一種新型大弧厚六翼星孔棒狀發(fā)射藥的燃燒特性

賈永杰, 楊建興, 石先銳, 崔鵬騰

(西安近代化學研究所, 陜西 西安 710065)

1 引 言

棒狀發(fā)射藥裝填密度高,內(nèi)彈道性能平穩(wěn),且發(fā)射藥軸向排列能產(chǎn)生點火所需要的良好氣流通道,減小了局部壓力波,在中大口徑火炮發(fā)射裝藥領(lǐng)域有著良好的應用前景[1-3]。20世紀60年代,美國XM578152 mm火炮以及70年代中期XM208遠程155 mm火炮均采用了棒狀發(fā)射藥作為發(fā)射裝藥[2,4]。在坦克炮穿甲彈方面,美國目前最先進的120 mm口徑M829A3貧鈾彈采用了8.1 kg RPD-380長棒狀發(fā)射藥[4]。棒狀發(fā)射藥的研究涉及單孔棒狀藥、單孔開槽棒狀藥、PSS棒狀藥以及分段部分切口多孔棒狀藥,其燃燒漸增性和內(nèi)彈道性能逐步提高,PSS棒狀藥和環(huán)切棒狀藥藥型復雜,目前該方面的研究報道較多[4-10],但制備工藝較為復雜。單孔棒狀發(fā)射藥藥型簡單,是目前國內(nèi)唯一成功通過無溶劑工藝制備的發(fā)射藥藥型,研究表明,非開槽單孔棒狀藥中可能存在的侵蝕燃燒效應能嚴重影響其大口徑火炮中的內(nèi)彈道性能[11-13]。

基于提高單孔棒狀藥裝填密度、燃燒漸增性等方面的考慮,本研究設(shè)計了一種新型大弧厚六翼星孔棒狀發(fā)射藥,針對非開槽單孔棒狀藥中可能存在的侵蝕燃燒效應,重點討論了不同長徑比星孔棒狀發(fā)射藥燃燒特征,并通過改變發(fā)射藥長徑比以及對發(fā)射藥端面進行封堵處理,并對處理后的發(fā)射藥結(jié)合高膛壓大口徑火炮進行了裝藥驗證,分析了其內(nèi)彈道性能,以期為星孔棒狀發(fā)射藥的應用提供參考。

2 實驗部分

2.1 星孔棒狀發(fā)射裝藥設(shè)計及制備

星孔棒狀發(fā)射藥外形結(jié)構(gòu)如圖1a所示,L為發(fā)射藥長度。圖1b為發(fā)射藥端面結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)的特性參數(shù)為六翼,h為翼高,D為外徑,d為孔徑,2e1為弧厚,具體尺寸如圖1b所示。

采用了一種高能三基發(fā)射藥(配方代號AH-1),通過無溶劑壓伸成型工藝以及專用切藥機制備了長徑比L/D=1、L/D=2、L/D=6和L/D=14的星孔棒狀發(fā)射藥樣品。AH-1的配方組成(質(zhì)量分數(shù))為: 硝化棉(NC)42/硝化甘油(NG)28/黑索今(RDX)25/鄰苯二甲酸二丁酯(DOP)3.5/二號中定劑(C2)1.5。以丙酮為溶劑,采用不同厚度的硝基軟片對L/D=6、14的發(fā)射藥端面進行封堵處理,得到封堵片厚度與發(fā)射藥弧厚比s/e1分別為0.05、0.1的發(fā)射藥樣品。

2.2 靜態(tài)燃燒性能測試及數(shù)據(jù)處理

利用100 mL常規(guī)密閉爆發(fā)器進行了L/D=1、L/D=2的星孔棒狀發(fā)射藥及不同端面封堵的星孔棒狀發(fā)射藥靜態(tài)燃燒實驗。由于長度較長,L/D=6的發(fā)射藥樣品采用700 mL密閉爆發(fā)器進行實驗,L/D=14的發(fā)射藥樣品未進行密閉爆發(fā)器實驗。實驗條件均為: 裝填密度0.2 g·cm-3、實驗溫度20 ℃、點火壓力10 MPa。

a. shape of the star-hole gun propellant

b. endstructure

圖1 星孔棒狀發(fā)射藥外形結(jié)構(gòu)和端面結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Schematic diagrams of the shape and endstructure for the star-hole stick gun propellant

通過對星孔棒狀發(fā)射藥進行密閉爆發(fā)器實驗,得到p-t曲線,對p-t曲線進行后處理得到L-B曲線。

2.3 內(nèi)彈道性能測試

選用某大口徑火炮對s/e1分別為0、0.05、0.1的端面封堵星孔棒狀發(fā)射藥進行內(nèi)彈道性能實驗,發(fā)射藥長徑比為14。初速測試方法按GJB349.4-1987進行; 膛壓測試方法按GJB349.5-1987進行。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同長徑比星孔棒狀發(fā)射藥燃燒性能

通過長徑比為L/D=1、L/D=2和L/D=6的星孔棒狀發(fā)射藥的密閉爆發(fā)器實驗,獲得了發(fā)射藥的燃燒規(guī)律,結(jié)果如圖2所示。由圖2a可見,隨著長徑比增大,發(fā)射藥起始燃面降低,發(fā)射藥燃燒時間明顯延長;L/D=1、L/D=2發(fā)射藥最大壓力基本相同,而L/D=6發(fā)射藥最大壓力偏小,這可能是長徑比增大后燃燒時間延長使熱損失增大。由圖2b可見,六翼星孔棒狀發(fā)射藥呈平行層燃燒,燃燒穩(wěn)定,沒有出現(xiàn)侵蝕燃燒。依據(jù)參考文獻[10],計算發(fā)射藥樣品的燃燒漸增性因子Pr,結(jié)果分別為0.285、0.37和0.447。根據(jù)計算結(jié)果可見,與L/D=1相比,L/D=6時,Pr增加了56.8%。L/D=1時,發(fā)射藥燃燒活度緩慢下降;L/D=2時,發(fā)射藥起始燃燒活度下降,隨著B值增大,燃燒活度略微下降;L/D=6時,在燃燒過程中,發(fā)射藥燃燒活度基本不變,直至接近燃完時快速下降。長徑比增大,初始燃面和初始燃燒活度降低,端面對發(fā)射藥燃燒減面性的影響減小,發(fā)射藥起始燃氣生成猛度降低,最大壓力點滯后。另外,從圖2b中可以看出,隨著長徑比增大,發(fā)射藥燃燒分裂點逐漸后移,分裂后未燃盡比例減小。

a. p-t curves

b. L-B curves

圖2 三種不同長徑比發(fā)射藥樣品的p-t曲線及L-B曲線

Fig.2 Thep-tcurves andL-Bcurves of three gun propellant samples with differentL/Dratios

表1 三種不同長徑比發(fā)射藥樣品的L-B曲線特征點

Table 1 Characteristic points of theL-Bcurves of three gun propellant samples with differentL/Dratios

L/DBsLs/MPa-1·s-1L0.1/MPa-1·s-1L0.3/MPa-1·s-1Pr10.8860.2950.4650.4530.28520.890.3330.3830.4180.3760.9230.3830.4070.4210.447

Note:L/Dis the ratio of length to diameter,Bsis the splitting point of combustion,Lsis the dynamic vivacity at Bs,L0.1is the dynamic vivacity whenBis 0.1,L0.3is the dynamic vivacity whenBis 0.3,Pris the combustion progressing factor.

3.2 端面封堵星孔棒狀發(fā)射藥燃燒性能

圖3是長徑比L/D=6,s/e1分別為0、0.05、0.1三種不同端面封堵厚度的星孔棒狀發(fā)射藥的定容燃燒壓力-時間曲線。從圖3可看出,封堵片厚度越厚,即s/e1越大,定容燃燒時間曲線上升越緩慢,燃燒的時間越長。表2是三種不同端面封堵厚度的星孔棒狀發(fā)射藥的燃燒特征點,其中t50為壓力達到50 MPa時的燃燒時間,由表3看出,隨著封堵片厚度的增加,最大壓力基本維持不變,由50 MPa到最大壓力的燃燒時間(tK-t50)也變化不大,而達到50 MPa壓力的時間變化明顯。這說明,端面封堵只影響星孔棒狀發(fā)射藥的燃燒及能量釋放過程,并不影響其總能量,封堵片對星孔棒狀發(fā)射藥燃燒規(guī)律的影響,主要集中在封堵片燃燒完以前,也就是破孔以前,封堵層越厚,燃燒時破孔越晚,低壓下燃燒時間明顯越長。

圖3 三種不同端面封堵厚度/發(fā)射藥弧厚(s/e1)比的發(fā)射藥樣品的p-t曲線

Fig.3 Thep-tcurves of three gun propellant samples with differents/e1ratios

表2 三種不同端面封堵厚度的發(fā)射藥樣品的p-t曲線燃燒特征點

Table 2 Combustion characteristic points of thep-tcurves of three gun propellant samples with differents/e1ratios

s/e1t50/mstK/mstK-t50/mspm/MPa018.637.118.5290.00.0535.054.319.3290.10.140.259.018.8292.1

Note:s/e1is the ratio of sealing layer thickness to web size,t50is the combustion time whenpis 50 MPa,tkis the combustion time at the maximum pressure,pmis the maximum bore pressure.

L-B曲線反映了氣體生成量與火藥已燃百分數(shù)的關(guān)系。圖4為不同端面封堵厚度樣品的L-B曲線,由圖4可見,經(jīng)端面封堵后,L-B曲線顯示了明顯的降低起始燃燒活性和燃燒破孔特征,且破孔后體現(xiàn)出與基體發(fā)射藥相似的燃燒特征。s/e1分別為0.05、0.1時,星孔棒狀發(fā)射藥的起始氣體生成量降低了約1/2;s/e1分別為0.05、0.1時,破孔時間約為火藥已燃份數(shù)的10%～20%,且隨著s/e1的增加,破孔時間略微延后; 由于s/e1分別為0.05、0.1時,封堵層厚度相對燃燒層厚度仍較小,且破孔條件復雜,在破孔時間上體現(xiàn)不出明顯區(qū)別,可以通過增加封堵層厚度進一步改善和控制燃燒規(guī)律。在L-B曲線上,還可以看出,星孔棒狀發(fā)射藥的燃燒分裂大約發(fā)生在已燃份數(shù)達到90%以上時,其分裂后的減面燃燒性能對整體燃燒影響較小。從上面的分析可知, 封堵層的厚度對星孔棒狀發(fā)射藥的燃燒性能有著重要影響,隨著封堵層厚度的增加,燃燒的漸增性越強。所以,選擇合適的封堵層厚度,就能得到所需要的破孔規(guī)律和氣體生成規(guī)律,實現(xiàn)最佳的彈道效果。

圖4 三種不同端面封堵厚度/發(fā)射藥弧厚比的星孔棒狀發(fā)射藥樣品的L-B曲線

Fig.4 TheL-Bcurves of three star-hole stick gun propellant samples with differents/e1ratios

3.3 裝藥內(nèi)彈道性能

表3是大弧厚六翼星孔棒狀發(fā)射藥結(jié)合某大口徑火炮進行的內(nèi)彈道性能實驗結(jié)果,ω為裝藥量,q為彈重,pm為銅柱測得的最大膛壓,v32.5為離炮口32.5 m處測得的彈丸初速。由表3可見,端面封堵可以有效改善發(fā)射藥內(nèi)彈道性能。當s/e1分別為0.05、0.1時,隨封堵層厚度的增加,最大膛壓pm分別下降了1.3%和3.5%,而初速v32.5分別提高了0.28%和1.4%。封堵層厚度是調(diào)控星孔棒狀發(fā)射藥燃燒過程的重要參數(shù),它不僅影響發(fā)射藥燃燒性能,而且還影響其裝藥的彈道性能。不同火炮需根據(jù)其具體結(jié)構(gòu)及彈道指標要求,選擇星孔裝藥結(jié)構(gòu)及封堵層厚度。

表3 內(nèi)彈道實驗的結(jié)果

Table 3 Results of internal ballistic tests

s/e1ω/kgq/kgpm/MPav32.5/m·s-109.850310.0769.60.051050306.0771.80.110.1450299.0780.3

Note:s/e1is the sealing layer thicknesses/gun propellant web size ratio;ωis the charge quantity;qis the weight of projectile;pmis the maximum bore pressure;v32.5is the initial speed of projectile measured at 32.5 m from gun muzzle.

4 結(jié) 論

(1)大弧厚六翼星孔棒狀發(fā)射藥燃燒穩(wěn)定,呈平行層燃燒,可通過調(diào)整長徑比和封堵層厚度來改善星孔棒狀發(fā)射藥的燃燒規(guī)律。

(2)大弧厚六翼星孔棒狀發(fā)射藥的燃燒性能受長徑比影響較大,隨著長徑比的增加,發(fā)射藥起始燃氣生成猛度降低,最大壓力點遲后,長徑比L/D由1增加至6時,燃燒漸增性因子Pr由0.285增加至0.447,增加56.8%,而且最大壓力點滯后。

(3)經(jīng)端面封堵后,降低了六翼星孔棒狀發(fā)射藥的起始燃燒猛度,并表現(xiàn)出明顯的破孔燃燒特征。s/e1分別為0.05、0.1時,星孔棒狀發(fā)射藥的起始氣體生成量降低了約1/2,破孔時間約為火藥已燃分數(shù)的10%～20%,端面封堵后可提高裝藥內(nèi)彈道性能。

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