端面不堵孔包覆对多孔发射药燃烧和弹道性能的影响

杨春海，何卫东，堵 平

（南京理工大学化工学院，江苏 南京210094）

引 言

对发射药进行阻燃包覆，会明显改变其燃烧性能［1-2］，寻求不同材料对发射药进行包覆，并研究其燃烧性能的改变规律，一直是人们研究的热点。国外在20世纪70年代对包覆火药进行了广泛研究［3-4］，得到包覆药应用于火炮装药可以不同程度地改善膛内压力行程曲线的形状，提高炮口的动能。我国随后也进行了广泛深入的研究，特别是在低温感装药的研究方面，取得了突破性的成果［5-6］。

罗运军等人［7］研究指出，在全包覆、侧面包覆和端面包覆中，对燃烧渐增性贡献最大的是端面包覆。大口径火炮装药一般采用大弧厚多孔药做主装药，通过混合一定比例的包覆药来增加装药的燃烧渐增性，由于主装药端面较大，减面性燃烧显著，对端面进行阻燃包覆，可以消除此不利因素，但是端面闭孔阻燃包覆后，由于内孔被堵塞，造成点火困难。

本研究用一种较大表面张力的环氧树脂基复合阻燃材料对37孔硝基胍发射药药粒端面进行包覆，包覆层在固化过程中由于表面张力的作用使药粒内孔裸露，形成端面不堵孔包覆药。通过密闭爆发器实验和弹道性能预估，获得了端面不堵孔包覆对弹道性能的影响。

1 端面不堵孔包覆药形状函数的特征量分析

1.1 形状函数模型边界条件

假设：（1）药粒只进行端面包覆，端面包覆层固化后药粒内孔裸露不堵塞；（2）包覆层燃速远小于发射药的燃速，包覆层和发射药的燃速比等于包覆层厚度和发射药药粒肉厚一半之比，当药粒分裂时，包覆层同一时间燃尽，且其整个燃烧过程符合平行层燃烧规律；（3）在假设（2）的条件下，包覆层厚度小于发射药药粒肉厚的一半。

1.2 形状函数特征量的推导及分析

设发射药肉厚为2e1，孔径为d0，药粒直径为D0，药长为2c，孔数为n，初始体积为V1，某个瞬间已燃厚度为e，2e／2e1=Z，该瞬间发射药的剩余体积为V′，端面包覆层厚度为eb，其与发射药半肉厚的比值为eb／e1=r（由于eb＜e1，r＜1）。

则药粒的初始体积：V

在某个瞬间药粒的体积（此时体积的减少有药粒侧面的燃烧，内孔的燃烧，包覆层的燃烧三方面的因素）为：

发射药燃去的百分数为：

当药粒燃烧分裂后：假设ρ为分裂瞬间发射药燃烧所剩曲边棒状体的内切圆半径，Zb为分裂后碎粒全部燃完时的燃去相对厚度，此时已燃百分数Ψs，则有：

以37孔药为例，以St表示药粒端面面积，端面不堵孔包覆药分裂后长度为2c-2eb=2c-2re1，则药粒分裂时有：

对于相同药型的未包覆发射药药粒，因为存在端面的燃烧，则分裂后长度为2c-2e1，分裂点药粒的已燃百分数为：

由于r＜1，则Ψs＞Ψ′s，说明端面不堵孔包覆药药粒分裂后的燃面较未包覆药粒分裂后的燃面大，这为火炮膛内弹丸运动后期提供较高的压力，改善火炮装药的p-l曲线形状非常有利。

2 实 验

2.1 材料与仪器

E44环氧树脂，工业级，星辰化工无锡树脂厂；650聚酰胺，工业级，南京化工原料总公司；二氧化钛，工业级，镇江太白粉有限公司；乙醇（AR），丙酮（AR），南京化工原料总公司。

JJ-1型分散搅拌机，上海诺顶仪器设备有限公司；KH-1000型三维视频显微镜，美国科视达公司HiRDX。

2.2 包覆液的制备

在工业级E44环氧树脂（用650 聚酰胺作固化剂，质量比为4∶3）中添加质量分数为40%的二氧化钛，置于分散搅拌机中高速分散0.5h后，外加质量分数为10%的稀释剂（质量比1∶1醇酮溶液配制，AR）再置于分散机中分散20min后待用。

2.3 端面不堵孔包覆发射药的制备

多孔发射药的配方（质量分数）为：硝化棉（氮质量分数12.6%），28%；硝化甘油，23%；硝基胍，47%；2号中定剂，1%；硫酸钾，1%。药粒尺寸：花边形37 孔药，弧厚2.55mm，孔径0.7mm，药长29mm。

采用刷涂的方法，在上述药粒端面涂覆包覆剂，然后置入60℃烘箱烘干，在表面张力的作用下，包覆液固化形成端面不堵孔的包覆药药粒，涂覆量为涂覆前药粒质量的1.5%。

2.4 密闭爆发器试验

用同质量的未包覆药粒和包覆药进行密闭爆发器试验，装填密度为0.2g／cm3，密闭爆发器容积200mL，点火药为20g的2号硝化棉，点火压力10MPa。

3 结果与讨论

3.1 发射药包覆结果分析

图1为涂覆前后药粒端面的三维视频显微镜照片。

图1 药粒端面包覆前后的三维视频照片Fig.1 3Dvideo picture of end-surface（a）of uncoated propellant and coated propellant

由图1可知，发射药包覆后，包覆层由于表面张力的作用，固化后在药粒内孔孔口处开孔，形成了不堵孔端面包覆层，有个别孔没有形成完全开孔，这是由发射药药粒孔径不一致造成的。

3.2 密闭爆发器试验结果分析

图2和图3分别为多孔发射药包覆前后的pt曲线和L-B曲线。

图2 多孔发射药包覆前后的p-t曲线Fig.2 The p-t curves of uncoated and coated propellant

由图2可知，端面不堵孔包覆药由于包覆层的缓燃作用，压力上升缓慢，使燃烧时间延长；同时由于包覆层含有非含能成分，影响发射药的总能量，使得最大压力降低。

图3 多孔发射药包覆前后的L-B 曲线Fig.3 The L-Bcurves of uncoated and coated propellant

以图3中动态活度最低点和最高点的差值ΔL来定量比较包覆前后发射药的渐增性大小，由图3中曲线对应数据计算，未包覆药和包覆药的动态活度增量分别为0.164 4和0.202 1MPa-1·s-1，两者的差值为0.037 7MPa-1·s-1，相对于未包覆药，端面不堵孔包覆药的动态活度增量增加22.9%。

由图3曲线可看出，燃烧初期未包覆药的动态活度较大，到燃烧后期，包覆药动态活度较大，说明包覆层起到缓燃的作用，使端面不堵孔包覆药具有更高的燃烧渐增性。

3.3 内弹道性能过程预估

以100mm 加农炮弹道诸元为例，对未包覆药和包覆药采用南京理工大学装药技术研究所研制的内弹道模拟计算软件进行内弹道性能预估，燃速方程为指数方程，燃速系数u1为0.205cm／（s·MPa），燃速压力指数n为0.824，由于包覆层的含量极少，视为包覆前后火药力基本不变（fv=1 080kJ／kg）。

图4和图5分别为预估的压力行程（p-l）曲线和速度行程（v-l）曲线，表1为预估的弹道性能特征点。

图4 3种装药的预估p-l曲线Fig.4 The estimated p-l curves of three different charges

图5 3种装药的预估v-l曲线Fig.5 The estimated v-l curves of three different charges

表1 不同装药预估的弹道性能参数Table 1 Interior ballistic characteristic parameters of different charges by estimation

由图4和表1可以看出，在相同的装填密度条件下，与未包覆药装药相比，端面不堵孔包覆药在弹丸运动初期，压力上升较慢，达到最大压力点的时间推后，最大压力点后压力下降速度较缓，在弹丸运动后期膛内压力较未包覆药装药大，同时，膛压和初速均有不同程度的下降，燃烧结束点推后，但由于最大压力下降，p-l曲线变得相对平缓，示压效率提高约4%。

增加端面不堵孔包覆药弧厚，同时增加装药量，在达到与原装药相同的膛压和燃烧结束点下，初速可提高16m／s，示压效率提高约4%。

由以上分析可知，采用端面不堵孔包覆药装药，可以有效提高装药的示压效率，达到提高火炮初速的目的。

4 结 论

（1）对多孔发射药的端面进行不堵孔包覆，提高了发射药的燃烧渐增性。

（2）相对于未包覆药，37孔端面不堵孔包覆药最大动态活度增量提高约23%。

（3）在相同的膛压和燃烧结束点条件下，端面不堵孔包覆药的示压效率比未包覆药提高4%，炮口初速提高16m／s。

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