肖正剛，應(yīng)三九，徐復(fù)銘

（南京理工大學(xué) 化工學(xué)院，南京210094）

壓實(shí)裝藥能顯著提高裝藥的裝填密度，從而增加裝藥潛能，提高彈丸動能；在相同裝藥量的情況下也能縮減彈藥尺寸，適應(yīng)武器輕量化的需求［1－6］。

國內(nèi)外報道的壓實(shí)裝藥均是采用小粒藥粘結(jié)壓實(shí)工藝。首先利用含能或惰性粘結(jié)劑對小粒藥表面進(jìn)行預(yù)處理，或進(jìn)行預(yù)分裂處理［7］；然后在一定溫度和壓力下模壓成型，另外也可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要進(jìn)行表面處理，最終得到高密度的壓實(shí)藥柱，其堆積密度可達(dá)到1.35g·cm－3。

壓實(shí)藥的制備工藝強(qiáng)烈影響所制樣品的分裂解體性能、燃燒穩(wěn)定性。這些性能反過來又決定其安全和使用性能。

粘結(jié)壓實(shí)藥柱表面處理外層的存在有助于提高藥柱整體粘結(jié)力學(xué)強(qiáng)度，減緩起始燃?xì)馍伤俾剩欣趯?shí)現(xiàn)漸增性燃燒。當(dāng)表面處理外層燃完后，在燃?xì)鈮毫ψ饔孟?，?nèi)層開始分裂、解體，分裂和解體燃燒開始時的相對壓力和解體區(qū)間取決于藥柱整體粘結(jié)力學(xué)強(qiáng)度以及內(nèi)層粘結(jié)力學(xué)性能。對該解體燃燒過程一致性的控制將極大地提高壓實(shí)藥柱的燃燒重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

國內(nèi)外學(xué)者對裝藥發(fā)射安全性的研究表明，起始彈道階段藥粒破碎后的燃面突增是導(dǎo)致膛內(nèi)壓力劇增、形成危險壓力波進(jìn)而產(chǎn)生膛炸的根本原因［8－15］。對于粘結(jié)壓實(shí)裝藥，由于其裝填密度較高，壓實(shí)藥柱分裂和解體瞬間燃面劇增，燃?xì)鈮毫ι撸瑯O易產(chǎn)生未燃完藥粒的擠壓破碎問題，從而削弱裝藥發(fā)射安全性能。

目前對粘結(jié)壓實(shí)裝藥的研究主要側(cè)重于壓實(shí)裝藥的定容密閉燃燒［7，16－18］、定容中止燃燒［19］、解體一致性［20］和提高彈丸動能［21］等的研究，對其變?nèi)葜兄谷紵阅芗捌浒l(fā)射安全性研究等方面未見充分報道。

定容燃燒模擬試驗方法及其裝置均是基于經(jīng)典內(nèi)彈道理論，特別是裝藥的傳統(tǒng)中止試驗方法僅僅能考察裝藥在一定的模擬器燃燒室壓力下發(fā)射藥的受力情況，無法考察此時彈帶逐漸擠進(jìn)膛線時燃燒藥室容積變化過程等。另外，傳統(tǒng)的火炮模擬器試驗系統(tǒng)綜合考察點(diǎn)傳火、裝藥等在一定裝填條件下與彈丸炮口參量及相關(guān)動態(tài)參數(shù)之間關(guān)系，假定彈帶全部擠進(jìn)膛線達(dá)到擠進(jìn)壓力時彈丸才開始運(yùn)動，也不計及彈帶逐漸擠進(jìn)膛線的過程。靜態(tài)的定容燃燒模擬對于發(fā)射藥在彈丸啟動及擠進(jìn)過程中的受力、中止燃燒及化學(xué)分析等反面缺乏應(yīng)有的考慮，因此需要變?nèi)輨討B(tài)燃燒模擬手段進(jìn)行更深入和逼近真實(shí)環(huán)境下的研究。

針對上述的壓實(shí)藥柱變?nèi)萑紵八幜Ｆ扑閱栴}，本文設(shè)計了針對壓實(shí)裝藥變?nèi)萑紵囼炑b置，模擬壓實(shí)裝藥變?nèi)萆鋼粼囼炦^程，通過記錄的壓力－時間曲線，討論不同表面處理的壓實(shí)藥柱的點(diǎn)火性能及起始動態(tài)燃燒漸增性能，減小壓實(shí)藥柱的分裂和解體過程中的藥粒破碎，提高安全性能，為壓實(shí)裝藥的實(shí)際研究建立仿真研究基礎(chǔ)。

1 變?nèi)萑紵兄鼓M試驗裝置及原理

變?nèi)萑紵兄鼓M試驗裝置如圖1所示。試驗裝置由燃燒室本體、點(diǎn)火堵頭、收藥盤、出彈壓螺、測壓孔等組成，主要用來模擬壓實(shí)藥早期點(diǎn)火、分裂及解體燃燒過程，研究燃?xì)馍梢?guī)律。通過中止試驗，回收未燃完藥粒，觀察變?nèi)萑紵^程中藥柱的分裂、解體及破碎情況，模擬藥粒在燃燒過程所受力學(xué)環(huán)境，評定發(fā)射過程的安全性能。

圖1 變?nèi)萑紵兄鼓M試驗裝置示意圖

本體的兩端各開有具有螺紋的孔，本體左端裝上點(diǎn)火堵頭后，將發(fā)射藥放入燃燒室。本體右端先裝上收藥盤，將彈丸推入出彈壓螺的坡膛處，然后將裝好彈丸的出彈壓螺旋入連接件，再將該連接件旋入本體右端開孔處。

裝好本體后，即可利用點(diǎn)火藥點(diǎn)燃本體燃燒室的發(fā)射藥，發(fā)射藥開始點(diǎn)火燃燒。當(dāng)本體內(nèi)部達(dá)到一定壓力后，彈丸開始擠進(jìn)出彈壓螺；當(dāng)彈丸被推出出彈壓螺后，本體瀉壓，中止儀內(nèi)燃燒著的發(fā)射藥因迅速降壓而熄火，擰開收藥盤即可將殘余發(fā)射藥回收。

該裝置本體壁處有測壓孔，可以連接壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄發(fā)射藥及裝藥在點(diǎn)火、燃燒中止全過程的壓力等。

整個模擬試驗過程中的變?nèi)葸^程則利用彈丸擠進(jìn)彈帶過程中彈后空間的變化來模擬。

2 壓實(shí)藥柱的制備

應(yīng)用預(yù)解體技術(shù)將太根小粒藥進(jìn)行表面處理后，采用乙醇／丙酮高溫?zé)嵴羝浕▽⑵鋲簩?shí)成扇形小藥柱，再進(jìn)行表面處理，得到待測的壓實(shí)藥柱樣品。主要工藝參數(shù)如下。

太根小粒藥的弧厚為1.6mm。扇型藥柱的高度為31mm，壓實(shí)藥量為8.0g。高溫軟化溫度為90℃，時間為24h。壓藥溫度為30℃，壓力為0.8～1.0MPa，保壓時間為5～10min。

表面涂層的基礎(chǔ)配方為硝化棉膠NC。醇酮溶劑比例為1∶1。表面處理時點(diǎn)火敏化劑及鈍感劑含量及溶棉比均為3∶7。

壓制及表面處理完成后的樣品先在常溫下放置一段時間后，再在烘箱中60℃的條件下保溫8h，進(jìn)行表層烘干驅(qū)溶處理。壓實(shí)后的樣品堆積密度均約為1.35g·cm－3。藥柱質(zhì)量為（8.4±0.2）g。

3 裝藥變?nèi)萑紵兄乖囼?/h2>

裝藥試驗時，變?nèi)萑紵龍A柱形藥筒直徑為30mm，由4個扇型小藥柱組成1個大的圓形藥柱，共裝3層，裝藥量為（100.8±0.6）g。散裝藥作為對比樣。試驗樣品為硝化棉膠涂覆的壓實(shí)藥柱、添加敏化劑表面處理的壓實(shí)藥柱以及鈍感表面處理的壓實(shí)藥柱。每種樣品3發(fā)重復(fù)。點(diǎn)火藥為1＃硝化棉，藥量為1.1g；彈丸為25mm填砂彈，質(zhì)量為250g。

試驗過程中利用軟回收裝置回收未燃完的藥粒和彈丸。利用壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄變?nèi)萑紵兄谷^程的壓力－時間曲線。中止壓力約為116MPa；其中添加敏化劑的表面處理樣品的中止壓力稍高，約為130MPa。

4 結(jié)果分析與討論

4.1 表面處理方法對中止燃燒時間和壓力上升速率的影響

3種不同表面處理方法制備的粘結(jié)壓實(shí)藥柱在變?nèi)葜兄谷紵^程的壓力－時間曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，與對比樣散裝藥相比，3種表面處理方法涂覆的壓實(shí)藥的點(diǎn)火延遲及達(dá)到中止壓力的燃燒時間明顯滯后，這是由壓實(shí)藥柱燃燒特性決定的。壓實(shí)藥柱表面涂覆后，存在涂覆外層，當(dāng)表面處理外層燃完后，在燃?xì)鈮毫ψ饔孟聝?nèi)層開始分裂、解體，藥柱進(jìn)入碎粒燃燒階段。自由散裝藥顯然沒有類似于壓實(shí)藥柱外層分裂和解體燃燒過程，同等條件下，壓力上升時間更短。

圖2 不同表面處理方法制得壓實(shí)藥柱中止燃燒的壓力－時間曲線

3種表面涂覆方法得到的壓實(shí)藥柱達(dá)到中止壓力的燃燒時間顯著不同。與硝化棉膠涂覆的粘結(jié)壓實(shí)藥柱達(dá)到中止壓力的燃燒時間（4.5ms）相比，添加點(diǎn)火敏化劑的涂覆膠制成的壓實(shí)藥柱達(dá)到中止壓力的燃燒時間明顯縮短（3.8ms），而表面鈍感處理壓實(shí)藥柱達(dá)到中止壓力的燃燒時間最長（4.8ms）。添加敏化劑的樣品，表層點(diǎn)火容易，燃?xì)馍伤俾瘦^快，快速的燃燒氣流對藥柱內(nèi)層具有沖擊作用，藥柱內(nèi)層分裂解體后達(dá)到中止壓力時的燃燒時間較短。而鈍感處理的壓實(shí)藥柱達(dá)到中止壓力時的燃燒時間則較長。這與文獻(xiàn)中關(guān)于表層處理方法對解體和定容中止燃燒性能的研究結(jié)論是一致的［20］。

圖3是這些樣品的壓力上升速率曲線圖。

圖3 不同表面處理方法制得壓實(shí)藥柱中止燃燒的dp／dt－t曲線

從圖3可以看出，與散裝藥相比，3種表面處理方法涂覆的壓實(shí)藥的壓力上升速率明顯不同。散裝藥沒有壓實(shí)以及表面涂覆，點(diǎn)火后，燃?xì)馍伤俾屎芸?，達(dá)到峰值的時間也很短，約2.2ms。

純的硝化棉膠涂覆的壓實(shí)藥柱的壓力上升速率和燃燒時間介于另外2種樣品之間。值得提出的是，添加點(diǎn)火敏化劑的涂覆膠制成的壓實(shí)藥柱，開始點(diǎn)火時的燃?xì)馍伤俾时韧扛蚕趸弈z及鈍感膠的粘結(jié)壓實(shí)藥柱明顯較高，表明樣品外層容易點(diǎn)火，并沒有出現(xiàn)像另外2種樣品的dp／dt曲線中在時間1.1～1.3ms時出現(xiàn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。該轉(zhuǎn)折點(diǎn)與粘結(jié)壓實(shí)藥柱的外層和內(nèi)層分裂燃燒有關(guān)。內(nèi)層分裂解體后，燃面突增，壓力上升速率也急劇增加，進(jìn)而形成該轉(zhuǎn)折點(diǎn)。純的硝化棉膠涂覆的樣品的轉(zhuǎn)折點(diǎn)大約位于1.1ms處，鈍感處理的樣品能延遲該轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)的時間，此時的轉(zhuǎn)折時間為1.3ms。一旦外層燃完，內(nèi)層分裂解體，粘結(jié)壓實(shí)藥柱就進(jìn)入碎粒燃燒階段，藥柱燃速就與原來藥粒的燃速一致了。在此階段，后期壓力上升率的斜率大致相同，這三者的燃速就趨于一致了。

4.2 動態(tài)燃燒漸增性的討論

文獻(xiàn)中有很多燃燒漸增性的討論，絕大部分是基于定容燃燒試驗。主要的判斷評價方法有氣體生成猛度法［22］、動態(tài)活性法［23－24］（包括王瓊林根據(jù)動態(tài)活性曲線計算得到的綜合參量評價法）以及根據(jù)發(fā)射藥的燃?xì)馍伤俾氏鄬τ谙鄬_量分?jǐn)?shù)曲線提出的燃燒漸增性評價的新方法等［25－26］。

對于變?nèi)萑紵囼?，典型的如火炮裝藥射擊過程，經(jīng)典內(nèi)彈道理論依據(jù)射擊全過程的壓力－時間曲線提出藥室容積充滿系數(shù)ηg，其大小可以表征發(fā)射藥裝藥燃燒漸增性。由于涉及到裝藥實(shí)際射擊試驗，試驗成本較高、耗時也長，該評價方法的廣泛應(yīng)用受到較大限制。因此模擬試驗就尤為必要。

傳統(tǒng)的密閉爆發(fā)器等定容燃燒試驗燃燒漸增性的評定方法均是建立在發(fā)射藥靜態(tài)燃燒與動態(tài)燃燒可類同的相似假設(shè)基礎(chǔ)上，很難符合實(shí)際應(yīng)用情況。

變?nèi)萑紵兄乖囼炛?，彈丸離開出彈壓螺時藥粒并沒有燃完，試驗中測得的壓力－時間曲線類似于密閉爆發(fā)器試驗中的S形曲線，與火炮實(shí)際射擊試驗中測得的壓力－時間曲線有所不同，因此所謂的充滿系數(shù)概念就難以實(shí)用，需要借鑒和拓展密閉爆發(fā)器試驗中的數(shù)據(jù)處理方法。

動態(tài)活性L和相對壓力B的定義為

式中：pi為燃燒實(shí)時壓力，pm為最大壓力。動態(tài)活性是在當(dāng)?shù)貕毫l件下單位壓力下的壓力變化速率，它反映了發(fā)射藥在燃燒條件下燃?xì)獾纳商匦约叭紵俣忍匦浴?/p>

根據(jù)定容燃燒試驗的燃?xì)鉅顟B(tài)方程推導(dǎo)出的結(jié)論：

式中：

式中：ψ為燃?xì)馍闪?，ρp為發(fā)射藥密度，α為發(fā)射藥余容，f為發(fā)射藥火藥力，β為壓力pi的弱函數(shù)。對常見發(fā)射藥，壓力從0變化到250MPa（Δ＝0.2g·cm－3），β從1.0變化到1.09，變化很小。

特別地，當(dāng)燃速定律符合正比式時，L的變化基本反映了線性燃速系數(shù)a和燃燒面積對氣體生成量的綜合影響；B基本反映了發(fā)射藥已燃質(zhì)量百分?jǐn)?shù)的變化［27］。因此L－B曲線同氣體生成猛度Γ－ψ曲線一樣，反映了發(fā)射藥燃燒的漸增性。這也是動態(tài)活性在定容試驗中作為燃燒漸增性判據(jù)的重要原因。

但是，在變?nèi)菰囼炛星闆r就不同了。首先，燃?xì)馑m用的定容燃?xì)鉅顟B(tài)方程不能照搬到變?nèi)菰囼炛?，動態(tài)活性與氣體生成猛度或燃?xì)馍伤俾实母拍畈辉兕愅?。其次，根?jù)經(jīng)典內(nèi)彈道理論燃燒漸增性評價標(biāo)準(zhǔn)，藥室容積充滿系數(shù)直接與膛內(nèi)壓力－時間曲線的平緩性相關(guān)。

根據(jù)經(jīng)典內(nèi)彈道分析，變?nèi)萆鋼粼囼炛械娜細(xì)鈮毫Φ淖兓?guī)律有如下的方程式：

式中：lψ為藥室自由容積縮徑長，l為彈丸行程，m為裝藥量，Δ為裝藥密度，v為彈丸速度，γ為比熱比，S為彈丸橫截面積。

從式（7）可以看出，變?nèi)萑紵^程的燃?xì)鈮毫ψ兓?guī)律與裝藥氣體生成速率和彈丸運(yùn)動速度這2個因素有關(guān)。當(dāng)燃?xì)馍擅土視r，dψ／dt增大，從而使dp／dt增大，表明壓力上升較快。而彈丸的運(yùn)動速度則使壓力下降，v越大，彈后空間增長越大，從而使dp／dt減小。按經(jīng)典內(nèi)彈道的表述，顯然本文的變?nèi)葜兄乖囼灥膲毫Γ瓡r間曲線位于整個射擊過程的前期和第一時期最大壓力前的早期階段。此時，彈丸剛開始擠進(jìn)，速度加快，燃燒室內(nèi)還未達(dá)到燃燒最大壓力。這是與火炮射擊過程的起始階段有區(qū)別的。火炮射擊過程的起始階段燃燒室內(nèi)壓力上升的主要矛盾是氣體生成速率dψ／dt。

然而，根據(jù)動態(tài)活性的定義和變?nèi)萑紵膶?shí)際，評價這一階段的燃燒漸增性仍然可以移植動態(tài)活性概念，它較為簡單方便，也能反映燃燒實(shí)際狀況。因為動態(tài)活性是衡量壓力上升速率的一個變量，它能較好地符合動態(tài)燃燒中壓力上升的實(shí)際情況［28］。

圖4是這3種表面處理方法涂覆的粘結(jié)壓實(shí)藥柱的動態(tài)活性曲線。

圖4 不同表面處理方法制得壓實(shí)藥柱中止燃燒的L－B曲線

從圖4可以看出，與自由散裝藥相比，經(jīng)表面處理后的粘結(jié)壓實(shí)裝藥的起始動態(tài)活性都能得到有效抑制，具有漸增性燃燒的特點(diǎn)。與純的硝化棉膠涂覆的粘結(jié)壓實(shí)藥柱相比，添加敏化劑的涂覆膠處理的粘結(jié)壓實(shí)藥柱的起始動態(tài)活性有所提高，這與圖2中的壓力－時間曲線所表明的燃燒特征是一致的；鈍感處理后，峰值動態(tài)活性有所降低，燃燒漸增性最好。這也與密閉爆發(fā)器燃燒試驗的結(jié)果一致［19］。

4.3 粘結(jié)壓實(shí)藥柱藥粒破碎和發(fā)射安全問題

通過回收的藥粒能觀察到藥柱在分裂、解體和解體后藥粒在點(diǎn)火燃燒沖擊過程中的受力情況。由于是小粒藥粘結(jié)，根據(jù)表面處理方法的不同，最終回收得到的樣品只是碎粒聚集體和單獨(dú)的一個個小藥粒，并沒有出現(xiàn)藥粒碎裂情況，鈍感處理后的樣品抗沖擊能力也較強(qiáng)，可以參考作者文獻(xiàn)中的圖片［19］。

從以上的壓力－時間曲線也可以看出，粘結(jié)壓實(shí)裝藥起始階段的燃燒總體是平穩(wěn)的，試驗發(fā)射和軟回收過程是安全的。

5 結(jié)論

①設(shè)計的粘結(jié)壓實(shí)裝藥變?nèi)萑紵囼炑b置能模擬壓實(shí)裝藥變?nèi)萑紵兄乖囼炦^程，觀察回收的未燃完藥粒破碎情況并評定燃燒過程的安全性能，證明達(dá)到了預(yù)定的試驗?zāi)康摹?/p>

②與散裝藥相比，3種表面處理方法涂覆的壓實(shí)藥的點(diǎn)火延遲及達(dá)到中止壓力的燃燒時間明顯滯后。表面處理的粘結(jié)壓實(shí)藥柱存在著外層—分裂解體—碎裂燃燒階段。與純的硝化棉膠涂覆的粘結(jié)壓實(shí)藥柱相比，添加點(diǎn)火敏化劑的涂覆層處理的藥柱點(diǎn)火相對容易，鈍感處理樣品則較難。藥柱分裂和解體后，三者的壓力上升速率趨于一致，表面進(jìn)入到碎裂燃燒階段，三者表觀燃速趨于一致。

③基于當(dāng)?shù)貕毫Φ膭討B(tài)活性概念能描述變?nèi)萑紵鹗茧A段的燃燒漸增性大小。合理的表面處理方法能有效抑制粘結(jié)壓實(shí)藥柱的起始燃?xì)馍伤俾?，提高燃燒漸增性。表面鈍感處理的粘結(jié)壓實(shí)藥柱的燃燒漸增性最好。

④由回收藥粒的觀察和試驗過程記錄的壓力－時間曲線可知，粘結(jié)壓實(shí)裝藥起始階段的燃燒總體是平穩(wěn)的，試驗和軟回收過程是安全的。

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