端面不堵孔包覆對多孔發射藥燃燒和彈道性能的影響

楊春海，何衛東，堵 平

（南京理工大學化工學院，江蘇 南京210094）

引 言

對發射藥進行阻燃包覆，會明顯改變其燃燒性能［1-2］，尋求不同材料對發射藥進行包覆，并研究其燃燒性能的改變規律，一直是人們研究的熱點。國外在20世紀70年代對包覆火藥進行了廣泛研究［3-4］，得到包覆藥應用于火炮裝藥可以不同程度地改善膛內壓力行程曲線的形狀，提高炮口的動能。我國隨后也進行了廣泛深入的研究，特別是在低溫感裝藥的研究方面，取得了突破性的成果［5-6］。

羅運軍等人［7］研究指出，在全包覆、側面包覆和端面包覆中，對燃燒漸增性貢獻最大的是端面包覆。大口徑火炮裝藥一般采用大弧厚多孔藥做主裝藥，通過混合一定比例的包覆藥來增加裝藥的燃燒漸增性，由于主裝藥端面較大，減面性燃燒顯著，對端面進行阻燃包覆，可以消除此不利因素，但是端面閉孔阻燃包覆后，由于內孔被堵塞，造成點火困難。

本研究用一種較大表面張力的環氧樹脂基復合阻燃材料對37孔硝基胍發射藥藥粒端面進行包覆，包覆層在固化過程中由于表面張力的作用使藥粒內孔裸露，形成端面不堵孔包覆藥。通過密閉爆發器實驗和彈道性能預估，獲得了端面不堵孔包覆對彈道性能的影響。

1 端面不堵孔包覆藥形狀函數的特征量分析

1.1 形狀函數模型邊界條件

假設：（1）藥粒只進行端面包覆，端面包覆層固化后藥粒內孔裸露不堵塞；（2）包覆層燃速遠小于發射藥的燃速，包覆層和發射藥的燃速比等于包覆層厚度和發射藥藥粒肉厚一半之比，當藥粒分裂時，包覆層同一時間燃盡，且其整個燃燒過程符合平行層燃燒規律；（3）在假設（2）的條件下，包覆層厚度小于發射藥藥粒肉厚的一半。

1.2 形狀函數特征量的推導及分析

設發射藥肉厚為2e1，孔徑為d0，藥粒直徑為D0，藥長為2c，孔數為n，初始體積為V1，某個瞬間已燃厚度為e，2e／2e1=Z，該瞬間發射藥的剩余體積為V′，端面包覆層厚度為eb，其與發射藥半肉厚的比值為eb／e1=r（由于eb＜e1，r＜1）。

則藥粒的初始體積：V

在某個瞬間藥粒的體積（此時體積的減少有藥粒側面的燃燒，內孔的燃燒，包覆層的燃燒三方面的因素）為：

發射藥燃去的百分數為：

當藥粒燃燒分裂后：假設ρ為分裂瞬間發射藥燃燒所剩曲邊棒狀體的內切圓半徑，Zb為分裂后碎粒全部燃完時的燃去相對厚度，此時已燃百分數Ψs，則有：

以37孔藥為例，以St表示藥粒端面面積，端面不堵孔包覆藥分裂后長度為2c-2eb=2c-2re1，則藥粒分裂時有：

對于相同藥型的未包覆發射藥藥粒，因為存在端面的燃燒，則分裂后長度為2c-2e1，分裂點藥粒的已燃百分數為：

由于r＜1，則Ψs＞Ψ′s，說明端面不堵孔包覆藥藥粒分裂后的燃面較未包覆藥粒分裂后的燃面大，這為火炮膛內彈丸運動后期提供較高的壓力，改善火炮裝藥的p-l曲線形狀非常有利。

2 實 驗

2.1 材料與儀器

E44環氧樹脂，工業級，星辰化工無錫樹脂廠；650聚酰胺，工業級，南京化工原料總公司；二氧化鈦，工業級，鎮江太白粉有限公司；乙醇（AR），丙酮（AR），南京化工原料總公司。

JJ-1型分散攪拌機，上海諾頂儀器設備有限公司；KH-1000型三維視頻顯微鏡，美國科視達公司HiRDX。

2.2 包覆液的制備

在工業級E44環氧樹脂（用650 聚酰胺作固化劑，質量比為4∶3）中添加質量分數為40%的二氧化鈦，置于分散攪拌機中高速分散0.5h后，外加質量分數為10%的稀釋劑（質量比1∶1醇酮溶液配制，AR）再置于分散機中分散20min后待用。

2.3 端面不堵孔包覆發射藥的制備

多孔發射藥的配方（質量分數）為：硝化棉（氮質量分數12.6%），28%；硝化甘油，23%；硝基胍，47%；2號中定劑，1%；硫酸鉀，1%。藥粒尺寸：花邊形37 孔藥，弧厚2.55mm，孔徑0.7mm，藥長29mm。

采用刷涂的方法，在上述藥粒端面涂覆包覆劑，然后置入60℃烘箱烘干，在表面張力的作用下，包覆液固化形成端面不堵孔的包覆藥藥粒，涂覆量為涂覆前藥粒質量的1.5%。

2.4 密閉爆發器試驗

用同質量的未包覆藥粒和包覆藥進行密閉爆發器試驗，裝填密度為0.2g／cm3，密閉爆發器容積200mL，點火藥為20g的2號硝化棉，點火壓力10MPa。

3 結果與討論

3.1 發射藥包覆結果分析

圖1為涂覆前后藥粒端面的三維視頻顯微鏡照片。

圖1 藥粒端面包覆前后的三維視頻照片Fig.1 3Dvideo picture of end-surface（a）of uncoated propellant and coated propellant

由圖1可知，發射藥包覆后，包覆層由于表面張力的作用，固化后在藥粒內孔孔口處開孔，形成了不堵孔端面包覆層，有個別孔沒有形成完全開孔，這是由發射藥藥粒孔徑不一致造成的。

3.2 密閉爆發器試驗結果分析

圖2和圖3分別為多孔發射藥包覆前后的pt曲線和L-B曲線。

圖2 多孔發射藥包覆前后的p-t曲線Fig.2 The p-t curves of uncoated and coated propellant

由圖2可知，端面不堵孔包覆藥由于包覆層的緩燃作用，壓力上升緩慢，使燃燒時間延長；同時由于包覆層含有非含能成分，影響發射藥的總能量，使得最大壓力降低。

圖3 多孔發射藥包覆前后的L-B 曲線Fig.3 The L-Bcurves of uncoated and coated propellant

以圖3中動態活度最低點和最高點的差值ΔL來定量比較包覆前后發射藥的漸增性大小，由圖3中曲線對應數據計算，未包覆藥和包覆藥的動態活度增量分別為0.164 4和0.202 1MPa-1·s-1，兩者的差值為0.037 7MPa-1·s-1，相對于未包覆藥，端面不堵孔包覆藥的動態活度增量增加22.9%。

由圖3曲線可看出，燃燒初期未包覆藥的動態活度較大，到燃燒后期，包覆藥動態活度較大，說明包覆層起到緩燃的作用，使端面不堵孔包覆藥具有更高的燃燒漸增性。

3.3 內彈道性能過程預估

以100mm 加農炮彈道諸元為例，對未包覆藥和包覆藥采用南京理工大學裝藥技術研究所研制的內彈道模擬計算軟件進行內彈道性能預估，燃速方程為指數方程，燃速系數u1為0.205cm／（s·MPa），燃速壓力指數n為0.824，由于包覆層的含量極少，視為包覆前后火藥力基本不變（fv=1 080kJ／kg）。

圖4和圖5分別為預估的壓力行程（p-l）曲線和速度行程（v-l）曲線，表1為預估的彈道性能特征點。

圖4 3種裝藥的預估p-l曲線Fig.4 The estimated p-l curves of three different charges

圖5 3種裝藥的預估v-l曲線Fig.5 The estimated v-l curves of three different charges

表1 不同裝藥預估的彈道性能參數Table 1 Interior ballistic characteristic parameters of different charges by estimation

由圖4和表1可以看出，在相同的裝填密度條件下，與未包覆藥裝藥相比，端面不堵孔包覆藥在彈丸運動初期，壓力上升較慢，達到最大壓力點的時間推后，最大壓力點后壓力下降速度較緩，在彈丸運動后期膛內壓力較未包覆藥裝藥大，同時，膛壓和初速均有不同程度的下降，燃燒結束點推后，但由于最大壓力下降，p-l曲線變得相對平緩，示壓效率提高約4%。

增加端面不堵孔包覆藥弧厚，同時增加裝藥量，在達到與原裝藥相同的膛壓和燃燒結束點下，初速可提高16m／s，示壓效率提高約4%。

由以上分析可知，采用端面不堵孔包覆藥裝藥，可以有效提高裝藥的示壓效率，達到提高火炮初速的目的。

4 結 論

（1）對多孔發射藥的端面進行不堵孔包覆，提高了發射藥的燃燒漸增性。

（2）相對于未包覆藥，37孔端面不堵孔包覆藥最大動態活度增量提高約23%。

（3）在相同的膛壓和燃燒結束點條件下，端面不堵孔包覆藥的示壓效率比未包覆藥提高4%，炮口初速提高16m／s。

［1］王澤山，何衛東，徐復銘.火藥裝藥設計原理與技術［M］.北京：北京理工大學出版社，2006：219-221.

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