸收药片，辽宁庆阳特种化工有限公司；棒状硝基胍，辽宁庆阳特种化工有限公司；丙酮（AR），乙醇（AR），硫酸钾（AR），南京化学试剂股份有限公司；TiO2（99.8% 100 nm 锐钛矿型），上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

HiROXKH-1000型三维视频显微仪，美国科视达（中国）有限公司；超大屏电子数显卡尺，量程0～200 mm，上海恒量量具有限公司；JB-90D 型数显恒数搅拌机，湖南力辰科技有限公司；转鼓包覆锅，泰州市黎明制药机械有限公司；AHX 安全型水浴烘箱，南京理工大学机电厂；QHL-1P-D 型可程式高低温试验（防爆）箱，上海奇珊电子科技有限公司。

2.2 发射药样品制备

按照三胍-15 多孔发射药的配方［12］，经原料预处理、胶化捏合、压伸、切药、烘干等发射药制备工序制得21/37H、23/37H、25/37H、27/37H、23/19H 三胍-15 发射药，然后采用双层包覆工艺对23/19H 发射药表面用含TiO2的阻燃材料进行包覆处理，制得23/19HB11 包覆药，其中包覆层质量百分数为11%，包覆层中TiO2含量为30%。

花边37 孔发射药三维结构示意图如图1 所示，每种发射药挑选25 粒，利用三维视频显微仪、电子数显卡尺测量药粒尺寸。

其中弧厚2e1指相邻两内孔邻近外弧之间的水平距离，长度l 指药粒的长度，孔径d 指内孔的直径，外径D 指7 个内孔所在中心线最外侧两外弧之间的水平距离，测量结果取平均值，见表1。

图1 花边37 孔发射药三维结构示意图Fig.1 The schematic diagram of three-dimensional structure of lace-shaped 37-hole propellant

表1 4 种37 孔硝基胍发射药和一种19 孔硝基胍包覆药的药粒尺寸Table 1 Particle size of four 37-hole nitroguanidine propellants and one 19-hole nitroguanidine coated propellants

2.3 定容密闭爆发器实验

按照GJB 770B-2005 火药试验方法703.1，实验温度为高温（50 ℃）、常温（20 ℃）、低温（-40 ℃），实验前将待测试样品在高低温试验箱内保温8 h以上。密闭爆发器本体容积为700.00 cm3，装填密度为0.20 g·cm-3，点火药为（7±0.001）g的2#硝化棉，点火压力为10.16 MPa。

将实验所测得的压力-时间（p-t）曲线进行处理后可得到动态燃烧活度-燃烧相对压力（L-B）曲线：

式中，p为密闭爆发器实验压力，MPa；L为动态燃烧活度，MPa-1·s-1；pm为实验最大压力，MPa；B为燃烧相对压力。

3 结果与讨论

3.1 不同弧厚单一主装药的定容燃烧结果

在高温（50 ℃）、常温（20 ℃）、低温（-40 ℃）下，21/37H、23/37H、25/37H、27/37H 单一主装药定容燃烧的压力-时间（p-t）曲线、动态燃烧活度-燃烧相对压力（L-B）曲线如图2 所示。

图2 3 种温度下单一主装药的p-t 和L-B 曲线Fig.2 The p-t and L-B curves of single main charge at three temperatures

由图2a、图2b、图2c 可以得出3 种温度下4 种不同弧厚单一主装药的燃烧时间，结果见表2。

由表2 可以看出，温度越高，同一弧厚37 孔硝基胍发射药的燃烧时间越短，符合火药燃速随温度下降而降低的规律。在相同温度条件下，不同弧厚发射药的p-t 曲线之间有明显差距，弧厚越大的37 孔硝基胍发射药，燃烧时间越长，说明火药燃速随弧厚增加而降低。

由图2d、图2e、图2f 可以看出，单一主装药的燃烧活度先快速上升，出现了燃烧尖峰，随着燃烧的进行，活度变化表现为先下降后上升，表明发射药燃烧初期发生了明显的侵蚀燃烧现象［13］；随温度降低，同一弧厚发射药起始燃烧活度越小，侵蚀燃烧现象越明显，L-B 曲线的变化趋势越平缓。在相同温度条件下，不同弧厚发射药的L-B 曲线之间有明显差距，弧厚越大的37 孔硝基胍发射药，其L-B 曲线越低，起始燃烧活度越小，侵蚀燃烧现象越不明显。

表2 3 种温度下4 种不同弧厚单一主装药的燃烧时间Table 2 Burning times of single main charge with four different arc thickness at three temperatures

药粒燃烧增面性（ΔL）和渐增性燃烧特征值（Lm/L0）可以作为判定发射药燃烧渐增性强弱的依据，即ΔL 和Lm/L0值越大，燃烧渐增性就越强［14］。不同弧厚的37 孔单一主装药在高、常、低温下的燃烧渐增性特征点见表3。

表3 21/37H、23/37H、25/37H、27/37H 发射药的燃烧渐增性特征点Table 3 Characteristic points of combustion increasement of 21/37H，23/37H，25/37H，27/37H propellants

从表3 和图2 可以看出，温度越高，任一弧厚单一主装药的ΔL、Lm/L0都越大，燃烧渐增性越强。在相同温度条件下，弧厚越大的单一主装药，其ΔL、Lm/L0都越大，燃烧渐增性越强。

3.2 不同混合比例的混合装药定容燃烧结果

在高温（50 ℃）、常温（20 ℃）、低温（-40 ℃）下，23/37H 单 一 主 装 药（MC：B=10∶0）、23/37H+23/19HB11 混合装药（MC∶B=8∶2、7∶3）、23/19HB 单一包覆药（MC∶B=0∶10）定容燃烧的L-B曲线如图3所示。

由图3 可以看出，相同温度下，混合装药的起始燃烧活度比单一包覆药大，随着主装药比例的增加，起始燃烧活度变大，单一主装药的L-B 曲线在起始阶段出现了明显的侵蚀燃烧峰，加入包覆药组成混合装药后，侵蚀燃烧峰明显减小，这是因为包覆药的包覆层表面阻燃，降低了包覆药起始燃速，又由于包覆层的堵孔作用，初期内孔不燃烧，消除了起始侵蚀燃烧现象。随着混合装药中包覆药的比例增加，侵蚀燃烧峰逐渐减小，说明包覆药有明显降低起始侵蚀燃烧尖峰的效果。不同混合比例的23/37H+23/19HB11 混合装药在高、常、低温下的燃烧渐增性特征点见表4。

图3 3 种温度下不同混合比例的混合装药的L-B 曲线Fig. 3 L-B curves of mixed charges with different mixing mass ratios at three temperatures

由表4 和图3 可以看出，温度越高，相同混合比例的混合装药ΔL、Lm/L0值越大，燃烧渐增性越好。相同温度下，混合装药燃烧渐增性均强于单一主装药，这是因为包覆药着火后，随着包覆层的破裂和逐渐燃尽，内孔开始燃烧，燃面增大，从而明显地提高了混合装药的燃烧渐增性。

比较表4 数据可知，高、常、低温下，与单一主装药（10∶0）相比，混合装药（8∶2）的ΔL、Lm/L0值分别提高8.76%＜26.54%＜83.65%，2.15%＜4.37%＜4.60%，混 合 装 药（7∶3）的ΔL、Lm/L0值 分 别 提 高8.54%＜22.40%＜154.40%，2.56%＜4.13%＜8.92%。表明：高、常温下，与单一主装药（10∶0）相比，混合装药（8∶2、7∶3）的ΔL、Lm/L0值提高的幅度相差不大，但低温下提高的幅度最大，这是因为低温下包覆药的包覆层强度较差［15］，在较小压力下就能破孔，比常、高温更早地参与燃烧，使渐增性提高得更多。

混合比例对混合装药燃烧渐增性产生影响，合适的混合比例是混合装药获得良好渐增性的保证，在装填密度为0.20 g·cm-3条件下，与混合装药（8∶2）相比，高、常、低温下混合装药（7∶3）的Lm/L0值分别提高0.40%，-0.24%和4.13%，因此，高、常、低温下，混合装药获得较佳燃烧渐增性的混合比例均为7∶3。

表4 不同混合比例的23/37H+23/19HB11 混合装药的燃烧渐增性特征点Table 4 Characteristic points of combustion increasement of 23/37H+23/19HB11 mixed charge with different mass ratios

4 结论

（1）在相同实验条件下，随温度降低，同一弧厚37孔单一主装药的侵蚀燃烧现象越明显，燃烧渐增性越弱；相同温度下，弧厚越大的37 孔单一主装药，其侵蚀燃烧现象越不明显，燃烧渐增性越强。

（2）混合比例对混合装药的燃烧产生影响，在相同温度下，混合装药中的包覆药有明显降低起始侵蚀燃烧尖峰的效果，且随着包覆药的比例增加，侵蚀燃烧峰逐渐减小。

（3）包覆药的加入明显地提高了混合装药的渐增性，合适的混合比例是混合装药获得良好渐增性的保证。温度越高，同一混合比例的混合装药ΔL、Lm/L0值越大，燃烧渐增性越好；相同温度下，混合装药的燃烧渐增性均强于单一主装药，高、常、低温下，混合装药获得较佳燃烧渐增性的混合比例均为7∶3。