一種新型可燃藥盒的特性研究

裔 璐, 堵 平, 劉 瓊

(1. 南京理工大學(xué)化工學(xué)院, 江蘇 南京 210094; 2. 遼寧慶陽特種化工有限公司, 遼寧 遼陽 111002)

1 引 言

目前我國大口徑榴彈炮采用的發(fā)射變裝藥主要是雙藥筒裝藥。但是雙藥筒裝藥存在裝藥繁瑣、彈藥利用率低、勤務(wù)處理困難等問題。而單元藥筒裝藥改變雙藥筒內(nèi)布袋式藥包的裝藥形式,采用一種新型可燃藥盒的裝藥形式,使單元藥筒裝藥用一個(gè)藥筒同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙藥筒裝藥(減變裝藥和全裝藥)的作戰(zhàn)效能,使彈藥利用率大大增加,火炮的效能獲得較大幅度的提高[1]。

新型可燃藥盒設(shè)計(jì)方法來源于可燃藥筒?？扇妓幫仓饕上趸蘩w維制成,自身含有能量,結(jié)構(gòu)疏松多孔,孔隙分布不均一,呈現(xiàn)出滲透性的燃燒特點(diǎn),不符合火藥的幾何燃燒規(guī)律[2]。國內(nèi)有眾多學(xué)者對(duì)可燃藥筒的燃燒特性進(jìn)行了深入研究[3-6],但主要集中于可燃藥筒自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及燃燒特性。為了適應(yīng)單元藥筒裝藥特點(diǎn),設(shè)計(jì)了以增強(qiáng)纖維為骨架,硝化棉為含能成型劑的新型可燃藥盒。新型可燃藥盒參與了火藥的共同燃燒,對(duì)火藥的燃燒性能產(chǎn)生明顯影響,進(jìn)而對(duì)內(nèi)彈道性能產(chǎn)生較大影響[7-8]。因此研究新型可燃藥盒和火藥共同燃燒時(shí)的規(guī)律對(duì)改善單元藥筒的彈道性能具有重要意義。

傳統(tǒng)的可燃藥筒(藥盒)的力學(xué)性能與燃盡性是一對(duì)矛盾。提高其力學(xué)性能的方法通常有使用高強(qiáng)粘結(jié)劑、提高藥筒密度和添加增強(qiáng)材料[9-11]。但這些方法通常都會(huì)不同程度的導(dǎo)致藥筒燃燒不完全,固體殘?jiān)^多,嚴(yán)重影響火炮操作安全性。但是為了滿足單元藥筒裝藥的機(jī)械化裝填,對(duì)新型可燃藥盒的力學(xué)性能提出了更高的要求,怎樣在保證燃盡性的基礎(chǔ)上提高力學(xué)性能是關(guān)鍵。

本工作針對(duì)可燃藥盒的力學(xué)性能和單元藥筒裝藥的特點(diǎn),設(shè)計(jì)制備了一種新型可燃藥盒,研究了新型可燃藥盒的力學(xué)性能和燃燒性能,以及與主裝藥共同裝藥時(shí)的燃燒規(guī)律,考察了新型可燃藥盒與火藥組成混合裝藥時(shí)的燃盡性,為單元藥筒裝藥的研究提供基礎(chǔ)技術(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 材料與儀器

硝化棉(氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)約14%)、平紋布、三胍-15 7/7H(AGu-15 7/7H)、抽濾模壓可燃藥盒,遼寧慶陽特種化工有限公司。

Micromeritics AccuPyc II 1340型真密度分析儀,美國麥克儀器公司; Instron 3367型精密萬能材料試驗(yàn)機(jī),美國英斯特朗公司; Micromeritics ASAP2020型氮?dú)夥肿游摳娇讖椒植紲y試儀,美國麥克儀器公司。

2.2 試樣制備

以硝化棉和平紋布為基礎(chǔ)材料,外加少量流變性能調(diào)節(jié)劑、安定劑等成分。首先配制硝化棉溶液,然后通過傳送裝置將平紋布卷勻速通過硝化棉溶液浸漬壓片,最后進(jìn)行驅(qū)溶等后處理過程。最終制成的藥盒的實(shí)物圖見圖1,其成分中硝化棉占55%,平紋布約占44%。新型可燃藥盒用N-1表示,抽濾模壓可燃藥盒用N-0表示。

a. elevation view b. top view

圖1 新型可燃藥盒的正視圖和俯視圖

Fig.1 Elevation view and top view of new combustible cartridge case

2.3 性能測試

(1)密度: 測試介質(zhì)為高純氦氣。測試溫度為(25±2) ℃,試樣尺寸為20 mm×10 mm×0.55 mm。

(2)抗拉強(qiáng)度: 按國軍標(biāo)GJB 5472.1-2005,剪成啞鈴狀,進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測試,測試溫度為(25±2) ℃,拉伸速度為10 mm·min-1,每個(gè)試樣測試5次求平均值。

(3)抗壓強(qiáng)度: 按國軍標(biāo)GJB 5472.1-2005,從藥盒中部位置切取(50±1) mm圓環(huán),上下截面平行,外觀平整,測試溫度為(25±2) ℃,加載速度20 mm·min-1,每個(gè)試樣測試5次求平均值。

(4)比表面積: 以氮?dú)夥肿游摳娇讖椒植紲y試儀表征可燃藥盒的孔結(jié)構(gòu)參數(shù),測試溫度為(25±2) ℃,試樣尺寸為10 mm×10 mm×0.55 mm。

(5)密閉爆發(fā)器試驗(yàn): 密閉爆發(fā)器的體積為98 mL,測試溫度為(20±2) ℃,2號(hào)硝化棉為點(diǎn)火藥,點(diǎn)火藥量為1.1 g,藥盒試樣尺寸為20 mm×10 mm×0.55 mm,測試方法依據(jù)GJB5472.9-2005。

(6)彈道試驗(yàn): 采用PL96-122 mm榴彈炮對(duì)可燃藥盒進(jìn)行彈道試驗(yàn),榴彈炮炮口口徑為122 mm,試驗(yàn)溫度為常溫(約20 ℃)。

(7)對(duì)比樣品為抽濾模壓可燃藥盒,均按上述方式同樣測試。

3 結(jié)果與討論

3.1 可燃藥盒的力學(xué)性能

新型可燃藥盒N-1、抽濾模壓可燃藥盒N-0的密度和力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表1。

表1 N-0和N-1力學(xué)性能對(duì)比

Table 1 Comparison of the mechanical properties of N-0 and N-1

compositionN-1N-0density/g·cm-31.511.62extensionstrength/MPa94.1832.68compressionpressure/MPa11.787.79

由表1可見,與抽濾模壓可燃藥盒(N-0)相比,新型可燃藥盒(N-1)的密度略低,但其抗拉強(qiáng)度從32.68 MPa提高到94.18 MPa,提高了188%; 抗壓強(qiáng)度從7.79 MPa提高到11.78 MPa,提高了51%,力學(xué)性能得到明顯改善。新型可燃藥盒的骨架材料是由布纖維織成的網(wǎng)狀的棉纖維,空隙中由硝化棉膠涂覆填充而成,部分硝化棉膠會(huì)滲入到棉布孔隙中與纖維相互纏繞,這種結(jié)構(gòu)可明顯提高藥盒的力學(xué)性能。

3.2 可燃藥盒的定容點(diǎn)火特性

對(duì)N-0和 N-1兩種可燃藥盒進(jìn)行密閉爆發(fā)器試驗(yàn),比較兩種藥盒的定容點(diǎn)火特性,點(diǎn)火強(qiáng)度為10.98 MPa,裝填密度為0.2 g·cm-3。N-0、N-1兩種可燃藥盒的比表面積Sg及密閉爆發(fā)器測得的點(diǎn)火時(shí)間tk結(jié)果見表2.點(diǎn)火時(shí)間定義為達(dá)到10.98 MPa時(shí)所需要的時(shí)間。

表2 N-0和N-1的結(jié)構(gòu)參數(shù)及點(diǎn)火時(shí)間

Table 2 The construction parameter and ignition time of N-0 and N-1

CombustiblecartridgecasesSg/m2·g-1tk/msN-01.684.33N-10.8812.40

Note:Sgis the specific surface measured by nitrogen adsorption measurement;tkis the ignition time measured by closed-bomb.

由表2可見,相比N-0,N-1的點(diǎn)火時(shí)間12.40 ms明顯延遲。主要是因?yàn)镹-1的表面光滑且致密,而N-0表面粗糙且結(jié)構(gòu)疏松,從表2中的比表面積數(shù)據(jù)也可以看出,N-0的比表面積明顯大于N-1。N-1比表面積小,結(jié)構(gòu)致密,因而導(dǎo)熱系數(shù)較大,藥筒表面與內(nèi)層的溫度梯度較小,從而很難在極短時(shí)間內(nèi)使藥盒表面溫度達(dá)到著火溫度。而N-0比表面積大,結(jié)構(gòu)疏松多孔,因而導(dǎo)熱系數(shù)低,表面與內(nèi)層的溫度梯度相對(duì)較大,因而藥盒表面溫度上升迅速,在極短時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到著火溫度。

圖2、圖3為N-0、N-1在點(diǎn)火階段的p-t曲線和dp/dt-t曲線,從p-t曲線可以看出,兩種藥盒在2 ms內(nèi)的壓力上升趨勢相似,此時(shí)是點(diǎn)火藥的燃燒,2 ms后N-0的壓力迅速上升,而N-1得壓力上升緩慢。dp/dt-t曲線反映了點(diǎn)火段的燃?xì)馍伤俾?N-0可燃藥盒2 ms后燃?xì)馍伤俾恃杆偕仙?此時(shí)藥盒已經(jīng)被點(diǎn)燃; 而N-1可燃藥盒2 ms后燃?xì)馍伤俾书_始下降,大約有8 ms延遲,是其致密的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的,10 ms左右藥盒開始燃燒,燃?xì)馍伤俾试俅紊仙?/p>

圖2 N-0和N-1在點(diǎn)火階段的p-t曲線

Fig.2p-tcurves of N-0 and N-1 in period of ignition

圖3 N-0和N-1在點(diǎn)火階段的dp/dt-t曲線

Fig.3 dp/dt-tcurves of N-0 and N-1 in period of ignition

3.3 可燃藥盒的燃燒性能

圖4、圖5為 N-0和N-1的密閉爆發(fā)器p-t曲線和u-p曲線。從p-t曲線可以看出,與N-0相比,N-1燃燒過程壓力上升緩慢,最大壓力較低,燃燒結(jié)束時(shí)間較長。從u-p曲線可以看出,N-0燃速較高,最大燃速可達(dá)到64 cm/s,而N-1的燃速則相對(duì)平緩,最大燃速為1.5 cm/s。兩種藥盒的燃燒過程差別很大,分析原因可能與兩種藥盒的結(jié)構(gòu)和含能成分有關(guān)。新型可燃藥盒結(jié)構(gòu)致密,比表面積小,導(dǎo)致燃燒緩慢,硝化棉含量較低導(dǎo)致最大壓力較小。抽濾模壓可燃藥盒的燃燒比較劇烈,最大壓力較大,對(duì)提高裝藥的能量有利; 新型可燃藥盒的燃燒則非常平緩,燃燒穩(wěn)定可控,對(duì)主裝藥的燃燒規(guī)律不會(huì)產(chǎn)生很大影響。

圖4 N-0和N-1的p-t曲線

Fig.4p-tcurves of N-0 and N-1

圖5 N-0和N-1的u-p曲線

Fig.5u-pcurves of N-0 and N-1

3.4 新型可燃藥盒與三胍-15 7/7H火藥以不同比例裝藥的定容燃燒特性

為了研究新型可燃藥盒(N-1)所占比例對(duì)混合裝藥燃燒性能的影響,采用密閉爆發(fā)器對(duì)新型可燃藥盒與三胍-15 7/7H組成的混合裝藥的燃燒規(guī)律進(jìn)行分析,裝填密度為0.2 g·cm-3可燃藥盒所占比例分別為0%,5%,10%,20%,40%,60%,80%,90%,100%。三胍-15 7/7H與新型可燃藥盒組成的混合裝藥的名稱采用MC-百分含量(如MC-5表示混合裝藥中可燃藥盒的含量占5%),MC為混合裝藥(mixed charge)的英文縮寫。

混合裝藥的密閉爆發(fā)器p-t曲線如圖6。由圖6可見,隨著可燃藥盒所占比例的增加,混合裝藥起始階段的壓力上升速率減慢,最大壓力下降,燃燒結(jié)束時(shí)間延長。在混合裝藥燃燒初期,火藥的燃燒起主要作用,在燃燒過程中火藥提供的壓力環(huán)境有助于可燃藥盒的充分燃燒,當(dāng)可燃藥盒所占比例超過60%以后,火藥提供的壓力環(huán)境不足以維持全部可燃藥盒的完全燃燒,燃燒結(jié)束時(shí)間大幅度延長。

圖6 混合裝藥密閉爆發(fā)器p-t曲線

Fig.6p-tcurves of mixed charge in closed-bomb

從圖7中的dp/dt-t曲線可以看出, 隨著藥盒含量的增加,dp/dt-t曲線上升階段的陡度逐漸降低,峰值逐漸減小,達(dá)到峰值的時(shí)間延長,下降階段逐漸趨于平緩。當(dāng)藥盒含量超過60%以后曲線不再有明顯的峰,說明藥盒燃燒過程相對(duì)平緩,沒有壓力突增的過程,這和藥盒的含能成分低有關(guān)。藥盒含量超過60%時(shí)燃燒末期顯著增長。由此可見,可燃藥盒的燃燒性能與混合裝藥中的火藥量密切相關(guān),它們共同作用的結(jié)果,構(gòu)成了裝藥的燃燒過程,為了獲得燃燒性能相匹配的藥盒與火藥的比例,需要充分考慮裝藥能量與藥盒燃盡性的規(guī)律。

圖8為新型可燃藥盒與三胍-15 7/7H火藥以不同比例裝藥進(jìn)行密閉爆發(fā)器試驗(yàn)后的燃燒殘?jiān)|(zhì)量,可以看出隨著藥盒含量的增加,殘?jiān)馁|(zhì)量先減少再增加,藥盒含量為60%時(shí)殘?jiān)|(zhì)量最少。藥盒含量為0%～60%時(shí)隨著藥盒含量的增加殘?jiān)|(zhì)量逐漸減少,說明在這區(qū)間殘?jiān)饕獊碓从谌?15 7/7H火藥,火藥提供的壓力環(huán)境與藥盒燃燒過程相互作用有助于藥盒的充分燃燒; 藥盒含量從80%到100%,殘?jiān)|(zhì)量逐漸增加,此時(shí)殘?jiān)饕獊碓从谒幒?因?yàn)榛鹚幍馁|(zhì)量逐漸減少,沒有足夠的壓力環(huán)境提供給新型藥盒充分燃燒,因而形成大量的炭黑。

圖7 混合裝藥密閉爆發(fā)器dp/dt-t曲線

Fig.7 dp/dt-tcures of mixed charge in closed-bomb

圖8 混合裝藥密閉爆發(fā)器試驗(yàn)的燃燒殘?jiān)|(zhì)量

Fig.8 The combustion residues of mixed charge in closed-bomb

3.5 新型可燃藥盒裝藥的彈道試驗(yàn)

采用122 mm榴彈炮對(duì)新型可燃藥盒裝藥進(jìn)行彈道試驗(yàn),榴彈炮測得的新型可燃藥盒裝藥的內(nèi)彈道性能結(jié)果如表3所示。藥盒裝藥燃燒過程的壓力用銅球測試,彈丸初速采用線圈測試。

表3 新型可燃藥盒裝藥內(nèi)彈道性能試驗(yàn)結(jié)果

Table 3 Experimental results of interior ballistic performance of new combustible cartridge case

No.chargezonemainchargecoated-propellantchargemass/ginitialvelocity/m·s-1borepressure/MPaphenomenon11#7holesAGu-15810312.965.6completecombustion21#7holesAGu-15810310.666.6completecombustion32#19holesAGu-1519holesAGu-15810+795×1411.4104.27completecombustion42#19holesAGu-1519holesAGu-15810+795×1411.3completecombustion53#19holesAGu-1519holesAGu-15810+795×2514.2completecombustion64#19holesAGu-1519holesAGu-15810+795×3615.6192.9completecombustion74#19holesAGu-1519holesAGu-15810+795×3616.0194.5completecombustion85#19holesAGu-1519holesAGu-15810+795×4716.7256.2completecombustion95#19holesAGu-1519holesAGu-15810+795×4716.8257.5completecombustion

Note: The mass of basic cartridge case is 810 g; the mass of additional cartridge case is 795 g.

122 mm榴彈炮單元藥筒裝藥技術(shù)分為5個(gè)裝藥號(hào),1#號(hào)為基本藥盒,內(nèi)裝顆粒較小的7孔AGu-15火藥,2#～5#號(hào)裝藥在基本藥盒的基礎(chǔ)上分別添加1～4個(gè)附加藥盒,附加藥盒內(nèi)裝顆粒較大的19孔AGu-15火藥以及包覆火藥。對(duì)5個(gè)裝藥盒分別進(jìn)行彈道試驗(yàn),彈道試驗(yàn)的結(jié)果見表3,可以看出平行試驗(yàn)的平行性很好,說明新型可燃藥盒與主裝藥共同燃燒時(shí)的規(guī)律穩(wěn)定可控; 初速和膛壓大小能夠滿足榴彈炮對(duì)初速和膛壓的分級(jí)要求, 保證1#～5#號(hào)裝藥實(shí)現(xiàn)射程全彈道覆蓋,射程重疊量≥5%,與現(xiàn)役PL96-122 mm榴彈炮彈道性能相當(dāng); 藥盒燃燒完全,膛底無殘?jiān)?其能夠滿足單元藥筒裝藥的彈道性能要求。

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)可燃藥盒的力學(xué)性能差的問題,設(shè)計(jì)制備了一種新型可燃藥盒,其抗拉強(qiáng)度從32.68 MPa提升到94.18 MPa,抗壓強(qiáng)度從7.79 MPa提升到11.78 MPa,力學(xué)性能得到明顯改善。但是其點(diǎn)火性能和燃燒性能均有所下降,有8 ms左右的點(diǎn)火延遲,定容燃燒實(shí)驗(yàn)壓力上升緩慢,燃速較低。

(2)新型可燃藥盒與三胍7/7H火藥以不同比例裝藥時(shí),隨著可燃藥盒所占比例的增加,混合裝藥起始階段的壓力上升速率減慢,最大壓力下降,燃燒結(jié)束時(shí)間延長。藥盒含量在0%～60%時(shí),燃燒殘?jiān)饕獊碓从谌?/7H。

(3)彈道試驗(yàn)表明,新型可燃藥盒與主裝藥共同燃燒時(shí)的規(guī)律穩(wěn)定可控,藥盒燃燒完全,能夠滿足單元藥筒裝藥的彈道性能要求。

參考文獻(xiàn):

[1] 高敏,史先揚(yáng),王澤山. 155 mm火炮全等式模塊裝藥的可行性討論[J]. 彈道學(xué)報(bào),2003,15(3): 14-18.

GAO Ming, SHI Xian-yang, WANG Ze-shan. The feasibility study on uni-modular charges in the modular propelling charge system[J].JournalofBallistics, 2003,15(3): 14-18.

[2] 徐文娟. 兩種可燃藥筒燃?xì)馍梢?guī)律的分析比較[J]. 兵工學(xué)報(bào), 1990, 8(3): 16-22.

XU Wen-juan. Analysis and comparison of the rules governing gas generation in two types of combustible cartridge cases[J].ActaArmamentarII, 1990, 8(3): 16-22.

[3] Shedge M T, Patel C H, Tadkod S K. Polyvinyl acetate resin as a binder effecting mechanical and combustion properties of combustible cartridge case formulations[J].DefenceScienceJournal, 2008, 58(3): 390-397.

[4] 李煜, 趙成文, 郭德惠, 等. 可燃藥筒的定容燃燒特性[J]. 火炸藥學(xué)報(bào), 2009, 32(4): 75-79.

LI Yu, ZHAO Cheng-wen, GUO De-hui, et al. Constant-volume combustion properties of combustible cartridge case[J].ChineseJournalofExplosives&Propellants, 2009, 32(4): 75-79.

[5] 徐文娟, 張會(huì)生. 可燃藥筒活性的分析[J]. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 1996, 20(1): 21-25.

XU Wen-juan, ZHANG Hui-sheng. An analysis on the activity of combustible cases[J].JournalofNanjingUniversityofScienceandTechnology, 1996, 20(1): 21-25.

[6] 張兆鈞,徐文娟,張會(huì)生. 三種可燃藥筒燃燒特性分析[J]. 兵工學(xué)報(bào), 1996, 17(1): 26-31.

ZHANG Zhao-jun, XU Wen-juan, ZHANG Hui-sheng. Analysis on the burning properties of three kinds of combustible cartridges[J].ActaArmamentarII, 1996, 17(1): 26-31.

[7] 徐文娟. 可燃藥筒與主裝藥匹配的研究[J]. 彈道學(xué)報(bào), 1994, 22(4): 29-33.

XU Wen-juan. Study on match between combustible case and propellants[J].JournalofBallistics,1994, 22(4): 29-33.

[8] 鄒偉偉, 郝曉琴, 張志勇, 等. 小口徑可燃藥筒及裝藥的燃燒性能研究[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2015, 36(8): 1424-1429.

ZOU Wei-wei, Hao Xiao-qin, ZHANG Zhi-yong, et al. Research on combustion performance of small-bore molded combustible cartridge case and charge[J].ActaArmamentarII, 2015, 36(8): 1424-1429.

[9] Remaly R F, Nusbaum M S, Johnson K G., et al. Duplex combustible cartridge case[R]. AD1648666, 1974

[10] Kestusis G C, Pauline M S, William S L. Investigation of residue and coating stoichiometry on 120 mm combustible cartridge cases[R]. ARL-TR-2337, 2000.

[11] 李煜, 郭德惠, 田書春, 等. 纖維增強(qiáng)組份對(duì)可燃藥筒性能的影響[J]. 彈道學(xué)報(bào), 2009, 21(4): 95-98.

LI Yu, GUO De-hui, TIAN Shu-chun, et al. Influence of reinforced fibers on the properties of CCC[J].JournalofBallistics, 2009, 21(4): 95-98.