可燃药筒降烧蚀技术研究

＊范文涛 赵振宇 高文欢 李忠山 袁丽

（1.海军装备部 陕西 710054 2.西安北方惠安化学工业有限公司 陕西 710302）

引言

现代火炮向着远射程、高初速、大威力的方向发展，火炮膛压升高、高能发射药应用以及高射速等多因素，导致火炮身管的烧蚀问题越来越突出，火炮身管的烧蚀寿命已经成为影响身管使用寿命的主要因素[1]。火炮身管烧蚀是受热、机械磨损等综合因素影响的结果，其中火药燃气的热作用对炮膛烧蚀有着极大的影响。为降低火炮身管烧蚀，最实用、最有效地解决方式是在火炮发射装药系统中，加入具有降烧蚀功能的装药元件。国内外研究人员将钛白粉（TiO2）、滑石粉等无机化合物与石蜡混溶涂抹在纤维上形成衬套结构护膛剂，将该护膛剂放入发射装药系统中，取得了良好降烧蚀效果。但此方法对部分发射药或装药方式缓蚀效果偏低，而且存在力学强度差、装填体积大等问题[2]。将TiO2型、滑石粉型、多元性和801型等降烧蚀添加剂直接加入发射药中，虽然可以降低发射药燃烧气体对身管的烧蚀，但发射药中增加降烧蚀添加剂将会带来许多副作用，如发射药做功能力降低、燃烧不完全、残渣多等[3-4]。

近年来，可燃药筒能、随发射装药燃烧完全的特性使其广泛应用于身管武器的弹药系统中。可燃药筒的特性简化了火炮结构，解决了高膛压武器金属药筒的退壳难题，便捷了勤务使用[5]。同时相关研究发现可燃药筒紧贴火炮膛壁，燃烧时的燃烧气流具有屏阻效应，可减缓发射装药燃烧火药气流对火炮膛壁的冲刷。

如何提升可燃药筒的降烧蚀性能，具有十分重要的现实意义。本文主要介绍高缓蚀组分模压可燃药筒配方设计，针对可燃药筒的缓蚀组分选择、高效留着开展研究，并进行降烧蚀性能对比验证。

1.缓蚀功能可燃药筒设计

(1)缓蚀剂类型选择

常见的缓蚀剂类型主要有二氧化钛型、二氧化硅型、硅酸镁盐型等。无机类缓蚀剂较高的比热容有利于相同温度下吸收更多的火药燃气热量；较大的导热系数能够使缓蚀剂粒子在较短的时间内和一定的身管长度内更快吸收热量；较高的密度有利于相同体积下加入更多质量的缓蚀组分。此外良好的附着性，使在火炮身管表面形成坚韧光滑层的固体粒子更有利于减小弹丸对身管的磨损。常用无机类缓蚀剂物理特性参数如表1所示。

表1 缓蚀剂物理特性参数

可燃药筒作为发射装药容器，其结构严格受到火炮及装药约束，有着有限的体积。在有限的体积内，要实现高效的缓蚀作用，选择高密度、高熔点的固体粒子效果更好。在某假定发射装药条件下，发射药爆热为3500kJ/kg，发射药药量为15kg，火药燃气温度Tg=3000K，可燃药筒约束体积为1500cm3，在缓蚀剂占可燃药筒2%体积时，m缓蚀剂=V缓蚀剂/ρ缓蚀剂，Q缓蚀剂吸=m缓蚀剂×Cp缓蚀剂×dT，Q燃气放=m火药×Qv火药，吸收效率=Q缓蚀剂吸/Q燃气放，进行缓蚀剂吸热效率计算，计算结果如表2所示。

表2 缓蚀剂吸热效率

从表2可以看出，常用的二氧化钛、二氧化硅、滑石粉等无机类缓蚀剂，二氧化钛具有最高的吸热效率和缓烧蚀作用。同时二氧化钛熔点较高，在800℃下可发生化学反应：3TiO2+2CO=Ti3O4+2CO2，可将引起炮膛烧蚀的主要成分CO转化为CO2，对火炮降烧蚀有利。

(2)缓蚀剂粒径选择

缓蚀剂作用效果与传热时间有关，传热时间与其粒子直径有较大关系。假定缓蚀剂为球形微粒，不同粒度缓蚀剂的传热时间Δt=Qs/Φ。其中，Q吸=m×Cp×dT，吸收功率Φ=-λ×As×ΔT/0.5Ds（λ为导热系数）。根据初始表面积As=4×Pi×(Ds/2)2，初始体积Vs=4/3×Pi×(Ds/2)3，初始重量Ws=Vs×ρs，不同粒度缓蚀剂粒子传热时间如表3所示。

表3 不同粒度缓蚀剂粒子传热时间

缓烧蚀剂固体粒子直径越小，其传热时间越短，1000目固体微粒传热时间仅为500目微粒的1/5左右。缓蚀功能可燃药筒在水相浆料体系下通过真空吸滤工艺实现预成型，为实现更好的缓蚀剂留着性，避免缓蚀剂在可燃药筒制备过程中流失，宜选择1000目粒度缓蚀剂作为可燃药筒缓蚀组分规格要求。

(3)可燃药筒配方组成设计

根据缓蚀剂分析和传统可燃药筒组成条件，设计缓蚀功能可燃药筒方案为：金红石型/锐钛型TiO2（平均粒径15μm），四川龙蟒化工有限公司；硝化棉（含氮量12.5%），硫酸盐木浆纸（a-纤维素含量大于95%），树脂粘结剂（固含量50%），二苯胺，西安北方惠安化学工业有限公司；聚丙烯酰胺（PAM），巩义亿鑫净水材料有限公司。

(4)缓蚀功能可燃药筒制备

以硝化棉、硫酸盐木浆纸、树脂粘结剂、二苯胺、金红石型/锐钛型二氧化钛、PAM等原材料为主，采用抽滤模压工艺制备一系列可燃药筒样品。可燃药筒的抽滤模压工艺包括制浆、真空抽滤湿坯、压制固化成型及烘干等工艺过程。制备可燃药筒样品的方案及配方比例见表4。

表4 缓蚀功能可燃药筒配方比例

2.缓蚀功能可燃药筒性能研究

(1)性能测试方法

缓蚀剂含量及留着率：通过灼烧法测定可燃药筒中二氧化钛含量，其结果与原浆料配方中缓蚀剂含量的占比即为缓蚀剂留着率。

静态烧蚀性能实验：采用烧蚀管失重法，通过称量烧蚀管在实验前后的质量差，分析研究可燃药筒与发射药不同配比下可燃药筒的防烧蚀性能。

实验条件：烧蚀管材料45号钢；烧蚀管质量10g；可燃药筒片状，发射药药型不变；可燃药筒与发射药总重为定值，可燃药筒与发射药均匀混合。

燃烧环境：半密闭爆发器，点火药为2号NC，点火药质量1.1g，实验温度20℃。

(2)PAM对缓蚀剂留着率的影响

对N-J、N-JP、N-RP配方可燃药筒进行缓蚀剂TiO2的留着率测试，其结果见表5。在PAM作用下，缓蚀剂金红石型TiO2在可燃药筒中的留存效率大幅提升，从无PAM添加的65.6%提高到87.0%。在PAM作用下，锐钛型TiO2在可燃药筒中的留着率与金红石型TiO2留着率接近。

表5 可燃药筒缓蚀剂实际含量及留着率

(3)二氧化钛晶型及其用量对典型火药烧蚀的影响

将N-JP、N-RP两种可燃药筒分别与AHGU发射药（火药力1227J/g）按照不同比例混合，混合总重量为9.431g，进行静态烧蚀性能测试后，4发总烧蚀量及平均最大压力如图1所示。

图1 N-JP、N-RP可燃药筒与AHGU发射药静态烧蚀结果

从测试结果可以看出，相同装填条件下，N-JP配方可燃药筒烧蚀管质量损失相对偏小，表现出更优的降烧蚀效果。相同可燃药筒与发射药占比下，金红石型TiO2减少烧蚀管质量损失是锐钛型TiO2的1.94倍。在可燃药筒与AHGU发射药质量比为1:9的条件下，N-JP可燃药筒烧蚀管质量损失下降46.4%，N-RP可燃药筒烧蚀管质量损失下降23.9%。

将N-JP可燃药筒与三胍-15发射药（火药力1050 J/g）按照不同比例混合，混合总重量为11.021g，进行静态烧蚀性能测试后，3发总烧蚀量及平均最大压力如图2所示。

图2 N-JP可燃药筒与三胍-15发射药静态烧蚀结果

从测试数据可以看出，N-JP可燃药筒对三胍-15发射药也有较好的降烧蚀性。在可燃药筒与三胍-15发射药质量比为1:9的条件下，烧蚀管质量损失下降31.8%，2:8的条件下烧蚀管质量损失下降77.4%。当可燃药筒使用量超过一定值时，烧蚀管质量损失不再下降。

3.结论

（1）二氧化钛应用于可燃药筒达到了降烧蚀效果，相同可燃药筒与发射药占比下，金红石型二氧化钛降烧蚀效果优于锐钛型二氧化钛。

（2）采用聚丙烯酰胺（PAM）有助于提升可燃药筒中缓蚀剂组分含量，缓蚀剂留着率达到87%。