劉 佳，賀增弟，程 山, 馬忠亮，蕭忠良

（中北大學化工與環(huán)境學院，山西 太原，030051）

火藥潔凈燃燒技術是使火炸藥的燃燒、爆炸產物具有盡可能少的有害氣體和凝聚態(tài)物質，降低武器彈藥在作用過程中的諸多不良現(xiàn)象，如煙、焰以及其他特征信號對人體的毒害[1]。從發(fā)射藥配方的角度考慮，可在制式發(fā)射藥中加入硝酸銨，提高發(fā)射藥配方的氧平衡水平[2]，降低發(fā)射藥燃燒產物中可燃性氣體(CO、H2、CH4)含量，從而有利于抑制發(fā)射藥燃燒時煙、焰的形成，減少不良射擊現(xiàn)象。本文通過理論計算，分析單基發(fā)射藥氧平衡調節(jié)途徑的優(yōu)缺點，研究硝酸銨對炮口焰的影響，采用高速攝像機對炮口焰進行拍攝，以及氣相色譜測定氣體燃燒產物成分，實驗證明了添加氧化劑硝酸銨是提高發(fā)射藥氧平衡的一種有效方法。該方法既未改變裝藥結構，又能有效消除炮口焰，為我國自主研發(fā)新型發(fā)射藥技術，提高武器系統(tǒng)研發(fā)水平及武器系統(tǒng)平臺的生存作戰(zhàn)能力提供了技術支持。

1 理論計算結果

計算條件為：T＝2 800.0 K，P＝250.0MPa（不考慮解離）；配方：含氮量 13.1%硝化纖維素 96.3%，二苯胺 1.3% ，樟腦 2.4%，硝酸銨外加。硝酸銨含量從0～30%按照5%遞增。

利用最小自由能法計算出不同硝酸銨含量混裝藥的可燃氣體含量（GAS），計算裝藥的氧平衡[3]，見表1。

表1 不同含量硝酸銨混裝藥對氧平衡及可燃氣體含量的影響Tab.1 Influence of AN with different content on OB and combustible gas

通過表1可以看出，隨著發(fā)射藥中硝酸銨含量的增加，發(fā)射藥的氧平衡增加，可燃氣體含量減小，CO2含量增加。當硝酸銨含量達30%時，氧平衡增加約51.28%；可燃氣體總量減少約51.23%，CO2氣體含量增加約53.72%。發(fā)射藥中氧平衡的增加可使發(fā)射藥燃燒地更加充分，進而減少發(fā)射藥燃氣中可燃氣體的生成。所以，在發(fā)射藥中加入硝酸銨可以降低發(fā)射藥燃氣中可燃氣體含量，降低燃氣與空氣混合形成二次火焰的能力，降低產生炮口焰的可能性。

2 實驗部分

2.1 密閉爆發(fā)器-氣相色譜法靜態(tài)測試實驗

密閉爆發(fā)器實驗[4]采用內觸發(fā)方式，實驗條件為：DYY-1壓力傳感器，量程600MPa；容積：106.000cm3；表面積：140.000cm2；裝填密度：0.2g/cm3；裝藥量：21.20g；點火壓力：9.810MPa；點火藥量：0.987 1g。

氣相色譜[4]條件：色譜柱：TDX；爐溫90℃；檢測器：TCD；載氣：He；進樣量：200μL，柱壓: 0.10MPa。

把成型的硝酸銨發(fā)射藥用分析天平按比例稱取一定的量，在密閉爆發(fā)器進行爆炸，然后用氣體采集袋采集燃氣，用氣相色譜儀分析燃氣組成，得到的實驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 燃氣組成及含量Tab.2 The composition and content of combustible gas

實驗結果表明，隨著配方中硝酸銨含量增加，燃燒產物中可燃性氣體含量降低，CO2含量增加?？扇細怏w總量由最初的52.61%減少到46.72%，這與制式藥相比降低了約11.12%，這就降低了燃氣與空氣混合形成二次火焰的能力，進而降低產生炮口焰的可能性，燃燒產物中可燃氣體含量變化趨勢和理論計算結果相符合。

2.2 炮口焰試驗研究

采用 30mm彈道炮測試平臺對混裝發(fā)射藥進行試驗，并利用高速攝像儀對炮口焰進行拍攝，對比火焰的亮度、大小[5-6]。主要測試儀器：Redlake公司的Motion HG-100型高速攝像儀；測試樣品：硝酸銨發(fā)射藥AN50、30mm制式火炮發(fā)射藥混裝；測量參數(shù)：拍攝速度2 000p/s，光圈2.8；利用Image-Pro Plus6.0對各試樣的炮口焰圖像進行分析。圖像分析：將每個試樣連續(xù)拍攝得到的相片進行疊加，得到炮口焰疊加圖，用以表示炮口焰的傳播過程，對比標尺，得到炮口焰疊加圖的相應參數(shù)。

采用30mm火炮進行試驗，制式發(fā)射藥和混裝發(fā)射藥的炮口火焰圖及3D光密度圖如圖1～5所示。采用IPP軟件進行圖像分析，得到炮口焰面積（A）、最大直徑（Dm）、平均直徑（Dme）、周長（Pe）、積分光密度（IOD）值、火焰最大直徑減小率和積分光密度減小率。炮口焰參數(shù)分析結果見表3。

表3 炮口焰參數(shù)分析結果Tab.3 The analysis results of muzzle flash parameters

圖1 制式發(fā)射藥炮口焰圖Fig.1 The picture of muzzle flash of the service propellant

圖2 試樣10%炮口焰圖Fig.2 The picture of muzzle flash of propellant with 10%AN

圖3 試樣20%炮口焰圖Fig.3 The picture of muzzle flash of propellant with 20%AN

圖4 試樣30%炮口焰圖Fig.4 The picture of muzzle flash of propellant with 30%AN

圖5 試樣40% 炮口焰圖Fig.5 The picture of muzzle flash of propellant with 40%AN

圖1～5及表3結果表明：隨著硝酸銨含量增加，炮口焰面積、最大直徑和平均直徑均減小，說明火焰尺寸、傳播距離、持續(xù)時間減小；IOD值是光密度和面積的乘積，綜合反映炮口焰亮度和體積的變化情況，積分光密度降低說明火焰亮度降低和體積減小。硝酸銨含量為40%時，與制式藥相比，炮口焰面積減少了31.18%，炮口焰最大直徑減少了27.32%，平均直徑減少了 16.62%，炮口焰積分光密度減少了35.75%。

3 結論

（1）隨著配方中硝酸銨含量增加，氧平衡增加，燃燒產物中可燃性氣體含量降低。理論計算表明，當硝酸銨含量為30%時，氧平衡增加了約51.28%，可燃氣體總量減少了51.23%，CO2氣體含量增加約53.72%，進而降低了產生炮口焰的可能性。

（2）混裝發(fā)射藥體系中，隨著硝酸銨含量增加，炮口焰尺寸、傳播距離、持續(xù)時間都減小。硝酸銨含量為40%時，與制式藥相比，混合發(fā)射藥炮口焰面積減少了31.18%，炮口焰最大直徑減少了27.32%，炮口焰平均直徑減少了 16.62%，炮口焰積分光密度減小了35.75%。

[1]鄭東升.AN對槍炮二次焰的影響[J].天津化工,2010,24 (2):36-38.

[2]賀增弟,呂智星,袁治雷,等.硝酸銨對炮射導彈發(fā)射藥燃氣中CO濃度的影響[J].火炸藥學報, 2010,33(2): 82-85.

[3]肖倩.高能高強度發(fā)射藥長貯穩(wěn)定性研究[D].南京：南京理工大學,2010.

[4]王澤山，張緒柱，韓盤銘,等.火藥實驗[M].北京：中國科學技術出版社,1992.

[5]王宏,孫美,馮偉.發(fā)射藥槍口煙焰檢測技術研究[J].火炸藥學報,2002,25(2):57-58.

[6]發(fā)射藥理化分析編寫組.單基發(fā)射藥分析[M].北京：國防工業(yè)出版社,1985.