发射药及装药燃烧残渣的研究进展

何昌辉，王琼林，刘少武，魏 伦，王 锋，韩 冰

(西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)

发射药及装药燃烧残渣的研究进展

何昌辉，王琼林，刘少武，魏 伦，王 锋，韩 冰

(西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)

针对身管武器射击中消除或减少燃烧残渣的要求，对发射药及装药燃烧残渣的研究进行了综述。根据燃烧残渣在身管武器及射击环境中的存在位置，将其分为膛内燃烧残渣和膛外燃烧残渣；分析了燃烧残渣的特性及危害、收集分析技术、抑制技术等；提出今后发射药及装药燃烧残渣研究的重点方向是新型材料在低燃烧残渣发射药及装药中的应用、实弹射击过程中燃烧残渣测试评价方法的研究以及抑制技术的集成优化等。附参考文献72篇。

军事化学与烟火技术；发射药；装药；燃烧残渣；身管武器

引 言

发射药及装药作为身管武器的发射能源[1]，其基本功能是将弹丸射向目标，并保证射击时的安全性。发射药及装药性能的优劣直接影响武器性能的发挥[2-3]。当前我国装备的各式身管武器发射弹丸时存在明显的膛口烟雾大、膛内留有燃烧残渣的问题[4-6]，不仅降低武器的能量利用率、可靠性和射击精度，而且造成环境污染。对此，国内外从事发射药及装药技术的学者[7-20]一直重视这种有害射击现象，并致力于研究新的燃烧残渣的测试评价方法和寻找消除或抑制燃烧残渣形成的技术途径，从而实现发射药及装药的洁净燃烧。

开展降低发射药及装药燃烧残渣的研究，不仅是目前身管武器发展的需求，也是未来发射药及装药领域技术发展的重要方向。本文从燃烧残渣的特性、危害、收集分析技术、抑制技术等方面对发射药及装药燃烧残渣的研究现状进行综述，并对以后的发展方向做出展望。

1 燃烧残渣的特性及危害

1.1 燃烧残渣的形成原因

射击过程实质是发射药及装药通过燃烧反应产生高温高压的燃气推动弹丸运动的过程。从燃烧反应的热力学[6,18]方面看，发射药及装药的组成及配比决定燃烧反应进行的方向；从燃烧反应的化学动力学[6,18]方面看，发射药及装药的自身特性、环境条件是影响燃烧反应速率和反应历程的重要因素。在枪炮射击过程中，由于发射时间极短，膛内部分化学反应进行的不完全或者药粒没有燃烧完，从而形成燃烧残渣。

发射药及装药的最终燃烧产物不是瞬间一步生成的，而是经过一系列的物理化学变化才达到。分析火药稳态燃烧理论[21-24]可知，燃烧时的压力、温度和燃烧时间是影响燃烧残渣生成量的重要因素。在固相加热区，火药基本未发生变化，主要出现药体的软化、熔化等物理变化；在亚表面及表面反应区，燃烧产物主要是硝酸酯类物质的热分解，以及热分解产物之间的化学反应；在嘶嘶区，燃烧产物主要为气体，此外还有未来得及完全气化的固体和液体微粒；在暗区和火焰反应区，燃烧产物主要为气体。这表明火药燃烧残渣主要来源于未来得及完全燃烧的固相加热区、亚表面及表面反应区、嘶嘶区等3个燃烧反应区。

此外，赵晓梅等[20]在研究一种LOVA发射药燃烧残渣现象时，分析了该发射药的燃烧规律和燃烧特性，认为配方中两种主要组分热分解特性不同，在燃烧时的不同步是造成该类发射药燃烧不完全、燃烧结束后留有残渣的一个主要原因。

1.2 燃烧残渣的特性分析

由发射药及装药的组成和结构可以看出[3]，发射药、点火体系、装药元器件是身管武器发射过程中燃烧残渣的主要来源。武器射击过程中由于发射药及装药的自身特性、点传火不足、燃烧条件不良以及膛壁的温度差、压力变化的影响，生成大量固体颗粒、凝聚相中间产物等。根据燃烧残渣在身管武器及其射击环境中的存在位置，可将其分为膛内残渣和膛外残渣；根据形态，又可将膛内残渣进一步分为附着性燃烧残渣以及难燃或不燃性留膛残渣。膛外残渣可按形态进一步分为漂浮性燃烧残渣和膛外沉降性燃烧残渣[13,19]。

1.2.1 膛内残渣

膛内燃烧残渣是在武器射击完成后残留于身管内的残渣。这类残渣主要包括：对膛内壁具有一定黏附作用的附着性燃烧残渣和装药元器件燃烧后形成的难燃或不燃性留膛残渣。

(1)附着性燃烧残渣

当膛内燃烧的发射药与身管内壁相接触时，部分燃烧的发射药会黏附于身管内壁，并且对身管内壁传热，造成与身管内壁接触的药体温度降低，热分解、燃烧等化学过程减缓，甚至弹丸飞离膛口时仍以凝聚相的形式附着于身管内壁，不易脱落，成为身管内壁上的附着性燃烧残渣[7-10,19]。发射药的附着性燃烧残渣[13,19,25]主要有两个来源：(1)溶塑型发射药中含有的少量无机盐类和金属氧化物，如KNO3或K2SO4、TiO2等；(2)发射药成分中的非能量成分，如苯二甲酸二丁酯、二苯胺、石蜡、凡士林、中定剂等。这些物质在发射药及装药的燃烧过程中有可能产生黏附性较强的金属氧化物、中间有机物、游离碳颗粒等凝聚相，附着在身管内壁表面，不易脱落。

(2)难燃或不燃性留膛残渣

在设计制造可燃装药元器件[26-30]时，如可燃药筒、可燃传火管、衬纸、药包布等，为了保证力学强度以及制造工艺的可行性，往往会添加不少非含能的黏合剂、增强材料、工艺助剂等。这些非含能组分虽然含量很少，但在射击条件下，会形成难燃或不燃性残渣，未被吹出炮口的则残留于膛内。

1.2.2 膛外残渣

膛外残渣是在射击过程中，被膛内气流带出身管，以漂浮性燃烧残渣和沉降性燃烧残渣形式存在的残渣。

(1)漂浮性燃烧残渣

漂浮性燃烧残渣[13]是在射击过程中被吹出膛口并在膛口一定距离内形成的漂浮性烟雾。漂浮性残渣颗粒尺寸较小，本质上是一种胶体体系，其分散介质为燃烧产物中的气体与空气，分散相是燃烧产物中的固体粒子和凝聚相的水。研究表明[19]，漂浮性残渣的性质，如大小、颜色和稳定性，与火药性质、装药结构、燃烧条件、武器诸元及气象条件有关。

(2)沉降性燃烧残渣

沉降性燃烧残渣是在射击过程中随着膛内气流被带出身管，因惯性运动和重力作用，被抛洒到离枪、炮口较远地面的残渣，其颗粒几何尺寸较大。研究表明[10-11]，在炮口附近的沉降性残渣主要为未反应完的残药和装药元器件、燃烧的中间产物或衍生物。

1.3 燃烧残渣的主要危害

在身管武器射击过程中，发射药及装药燃烧产生的燃烧残渣带来的危害主要有4个方面：(1)膛外漂浮性残渣，极易暴露己方阵地，并且影响人眼或光电系统对目标的跟踪和瞄准[14]；(2)膛内附着性残渣往往黏附性强，会在身管、导气孔处不断累积，最终造成膛线尺寸明显变化、堵塞枪管导气孔、影响身管武器的射击可靠性和射击精度等严重后果；(3)膛内难燃或不燃性残渣会增加身管武器的勤务工作量，严重时甚至会出现武器卡壳现象，影响发射安全性，从而削弱己方战斗力和战场生存力；(4)膛外沉降性残渣会引起炮口炸[31]和影响射击场所洁净性[32]，污染射击场所附近的土壤和地下水。

2 燃烧残渣的收集分析技术

2.1 燃烧残渣的收集技术

燃烧残渣的收集方法主要有氧弹瓶法、密闭爆发器法、烟箱法、烟室法、雪地收集法、收集盒收集法等。美国军方和环境保护部门比较重视燃烧残渣对环境的污染，开展了一系列身管武器燃烧残渣的收集与分析研究。Walsh等[11,32]以雪地为射击场，通过收集射击后未受其他干扰源污染的雪地表面的雪，进行分离提纯，获取残渣样本。Ampleman等[10]通过在武器射击正前方各处放置收集盒收集燃烧残渣，从而得到残渣样本。

国内王琼林等[13]对不同类型发射药样品的燃烧残渣进行了测试分析，结果表明充氮氧弹法可测试评价不同枪用发射药燃烧附着性残渣，烟室法可测试评价漂浮性燃烧残渣。乔丽洁等[25]用密闭爆发器法研究了炮用发射药和可燃药筒的附着性燃烧残渣，测试结果和靶场射击试验基本一致。王宏等[33]在借鉴美国标准局NBS烟室方法的基础上，用一定体积的烟箱对枪口产生的烟雾进行收集。此外，国内外在刑侦技术上，常采用胶粘附、真空吸尘、擦拭等方法在皮肤、毛发、织物、枪口等现场环境可能存留燃烧残渣的地方采集燃烧残渣样品[34-37]。

综上分析可知，氧弹瓶法和密闭爆发器法主要测试评价发射药及装药元器件燃烧后，附着性燃烧残渣在金属内壁的附着情况。烟箱法和烟室法主要是测试评价发射药及装药元器件在密闭燃烧室燃烧后，漂浮性燃烧残渣的透过率。雪地法和收集盒法主要是收集实弹射击后产生的沉降性燃烧残渣。

2.2 燃烧残渣检测分析技术

2.2.1 化学分析法

格里斯显色反应是燃烧残渣分析检测中最早使用的方法。1933年Gonzalez等[37]首次进行了皮肤硝酸根实验。随后Harrison等[34]发明了一种用于判断来自于装药底火中的铅、钡和锑元素的化学分析方法。乔丽洁等[38]用化学分析法鉴定了炮用模块装药燃烧残渣中水溶性物质为K2SO4、K2CO3、KNO3。

围绕提高城乡供水保障能力，现代水网体系框架基本建成。构建现代水网工程体系步伐加快，南水北调山东段干线工程试通水成功，胶东调水主体工程具备试通水条件，基本形成辐射全省的“T”形水网骨干框架。推进雨洪资源利用，组织编制了雨洪资源利用规划纲要并启动实施一期工程。

2.2.2 色谱法

用薄层色谱法分析发射药燃烧残渣中的有机成分时，针对不同的检测成分，选用对应的溶剂进行提取，并配置不同极性的展开液和不同的显色剂来检测试样中含有的物质。常用的实验条件[39]如表1所示。

表1 发射药燃烧残渣有机成分分析常用的实验条件

Oliver等[36]报道了利用气相色谱法检验发射药燃烧残渣中的硝化甘油，但是由于硝化甘油的热稳定性差，采用气相色谱法(GC)并不能对其进行有效分析。气相色谱法(GC)检测灵敏度可低至纳克级别，但是误差较大，达到20%，且只能对沸点在300℃以下并且热稳定性好的样品进行分析。Wash等[32]采用高效液相色谱法(HPLC)测定发射药燃烧残渣中的硝基芳香族化合物和硝胺，如NG、DNT、RDX等。高效液相色谱法(HPLC)检测误差很小，约2%，且可以对高沸点的物质进行检测，但是灵敏度不如气相色谱法。

2.2.3 光谱法

在发射药燃烧残渣的检测分析中，常用的光谱法主要有原子吸收光谱法、红外显微光谱法、显微拉曼光谱法等。

Koons、Can等[40-42]利用原子吸收光谱法分析了发射药燃烧残渣的Sb、Pb、Cu、Sn、Ba等金属元素。乔丽洁等[38]用红外光谱法研究了炮用模块装药燃烧残渣中的非水溶性物质为聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇缩丁醛、碳。路凡、钱晓凡等[43]研究了拉曼光谱在枪击残留物中的应用。

2.2.4 双光路透过率法

王宏、孙美等[33]近年来对烟雾检测技术进行了深入研究，建立了膛口烟雾测试装置系统，形成了小口径枪弹发射药及装药枪口烟雾浓度测试方法——烟箱透过率法的技术标准，探索出了适合膛口烟雾测试评价的技术途径，为减小并最终消除膛口烟雾提供技术支持。王劲松等[44]在双光路测量方法的基础上，设计了新型可卸压烟箱，较好地解决了轻武器枪口烟测量的技术难题，具有工作稳定可靠、抗干扰能力强和测量精度高等特点。赵宏立等[45]以光透过率为基础推导出一个与武器发射过程膛口烟雾总量成正比的物理量——特征发烟量，提出了一种在敞开体系下利用光强法测量大口径火炮膛口烟雾的方法，很好地解决了目前无法定量中大口径身管武器膛口烟雾总量的问题。

Romolo、Margot等[46]将扫描电镜与X射线能谱仪结合使用，实现了残渣颗粒的显微形貌和元素组合特征的同时检测。Koons、Steffen等[47-48]则采用比原子吸收光谱法更为先进的等离子体发射光谱与质谱联用法分析了发射药燃烧残渣中的金属元素。Martel等[49]采用固相萃取法(SPE)对微量NG及其降解产物进行萃取浓缩，并利用液相色谱-紫外(LC-UV)联用法分离与定量了萃取混合物中NG及其二硝基(DNG)、单硝基(MNG)系列NG降解产物。陈斌等[50]将级联撞击采样系统与烟雾收集箱结合，研究了烟雾颗粒粒径分布及其与烟雾透过率的关系，并使用扫描电镜观察了燃烧烟雾颗粒表面形貌及烟雾颗粒的富集形态。此外，Trinks等[51]运用质谱法分析了膛口气流中的残渣颗粒物组成；Mach等[52]采用电子显微镜研究了膛口流场中的残渣颗粒物粒径分布，并建立了颗粒物粒径分布函数；郑文芳等[19]用直接拉开法研究了残渣涂膜在光滑钢板上的附着力，来模拟研究燃烧残渣的黏附特性。

综上可知，针对实弹射击过程中发射药及装药燃烧残渣的分析检测技术仅开展了初步的研究，相关研究方法和技术等不系统、不完善；在进一步工作中需开展更简便、实用的燃烧残渣定性、定量的收集与分析方法研究。

3 燃烧残渣的抑制技术

根据发射药及装药燃烧残渣的来源，结合身管武器发射药及装药的具体特点，为消除或抑制燃烧残渣的生成，从而实现发射药及装药的洁净燃烧，需要从火炮技术、发射药设计、装药技术、制备工艺等几个方面进行系统考虑和综合治理。

3.1 火炮技术

火炮技术方面，通过火炮结构的合理设计，延长身管，优化火炮抽气和炮口制退装置等，提高点传火一致性，减少燃烧残渣的生成量。但改变火炮结构通常将带来巨大的研制和换装费用。

3.2 发射药设计

3.2.1 发射药配方设计

发射药的配方组成对燃烧残渣的形成有着重要的影响：一方面发射药配方的氧平衡水平对燃烧残渣的形成影响极大[53-54]，负氧平衡的发射药燃烧时，由于氧含量不足，碳原子不能完全氧化，会产生游离碳颗粒；零氧平衡的发射药燃烧，理论上会完全转化为H2O、CO2，也不产生烟焰和其他无害气体，并且能量释放更加充分；正氧平衡的发射药燃烧时，过量的氧容易将硝化物中的氮元素氧化为有毒的氮氧化物；另一方面随着钝感包覆发射药及其他低烧蚀低爆温发射药的推广应用，新型发射药配方组成的日益复杂化，配方里的助剂如中定剂、消焰剂[50]、钝感剂[14]等非含能物质，容易发生不完全燃烧现象进而产生燃烧残渣。

相关研究结果表明[19]，发射药配方氧平衡低于某临界水平时，其燃烧产物中会有固态游离碳生成，并且生成量随着氧平衡的降低而呈线性增加；提高发射药中硝化纤维素含氮量、硝化甘油含量以及降低燃烧平衡压力都能使临界氧平衡值降低，从而抑制游离碳的生成[19,54]；含纳米复合材料[55]的发射药能够满足发射药的内弹道要求，同时，发射药的燃烧完全性得到提高；在发射装药中采用有机硅降烧蚀剂[56]取代801降烧蚀剂，不影响静态燃烧性能和内弹道性能，并且燃烧完全性较好；与DBP相比，氧含量高且不含苯环的新型钝感剂PA能够降低枪口烟雾且弹道性能不会下降[14]。

因此设计发射药配方时，在综合考虑发射药能量性能、燃烧性能、弹道性能、力学性能、贮存性能、加工性能、抗烧蚀性能等的基础上，应将配方的氧平衡控制在适当的水平；采用一些氧平衡高的含能黏结剂、氧化剂、添加剂等，改善配方的氧平衡，从而降低生成碳化残余物的倾向；利用燃烧催化剂，如微纳米或有机金属催化剂等[57-58]，改善发射药在低压或高压下的燃烧性能，提高其燃烧完全性；发射药的助剂采用易分解且燃烧完全性好的新材料，如新型有机硅降烧蚀剂、有机钾盐[59]、氧含量高且不含苯环的新型钝感剂等，并且尽量减少其使用量。

3.2.2 发射药弧厚设计

弧厚是发射药最重要的尺寸参数。根据内弹道理论[3,60]，发射药的弧厚与其在膛内燃烧结束点直接相关；弧厚较大的发射药燃烧结束点向膛口方向偏移；当发射药弧厚过大时，其理论燃烧结束点可能偏移至膛外，意味着发射药在膛内不能燃烧完全；未燃烧完的残药在膛口的瞬间压力降作用下，燃烧火焰将熄灭并形成燃烧残渣。

因此在发射药及装药设计时，为保证发射药能在膛内燃烧完全，充分利用发射药能量，并防止膛口速度出现较大的分散，需要以火药几何燃烧定律为基础，设计合理的发射药弧厚，使发射药的燃烧结束点在弹丸行程全长的70%～80%[2-3,61-62]。

3.3 装药技术

3.3.1 点传火匹配技术

在点传火药方面，使用绿色环保点火药[25]，燃烧时几乎不产生固体颗粒，燃烧残渣大大降低。杜成中等[63]以点燃性能较好的硝化棉、单基药作基准，通过点火模拟对比试验，获得了可提高硝胺发射药点火能力的新型点火药配方。在点火药中加入碳纳米管[64]能够增加点火药的火焰感度，这是由于团聚态的碳纳米管在体系中起到热点的作用。韩冰等[65]设计制备出一种新型高能点火药，新型点火药爆热高、吸湿性小、燃烧后残渣量少，组分相容性良好，并且点火的瞬时性和点火强度均优于黑火药。

在点传火结构方面，黄明等[66]研究的新型点火具LVD管可以明显提高火焰的传播速度和增强点火能力，研究结果对于模块装药的点传火结构设计具有重要的参考价值。刘斌等[67]设计了一种奔奈药管与黑火药组合的新型装药结构，试验表明，该装药结构能极大地改善点火具的点传火特性，明显提高点火一致性。焦旭英等[68]采用带有硝基软片管的药管、以黑火药和奔奈药条为点火药的点传火装药结构，能够显著提高传火管的传火速度、解决传火不畅问题，使大长径比点传火管具有良好的传火性能，从而为大长径比点传火管应用于中大口径火炮提供了一定的技术基础。此外，近年来一些研究者提出的新型点传火技术[3]，如激光点火、新型电点火、等离子点火、网络点火等，可以实现全面迅速地点火，减少点火阶段的燃烧残渣。但是国内新型点传火技术研究起步较晚、技术还不成熟，在大中口径火炮中加以应用还需时日。

3.3.2 装药附加元件的设计

在发射装药中，为改进和完善火炮性能，需要使用一些附加元件，如护膛剂、除铜剂、消焰剂以及紧塞具和密封盖等。但是这些装药元件中含有大量的惰性材料、金属和金属氧化物等，在射击过程中会生成固态燃烧产物，形成燃烧残渣[3]。如可燃药筒中随着增强材料、黏结剂含量和材料密度的增加等，提高了药筒的强度，但是其燃烧完全性变差，射击后烟雾增大，甚至留下残渣[28]。

在保证装药元件使用强度的前提下，通过引入新型含能黏结剂或含能纤维[69]，部分代替非含能材料，减少装药元器件惰性材料的比例，改善装药元件的燃烧完全性，从而减少燃烧残渣的生成；卷制可燃药筒中硝化棉纸中硝化棉的质量分数从50%提高到60%，严格控制硝化棉纸的制造工艺，确保硝化棉纸的紧度在0.42～0.46g/cm3[28]；采用燃烧完全性好的材料作为装药的药包布材料，如棉、黏胶纤维、麻、丝织物等[3,30]。

3.4 制备工艺

在发射药生产制造过程中，因工艺技术水平限制、操作人员技能差异等方面的影响，同一批号发射药的理化性能、几何尺寸、钝感层厚度等都不会完全相同，而是在一定范围内波动[70-72]。这些差异会影响发射药的燃烧完全性。钝感层太厚时，会出现燃烧不完全，燃烧后有燃烧残渣的现象。弧厚较大的发射药难以在膛内燃尽，将形成燃烧残渣，并且随着弧厚偏差的增大或期望值的提高，燃烧残渣量增加。其中，弧厚期望值的提高对燃烧残渣量增加影响更为显著，同时对弹道性能的影响也更为明显[19]。

研究工艺控制方法，制定和配方相适应的生产工艺流程，改进关键工序，优化制备工艺条件，提高成型模具的制造精度，优化发射药的表面钝感工艺技术，尽可能地提高发射药及装药元件的生产工艺一致性[73]，提高产品的筛选指标，制造出几何尺寸一致性好、内在质量一致性好和界面完整的发射装药产品，从而提高发射药及装药的燃烧完全性，减少燃烧残渣。

4 结束语

身管武器综合性能的改善不仅要求提高弹丸的初速及射击精度，还要求减少射击时的燃烧残渣、烟焰等有害现象。为降低发射药及装药的燃烧残渣，国内学者近年来开展了一系列探索性研究工作，在低残渣、低烟雾特征钝感剂和发射药配方方面取得了一定的成果，初步建立了轻武器烟雾残渣的评价方法，但系统性研究工作不多，技术积累少，还未从根本上解决发射药及装药燃烧残渣多的问题，不能满足我国身管武器机械化、信息化的发展需求。建议未来发射药及装药燃烧残渣的重点研究方向为：

(1)重视研究新型含能材料及功能材料在低燃烧残渣发射药及装药中的应用；

(2)开展更简便实用的燃烧残渣定性、定量的收集与分析测试方法研究，尤其是实弹射击过程中发射药及装药燃烧残渣的测试评价技术研究；

(3)实现发射药及装药的洁净燃烧技术，是一项涉及材料、配方、工艺及装药技术的系统工程，在实际运用中，应根据具体的弹道要求，将各种抑制技术集成优化，达到洁净燃烧的目的。

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Research Progress on Gun Propellant and Charge Combustion Residue

HE Chang-hui，WANG Qiong-lin，LIU Shao-wu，WEI Lun，WANG Feng，HAN Bing

(Xi′an Modern Chemistry Research Institute, Xi′an 710065, China)

Aiming at the request of eliminating or reducing the combustion residue in the barrel weapon firing, the research of gun propellant and charge combustion residue was summarized and reviewed. According to the existence position of combustion residue in the barrel weapon and shooting enviroment, the combustion residue can be divided into in-bore residue and out-bore residue. Characteristics, hazards, collection and analysis technology and suppression technique of the combustion residue were analyzed. Pointing out that the application of new materials in gun propellant and charge with low combustion residue, the evaluation method study of the combustion residue produced in the live firing process and the integrated optimization of suppression technique are the key direction of the further research in the combustion residue of gun propellant and charge, with 72 references.

military chemistry and pyrotechnic technology; gun propellant; charge; combustion residue;barrel weapon

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.02.002

2016-10-10；

2017-01-16

陆军预先研究项目(No. 301110104)

何昌辉(1988-)，男，硕士研究生，从事发射药技术研究。E-mail:hechanghui1989@163.com

王琼林(1966-)，男，博士，博导，研究员，从事发射药及装药技术研究。E-mail: wangqionglin369@126.com

TJ55；TQ562

A

1007-7812(2017)02-0010-09