石先銳 閆光虎 賈永杰 胡 睿 崔鵬騰 張玉成西安近代化學(xué)研究所(陜西西安，710065)

引言

發(fā)射藥的膛內(nèi)燃燒是一個(gè)復(fù)雜而有序的過程，其中壓力波現(xiàn)象普遍存在[1]。壓力波的強(qiáng)度在一定程度上反映了發(fā)射裝藥結(jié)構(gòu)的合理性以及內(nèi)彈道性能的穩(wěn)定性[2]。目前，抑制壓力波強(qiáng)度仍是考核高裝填密度裝藥和點(diǎn)傳火結(jié)構(gòu)合理性的重要指標(biāo)之一，其基本測(cè)試方法是測(cè)出膛底和坡膛的p-t曲線，從中獲取發(fā)射裝藥膛內(nèi)燃燒基本規(guī)律[3]。隨著發(fā)射裝藥發(fā)射安全重要性的進(jìn)一步提升，研究人員在膛內(nèi)壓力波產(chǎn)生機(jī)理、發(fā)展規(guī)律、抑制方法及發(fā)射安全性評(píng)判方法等方面開展了大量的工作，成果較多。黃振亞等[4]通過對(duì)比RGD7發(fā)射藥與單基藥的膛內(nèi)壓力波特征和低溫動(dòng)態(tài)燃燒活性，提出RGD7發(fā)射藥具備良好的使用安全性，但需進(jìn)一步改善低溫力學(xué)性能。楊麗俠等[5]通過短管炮內(nèi)彈道試驗(yàn)和點(diǎn)火模擬裝置試驗(yàn)，研究了鈍感與包覆兩種不同表面處理工藝的疊氮硝胺(DIANP)發(fā)射藥膛內(nèi)起始燃燒性，發(fā)現(xiàn)兩種工藝均能改善壓力波強(qiáng)度，但本質(zhì)不同。楊建興等[6]用密閉爆發(fā)器靜態(tài)試驗(yàn)和30 mm高壓模擬炮的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，以制式單基藥作為對(duì)比發(fā)射藥，研究了DAGR 125發(fā)射藥的靜態(tài)燃燒特性及膛內(nèi)燃燒特征，并找出了DAGR 125發(fā)射藥內(nèi)彈道穩(wěn)定性的原因。肖正剛等[3]研究了兩種點(diǎn)傳火結(jié)構(gòu)對(duì)高裝填密度裝藥壓力波強(qiáng)度的影響，提出了低爆速傳火結(jié)構(gòu)對(duì)抑制壓力波效果明顯。

本文中，從典型DIANP發(fā)射藥配方的基本組成出發(fā)，采用相同點(diǎn)傳火結(jié)構(gòu)和相同裝藥結(jié)構(gòu)，以30 mm高壓模擬試驗(yàn)裝置為試驗(yàn)平臺(tái)，以單基藥為參照，對(duì)比研究高含量黑索今(RDX)或硝基胍(NGU)對(duì)DIANP發(fā)射藥動(dòng)態(tài)燃燒穩(wěn)定性的影響規(guī)律，分析配方組成變化對(duì)DIANP發(fā)射藥起始燃燒特征、膛內(nèi)壓力上升過程及壓力波動(dòng)的影響，探討DIANP配方組成與起始燃燒特征、膛內(nèi)壓力上升特點(diǎn)和壓力波強(qiáng)度的相互關(guān)系，從而從配方設(shè)計(jì)、配方改性等方面為抑制膛內(nèi)壓力波強(qiáng)度和提高發(fā)射藥安全性提供一些試驗(yàn)參考。

1 試驗(yàn)

1.1 材料與儀器

試驗(yàn)所采用的發(fā)射藥樣品如表1所示(NC為硝化棉)。樣品1＃、2＃分別為制式未鈍感單基發(fā)射藥和單樟發(fā)射藥；樣品3＃為均質(zhì)DIANP發(fā)射藥；樣品4＃、5＃為非均質(zhì)DIANP發(fā)射藥，固體組分分別為RDX和NGU。采用的試驗(yàn)樣品均為小弧厚七孔發(fā)射藥，低溫抗沖性能均較好。

30 mm高壓模擬試驗(yàn)裝置:藥室容積W0＝0.336 dm3，身管內(nèi)膛直徑d＝0.30 dm，彈丸行程Lg＝16.6 dm，彈質(zhì)量約為200 g。該裝置可同步測(cè)試膛底壓力(pt)、藥室坡膛位置壓力(pd)隨時(shí)間的變化曲線，用來研究發(fā)射藥在不同裝藥條件下的膛內(nèi)動(dòng)態(tài)燃燒過程。

1.2 試驗(yàn)方法

參考GJB 2973A—2008火炮內(nèi)彈道試驗(yàn)方法和GJB 2179—94炮用發(fā)射藥與裝藥內(nèi)彈道試驗(yàn)方法，采用30 mm高壓模擬試驗(yàn)裝置，在相同裝藥及點(diǎn)傳火結(jié)構(gòu)條件下，對(duì)比研究不同配方發(fā)射藥的膛內(nèi)動(dòng)態(tài)燃燒特征。

1.3 試驗(yàn)條件

采用自主設(shè)計(jì)的30 mm高壓模擬試驗(yàn)裝置，裝藥結(jié)構(gòu)為自主設(shè)計(jì)的可燃藥筒結(jié)構(gòu)，點(diǎn)傳火方式采用中心傳火管方式，裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗(yàn)溫度為常溫，試驗(yàn)前均采用單樟發(fā)射藥進(jìn)行溫炮處理。采用的彈丸均為標(biāo)準(zhǔn)彈丸，質(zhì)量約為200 g。點(diǎn)火藥為小粒黑，藥量為裝藥量的1%。為了保證試驗(yàn)中最大膛壓不小于350 MPa，根據(jù)試驗(yàn)樣品的能量水平，設(shè)計(jì)1?！?＃樣品裝藥量均為190 g，基本保證各樣品裝藥結(jié)構(gòu)一致。

表1 試驗(yàn)用發(fā)射藥樣品Tab.1 Test gun propellant samples

2 結(jié)果與討論

2.1 DIANP發(fā)射藥動(dòng)態(tài)燃燒膛底壓力和坡膛壓力的變化

圖2為5種配方發(fā)射藥膛內(nèi)燃燒膛底壓力pt和坡膛壓力pd隨時(shí)間的變化曲線。圖2中，對(duì)燃燒起始階段p-t曲線進(jìn)行了放大處理。由圖2可見，未鈍感單基發(fā)射藥燃燒起始階段兩處壓力均出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，曲線不光滑；經(jīng)樟腦表面鈍感后，單樟發(fā)射藥燃燒起始階段膛底壓力和坡膛壓力幾乎同時(shí)上升，兩條p-t曲線在上升階段幾乎重合，曲線光滑；3＃樣品坡膛壓力上升明顯延遲，并在起始階段出現(xiàn)波峰和壓力平臺(tái)，p-t曲線不光滑；添加了RDX和NGU的4＃和5＃樣品，燃燒起始階段，膛底壓力和坡膛壓力隨時(shí)間的變化曲線光滑，未出現(xiàn)明顯波動(dòng)。圖2中標(biāo)出了5種發(fā)射藥試驗(yàn)過程中的最大膛壓，分別為378、356、413、445 MPa和395 MPa?？梢?，最大膛壓變化規(guī)律與不同發(fā)射藥能量水平一致，但與膛內(nèi)起始燃燒過程的壓力曲線波動(dòng)現(xiàn)象無明顯相關(guān)性。裝藥結(jié)構(gòu)一致的條件下，初始?xì)怏w生成速率越大，由藥床點(diǎn)火燃燒不均勻引起的膛內(nèi)壓力波動(dòng)就越明顯[6]。單基發(fā)射藥主要由NC組成，其點(diǎn)火性能較好，起始燃燒也較快，經(jīng)樟腦鈍感后，點(diǎn)火過程和起始燃燒都明顯減緩[7]；因此，1＃樣品p-t曲線出現(xiàn)波動(dòng)，而2＃樣品p-t曲線光滑。DIANP雙基發(fā)射藥由于含有大量小分子含能增塑劑，其點(diǎn)火延遲短、起始燃燒較快，特別是DIANP含量較高時(shí)，起始?xì)怏w生成速率會(huì)大幅增加[5]。因此，3＃樣品p-t曲線出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)。在3＃樣品配方的基礎(chǔ)上，通過添加固體組分RDX和NGU，發(fā)射藥初始燃速降低，發(fā)射藥起始?xì)怏w生成猛度減小[6]，在起始燃燒階段表現(xiàn)為較弱的膛內(nèi)壓力波動(dòng)。

2.2 RDX和NGU對(duì)DIANP發(fā)射藥膛內(nèi)起始燃燒規(guī)律的影響

將圖2中膛底壓力變化曲線中不同壓力段的時(shí)間提取出來，結(jié)果如表2所示?！鱰1、△t2、△t3和△t4分別為膛底壓力從10 MPa上升至30 MPa、從30 MPa上升至50 MPa、從50 MPa上升至100 MPa和從100 MPa上升至最大壓力所需的時(shí)間。膛底壓力變化是藥床燃燒程度的反映，膛底壓力區(qū)間對(duì)應(yīng)的時(shí)間越小，說明該壓力區(qū)間內(nèi)藥床燃燒越迅速。從表2中可以看出，在100 MPa以上，各樣品△t4均相差不大；在低壓階段，不同樣品的△t1、△t2、△t3均差別較大，其中10～30 MPa階段影響因素較多，包括點(diǎn)火過程一致性、樣品點(diǎn)火性能等。因此，△t1不能準(zhǔn)確地反映樣品起始?xì)怏w生成猛度。△t2影響因素較少，相對(duì)可較為準(zhǔn)確地反映樣品起始?xì)怏w的生成猛度。對(duì)比鈍感前、后的單基藥，△t2從0.069 ms增加至0.259 ms，膛壓上升所需時(shí)間增加275%；說明樟腦鈍感后，單基藥起始燃燒速度明顯降低，起始膛壓上升變得緩慢。對(duì)比DIANP發(fā)射藥的△t2可見，DIANP雙基藥△t2為0.066 ms，添加了30%RDX或30%NGU后，△t2分別增加了92%和78%；說明添加固體組分后，藥床起始燃燒速度變慢，起始膛壓上升變慢。

表2 單基藥及DIANP發(fā)射藥樣品的起始燃燒時(shí)間Tab.2 Initial combustion times of different gun propellants ms

表3主要反映了鈍感及添加固體組分前、后，發(fā)射藥燃燒起始階段坡膛壓力和膛底壓力上升一致性和發(fā)射藥藥床起始燃燒一致性的差別。表3中，△t5、△t6分別為膛底壓力從5 MPa上升至10 MPa、坡膛壓力從5 MPa上升至10 MPa所需時(shí)間；△t7＝△t6-△t5；△t8為30 MPa時(shí)坡膛壓力與膛底壓力對(duì)應(yīng)的時(shí)間差；△p30為坡膛壓力30 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的膛底壓力和坡膛壓力之差。2＃、4＃和5＃樣品△t7值僅為0.03 ms左右，而1＃、3＃樣品△t7值高達(dá)0.271 ms和0.175 ms；說明鈍感后的單基藥和添加RDX、NGU的DIANP藥床起始燃燒一致性較好，而單基藥和DIANP雙基藥藥床起始燃燒一致性相對(duì)較差，導(dǎo)致坡膛壓力上升延遲相對(duì)明顯。另外，30 MPa時(shí)，△t8變化規(guī)律與△t7一致；坡膛壓力30 MPa時(shí)，樣品起始燃燒一致性越差，膛底壓力越偏離坡膛壓力。采用中心點(diǎn)火管的方式點(diǎn)火，發(fā)射藥藥床仍存在不同部位點(diǎn)火不一致的現(xiàn)象，當(dāng)發(fā)射藥起始?xì)怏w生成猛度較小時(shí)，這種點(diǎn)火不一致現(xiàn)象不會(huì)被放大，而當(dāng)發(fā)射藥起始?xì)怏w生成猛度較大時(shí)，該現(xiàn)象將會(huì)放大，表現(xiàn)為膛底壓力上升和坡膛壓力上升差別變大，從而導(dǎo)致壓力波動(dòng)和曲線不光滑。

表3 單基藥及DIANP發(fā)射藥樣品的動(dòng)態(tài)燃燒特征值Tab.3 Characteristic value of dynamic combustion of different gun propellants

2.3 RDX和NGU對(duì)DIANP發(fā)射藥裝藥燃燒穩(wěn)定性的影響

圖3為5種發(fā)射藥樣品膛內(nèi)燃燒過程膛底、坡膛壓力差(pD＝pt-pd)變化曲線。其中，圖3(a)為單基藥，圖3(b)為DIANP發(fā)射藥。表4為不同樣品壓差曲線的特征值，包括最大正負(fù)壓差點(diǎn)、起始負(fù)壓差點(diǎn)等。p-D，m(最大負(fù)壓差)、t-m分別為壓差曲線最大負(fù)值峰壓差點(diǎn)及其時(shí)間；p-D(起始負(fù)壓差)、ti分別為壓差曲線首次出現(xiàn)的負(fù)值峰壓差點(diǎn)及其時(shí)間；p﹢D，m(最大正壓差)、t﹢m分別為壓差曲線中最大正值峰壓差點(diǎn)及其時(shí)間；△t為最大正壓差點(diǎn)與起始負(fù)壓差點(diǎn)的時(shí)間差，△t＝t﹢m-ti；以壓差曲線-1 ms為時(shí)間零點(diǎn)。

由圖3(a)可見，單基藥膛底、坡膛壓力差變化較為明顯，分別在1.078 ms和1.415 ms處出現(xiàn)了的峰值較高的起始負(fù)壓差(-28.8 MPa)和最大正壓差(46.9 MPa)；通過樟腦鈍感后，壓差曲線在起始階段和壓力上升過程中未出現(xiàn)轉(zhuǎn)折和明顯波動(dòng)，說明鈍感后膛底壓力和坡膛壓力上升一致性較好，膛內(nèi)燃燒穩(wěn)定性較好。由圖3(b)可見，DIANP雙基藥壓差曲線類似于單基藥，也出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)，且最大正壓差和起始負(fù)壓差均較高，分別為-40.7 MPa和52.5 MPa；添加了30% RDX或30% NGU后，起始負(fù)壓差峰明顯減弱，且因壓力波動(dòng)而產(chǎn)生的正壓差尖峰基本消失，膛內(nèi)壓力上升過程中壓力波動(dòng)明顯減弱。結(jié)果說明，在均質(zhì)DIANP發(fā)射藥中引入一定量RDX或NGU，通過起始緩燃提高了發(fā)射裝藥膛內(nèi)燃燒穩(wěn)定性。另外，5個(gè)樣品的壓差曲線首次出現(xiàn)的正值峰壓差均不明顯，說明藥床點(diǎn)火一致性較好，避免了局部點(diǎn)火現(xiàn)象[8]。由壓差曲線可見，5個(gè)樣品的壓力波特征均為衰減型，且在最大壓力后壓力波基本消失，壓差曲線未見波動(dòng)，說明藥床在受到?jīng)_擊、擠壓作用下，發(fā)射藥均沒有發(fā)生明顯破碎。

研究表明，在實(shí)際燃燒過程中，，發(fā)射藥燃燒層鄰近的凝聚相表面(亞表面)熱分解過程是決定發(fā)射藥燃速特性的控制步驟。在燃燒過程的初期低壓階段，亞表面的熱分解特性與普通條件下的熱分析結(jié)果相近，可以通過正常的熱分析手段進(jìn)行預(yù)測(cè)[8]。單基藥起始燃燒較快，經(jīng)惰性材料表面鈍感后，發(fā)射藥表層熱分解速率降低，點(diǎn)火時(shí)間延長，導(dǎo)致燃?xì)馍擅投冉档?，膛底和坡膛壓力上升差異減小，從而有效降低起始?jí)毫Σ?。?duì)于DIANP雙基藥，NG熱分解產(chǎn)物對(duì)NC存在催化作用，同時(shí)，DIANP更能促進(jìn)基體的熱分解，因此，DIANP雙基藥起始燃燒猛度較大，在膛底和坡膛點(diǎn)火時(shí)間的微小差異的前提下，膛底壓力和坡膛壓力上升差異較大，導(dǎo)致壓力波也較為明顯。添加30%RDX后，在燃燒起始階段，由于壓力較低，RDX在熱分解前需要熔融吸熱，發(fā)射藥熱分解速率降低，發(fā)射藥起始燃?xì)馍擅投冉档停瑝毫Σ◤?qiáng)度也明顯減小[9]。NGU的能量比雙基藥的能量低，高比例NGU的加入，使發(fā)射藥熱分解產(chǎn)生的能量減小，從而導(dǎo)致NGU發(fā)射藥的燃速比對(duì)應(yīng)的雙基藥要??；因此，NGU基DIANP發(fā)射藥起始燃?xì)馍擅投群蛪毫Σ◤?qiáng)度均較低[10]。另外，NGU火藥在燃燒過程中，燃燒表面會(huì)形成熔融層，抑制了高壓燃?xì)鈴乃幜?nèi)部裂紋逸出，從而降低了燃?xì)馍擅投萚11]?？梢?，在DIANP發(fā)射藥配方中添加一定含量的固體組分RDX或NGU，其起始緩燃作用與發(fā)射藥表面鈍感的緩燃作用類似，可有效減小發(fā)射藥起始燃?xì)馍伤俾?，降低發(fā)射裝藥起始燃?xì)馍擅投?，減緩起始階段膛內(nèi)壓力的上升，提高藥床起始燃燒一致性，減小膛內(nèi)壓力波強(qiáng)度，增加膛內(nèi)燃燒穩(wěn)定性。

表4 不同配方發(fā)射藥壓力波特征值Tab.4 Characteristic value of pressure wave of different gun propellants

3 結(jié)論

1)在均質(zhì)DIANP發(fā)射藥配方中添加高含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%)的固體組分RDX或NGU，可有效減小DIANP發(fā)射藥起始燃?xì)馍伤俾剩档桶l(fā)射裝藥起始燃?xì)馍擅投?，提高藥床起始燃燒一致性，減小膛內(nèi)壓力波強(qiáng)度，增加膛內(nèi)燃燒穩(wěn)定性，膛壓從30 MPa增至50 MPa所需時(shí)間分別增加了92%和78%，起始負(fù)壓差從-40.7 MPa分別降低至-4.44 MPa和-10.66 MPa。

2)對(duì)比制式單基發(fā)射藥，在相同的裝藥結(jié)構(gòu)和點(diǎn)傳火結(jié)構(gòu)以及最大膛壓大于350 MPa的條件下，設(shè)計(jì)的含RDX或NGU的DIANP發(fā)射藥膛內(nèi)壓力波強(qiáng)度與鈍感單基藥相當(dāng)，裝藥燃燒更為穩(wěn)定，無明顯壓力波現(xiàn)象，在高膛壓環(huán)境中應(yīng)用前景較好。