EI發射藥的燃燒特性

郭建忠，劉少武，張 研

（1.西北工業大學燃燒流動和熱結構國家重點實驗室，陜西 西安710069；2.海軍裝備部駐西安地區軍事代表局，陜西 西安710054；3.西安近代化學研究所，陜西 西安710065））

引 言

發射藥作為武器系統的動力能源，決定著彈丸的初速、有效射程和發射穩定性等彈道特性，隨著新概念武器系統、超高速發射系統、高精度發射系統的出現，對發射藥的要求也在不斷提高，具有高燃燒漸增性的發射藥得到了發展，如鈍感發射藥、程序控制發射藥、多層變燃速發射藥、改性單基發射藥（EI發射藥）、預制開裂發射藥技術等。其中以硝化棉為主要組分的EI發射藥，具有低燒蝕、低溫度系數、高初速特點，能夠大幅度提高火炮炮口的動能水平，瑞士已經研制成功并已推廣應用［1-2］，王瓊林等在燃燒機理方面研究已取得較大進展［3-7］。

本研究通過對EI發射藥的結構特征分析，建立了相關藥型燃燒的數學模型，對制備的兩種樣品進行了密閉爆發器試驗。

1 EI發射藥燃燒模型的建立

1.1 EI發射藥的結構特征

EI發射藥采用壓伸浸漬工藝制備，首先壓出單孔、七孔等不同藥型形狀的以硝化棉為基本能量組分的均質單基發射藥，然后通過浸漬高能組分（主要是硝化甘油）使能量得到大幅度提升，為降低初始燃速，在表面浸漬一薄層鈍感劑，最后在表面包覆一層均勻的高性能改性材料。

EI發射藥具有如下結構特征：（1）藥粒整體為非均質發射藥；（2）藥粒表層（指發射藥外圓周面及兩端面）浸漬深度較深，小孔內部浸漬深度較淺；（3）浸漬濃度和深度服從一定的規律；（4）藥粒的外型尺寸比均質單基發射藥粒（基體藥粒）增大；（5）發射藥內層未浸漬部分為均質硝化棉層。

1.2 EI發射藥燃燒數學模型的建立

為方便計算，作以下假設：（1）EI發射藥基體為質地嚴格均一的同質材料發射藥；（2）浸漬濃度的分布和浸漬深度以某一函數的形式給出，其他隨機因素和工藝細節的影響不予考慮；（3）包覆層為表面（不包含小孔內部表面）一薄層；（4）各發射藥藥粒完全相同，所有計算均不考慮發射藥的外形偏差；（5）發射藥燃燒服從幾何燃燒定律，同層發射藥具有相同的燃速；（6）不同層不均質部分具有各自的主要物性參數，包括火藥力、燃速系數、壓力指數、密度，且燃燒產物具有均一的物性；（7）根據試驗和經驗，EI發射藥體積的增大為可忽略的數值，因此，假定EI發射藥與空白發射藥相比體積不變，密度隨浸漬參數變化，用某一函數給出（一般為拋物線形式［3］）。

根據以上假定，對于一定量的5／7空白發射藥，加入質量分數5%～20%硝化甘油的浸漬量，以浸漬深度x為自變量，則濃度分布cJ（x）=fJ（x），加入0～3%聚酯的浸漬量，則濃度分布cz（x）=fz（x）。

由物理學中密度的定義知，在任意深度x處有：

組分混合過程中沒有反應且火藥力符合加和定律有：

其中假定在某一均質基層的體積為V1，在體積V1中浸漬含能組分后，因試驗中體積的增量較小，因此忽略體積的變化，則有V1=Vn=Vk，由于鈍感劑組分含量少且為不含能的材料，可以略去不計，即最后一項近似等于0，化簡后得：

火藥燃燒規律為：

xb為浸漬深度的邊界值，在燃燒深度大于xb后，為均質空白發射藥的燃燒，服從一般發射藥燃燒規律。

為對發射藥密閉爆發器中的數據進行計算，結合以上EI發射藥的燃燒特點，有

根據燃速的定義公式有

公式（5）為EI發射藥在密閉爆發器中的燃速關系式。

2 實 驗

2.1 樣品的制備

空白發射藥為5／7 單基發射藥，采用浸漬-鈍感-烘干-光澤的工藝處理：（1）在基體藥中浸入質量分數10%的NG，經工藝處理后再加入質量分數2.5%的聚酯進行鈍感，得到EI-1發射藥；（2）在基體藥中加入質量分數15%NG，經工藝處理后加入質量分數2.5%的聚酯進行頓感，制得EI-2發射藥。

2.2 密閉爆發器試驗

密閉爆發器容積為100mL，裝填密度為0.2g／mL，點火藥包采用1.1g硝化棉，正常點火壓力為10MPa，在此條件下對EI-1、EI-2發射藥及基體單基發射藥分別進行密閉爆發器試驗。

3 結果及討論

3.1 浸漬量與浸漬深度的關系

發射藥的火藥力、爆熱、藥型系數測試結果見表1。

表1 樣品基本性能測試結果Table1 Basic performance of samples

從表1可知，經過浸漬的EI-1發射藥，爆熱由基體藥的3 798kJ／kg 增加到3 894kJ／kg，增幅2.53%，火藥力由986kJ／kg增加到1 056kJ／kg，增幅7.1%；EI-2發射藥爆熱由基體藥的3 798kJ／kg增加到4 076kJ／kg，增幅7.32%，火藥力由986kJ／kg增加到1 086kJ／kg，增幅10.14%。表明采用NG 浸漬后，發射藥能量提高幅度較大，浸漬量為15%時，火藥力提高了10.14%，工藝方法成熟，增能效果較好。由表1數據可知，發射藥體積基本沒有變化，述假定條件（7）較合理。對EI-2發射藥進行顯微切片照相，EI-2發射藥顯微橫切照片和顯微剖切照片見圖1（a）和圖1（b）。

圖1 EI-2發射藥顯微照片Fig.1 Transverse and longitudinal micrographs of EI-2propellant

從圖1（a）可看出，NG 浸漬層外表面的浸漬深度較深，小孔處有一定的浸漬且較均勻，浸漬深度沒有外層浸漬深度大。由圖1（b）知，浸漬層在外圍分布均勻，細孔中分布不太均勻，兩端浸漬深度要高于中間浸漬深度。EI發射藥的實際組成與模型中的假設基本相符。

3.2 浸漬與燃燒漸增性的關系

對EI發射藥和空白發射藥進行了密閉爆發器試驗，采用公式（5）及得到的邊界條件值 對試驗曲線進行了計算，圖2（a）為3種發射藥的p—t曲線，圖2（b）為根據實驗數據計算得到的u—p曲線，圖2（c）為3種發射藥的L—B曲線。

由圖2（b）和2（c）可知，基體藥經增能鈍感后，能量較基體藥有了一定幅度的提高，EI-2發射藥的最大壓力最高，基體藥和EI-1發射藥的最大壓力相當，圖2（a）中EI-2的曲線起始燃燒及上升明顯快于EI-1，這可能是由于鈍感劑的質量分數均為2.5%，而NG 浸漬量不同所致。當NG 浸漬量較大時，鈍感劑所起的作用并不是呈線性值，因此導致EI-2發射藥燃燒較快，由于鈍感劑對燃燒影響的復雜性以及含量少，計算部分未考慮鈍感劑能量的影響。用公式（5）對EI發射藥的燃速曲線進行求解，結果如圖2（b）所示，基體藥的燃速高于EI發射藥，EI-2發射藥較EI-1 發射藥的燃速略高，燃燒漸增性能較好，在60MPa以后比較接近，說明未考慮鈍感劑能量影響的數學模型在一定程度上與試驗結果吻合，基本上能夠描述EI發射藥的燃燒過程。由圖2（b）可知，三條曲線在150MPa附近重合，說明在能量較大幅度提高的條件下，EI發射藥的燃速變化在低壓下較慢，高壓下較快。圖2（c）的L—B曲線中，EI-2的前半部分較EI-1和基體藥的曲線低，而后半部分基本平行，說明EI-2 發射藥的燃燒漸增性較好。

圖2 三種發射藥p-t曲線Fig.2 p-t curves of three gun propellants

4 結 論

（1）基于EI發射藥的結構組成，提出了藥型燃燒過程的理論模型，并經試驗證，所建立的理論模型在不考慮鈍感劑能量性能影響的情況下，基本上能夠反應EI發射藥的燃燒特性。

（2）EI發射藥在實現高能量的同時，燃速在低壓力下較小，高壓下較大，實現了在藥型不變的情況下，具有較強的燃燒漸增性。

（3）在NG 浸漬量和聚酯浸漬量配比合適的條件下，EI發射藥的火藥力和燃燒漸增性可以做到同步增加。

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