点火药量对30mm火炮内弹道性能及内弹道循环时间的影响

李 达，郑 双，魏学涛，刘少武，王 锋，张远波，李梓超

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

目前传统中小口径弹药点火一般采用底部强点火点燃弹药发射装药的点火方式[1]。这种点火方式的点火部位位于弹药底部，由于弹药为了追求高射速而通常采用密集装药，造成弹药装药装填密度高，透气性较差，底火点火燃气不易快速充满药床，因此在点火过程中必须采用点火猛度高的强力点火来完成弹药的点火任务。由于点火猛度高，对发射药的强度提出了较高要求，且在点火过程容易产生压力波从而影响火炮的内弹道性能[2]。

国内关于点火方面的研究多集中在提高点火性能以及点火一致性方面[3-6]，为了改善火炮底部点火易产生压力波的现象，在大口径火炮中通常将点、传火系统分开设计，装配在药筒上，组合成具有良好点传火功能的点传火系统[1-2]。肖正刚等[7]研究了改善点火在减小高装填密度发射药装药膛内压力波方面的作用；崔宝生[8]研究了点传火装置对内弹道的影响；韩博等[9]研究了大口径火炮发射装药点传火设计对内弹道的影响，这些研究都集中在大口径火炮方面。黄振亚[10]研究了 30mm 高压模拟火炮点火的改善对提高30mm火炮使用安全性方面的作用，但有关点火药量对中小口径火炮内弹道性能影响的研究则较少。在点火系统中点火药以及药量的选择，不仅会影响发射药装药的点火性能，还会给发射药装药的内弹道性能带来一定程度的影响。本文在30mm火炮制式药筒的底部增加了辅助点火药包，以改善高装填密度发射药装药的点火性能，通过内弹道试验研究了点火药量的变化对 30mm火炮装药内弹道性能以及内弹道循环时间的影响，以期为中小口径武器高装填密度发射装药点火设计及应用提供参考。

1 试验

1.1 样品制备

高能发射药配方质量百分比为：粘结剂与增塑剂（NC+NG）55.2%，高能固体组分(RDX+NGU)42.3%，其它组分2.5%，发射药制备为七孔发射药，燃烧层厚度为 0.69mm，制备出的高能发射药样品标记为G；表面包覆层配方在上述高能发射药配方的基础上外添加NA聚酯钝感剂，通过表面喷涂包覆制备出Gp-1、Gp-2、Gp-3发射药样品，Gp-1、Gp-2、Gp-3中聚酯钝感剂的含量分别为0.50%、0.75%、1.00%。

1.2 点火药组成

30mm火炮点火由制式底火及辅助点火药组成，辅助点火药用量见表1。

表1 点火药组成Tab.1 The formation of iginition powder

1.3 内弹道性能测试

在30mm弹道炮上进行内弹道试验，弹筒采用30mm制式弹筒加底部点火药包，点火药分别选择表1中的A、B、C、D，弹丸质量260g，用压电传感器测膛压，用靶线法测试弹丸距炮口10m处的速度。

内弹道循环时间测试：通过通断信号采集仪连接炮人工击发按钮两极，采用通断原理，未击发时电源呈断开状态，人工按下击发按钮时，电源接通，电底火击发，采集仪可获取连通信号，并记录击发时刻ti，完成点火击发时间信号采集；同时采用通断靶检测弹丸出炮口时刻tg。发射装药弹药射击全过程时间周期t=tg-ti，时间通过DETE-2010数据采集记录仪记录。

2 结果与讨论

2.1 点火药药量对内弹道性能的影响

不同点火药量条件下样品Gp-1高低常温内弹道性能见表2、图1～2。

表2 不同点火药量条件下高能发射药装药高低常温内弹道性能结果Tab.2 The interior ballistic performance of high energy propellant under different temperature and different ignition powder mass condition

图1 Gp-1在不同的点火药量条件下的高低常温炮口初速变化曲线Fig.1 The muzzle velocity under different temperature and different ignition powder mass condition

通过表2，图1和图2 可看出样品Gp-1在常温内弹道试验中随着点火药量的增加炮口初速和膛压都有增加，但增加不明显；在高温条件下随着点火药量的增加炮口初速和膛压同样有小幅度的升高；在低温条件下，随着点火药量的增加，点火能力增强，炮口速度和膛内压力都有一定幅度的增加，且低温下炮口初速低于常温下的炮口初速，但膛内压力随着点火药量的增加，膛内压力变高，当辅助点火药药量为150mg时低温的压力低于常温压力，当辅助点火药量上升到200mg、250mg时低温和常温的压力基本相当并略有反常，但当辅助点火药量增加到300mg时低温压力上升较为明显，低温压力明显高于常温压力21.9MPa。因此可得出在不同温度条件下随着点火药量的增加基本上都可造成炮口初速和压力的增长，在常温和高温条件下炮口初速和膛内压力增长幅度较小，基本上可以忽略，在低温环境下随着点火药量的增加，压力和速度增加较为明显。

图2 GP-1在不同的点火药量条件下的高低常温膛内最高压力变化曲线Fig.2 The maximum pressure curves under different temperature and different ignition powder mass condition

在试验中，当辅助点火药药量超过200mg时低温压力就略有反常，当辅助点火药量增加至300mg，低温出现了明显高于常温膛压的现象。分析认为在低温环境下药粒变脆，药粒的力学性能变差，点火能量过高使得药粒瞬间承受高强度点火冲击而变得易碎，从而造成低温环境下火炮膛内压力高于常温的不良现象。在高能量密度装药过程中点火药量的增加可以起到加强点火的作用，但点火药药量过高，产生的过强的点火易造成低温压力反常。因此，为了避免高装填密度发射药装药在低温环境下出现压力反常的不良现象，一方面应提高发射药药体本身的低温力学强度[10]，同时应该根据发射药的力学性能和装药结构设计出与发射药装药相匹配的点传火结构。

2.2 点火药对内弹道循环时间的影响

（1）不同的点火药量对发射药内弹道循环时间的影响见表2和图3。可以看出相同的点火药量条件下，随着温度的升高内弹道循环时间变短，基本上呈线性减少；相同温度条件下，随着点火药量的增加内弹道循环时间变短，当辅助点火药量从150mg增加到200mg、200mg增加到250mg时内弹道循环时间缩短较为明显，不同温度条件下内弹道循环时间都可缩短约1ms，但当点火药量从250mg增加到300mg时内弹道循环时间则缩短较少，少于0.5ms。说明点火药量增加到一定量后再继续增加将不能够起到继续改善点火的作用。药粒的点火准则取表面温度准则，即当表面达到着火温度时药粒即被点燃[2]，因此无论是发射药装药环境温度的升高，还是点火药量的增加都能加快发射药药粒表面达到着火温度，缩短内弹道循环时间；当点火药量增加到一定量后已能满足药粒瞬间着火所需的热量，继续增加点火药量将不能起到明显缩短内弹道循环时间的作用。

图3 Gp-1在不同的点火药量、不同温度条件下的内弹道循环时间Fig.3 The circulating time under different ignition powder mass and different temperature condition

（2）点火药量不变，发射药表面钝感剂含量的变化对内弹道循环时间的影响见表3、图4。

表3 发射药表面钝感剂含量的变化对内弹道循环时间的影响Tab.3 The influence of polymer deterrent content on the circulating time

从表3和图4可看出，在相同的点传火条件下，内弹道循环时间随着发射药的不同而变化，当发射药表面的钝感剂含量从0变化到1.0，内弹道循环时间逐渐增加，且随着钝感剂含量的增加内弹道循环时间增长的速率变快；钝感剂含量从0.5%变化到0.75%后内弹道循环时间增加了0.8ms，钝感剂从0.75%增加到1.0%内弹道循环时间增加了1.5ms。因此发射药内弹道循环时间随着发射药表面钝感剂含量的增加而增加，发射药表面点火的难易对装药内弹道循环时间有较大的影响；同样点火准则取表面温度准则[2]，随着发射药表面钝感剂含量的增加药粒的着火温度会升高，点火药量不变的情况下，药粒的着火所需要的热量增加，内弹道循环时间变长。

图4 相同的点火药量不同的发射药表面钝感剂含量条件下的内弹道循环时间Fig.4 The circulating time under different polymer deterrent content and same ignition powder mass condition

3 结论

（1）在内弹道试验中，不同温度条件下随着点火药量的增加基本上都可引起炮口初速和膛内压力的增长，在常温和高温条件下炮口初速和膛内压力增长幅度较小，基本上可以忽略，在低温环境下随着点火药量的增加压力和速度增加较为明显。

（2）辅助点火药药量150mg时，低温压力低于常温压力，超过200mg时低温压力开始略有反常，当辅助点火药量增加至300mg，低温出现了明显高于常温膛压的现象。这是由于在低温环境下药粒变脆，药粒的力学性能变差，点火能量过高使得药粒在瞬间承受高强度点传火冲击而变得易碎，从而造成低温环境下火炮膛内压力高于常温的反常现象。

（3）相同的点火药量条件下，随着温度的升高内弹道循环时间变短，随着发射药表面钝感剂含量的增加内弹道循环时间变长；相同温度条件下随着点火药量的增加内弹道循环时间变短，但当点火药量超过一定量后再继续增加将不能起到明显改善点火的作用。

[1] 王泽山,何卫东,徐复铭,等.火药装药设计原理[M].北京:北京理工大学出版社,2006.

[2] 金志明,翁春生.火药装药设计安全学[M].北京:国防工业出版社,2001.

[3] 龚海刚,李启明,袁稳新,等.多点点火技术的试验研究[J].火炮发射与控制学报,2001,22(1):15-17.

[4] 叶迎华,沈瑞琪,戴实之.低速爆轰管对黑火药的点传火性能研究[J].爆破器材,2002,31(3):18-20.

[5] 成一,陈守文.点火药点火性能的研究[J].火工品,2001(4):21-22,31.

[6] 余斌.刚性组合装药可燃传火管性能试验研究[J].火炸药学报,2002,25(4):69-70.

[7] 肖正刚,杨栋,应三九.减小高装填密度发射药装药膛内压力波的实验研究[J].火炸药学报,2001,24(1):7-10.

[8] 崔宝生.点传火装置在弹药装药中的应用[J].火工品,1999 (3):21-22,31.

[9] 韩博,张晓志,邢浴仁,等.大口径火炮发射装药点传火模拟试验装置的研究[J].兵工学报,2008,29(3):262-265.

[10] 黄振亚,廖昕.高能硝胺发射药在高膛压火炮上的使用安全性[J].火炸药学报,2003,26(4):8-10,19.