一種新型可燃藥盒的特性研究

裔 璐, 堵 平, 劉 瓊

(1. 南京理工大學化工學院, 江蘇 南京 210094; 2. 遼寧慶陽特種化工有限公司, 遼寧 遼陽 111002)

1 引 言

目前我國大口徑榴彈炮采用的發射變裝藥主要是雙藥筒裝藥。但是雙藥筒裝藥存在裝藥繁瑣、彈藥利用率低、勤務處理困難等問題。而單元藥筒裝藥改變雙藥筒內布袋式藥包的裝藥形式,采用一種新型可燃藥盒的裝藥形式,使單元藥筒裝藥用一個藥筒同時實現雙藥筒裝藥(減變裝藥和全裝藥)的作戰效能,使彈藥利用率大大增加,火炮的效能獲得較大幅度的提高[1]。

新型可燃藥盒設計方法來源于可燃藥筒?？扇妓幫仓饕上趸蘩w維制成,自身含有能量,結構疏松多孔,孔隙分布不均一,呈現出滲透性的燃燒特點,不符合火藥的幾何燃燒規律[2]。國內有眾多學者對可燃藥筒的燃燒特性進行了深入研究[3-6],但主要集中于可燃藥筒自身的結構特點以及燃燒特性。為了適應單元藥筒裝藥特點,設計了以增強纖維為骨架,硝化棉為含能成型劑的新型可燃藥盒。新型可燃藥盒參與了火藥的共同燃燒,對火藥的燃燒性能產生明顯影響,進而對內彈道性能產生較大影響[7-8]。因此研究新型可燃藥盒和火藥共同燃燒時的規律對改善單元藥筒的彈道性能具有重要意義。

傳統的可燃藥筒(藥盒)的力學性能與燃盡性是一對矛盾。提高其力學性能的方法通常有使用高強粘結劑、提高藥筒密度和添加增強材料[9-11]。但這些方法通常都會不同程度的導致藥筒燃燒不完全,固體殘渣較多,嚴重影響火炮操作安全性。但是為了滿足單元藥筒裝藥的機械化裝填,對新型可燃藥盒的力學性能提出了更高的要求,怎樣在保證燃盡性的基礎上提高力學性能是關鍵。

本工作針對可燃藥盒的力學性能和單元藥筒裝藥的特點,設計制備了一種新型可燃藥盒,研究了新型可燃藥盒的力學性能和燃燒性能,以及與主裝藥共同裝藥時的燃燒規律,考察了新型可燃藥盒與火藥組成混合裝藥時的燃盡性,為單元藥筒裝藥的研究提供基礎技術。

2 實驗部分

2.1 材料與儀器

硝化棉(氮質量分數約14%)、平紋布、三胍-15 7/7H(AGu-15 7/7H)、抽濾模壓可燃藥盒,遼寧慶陽特種化工有限公司。

Micromeritics AccuPyc II 1340型真密度分析儀,美國麥克儀器公司; Instron 3367型精密萬能材料試驗機,美國英斯特朗公司; Micromeritics ASAP2020型氮氣分子吸脫附孔徑分布測試儀,美國麥克儀器公司。

2.2 試樣制備

以硝化棉和平紋布為基礎材料,外加少量流變性能調節劑、安定劑等成分。首先配制硝化棉溶液,然后通過傳送裝置將平紋布卷勻速通過硝化棉溶液浸漬壓片,最后進行驅溶等后處理過程。最終制成的藥盒的實物圖見圖1,其成分中硝化棉占55%,平紋布約占44%。新型可燃藥盒用N-1表示,抽濾模壓可燃藥盒用N-0表示。

a. elevation view b. top view

圖1 新型可燃藥盒的正視圖和俯視圖

Fig.1 Elevation view and top view of new combustible cartridge case

2.3 性能測試

(1)密度: 測試介質為高純氦氣。測試溫度為(25±2) ℃,試樣尺寸為20 mm×10 mm×0.55 mm。

(2)抗拉強度: 按國軍標GJB 5472.1-2005,剪成啞鈴狀,進行抗拉強度測試,測試溫度為(25±2) ℃,拉伸速度為10 mm·min-1,每個試樣測試5次求平均值。

(3)抗壓強度: 按國軍標GJB 5472.1-2005,從藥盒中部位置切取(50±1) mm圓環,上下截面平行,外觀平整,測試溫度為(25±2) ℃,加載速度20 mm·min-1,每個試樣測試5次求平均值。

(4)比表面積: 以氮氣分子吸脫附孔徑分布測試儀表征可燃藥盒的孔結構參數,測試溫度為(25±2) ℃,試樣尺寸為10 mm×10 mm×0.55 mm。

(5)密閉爆發器試驗: 密閉爆發器的體積為98 mL,測試溫度為(20±2) ℃,2號硝化棉為點火藥,點火藥量為1.1 g,藥盒試樣尺寸為20 mm×10 mm×0.55 mm,測試方法依據GJB5472.9-2005。

(6)彈道試驗: 采用PL96-122 mm榴彈炮對可燃藥盒進行彈道試驗,榴彈炮炮口口徑為122 mm,試驗溫度為常溫(約20 ℃)。

(7)對比樣品為抽濾模壓可燃藥盒,均按上述方式同樣測試。

3 結果與討論

3.1 可燃藥盒的力學性能

新型可燃藥盒N-1、抽濾模壓可燃藥盒N-0的密度和力學性能數據見表1。

表1 N-0和N-1力學性能對比

Table 1 Comparison of the mechanical properties of N-0 and N-1

compositionN-1N-0density/g·cm-31.511.62extensionstrength/MPa94.1832.68compressionpressure/MPa11.787.79

由表1可見,與抽濾模壓可燃藥盒(N-0)相比,新型可燃藥盒(N-1)的密度略低,但其抗拉強度從32.68 MPa提高到94.18 MPa,提高了188%; 抗壓強度從7.79 MPa提高到11.78 MPa,提高了51%,力學性能得到明顯改善。新型可燃藥盒的骨架材料是由布纖維織成的網狀的棉纖維,空隙中由硝化棉膠涂覆填充而成,部分硝化棉膠會滲入到棉布孔隙中與纖維相互纏繞,這種結構可明顯提高藥盒的力學性能。

3.2 可燃藥盒的定容點火特性

對N-0和 N-1兩種可燃藥盒進行密閉爆發器試驗,比較兩種藥盒的定容點火特性,點火強度為10.98 MPa,裝填密度為0.2 g·cm-3。N-0、N-1兩種可燃藥盒的比表面積Sg及密閉爆發器測得的點火時間tk結果見表2.點火時間定義為達到10.98 MPa時所需要的時間。

表2 N-0和N-1的結構參數及點火時間

Table 2 The construction parameter and ignition time of N-0 and N-1

CombustiblecartridgecasesSg/m2·g-1tk/msN-01.684.33N-10.8812.40

Note:Sgis the specific surface measured by nitrogen adsorption measurement;tkis the ignition time measured by closed-bomb.

由表2可見,相比N-0,N-1的點火時間12.40 ms明顯延遲。主要是因為N-1的表面光滑且致密,而N-0表面粗糙且結構疏松,從表2中的比表面積數據也可以看出,N-0的比表面積明顯大于N-1。N-1比表面積小,結構致密,因而導熱系數較大,藥筒表面與內層的溫度梯度較小,從而很難在極短時間內使藥盒表面溫度達到著火溫度。而N-0比表面積大,結構疏松多孔,因而導熱系數低,表面與內層的溫度梯度相對較大,因而藥盒表面溫度上升迅速,在極短時間內即可達到著火溫度。

圖2、圖3為N-0、N-1在點火階段的p-t曲線和dp/dt-t曲線,從p-t曲線可以看出,兩種藥盒在2 ms內的壓力上升趨勢相似,此時是點火藥的燃燒,2 ms后N-0的壓力迅速上升,而N-1得壓力上升緩慢。dp/dt-t曲線反映了點火段的燃氣生成速率,N-0可燃藥盒2 ms后燃氣生成速率迅速上升,此時藥盒已經被點燃; 而N-1可燃藥盒2 ms后燃氣生成速率開始下降,大約有8 ms延遲,是其致密的結構導致的,10 ms左右藥盒開始燃燒,燃氣生成速率再次上升。

圖2 N-0和N-1在點火階段的p-t曲線

Fig.2p-tcurves of N-0 and N-1 in period of ignition

圖3 N-0和N-1在點火階段的dp/dt-t曲線

Fig.3 dp/dt-tcurves of N-0 and N-1 in period of ignition

3.3 可燃藥盒的燃燒性能

圖4、圖5為 N-0和N-1的密閉爆發器p-t曲線和u-p曲線。從p-t曲線可以看出,與N-0相比,N-1燃燒過程壓力上升緩慢,最大壓力較低,燃燒結束時間較長。從u-p曲線可以看出,N-0燃速較高,最大燃速可達到64 cm/s,而N-1的燃速則相對平緩,最大燃速為1.5 cm/s。兩種藥盒的燃燒過程差別很大,分析原因可能與兩種藥盒的結構和含能成分有關。新型可燃藥盒結構致密,比表面積小,導致燃燒緩慢,硝化棉含量較低導致最大壓力較小。抽濾模壓可燃藥盒的燃燒比較劇烈,最大壓力較大,對提高裝藥的能量有利; 新型可燃藥盒的燃燒則非常平緩,燃燒穩定可控,對主裝藥的燃燒規律不會產生很大影響。

圖4 N-0和N-1的p-t曲線

Fig.4p-tcurves of N-0 and N-1

圖5 N-0和N-1的u-p曲線

Fig.5u-pcurves of N-0 and N-1

3.4 新型可燃藥盒與三胍-15 7/7H火藥以不同比例裝藥的定容燃燒特性

為了研究新型可燃藥盒(N-1)所占比例對混合裝藥燃燒性能的影響,采用密閉爆發器對新型可燃藥盒與三胍-15 7/7H組成的混合裝藥的燃燒規律進行分析,裝填密度為0.2 g·cm-3可燃藥盒所占比例分別為0%,5%,10%,20%,40%,60%,80%,90%,100%。三胍-15 7/7H與新型可燃藥盒組成的混合裝藥的名稱采用MC-百分含量(如MC-5表示混合裝藥中可燃藥盒的含量占5%),MC為混合裝藥(mixed charge)的英文縮寫。

混合裝藥的密閉爆發器p-t曲線如圖6。由圖6可見,隨著可燃藥盒所占比例的增加,混合裝藥起始階段的壓力上升速率減慢,最大壓力下降,燃燒結束時間延長。在混合裝藥燃燒初期,火藥的燃燒起主要作用,在燃燒過程中火藥提供的壓力環境有助于可燃藥盒的充分燃燒,當可燃藥盒所占比例超過60%以后,火藥提供的壓力環境不足以維持全部可燃藥盒的完全燃燒,燃燒結束時間大幅度延長。

圖6 混合裝藥密閉爆發器p-t曲線

Fig.6p-tcurves of mixed charge in closed-bomb

從圖7中的dp/dt-t曲線可以看出, 隨著藥盒含量的增加,dp/dt-t曲線上升階段的陡度逐漸降低,峰值逐漸減小,達到峰值的時間延長,下降階段逐漸趨于平緩。當藥盒含量超過60%以后曲線不再有明顯的峰,說明藥盒燃燒過程相對平緩,沒有壓力突增的過程,這和藥盒的含能成分低有關。藥盒含量超過60%時燃燒末期顯著增長。由此可見,可燃藥盒的燃燒性能與混合裝藥中的火藥量密切相關,它們共同作用的結果,構成了裝藥的燃燒過程,為了獲得燃燒性能相匹配的藥盒與火藥的比例,需要充分考慮裝藥能量與藥盒燃盡性的規律。

圖8為新型可燃藥盒與三胍-15 7/7H火藥以不同比例裝藥進行密閉爆發器試驗后的燃燒殘渣質量,可以看出隨著藥盒含量的增加,殘渣的質量先減少再增加,藥盒含量為60%時殘渣質量最少。藥盒含量為0%～60%時隨著藥盒含量的增加殘渣質量逐漸減少,說明在這區間殘渣主要來源于三胍-15 7/7H火藥,火藥提供的壓力環境與藥盒燃燒過程相互作用有助于藥盒的充分燃燒; 藥盒含量從80%到100%,殘渣質量逐漸增加,此時殘渣主要來源于藥盒,因為火藥的質量逐漸減少,沒有足夠的壓力環境提供給新型藥盒充分燃燒,因而形成大量的炭黑。

圖7 混合裝藥密閉爆發器dp/dt-t曲線

Fig.7 dp/dt-tcures of mixed charge in closed-bomb

圖8 混合裝藥密閉爆發器試驗的燃燒殘渣質量

Fig.8 The combustion residues of mixed charge in closed-bomb

3.5 新型可燃藥盒裝藥的彈道試驗

采用122 mm榴彈炮對新型可燃藥盒裝藥進行彈道試驗,榴彈炮測得的新型可燃藥盒裝藥的內彈道性能結果如表3所示。藥盒裝藥燃燒過程的壓力用銅球測試,彈丸初速采用線圈測試。

表3 新型可燃藥盒裝藥內彈道性能試驗結果

Table 3 Experimental results of interior ballistic performance of new combustible cartridge case

No.chargezonemainchargecoated-propellantchargemass/ginitialvelocity/m·s-1borepressure/MPaphenomenon11#7holesAGu-15810312.965.6completecombustion21#7holesAGu-15810310.666.6completecombustion32#19holesAGu-1519holesAGu-15810+795×1411.4104.27completecombustion42#19holesAGu-1519holesAGu-15810+795×1411.3completecombustion53#19holesAGu-1519holesAGu-15810+795×2514.2completecombustion64#19holesAGu-1519holesAGu-15810+795×3615.6192.9completecombustion74#19holesAGu-1519holesAGu-15810+795×3616.0194.5completecombustion85#19holesAGu-1519holesAGu-15810+795×4716.7256.2completecombustion95#19holesAGu-1519holesAGu-15810+795×4716.8257.5completecombustion

Note: The mass of basic cartridge case is 810 g; the mass of additional cartridge case is 795 g.

122 mm榴彈炮單元藥筒裝藥技術分為5個裝藥號,1#號為基本藥盒,內裝顆粒較小的7孔AGu-15火藥,2#～5#號裝藥在基本藥盒的基礎上分別添加1～4個附加藥盒,附加藥盒內裝顆粒較大的19孔AGu-15火藥以及包覆火藥。對5個裝藥盒分別進行彈道試驗,彈道試驗的結果見表3,可以看出平行試驗的平行性很好,說明新型可燃藥盒與主裝藥共同燃燒時的規律穩定可控; 初速和膛壓大小能夠滿足榴彈炮對初速和膛壓的分級要求, 保證1#～5#號裝藥實現射程全彈道覆蓋,射程重疊量≥5%,與現役PL96-122 mm榴彈炮彈道性能相當; 藥盒燃燒完全,膛底無殘渣,其能夠滿足單元藥筒裝藥的彈道性能要求。

4 結 論

(1)針對可燃藥盒的力學性能差的問題,設計制備了一種新型可燃藥盒,其抗拉強度從32.68 MPa提升到94.18 MPa,抗壓強度從7.79 MPa提升到11.78 MPa,力學性能得到明顯改善。但是其點火性能和燃燒性能均有所下降,有8 ms左右的點火延遲,定容燃燒實驗壓力上升緩慢,燃速較低。

(2)新型可燃藥盒與三胍7/7H火藥以不同比例裝藥時,隨著可燃藥盒所占比例的增加,混合裝藥起始階段的壓力上升速率減慢,最大壓力下降,燃燒結束時間延長。藥盒含量在0%～60%時,燃燒殘渣主要來源于三胍7/7H。

(3)彈道試驗表明,新型可燃藥盒與主裝藥共同燃燒時的規律穩定可控,藥盒燃燒完全,能夠滿足單元藥筒裝藥的彈道性能要求。

參考文獻:

[1] 高敏,史先揚,王澤山. 155 mm火炮全等式模塊裝藥的可行性討論[J]. 彈道學報,2003,15(3): 14-18.

GAO Ming, SHI Xian-yang, WANG Ze-shan. The feasibility study on uni-modular charges in the modular propelling charge system[J].JournalofBallistics, 2003,15(3): 14-18.

[2] 徐文娟. 兩種可燃藥筒燃氣生成規律的分析比較[J]. 兵工學報, 1990, 8(3): 16-22.

XU Wen-juan. Analysis and comparison of the rules governing gas generation in two types of combustible cartridge cases[J].ActaArmamentarII, 1990, 8(3): 16-22.

[3] Shedge M T, Patel C H, Tadkod S K. Polyvinyl acetate resin as a binder effecting mechanical and combustion properties of combustible cartridge case formulations[J].DefenceScienceJournal, 2008, 58(3): 390-397.

[4] 李煜, 趙成文, 郭德惠, 等. 可燃藥筒的定容燃燒特性[J]. 火炸藥學報, 2009, 32(4): 75-79.

LI Yu, ZHAO Cheng-wen, GUO De-hui, et al. Constant-volume combustion properties of combustible cartridge case[J].ChineseJournalofExplosives&Propellants, 2009, 32(4): 75-79.

[5] 徐文娟, 張會生. 可燃藥筒活性的分析[J]. 南京理工大學學報, 1996, 20(1): 21-25.

XU Wen-juan, ZHANG Hui-sheng. An analysis on the activity of combustible cases[J].JournalofNanjingUniversityofScienceandTechnology, 1996, 20(1): 21-25.

[6] 張兆鈞,徐文娟,張會生. 三種可燃藥筒燃燒特性分析[J]. 兵工學報, 1996, 17(1): 26-31.

ZHANG Zhao-jun, XU Wen-juan, ZHANG Hui-sheng. Analysis on the burning properties of three kinds of combustible cartridges[J].ActaArmamentarII, 1996, 17(1): 26-31.

[7] 徐文娟. 可燃藥筒與主裝藥匹配的研究[J]. 彈道學報, 1994, 22(4): 29-33.

XU Wen-juan. Study on match between combustible case and propellants[J].JournalofBallistics,1994, 22(4): 29-33.

[8] 鄒偉偉, 郝曉琴, 張志勇, 等. 小口徑可燃藥筒及裝藥的燃燒性能研究[J]. 兵工學報, 2015, 36(8): 1424-1429.

ZOU Wei-wei, Hao Xiao-qin, ZHANG Zhi-yong, et al. Research on combustion performance of small-bore molded combustible cartridge case and charge[J].ActaArmamentarII, 2015, 36(8): 1424-1429.

[9] Remaly R F, Nusbaum M S, Johnson K G., et al. Duplex combustible cartridge case[R]. AD1648666, 1974

[10] Kestusis G C, Pauline M S, William S L. Investigation of residue and coating stoichiometry on 120 mm combustible cartridge cases[R]. ARL-TR-2337, 2000.

[11] 李煜, 郭德惠, 田書春, 等. 纖維增強組份對可燃藥筒性能的影響[J]. 彈道學報, 2009, 21(4): 95-98.

LI Yu, GUO De-hui, TIAN Shu-chun, et al. Influence of reinforced fibers on the properties of CCC[J].JournalofBallistics, 2009, 21(4): 95-98.