可燃药筒对模块装药燃烧残渣的影响

乔丽洁，堵平，廖昕，王泽山

(南京理工大学 化工学院，江苏 南京210094)

0 引言

目前，世界各国都在发展以远射程、高射速、大威力、强生存能力和射击精度好为目标的火炮装备［1］。为提高射速、适应自动装填，大口径火炮开始应用模块装药技术取代传统的药包装药，其主要区别是可燃药筒的应用［2］。可燃药筒既起着原金属药筒或药包袋的盛装装药的“容器”作用，同时它也作为发射能源，成为发射装药的重要组成部分，参与了内弹道的全过程［3］。但可燃药筒本身是一种多孔复合材料，具有氧平衡系数低、燃烧后期渐减性大等特点，与主装药共同燃烧时，对主装药的燃烧规律影响明显，进而带来内弹道性能的变化，尤其是小号装药有燃烧不完全现象发生，容易导致射击残渣的形成［4-5］。

消除身管武器射击残渣的研究，一直是国内外装药工作者重视的课题。国外对可燃药筒产生残渣的研究较少。可燃药筒的研究最早开始于二战后期的德国，而美国最早将其应用于武器系统。经过半个多世纪的努力，可燃药筒已成为现代火炮装药的重要组成部分。国内对可燃药筒的燃烧特性进行了深入研究，主要针对可燃药筒与主装药的匹配性进行，在共同燃烧时，降低对主装药燃烧规律的影响，保持内弹道性能稳定。如张兆钧等的“3 种可燃药筒燃烧特性分析”［6］、张会生等的“可燃药筒点火问题浅析”［7］、李煜等的“可燃药筒的定容燃烧特性”［8］。国内外的研究大都集中于可燃药筒的燃烧特性，本文针对其射击残余物进行重点研究。

我国某外贸型号火炮的模块装药，其小号1、2号装药为A 模块，采用小弧厚发射药保证在较低膛压下的燃尽性;3～6 号装药为B 模块，采用大弧厚发射药保证全装药时膛压正常。但是，该装药的B模块(尤其是3 号装药)射击时，炮膛、药室和炮闩处存在燃烧残渣。燃烧残渣会影响炮闩正常开关，甚至损坏炮闩;药室里的残渣会影响装药的正常装填;炮管内的残渣会使下一发射击时膛线磨损加重，增加火炮身管的维护和保养难度，缩短身管寿命［9-10］。

本研究重点针对B 模块的可燃药筒进行。利用密闭爆发器试验，研究两种可燃药筒(速燃壳体和缓燃壳体)的燃烧性能，测试不同压力下的燃烧残渣量;结合靶场试验，测试并分析残渣产生的主要原因;通过改进可燃药筒的结构和组成，验证燃烧残渣量的变化规律。

1 可燃药筒的燃烧残渣来源分析

可燃药筒是以硝化纤维素(NC)为主，辅加木质或纸质纤维、合成树脂及二苯胺等材料的可燃装药容器。NC 是含能材料，纤维和树脂起增强、粘合、加固作用，二苯胺为安定剂［11］。从理论上分析，可燃药筒的燃烧残渣可能有3 个来源:一是可燃药筒的主要组分NC，其能量较高，燃速快。若NC 含量＜40%时，燃烧性能降低，可能会产生少量燃烧残渣;二是纤维增强材料，在可燃药筒结构中起骨架支撑作用，提高强度。增强材料的含量，明显影响药筒的强度和燃烧性能。若含量高会影响燃尽性，射击烟雾大，燃烧残渣多;三是合成树脂粘合剂，可燃药筒的关键材料之一，属于惰性材料，对强度、燃尽性、工艺性能影响很大。若粘合剂比例高时，药筒的燃尽性降低。

有研究者认为:粘合剂因发射药和药筒中的含能成分燃烧而受热分解，分解产物(如CO、H、C 等)与火药气体发生反应，使火药燃气温度下降，易造成可燃药筒或发射药燃烧不完全［12-14］。另有研究者认为高温高压下，熔融的粘合剂覆盖在药筒和发射药的表面阻碍其燃烧，影响点火火焰的传布，导致药筒或发射药燃烧不完全［15］。还有研究者认为高温高压下，熔融的粘合剂附着于药室及身管内壁，使燃烧残渣粘附其上，阻碍了发射药燃烧产物快速向炮口方向的排出［15-16］。

2 密闭爆发器定容燃烧模拟试验

通过测试可燃药筒定容燃烧后的残渣质量，来评价某外贸型号武器火炮的模块装药中可燃药筒对燃烧残渣含量的影响。具体操作过程:将两种不同配方的可燃药筒壳体置于密闭爆发器中，在不同的点火压力下，使模块壳体点火燃烧;打开密闭爆发器，使用已预先干燥、定量的海绵，蘸去离子水擦尽密闭爆发器内壁粘附的残渣，在干燥箱中干燥，前后质量差即为燃烧残渣量。为去除点火药、发射药可能带来的残渣影响，采用多孔NC 点火药(CBI)、19孔粒状单基发射药进行试验。

2.1 试验设备及样品

试验设备:实际标定容积V0=100.16 cm3的密闭爆发器测试系统。

试验样品:缓燃壳体、速燃壳体。

与缓燃壳体相比，速燃壳体配方中NC 含量增加了3%，钝感剂含量减少了25%，惰性粘合剂含量减少了12%，余下增强纤维成分作相应的调节。

2.2 结果与讨论

不同燃烧压力pm、不同模块壳体在密闭爆发器中的燃烧残渣测试结果见表1、表2所示。

由表1、表2可知，在相同的燃烧压力下，缓燃壳体比速燃壳体产生的燃烧残渣多。燃烧压力对燃烧残渣的影响如图1所示。

表1 无发射药时不同模块壳体在不同燃烧压力下燃烧残渣Tab.1 Combustion residue of different combustible cases at different combustion pressures without propellant

表2 有发射药时不同模块壳体在不同燃烧压力下燃烧残渣Tab.2 Combustion residue of different combustible cases at different combustion pressures with propellant

图1 燃烧压力对不同模块壳体燃烧残渣的影响Fig.1 Effect of combustion pressure on combustion residue of different combustible cases

从图1可知:在燃烧压力较低时，缓燃壳体燃烧残渣质量多，明显高于速燃壳体。当燃烧压力＞50 MPa时，两种壳体的燃烧残渣质量比近似于不变，缓燃壳体燃烧残渣是速燃壳体的1.4 倍。密闭爆发器试验中，模块壳体燃烧后，在密闭爆发器内壁上有黑色粘稠状残渣，缓燃壳体尤为明显。这是因为缓燃壳体的惰性成分要高于速燃壳体。

氧平衡是火药配方设计时需要重点考虑的依据之一。当火药配方为负氧平衡时，含氧量不足，会出现燃烧不完全情况。可燃药筒为负氧平衡，过多的惰性成分使燃烧后产生残渣，而缓燃壳体更为严重。

3 靶场射击试验

通过密闭爆发器试验，得到可燃药筒在不同的燃烧压力下，其燃烧残渣量的变化规律。以此为参考，以药包装药系统为对比体系，以3 号装药的条件作为基础，设计成组的靶场射击试验，对每一发射击后药室和炮闩处的残渣进行全面收集处理，测试其质量。根据装药的情况，分析可燃装药成分与燃烧残渣关系。靶场射击试验结果见表3所示。

对表3中的数据进行分析:

1)序号1 为单基药包装药在射击后的燃烧残渣质量(0.03 g)，近似于不产生残渣;序号4 为某外贸型号火炮模块装药的燃烧残渣(7.66 g)，数量较多。

2)序号2、3 只有三基药和单基药的差别，燃烧残渣相差0.55 g.单基药的燃烧残渣为0.03 g，则0.58 g 是三基药和点火药产生的燃烧残渣。

3)序号4、5 只有消焰剂的差别，燃烧残渣相差3.33 g，没加消焰剂的残渣反而比加消焰剂的残渣多，这说明消焰剂有利于减少燃烧残渣。这与作者在“炮用模块装药燃烧残渣的分析［10］”中得到的:消焰剂产生的燃烧残渣仅为2%，不是产生燃烧残渣的主要原因的结论互相印证［10］。故消焰剂产生0.15 g 残渣。

4)序号4、6 只有钝感衬纸的差别，燃烧残渣相差2.11 g，此来源于钝感衬纸。

5)序号7、8 只有速燃壳体和缓燃壳体的差别，燃烧残渣相差1.58 g，既缓燃壳体比速燃壳体产生的残渣多1.58 g.

表3 各种装药结构在射击中产生的燃烧残渣Tab.3 Combustion residue produced by different charging structures during firing

根据1)～5)的分析，得出某外贸型号火炮模块装药缓燃壳体产生的燃烧残渣量为7.66-0.58-0.15-2.11=4.82 g.由此可知，缓燃壳体燃烧残渣是速燃壳体的1.5 倍，这与密闭爆发器试验结果可以互相印证。可燃装药成分与燃烧残渣关系的分析研究结果见表4所示。

由此可知:在某外贸型号火炮模块装药中，2/3的燃烧残渣来源于缓燃壳体，钝感衬纸亦是主要来源;三基药发射药及点火药也会产生燃烧残渣，但并非主要因素。

4 改进可燃药筒后靶场射击试验

结合密闭爆发器和靶场试验结果，在保持某外贸型号火炮模块装药的可燃药筒加工工艺不变的条件下，对可燃药筒进行配方配比的改进，并用射击试验考核其效果。结果见表5所示。

表4 模块装药可燃装药成分产生的燃烧残渣Tab.4 Combustion residue produced by flammable components in modular charges

表5 可燃药筒改进前后的燃烧残渣各组分质量Tab.5 Combustion residue of combustible case before and after improvement

由表5可知:改进后的可燃药筒，由于增加可燃药筒中的NC 含量，减少合成树脂粘合剂和纤维增强材料，改进后的模块装药的燃烧残渣质量降低了2/3，说明原模块装药的可燃药筒燃烧不完全，究其原因，主要是原药筒设计时，考虑到要求其必须具有一定的力学强度，因此加入了纸纤维和粘合剂;同时，要求可燃药筒外形必须与药室形状相配合，其加工工艺是已定的;所以可燃药筒中的粘合剂、增强材料和NC 含量是决定可燃药筒燃尽性的重要原因。粘合剂和增强材料对可燃药筒的燃尽性有重要影响。

5 结论

本文研究了可燃药筒对某外贸型号火炮模块装药燃烧残渣的影响，表明可燃药筒的燃尽性严重影响着模块装药的清洁燃烧。通过密闭爆发器定容燃烧实验表明，缓燃药筒产生的燃烧残渣比速燃药筒多50%左右，与靶场射击试验结果一致。近2/3 的模块装药燃烧残渣是由可燃药筒产生的。找到了燃烧残渣产生的最主要因素。

在其它装药条件不变、保证内弹道性能稳定、保持某外贸型号火炮模块装药的可燃药筒加工工艺不变的条件下，对可燃药筒进行配方配比的改进，增加可燃药筒中的NC 含量，减少合成树脂粘合剂和纤维增强材料，燃烧残渣质量降低了2/3，基本消除了模块装药的射击残渣问题。

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