高元科，仵和平，楊正才，趙亮，王喜田，黃旭東，李睿

（北方特種能源集團有限公司西安慶華公司，陜西 西安，710025）

自從第一次世界大戰(zhàn)期間系統(tǒng)地采用煙霧以來，發(fā)煙裝置在軍事領域中起到越來越重要的作用?？偟恼f來發(fā)煙裝置在軍事領域中主要有以下兩方面的作用：首先，發(fā)煙裝置產(chǎn)生的煙幕用以隱蔽己方部隊的行動和其他目標，妨礙敵人的觀察和射擊，并且對光學、電子技術器材的觀測、瞄準等還能構成無源干擾；其次，發(fā)煙裝置可用于部隊軍事訓練和演習，指示彈道、預測落點，同時增強演習效果，提高訓練質量。

某型發(fā)煙裝置便是用于外彈道性能測試及部隊訓練。針對該發(fā)煙裝置的用途及產(chǎn)品的可靠性，筆者對發(fā)煙藥及裝藥結構進行了選擇和設計。

1 發(fā)煙藥的選擇

1.1 發(fā)煙藥的分類及特殊技術要求

已經(jīng)應用于工程上的發(fā)煙藥大體上可分為3類：吸濕性發(fā)煙藥（如硫酸酐與發(fā)煙硫酸、金屬四氯化物等）、磷煙（如黃磷、赤磷等）和燃燒型混合物發(fā)煙藥，燃燒型混合物發(fā)煙藥又可以分為受熱升華發(fā)煙藥和金屬氯化物發(fā)煙藥。

發(fā)煙藥屬于煙火藥，除符合煙火藥一般的技術要求外，良好的發(fā)煙藥還應該盡量具備以下特殊要求：

（1）遮蔽能力應最大（該發(fā)煙裝置對遮蔽能力無要求）；

（2）在空氣中應有足夠的穩(wěn)定性和足夠的持續(xù)時間。煙幕微粒在分散的介質（空氣）中，因運動和氣溶膠的凝結作用等，隨著時間推移將消散或沉降，為保持一定時間內有較好的遮蔽能力或觀測性，煙幕持續(xù)時間應盡量長。

（3）發(fā)煙藥燃燒殘渣應是疏松多孔的。發(fā)煙藥的燃燒殘渣產(chǎn)物只有疏松多孔狀，才可能使下層燃燒反應的發(fā)煙生成物順利通過，從而獲得最佳的煙幕效果。

（4）煙幕形成時間應盡量短。鑒于現(xiàn)代戰(zhàn)爭的快速反應，無論是遮蔽還是訓練、指示，都希望煙幕形成的時間越短越好。

（5）污染應盡量地小，減少對己方人員的身體傷害以及對環(huán)境的污染。

1.2 3種發(fā)煙藥的發(fā)煙機理

1.2.1 橙色發(fā)煙藥

該發(fā)煙藥屬于受熱升華發(fā)煙藥，主要成分有：分散紅、氯酸鉀、升華硫、碳酸鈉和酚醛樹脂。其發(fā)煙過程如下：

2KClO3+3S→3SO2+2KCl+△

氯酸鉀和升華硫發(fā)生氧化還原反應，釋放出熱量使分散紅升華從而形成了橙色煙幕。其中分散紅為染料，氯酸鉀為氧化劑，升華硫為還原劑，碳酸鈉為消焰劑，酚醛樹脂為黏合劑。

1.2.2 己二酸發(fā)煙藥

該發(fā)煙藥屬于受熱升華發(fā)煙藥，主要成分有：己二酸、高氯酸鉀、乳糖、草酸銨、酚醛樹脂。其發(fā)煙過程如下：

氯酸鉀和乳糖發(fā)生氧化還原反應，釋放出熱量使己二酸升華從而形成了白色煙幕。其中氯酸鉀為氧化劑，乳糖為還原劑，草酸銨為消焰劑，酚醛樹脂為黏合劑。

1.2.3 HC發(fā)煙藥

該發(fā)煙藥屬于金屬氯化物發(fā)煙藥，主要成分有：六氯乙烷、氧化鋅和鋁粉。其發(fā)煙過程如下：

鋁粉先將氧化鋅還原成鋅，而后鋅與六氯乙烷發(fā)生反應生成 ZnC12蒸氣，在空氣中冷凝形成白色煙幕。其中氧化鋅為氧化劑，鋁粉為還原劑，六氯乙烷為氯化物（也是氧化劑）。

1.3 發(fā)煙藥的試驗方法及結果

該發(fā)煙裝置發(fā)煙時間要求較長（超過3min），所以要求發(fā)煙藥的裝藥量較大。試驗均采用直徑Φ 33mm、長度150mm的壓藥管殼，由于管殼較長，根據(jù)以往經(jīng)驗，要得到密度一致的藥柱，一般采用分次壓藥的方法。具體裝藥結構見圖1。

圖1 試驗用裝藥結構示意圖Fig.1 The sketch of charge structure for test

作用過程如下：點火器發(fā)火，火焰通過傳火通道點燃點火藥，點火藥再點燃過渡藥（發(fā)煙藥與點火藥的混合藥），最終點燃發(fā)煙藥，產(chǎn)生煙霧顆粒通過發(fā)煙孔排出形成煙幕。

按以上的裝藥結構裝配試驗產(chǎn)品，裝配方法、試驗方案及結果見表1。

1.4 試驗結果分析及發(fā)煙藥的選擇

橙色發(fā)煙藥：優(yōu)點是發(fā)煙穩(wěn)定，時間適中，形成的橙色煙幕易觀測，煙幕形成時間較短且在空氣中有足夠的穩(wěn)定性和持續(xù)時間，燃燒完后形成的殘渣較少，有利于煙幕的排放；缺點是分散紅污染較大，而且藥劑中含有強氧化劑氯酸鉀和較強的還原劑升華硫，所以使藥劑較為敏感。

己二酸發(fā)煙藥：優(yōu)點是發(fā)煙時間長，藥劑污染小，煙幕在空氣中有足夠的穩(wěn)定性和持續(xù)時間，燃燒完后形成的殘渣較少；缺點是煙幕形成時間較慢，藥劑的燃燒穩(wěn)定性差（發(fā)煙時大時小且有2發(fā)產(chǎn)品燃燒1min左右斷火）。

HC發(fā)煙藥：優(yōu)點是發(fā)煙穩(wěn)定，煙幕形成時間快且在空氣中有足夠的穩(wěn)定性和持續(xù)時間，缺點是燃燒完后形成的殘渣較前兩種發(fā)煙藥多，發(fā)煙時間較短，藥劑中的六氯乙烷污染較大。

表1 試驗方案及結果Tab.1 Test schemes and result

根據(jù)以上分析，3種發(fā)煙藥各有優(yōu)缺點，需根據(jù)產(chǎn)品具體的性能要求來選擇發(fā)煙藥。己二酸發(fā)煙藥最大的優(yōu)點是污染小，但是它的燃燒穩(wěn)定性差，直接影響了產(chǎn)品的可靠性，所以不選擇該發(fā)煙藥。橙色發(fā)煙藥和HC發(fā)煙藥雖然污染較己二酸發(fā)煙藥大，但這兩種藥劑性能穩(wěn)定。橙色發(fā)煙藥較HC發(fā)煙藥有發(fā)煙時間適中和煙幕易觀測等特點，所以應該選用橙色發(fā)煙藥。但是該發(fā)煙裝置需要耐高過載（20 000g），而橙色發(fā)煙藥較敏感，氯酸鉀為強氧化劑而升華硫為較強的還原劑，這兩種成分混合后很容易在高溫高過載情況下發(fā)生反應；不但如此，氯酸鉀是一種分解熱較小的氧化劑，極易分解并放出大量熱量，以其作為氧化劑雖然有利于煙火藥的快速燃燒并放出大量的熱量，但煙火藥的機械感度也相應地提高。在高過載試驗中采用橙色發(fā)煙藥的發(fā)煙裝置出現(xiàn)了1發(fā)早燃現(xiàn)象。鑒于橙色發(fā)煙藥的敏感影響了產(chǎn)品的可靠性與安全性，所以該發(fā)煙裝置最終選擇HC發(fā)煙藥。

雖然HC發(fā)煙藥有著自身的缺點，但是HC發(fā)煙藥自從1920年發(fā)明以來，經(jīng)過多次改進其技術工藝逐步成熟，性能穩(wěn)定。目前HC發(fā)煙藥是很多國家裝備的主要發(fā)煙藥種類之一，如美國ABC-M5發(fā)煙罐、M226發(fā)煙榴彈、俄羅斯CX-15發(fā)煙彈、英國 HCF發(fā)煙榴彈、德國弗斯特76 mm發(fā)煙榴彈等均將HC作為主要成分。

2 裝藥結構的設計

由于試驗中HC發(fā)煙藥發(fā)煙時間較短以及燃燒后殘渣較多，所以必須通過改進該發(fā)煙裝置的裝藥結構來克服此兩項缺點。

要延長發(fā)煙時間有兩個途徑：一是增加發(fā)煙藥量；二是增大發(fā)煙藥的壓藥密度，降低其燃速。而發(fā)煙裝置的體積一定，增加發(fā)煙藥量就必定增大壓藥密度。增大壓藥密度雖可以延長發(fā)煙時間，但燃燒產(chǎn)生的殘渣會增多，會堵塞發(fā)煙生成物的排放通道，不利于發(fā)煙生成物的排放和煙幕的形成，嚴重時會造成藥劑斷火或燃燒不完全。

增加發(fā)煙藥藥量，按圖1的裝藥結構進行試驗，壓藥密度在2.10g/cm3左右，試驗結果：發(fā)煙2min斷火，停止發(fā)煙，解剖發(fā)現(xiàn)發(fā)煙藥燃燒不完全。

發(fā)煙時間是該發(fā)煙裝置的重要指標，所以一方面要增加發(fā)煙藥藥量，從而增加了壓藥密度。另一方面，為了使燃燒殘渣不堵塞發(fā)煙生成物的排放通道，必須使產(chǎn)生的殘渣及時排出去，這樣便可以保證發(fā)煙生成物的順利排放。因此改進設計發(fā)煙裝置，裝藥結構如圖2所示。

圖2中，將發(fā)煙藥分多次壓裝，如此可以保證發(fā)煙藥的密度一致，在每次壓發(fā)煙藥前先加入少量的點火藥，然后加入發(fā)煙藥進行壓藥。作用過程如下：點火器發(fā)火，火焰通過傳火通道點燃點火藥，點火藥再點燃過渡藥（發(fā)煙藥與點火藥的混合藥），過渡藥燃燒點燃發(fā)煙藥，產(chǎn)生發(fā)煙生成物，通過發(fā)煙孔排出形成煙幕；經(jīng)過一段時間燃燒，發(fā)煙藥再點燃點火藥，點火藥燃燒一方面產(chǎn)生高溫高壓氣體將前面發(fā)煙藥燃燒產(chǎn)生的殘渣通過發(fā)煙孔噴出發(fā)煙裝置，保證后面發(fā)煙藥產(chǎn)生的發(fā)煙生成物順利排放；另一方面點燃下一級發(fā)煙藥。

圖2 裝藥結構圖Fig.2 The sketch of charge structure

按照圖 2裝藥結構進行試驗，壓藥密度為 2.10 g/cm3，試驗數(shù)量28發(fā)，沒有出現(xiàn)斷火或藥劑燃燒不完全現(xiàn)象，發(fā)煙時間在3＇03＂至5＇08＂之間。

試驗說明此裝藥結構不但可以增大發(fā)煙藥的壓藥密度，延長發(fā)煙時間，而且可以使燃燒殘渣及時排出，讓發(fā)煙藥產(chǎn)生的發(fā)煙生成物順利排放，解決了發(fā)煙時間與壓藥密度之間的矛盾。

3 結論

在某型發(fā)煙裝置的研究中，通過對HC發(fā)煙藥、橙色發(fā)煙藥和己二酸發(fā)煙藥3種發(fā)煙藥試驗及性能分析、對比，選擇了HC發(fā)煙藥作為該型發(fā)煙裝置的發(fā)煙劑。通過裝藥結構的改進，解決發(fā)煙時間與壓藥密度之間的矛盾，使發(fā)煙裝置的發(fā)煙時間由1＇55＂到3＇之間延長到3＇03＂至5＇08＂之間，從而使發(fā)煙裝置達到指標要求。

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