可燃藥筒降燒蝕技術研究

＊范文濤 趙振宇 高文歡 李忠山 袁麗

（1.海軍裝備部 陜西 710054 2.西安北方惠安化學工業有限公司 陜西 710302）

引言

現代火炮向著遠射程、高初速、大威力的方向發展，火炮膛壓升高、高能發射藥應用以及高射速等多因素，導致火炮身管的燒蝕問題越來越突出，火炮身管的燒蝕壽命已經成為影響身管使用壽命的主要因素[1]。火炮身管燒蝕是受熱、機械磨損等綜合因素影響的結果，其中火藥燃氣的熱作用對炮膛燒蝕有著極大的影響。為降低火炮身管燒蝕，最實用、最有效地解決方式是在火炮發射裝藥系統中，加入具有降燒蝕功能的裝藥元件。國內外研究人員將鈦白粉（TiO2）、滑石粉等無機化合物與石蠟混溶涂抹在纖維上形成襯套結構護膛劑，將該護膛劑放入發射裝藥系統中，取得了良好降燒蝕效果。但此方法對部分發射藥或裝藥方式緩蝕效果偏低，而且存在力學強度差、裝填體積大等問題[2]。將TiO2型、滑石粉型、多元性和801型等降燒蝕添加劑直接加入發射藥中，雖然可以降低發射藥燃燒氣體對身管的燒蝕，但發射藥中增加降燒蝕添加劑將會帶來許多副作用，如發射藥做功能力降低、燃燒不完全、殘渣多等[3-4]。

近年來，可燃藥筒能、隨發射裝藥燃燒完全的特性使其廣泛應用于身管武器的彈藥系統中。可燃藥筒的特性簡化了火炮結構，解決了高膛壓武器金屬藥筒的退殼難題，便捷了勤務使用[5]。同時相關研究發現可燃藥筒緊貼火炮膛壁，燃燒時的燃燒氣流具有屏阻效應，可減緩發射裝藥燃燒火藥氣流對火炮膛壁的沖刷。

如何提升可燃藥筒的降燒蝕性能，具有十分重要的現實意義。本文主要介紹高緩蝕組分模壓可燃藥筒配方設計，針對可燃藥筒的緩蝕組分選擇、高效留著開展研究，并進行降燒蝕性能對比驗證。

1.緩蝕功能可燃藥筒設計

(1)緩蝕劑類型選擇

常見的緩蝕劑類型主要有二氧化鈦型、二氧化硅型、硅酸鎂鹽型等。無機類緩蝕劑較高的比熱容有利于相同溫度下吸收更多的火藥燃氣熱量；較大的導熱系數能夠使緩蝕劑粒子在較短的時間內和一定的身管長度內更快吸收熱量；較高的密度有利于相同體積下加入更多質量的緩蝕組分。此外良好的附著性，使在火炮身管表面形成堅韌光滑層的固體粒子更有利于減小彈丸對身管的磨損。常用無機類緩蝕劑物理特性參數如表1所示。

表1 緩蝕劑物理特性參數

可燃藥筒作為發射裝藥容器，其結構嚴格受到火炮及裝藥約束，有著有限的體積。在有限的體積內，要實現高效的緩蝕作用，選擇高密度、高熔點的固體粒子效果更好。在某假定發射裝藥條件下，發射藥爆熱為3500kJ/kg，發射藥藥量為15kg，火藥燃氣溫度Tg=3000K，可燃藥筒約束體積為1500cm3，在緩蝕劑占可燃藥筒2%體積時，m緩蝕劑=V緩蝕劑/ρ緩蝕劑，Q緩蝕劑吸=m緩蝕劑×Cp緩蝕劑×dT，Q燃氣放=m火藥×Qv火藥，吸收效率=Q緩蝕劑吸/Q燃氣放，進行緩蝕劑吸熱效率計算，計算結果如表2所示。

表2 緩蝕劑吸熱效率

從表2可以看出，常用的二氧化鈦、二氧化硅、滑石粉等無機類緩蝕劑，二氧化鈦具有最高的吸熱效率和緩燒蝕作用。同時二氧化鈦熔點較高，在800℃下可發生化學反應：3TiO2+2CO=Ti3O4+2CO2，可將引起炮膛燒蝕的主要成分CO轉化為CO2，對火炮降燒蝕有利。

(2)緩蝕劑粒徑選擇

緩蝕劑作用效果與傳熱時間有關，傳熱時間與其粒子直徑有較大關系。假定緩蝕劑為球形微粒，不同粒度緩蝕劑的傳熱時間Δt=Qs/Φ。其中，Q吸=m×Cp×dT，吸收功率Φ=-λ×As×ΔT/0.5Ds（λ為導熱系數）。根據初始表面積As=4×Pi×(Ds/2)2，初始體積Vs=4/3×Pi×(Ds/2)3，初始重量Ws=Vs×ρs，不同粒度緩蝕劑粒子傳熱時間如表3所示。

表3 不同粒度緩蝕劑粒子傳熱時間

緩燒蝕劑固體粒子直徑越小，其傳熱時間越短，1000目固體微粒傳熱時間僅為500目微粒的1/5左右。緩蝕功能可燃藥筒在水相漿料體系下通過真空吸濾工藝實現預成型，為實現更好的緩蝕劑留著性，避免緩蝕劑在可燃藥筒制備過程中流失，宜選擇1000目粒度緩蝕劑作為可燃藥筒緩蝕組分規格要求。

(3)可燃藥筒配方組成設計

根據緩蝕劑分析和傳統可燃藥筒組成條件，設計緩蝕功能可燃藥筒方案為：金紅石型/銳鈦型TiO2（平均粒徑15μm），四川龍蟒化工有限公司；硝化棉（含氮量12.5%），硫酸鹽木漿紙（a-纖維素含量大于95%），樹脂粘結劑（固含量50%），二苯胺，西安北方惠安化學工業有限公司；聚丙烯酰胺（PAM），鞏義億鑫凈水材料有限公司。

(4)緩蝕功能可燃藥筒制備

以硝化棉、硫酸鹽木漿紙、樹脂粘結劑、二苯胺、金紅石型/銳鈦型二氧化鈦、PAM等原材料為主，采用抽濾模壓工藝制備一系列可燃藥筒樣品。可燃藥筒的抽濾模壓工藝包括制漿、真空抽濾濕坯、壓制固化成型及烘干等工藝過程。制備可燃藥筒樣品的方案及配方比例見表4。

表4 緩蝕功能可燃藥筒配方比例

2.緩蝕功能可燃藥筒性能研究

(1)性能測試方法

緩蝕劑含量及留著率：通過灼燒法測定可燃藥筒中二氧化鈦含量，其結果與原漿料配方中緩蝕劑含量的占比即為緩蝕劑留著率。

靜態燒蝕性能實驗：采用燒蝕管失重法，通過稱量燒蝕管在實驗前后的質量差，分析研究可燃藥筒與發射藥不同配比下可燃藥筒的防燒蝕性能。

實驗條件：燒蝕管材料45號鋼；燒蝕管質量10g；可燃藥筒片狀，發射藥藥型不變；可燃藥筒與發射藥總重為定值，可燃藥筒與發射藥均勻混合。

燃燒環境：半密閉爆發器，點火藥為2號NC，點火藥質量1.1g，實驗溫度20℃。

(2)PAM對緩蝕劑留著率的影響

對N-J、N-JP、N-RP配方可燃藥筒進行緩蝕劑TiO2的留著率測試，其結果見表5。在PAM作用下，緩蝕劑金紅石型TiO2在可燃藥筒中的留存效率大幅提升，從無PAM添加的65.6%提高到87.0%。在PAM作用下，銳鈦型TiO2在可燃藥筒中的留著率與金紅石型TiO2留著率接近。

表5 可燃藥筒緩蝕劑實際含量及留著率

(3)二氧化鈦晶型及其用量對典型火藥燒蝕的影響

將N-JP、N-RP兩種可燃藥筒分別與AHGU發射藥（火藥力1227J/g）按照不同比例混合，混合總重量為9.431g，進行靜態燒蝕性能測試后，4發總燒蝕量及平均最大壓力如圖1所示。

圖1 N-JP、N-RP可燃藥筒與AHGU發射藥靜態燒蝕結果

從測試結果可以看出，相同裝填條件下，N-JP配方可燃藥筒燒蝕管質量損失相對偏小，表現出更優的降燒蝕效果。相同可燃藥筒與發射藥占比下，金紅石型TiO2減少燒蝕管質量損失是銳鈦型TiO2的1.94倍。在可燃藥筒與AHGU發射藥質量比為1:9的條件下，N-JP可燃藥筒燒蝕管質量損失下降46.4%，N-RP可燃藥筒燒蝕管質量損失下降23.9%。

將N-JP可燃藥筒與三胍-15發射藥（火藥力1050 J/g）按照不同比例混合，混合總重量為11.021g，進行靜態燒蝕性能測試后，3發總燒蝕量及平均最大壓力如圖2所示。

圖2 N-JP可燃藥筒與三胍-15發射藥靜態燒蝕結果

從測試數據可以看出，N-JP可燃藥筒對三胍-15發射藥也有較好的降燒蝕性。在可燃藥筒與三胍-15發射藥質量比為1:9的條件下，燒蝕管質量損失下降31.8%，2:8的條件下燒蝕管質量損失下降77.4%。當可燃藥筒使用量超過一定值時，燒蝕管質量損失不再下降。

3.結論

（1）二氧化鈦應用于可燃藥筒達到了降燒蝕效果，相同可燃藥筒與發射藥占比下，金紅石型二氧化鈦降燒蝕效果優于銳鈦型二氧化鈦。

（2）采用聚丙烯酰胺（PAM）有助于提升可燃藥筒中緩蝕劑組分含量，緩蝕劑留著率達到87%。