基于3D打印技術(shù)的發(fā)射藥燃燒增面設(shè)計

張洪林, 劉寶民, 馬新安, 鄧在銀, 張 宸

(遼寧慶陽特種化工有限公司, 遼寧 遼陽 111002)

1 引 言

發(fā)射藥燃燒是身管武器發(fā)射彈丸獲取能量的基礎(chǔ),由內(nèi)彈道理論和火炮發(fā)射技術(shù)的實(shí)踐可知,采用燃燒漸增性發(fā)射藥是提高火炮發(fā)射威力和彈道效率的有效方法之一[1]。實(shí)現(xiàn)發(fā)射藥燃燒漸增性有兩種途徑,一種是以化學(xué)組分變化來改變發(fā)射藥藥體的燃速,達(dá)到燃速漸增性燃燒; 另一種是使發(fā)射藥燃燒面逐漸增加,從而達(dá)到燃面漸增性燃燒[2-3]。傳統(tǒng)的制式發(fā)射藥受制造工藝技術(shù)限制,因而實(shí)現(xiàn)漸增性燃燒的幾何形狀和化學(xué)組分是有限的。從控制燃速技術(shù)的研究看,采用改變化學(xué)組分來實(shí)現(xiàn)發(fā)射藥漸增性燃燒存在化學(xué)穩(wěn)定性問題,而燃面控制技術(shù)則是一種更為實(shí)用的技術(shù)。因此,研究通過改變發(fā)射藥的幾何形狀來實(shí)現(xiàn)燃燒漸增性對提高發(fā)射藥性能具有重要意義。目前,實(shí)現(xiàn)發(fā)射藥漸增性燃燒技術(shù)的主要研究集中在改變發(fā)射藥的燃速和多孔粒狀藥,而從根本上改變現(xiàn)有發(fā)射藥的藥型設(shè)計研究則較少。肖忠良等研究了通過改變發(fā)射藥粒內(nèi)外層的燃速達(dá)到能量釋放漸增性的變?nèi)妓侔l(fā)射藥技術(shù)[4-6]; 徐漢濤[7]、王鋒[8]等研究了既具有多孔粒狀發(fā)射藥良好的燃燒漸增性又能有效提高發(fā)射藥裝填密度的部分切口多孔桿狀發(fā)射藥技術(shù); 王瓊林[9]等研究了發(fā)射藥表層結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計,使其由外及里燃速不斷增加的程序控制燃燒發(fā)射藥技術(shù); 魏倫[10]等研究了采用內(nèi)部為速燃層,外部為緩燃層來提高燃燒漸增性的多層發(fā)射藥技術(shù)。

3D打印技術(shù)的發(fā)展,為設(shè)計燃燒增面性較高的發(fā)射藥提供了可行的技術(shù)途徑。3D打印技術(shù)是指采用分層加工、迭加成形的方式逐層增加材料來生成實(shí)體的制造技術(shù)[11-14],其最突出的優(yōu)點(diǎn)是無需機(jī)械加工或模具,就能直接從計算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成特種形狀的物體,從而克服了模具限制,可制造出復(fù)雜形狀的物體。因此,應(yīng)用3D打印技術(shù),可突破傳統(tǒng)發(fā)射藥藥型設(shè)計限制,充分利用發(fā)射藥燃燒過程中燃面變化來實(shí)現(xiàn)發(fā)射藥的高增面性燃燒。本研究提出了基于3D打印技術(shù)完成制造的具有多列環(huán)形空槽管形結(jié)構(gòu)的高燃燒增面性整體發(fā)射藥設(shè)計技術(shù),從理論上計算了整體發(fā)射藥的相對燃面和燃?xì)馍闪康淖兓?guī)律,為新型發(fā)射藥的藥型設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

2 整體發(fā)射藥藥型設(shè)計

發(fā)射藥燃燒過程中燃?xì)馍闪渴请S火藥厚度和沿火藥厚度燃燒快慢的變化規(guī)律而變化的。對于性質(zhì)相同的發(fā)射藥,其燃燒過程由幾何燃燒定律可知,是按發(fā)射藥表面平行層逐層燃燒的[15]。

根據(jù)3D打印技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)射藥增面燃燒需求,將發(fā)射藥設(shè)計成整體式結(jié)構(gòu),通過逐層增材的方式按所設(shè)計藥型完成制造。整體發(fā)射藥是具有內(nèi)部環(huán)形空槽,徑向脈沖式增面燃燒特點(diǎn),且可直接用于發(fā)射裝藥的發(fā)射藥柱,整體發(fā)射藥局部結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。整體發(fā)射藥外形是厚壁管形結(jié)構(gòu),在管壁中的軸向方向制成多列具有相同寬度,不同高度的環(huán)形空槽。為了保證整體發(fā)射藥的燃燒完全性和燃燒增面性,第二列環(huán)形空槽的數(shù)量和除環(huán)形空槽寬度以外的其它尺寸均按幾何級數(shù)在第一列環(huán)形空槽的基礎(chǔ)上增加,并依此類推到其它列環(huán)形空槽。各列環(huán)形空槽的高度等于同列軸向火藥燃燒層厚度的1/2,兩列環(huán)形空槽之間的距離與靠近軸線方向的環(huán)形空槽火藥燃燒層厚度相同。整體發(fā)射藥的外表面進(jìn)行阻燃涂覆,外表面不燃燒,當(dāng)燃燒從內(nèi)孔開始時,燃燒到每列環(huán)形空槽時,前列環(huán)形空槽沒有任何剩余殘藥,使發(fā)射藥的燃燒始終處于增面燃燒狀態(tài)。

圖1整體發(fā)射藥局部結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1Schematic diagram of the part structure of integral propellant

設(shè)管形結(jié)構(gòu)的整體發(fā)射藥內(nèi)孔半徑為r,藥柱半徑為R,靠近內(nèi)孔的第一列環(huán)形空槽的數(shù)量為N1,火藥燃燒層厚度為a,環(huán)形空槽的寬度為b,環(huán)形空槽的高度為c; 第一列與第二列環(huán)形空槽的距離為a,n為整體發(fā)射藥環(huán)形空槽列的序號。整體發(fā)射藥的單位體積結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2整體發(fā)射藥的單位體積結(jié)構(gòu)

Fig.2The structure of unit volume for the integral propellant

因此,整體發(fā)射藥的環(huán)形空槽具有如下特點(diǎn):

(1)第n列環(huán)形空槽的數(shù)量為:Nn=2n-1N1

(4) 第n列環(huán)形空槽的內(nèi)孔半徑為:

(5)各列環(huán)形空槽的寬度均相等。

3 整體發(fā)射藥的燃燒規(guī)律

3.1 整體發(fā)射藥相對燃面隨燃燒進(jìn)行的變化規(guī)律

假設(shè)整體發(fā)射藥起始燃燒是采用中心點(diǎn)火方式[16],由管形結(jié)構(gòu)的中心孔道將其內(nèi)表面點(diǎn)燃,整體發(fā)射藥的外表面有阻燃涂層而不燃燒,則以具有三列環(huán)形空槽的整體藥為例,建立整體發(fā)射藥相對燃面隨燃燒進(jìn)行的變化規(guī)律。

發(fā)射藥燃燒遵循幾何燃燒定律,u為發(fā)射藥燃速,t為燃燒時間,則:

整體發(fā)射藥單位體積起始燃燒面積為S0:

S0=2[2πar+π[(r+b)2-r2]]+2πc(r+b)

(1)

燃燒到t時刻時,整體發(fā)射藥正在燃燒的面積為S:

S=2n-1[2(S1+S2)+S3]

(2)

式中，S1是環(huán)形空槽外端正在燃燒的面積

S1=2π(rn+ut)(an-ut)

S2是環(huán)形空槽上下兩面正在燃燒的面積

S2=π((rn+b+ut)2-(rn+ut)2)

S3是環(huán)形空槽內(nèi)端面正在燃燒的面積

S3=2π(rn+b+ut)(cn+2ut)

當(dāng)ut

當(dāng)(a+a/2)>ut>a時,第二列環(huán)形空槽在燃燒,n=2

當(dāng)ut>(a+a/2)時,第三列環(huán)形空槽在燃燒,n=3

所以,由單位體積整體發(fā)射藥正在燃燒的面積S與單位體積整體發(fā)射藥的起始面積S0,可計算出單位體積整體發(fā)射藥的相對燃燒面積σ變化規(guī)律。

(3)

3.2 整體發(fā)射藥燃?xì)馍闪侩S燃燒進(jìn)行的變化規(guī)律

與3.1假設(shè)條件相同,建立整體發(fā)射藥燃?xì)馍闪侩S燃燒進(jìn)行的變化規(guī)律。

整體發(fā)射藥單位體積起始燃燒體積V0:

V0=V00-(V01+2V02+4V03)

(4)

式中，V00=π((r+7a/4+3b)2-r2)(2a+c)

V01是第一列單個環(huán)形空槽的體積

V01=π((r+b)2-r2)c

V02是第二列單個環(huán)形空槽的體積

V02=π((r+a+2b)2-(r+a+b)2))c/2

V03是第三列單個環(huán)形空槽的體積

V03=π((r+3a/2+3b)2-(r+3a/2+2b)2)c/4

燃燒到t時刻時,整體發(fā)射藥已經(jīng)燃燒掉的體積VYRn:

令:VYR0=0,則:

VYRn=2n-1[2(V1+V2)+V3]+VYR(n-1)

(5)

式中，V1是環(huán)形空槽外端燃燒掉的體積

V2是環(huán)形空槽上下兩面燃燒掉的體積

V3是環(huán)形空槽內(nèi)端面燃燒掉的體積

V3=π[(rn+b+ut)2-(rn+b)2]cn

當(dāng)ut

當(dāng)(a+a/2)>ut>a時,第二列環(huán)形空槽在燃燒,n=2

當(dāng)ut>(a+a/2)時,第三列環(huán)形空槽在燃燒,n=3

所以,由單位體積整體發(fā)射藥已經(jīng)燃燒掉的體積VYRn與單位體積整體發(fā)射藥的起始體積V0,可計算出單位體積整體發(fā)射藥的相對燃?xì)馍闪喀鬃兓?guī)律。

(6)

3.3 整體發(fā)射藥與19孔粒狀藥的相對燃面和相對燃?xì)馍闪孔兓?guī)律對比

155 mm火炮用19孔粒狀藥是目前燃燒增面性較高的粒狀發(fā)射藥[17],它是含有19個均勻分布的貫通性圓形內(nèi)孔的圓柱形粒狀發(fā)射藥,通過內(nèi)孔燃燒來不斷增大燃燒面積,19孔粒狀藥結(jié)構(gòu)見圖3。

圖319孔粒狀發(fā)射藥結(jié)構(gòu)

Fig.3The structure of 19 holes granular propellant

以外徑為Φ160 mm,內(nèi)徑為Φ60 mm,環(huán)形空槽尺寸為a=1 mm,b=16 mm,c=1 mm的整體發(fā)射藥與外徑D=13.48 mm,孔徑d=0.38 mm,長度L=13.48 mm,燃厚2e1=1.93 mm的19孔粒狀發(fā)射藥為例計算兩種發(fā)射藥的燃燒規(guī)律。

為了便于比較整體發(fā)射藥與19孔粒狀發(fā)射藥的燃燒增面性,用變化參數(shù)的相對量來表征,以發(fā)射藥相對燃燒層厚度(Z)表征發(fā)射藥的燃燒進(jìn)行程度[18],分別計算出整體發(fā)射藥與19孔粒狀發(fā)射藥的相對燃面(σ)和相對燃?xì)馍闪?ψ)的變化規(guī)律。計算方法如下:

以相對燃燒層厚度(Z)為自變量,按上述計算方法,用示例所給數(shù)據(jù)計算出兩種發(fā)射藥的相對燃面(σ)和相對燃?xì)馍闪?ψ)隨相對燃燒層厚度(Z)變化的趨勢。計算所得到的σ-Z曲線和ψ-Z曲線如圖4、圖5所示。

由圖4可見,整體發(fā)射藥相對燃面(σ)在發(fā)射藥燃燒過程中,隨環(huán)形空槽列序的增加呈現(xiàn)出階躍式增大; 而19孔粒狀發(fā)射藥的相對燃面(σ)在發(fā)射藥燃燒過程中是逐漸增加的。在發(fā)射藥燃燒的后半段,整體發(fā)射藥的相對燃面(σ)遠(yuǎn)大于19孔粒狀發(fā)射藥。這是由于整體發(fā)射藥的結(jié)構(gòu)中預(yù)制了不同尺寸的環(huán)形空槽,當(dāng)燃燒每進(jìn)行到下一列環(huán)形空槽時,整體發(fā)射藥的環(huán)形空槽都會成倍增加所導(dǎo)致的; 而19孔粒狀發(fā)射藥的燃燒面積增加只能依靠因燃燒產(chǎn)生的內(nèi)孔徑增大而增加內(nèi)孔燃燒面積。因此,在發(fā)射藥燃燒的后半段,整體發(fā)射藥的相對燃面(σ)高于19孔粒狀發(fā)射藥。

由圖5可見,整體發(fā)射藥的相對燃?xì)馍闪?ψ)在發(fā)射藥燃燒過程中呈現(xiàn)前低后高的狀態(tài),這種狀態(tài)有利于降低火炮膛壓,提高彈丸初速; 而19孔粒狀發(fā)射藥的相對燃?xì)馍闪?ψ)在發(fā)射藥燃燒過程中近似于勻速增加。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于整體發(fā)射藥隨燃燒進(jìn)行環(huán)形空槽數(shù)量成倍增加,在發(fā)射藥燃燒的后半段使相對燃?xì)馍闪?ψ)快速增大。19孔粒狀發(fā)射藥在增大內(nèi)孔燃燒面積的同時,外徑減小導(dǎo)致外表面燃面減小,造成相對燃?xì)馍闪?ψ)增加速率變化較小。

根據(jù)上述計算方法,可計算出整體發(fā)射藥與19孔粒狀發(fā)射藥不同燃燒階段相對燃面的變化情況,結(jié)果見表1。

圖4σ-Z曲線

Fig.4σ-Zcurves

圖5ψ-Z曲線

Fig.5ψ-Zcurves

表1整體發(fā)射藥與19孔粒狀發(fā)射藥不同燃燒階段相對燃面的變化情況

Table1Change situations of the relative area of burning surface of the integral propellant and 19 holes granular propellant in different burning stage

Note:Zis the relative thickness of burning,σis the relative area of burning surface, Δσis the change amount of the relative area.

由表1可見,以相對燃燒層厚度Z=0.5714為燃燒前后半程分界線,整體發(fā)射藥在燃燒的后半程相對燃面(σ)快速增加,最大相對燃面為7.1280。而19孔粒狀發(fā)射藥在燃燒的后半程相對燃面(σ)增加程度減小,最大相對燃面僅為2.29480,燃燒結(jié)束時整體發(fā)射藥相對燃面比19孔粒狀發(fā)射藥大σ整體發(fā)射藥/σ19孔粒狀藥=3.1倍,表明整體發(fā)射藥的燃燒增面性遠(yuǎn)大于19孔粒狀發(fā)射藥。這是由于整體發(fā)射藥隨燃燒的進(jìn)行環(huán)形空槽數(shù)量不斷增加而產(chǎn)生的。

根據(jù)上述計算方法,可計算出整體發(fā)射藥與19孔粒狀發(fā)射藥不同燃燒階段相對燃?xì)馍闪康淖兓闆r,結(jié)果見表2。

由表2可見,整體發(fā)射藥在第一列環(huán)形空槽燃燒階段產(chǎn)生的相對燃?xì)馍闪繛榭傁鄬θ細(xì)馍闪康?4.39%,在第二列環(huán)形空槽燃燒階段產(chǎn)生的相對燃?xì)馍闪繛榭傁鄬θ細(xì)馍闪康?7.760%-24.388%=33.372%,在第三列環(huán)形空槽燃燒階段產(chǎn)生的相對燃?xì)馍闪繛榭傁鄬θ細(xì)馍闪康?00%-57.76%=42.24%。以相對燃燒層厚度Z=0.5714為燃燒前后半程分界線,即第二、第三列環(huán)形空槽為整體發(fā)射藥的后半程燃燒階段,其相對燃?xì)馍闪亢嫌嫗?3.372%+42.24%=75.612%,表明整體發(fā)射藥燃?xì)馍芍饕窃谌紵暮蟀氤坍a(chǎn)生,且相對燃?xì)馍闪侩S燃燒的進(jìn)行不斷增大。而與整體發(fā)射藥相對燃燒層厚度相對應(yīng)的19孔粒狀發(fā)射藥在燃燒的前半程相對燃?xì)馍闪繛?4.746%,在燃燒的后半程,相對燃?xì)馍闪亢嫌嫗?0.631%+17.406%=48.037%,表明19孔粒狀發(fā)射藥在燃燒的后半程相對燃?xì)馍闪吭黾映潭容^小。在燃燒的后半程,整體發(fā)射藥相對燃?xì)馍闪勘?9孔粒狀發(fā)射藥高27.575%(75.612%-48.037%),表明整體發(fā)射藥具有較好的燃燒漸增性,符合發(fā)射藥增面性燃燒需求,有利于提高初速,降低膛壓。

4 結(jié) 論

利用3D打印技術(shù)可突破傳統(tǒng)發(fā)射藥在藥型設(shè)計上的限制,實(shí)現(xiàn)高燃燒增面性發(fā)射藥的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

表2整體發(fā)射藥與19孔粒狀發(fā)射藥不同燃燒階段相對燃?xì)馍闪康淖兓闆r

Table2Change situations of the relative generation amount of burning gas of the integral propellant and 19 holes granular propellant in different burning stage

burningstageZintegralpropellantψratioofrelativegasamount/%19holesgranularpropellantψratioofrelativegasamount/%1strowemptyannulargrooveburningover0.57140.2438824.3880.4474644.7462ndrowemptyannulargrooveburningover0.85710.5776033.3720.7537730.6313rdrowemptyannulargrooveburningover1.00001.0000042.2400.9278317.406

Note:ψis the relative generation amount of burning gas.

(1)整體發(fā)射藥采用內(nèi)部預(yù)制環(huán)形空槽結(jié)構(gòu)可有效提高發(fā)射藥的燃燒增面性,燃燒結(jié)束時整體發(fā)射藥相對燃面比19孔粒狀發(fā)射藥大3.1倍,具有較高的燃燒增面性。

(2)整體發(fā)射藥在燃燒過程中,燃?xì)馍伤俾食尸F(xiàn)前低后高的狀態(tài), 75.612%的燃?xì)馍闪吭谌紵暮蟀氤坍a(chǎn)生,比19孔粒狀發(fā)射藥高約27.575%,具有有利于提高初速,降低膛壓的燃?xì)馍梢?guī)律。

(3)整體發(fā)射藥改變了傳統(tǒng)發(fā)射藥設(shè)計與制造概念,使發(fā)射藥與發(fā)射裝藥技術(shù)得到統(tǒng)一協(xié)調(diào),整體發(fā)射藥廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有藥筒裝藥、藥包裝藥和模塊裝藥中,將對發(fā)射藥產(chǎn)生革命性進(jìn)步。

3D打印技術(shù)為發(fā)射藥的藥型設(shè)計開辟了革命性的途徑,應(yīng)用3D打印技術(shù)可設(shè)計制造出符合高增面燃燒要求的整體發(fā)射藥,并將改變藥筒裝藥、藥包裝藥及模塊裝藥等現(xiàn)有的設(shè)計模式,滿足提高火炮初速的需求。

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