韓　冰，魏　倫， 王瓊林， 唐小軍， 劉少武， 劉金玉，辛凱迪

(1. 西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065； 2. 中國人民解放軍63863部隊(duì)，吉林白城137001)

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發(fā)射藥裝藥結(jié)構(gòu)對炮口煙焰的影響

韓冰1，魏倫1， 王瓊林1， 唐小軍2， 劉少武1， 劉金玉1，辛凱迪1

(1. 西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065； 2. 中國人民解放軍63863部隊(duì)，吉林白城137001)

摘要：針對身管武器裝備炮口煙焰嚴(yán)重的問題，以5.8mm彈道槍為試驗(yàn)平臺，測定了槍口煙霧粒徑和可見光透過率；以30mm和某大口徑火炮為試驗(yàn)平臺，測定了不同發(fā)射藥裝藥的炮口火焰面積；研究了消焰劑粒度、消焰劑藥包裝填位置、發(fā)射藥弧厚、可燃支撐筒長度等裝藥結(jié)構(gòu)對炮口煙焰的影響。結(jié)果表明，消焰劑(K2SO4)粒徑從160μm降至3μm，有助于提高消焰效果，但會引起炮口煙霧的可見光透過率下降；消焰劑用量相同時(shí)，含頂部和底部消焰劑藥包的組合結(jié)構(gòu)抑制火焰效果優(yōu)于僅含頂部消焰劑藥包的結(jié)構(gòu)；發(fā)射藥弧厚從1.8mm增至2.0mm時(shí)，炮口火焰面積增大；炮口火焰面積隨著可燃支撐筒長度增加而增大。

關(guān)鍵詞：發(fā)射藥；裝藥結(jié)構(gòu)；炮口煙焰；消焰劑；發(fā)射藥弧厚；可燃支撐筒

引言

身管武器作為戰(zhàn)場壓制和精確打擊的主力裝備，在當(dāng)今戰(zhàn)爭中發(fā)揮著不可替代的作用。近年來，我國自行研制并裝備部隊(duì)的各式身管武器總體性能有了很大提高，但與國外同類裝備相比，存在炮口煙焰嚴(yán)重的問題，不僅造成環(huán)境污染，還暴露陣地，影響精確制導(dǎo)武器對目標(biāo)的觀察和跟蹤，甚至?xí)斐晌淦鳠o法正常使用。為減小炮口煙焰的有害影響，在裝藥中添加堿金屬鹽類物質(zhì)和火炮身管中使用消焰器是常用手段之一[1-2]。

美國Bracuti A J等[3]在輕型無后座力火炮上研究了不同品種消焰劑對炮口火焰的影響，發(fā)現(xiàn)用碳酸氫鉀和碳酸氫銨在降低火焰閃光方面比用硝酸鉀和硫酸鉀要好；國內(nèi)吉麗坤等[4]開展了新型高分子鉀鹽消焰劑的合成研究，制備的高分子鉀鹽在抗吸濕性方面優(yōu)于傳統(tǒng)的小分子鉀鹽；王育維等[5]開展了消焰劑對模塊發(fā)射藥裝藥內(nèi)彈道性能的影響研究，建立了考慮消焰劑影響的經(jīng)典內(nèi)彈道數(shù)學(xué)模型；趙鳳起等[6]研究了消焰劑對推進(jìn)劑用催化劑燃燒性能的影響，發(fā)現(xiàn)有機(jī)消焰劑KD對燃燒催化劑的熱分解行為影響最小。但是關(guān)于發(fā)射藥裝藥結(jié)構(gòu)對炮口火焰及煙霧影響的研究報(bào)道較少。

本實(shí)驗(yàn)以發(fā)射藥定裝式裝藥結(jié)構(gòu)為對象，以不同口徑火炮(槍)為試驗(yàn)平臺，研究了消焰劑粒度、消焰劑裝填位置、發(fā)射藥弧厚、可燃支撐筒長度等裝藥結(jié)構(gòu)因素對炮口火焰的影響，以期為炮口火焰的改善提供指導(dǎo)。

1實(shí)驗(yàn)

1.1樣品與儀器

常規(guī)粒度硫酸鉀消焰劑(粒度160μm)，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑廠；微納米硫酸鉀消焰劑(粒度3μm)，分析純，西安近代化學(xué)研究所；可燃支撐筒，西安北方惠安化學(xué)工業(yè)有限公司；七孔梅花發(fā)射藥，西安近代化學(xué)研究所。

M1363型高速彩色攝像機(jī)，德國Mikrotron GmbH公司，感光度1280×1024點(diǎn)，感光類型為CMOS，感光尺寸為12μm×12μm；X64 Xcelera-CL LX1 Base采集卡，美國DALSA公司，全分辨率格式下速度為500f/s，圖像輸出格式為8bit彩色。

可見光透過率測試系統(tǒng)，西安近代化學(xué)研究所，包括發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)、接收光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等5個(gè)部分，其中發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)紅外波長為1.8～2.6μm，可見光波長為0.4～0.7μm；調(diào)制器采用美國E&G公司斬波器，內(nèi)孔頻率15～300Hz，外孔頻率150～3000Hz；信號采集處理系統(tǒng)為UDAQ-1006便攜式采集系統(tǒng)，分辨率12位，采樣率100Hz，采樣時(shí)間2min。

動態(tài)燃燒煙霧收集系統(tǒng)，西安近代化學(xué)研究所，主要由槍口煙霧收集箱、安德森式顆粒物分級采樣裝置、分析天平、分級濾膜以及超聲波清洗器組成，其中槍口煙霧收集箱是以美國NBS煙室為基礎(chǔ)，固定體積、固定光程長的自研設(shè)備。

1.2測試方法

1.2.1槍口煙霧粒徑分布與可見光透過率測試

煙霧粒徑分布測試：以5.8mm彈道槍為試驗(yàn)平臺，使用動態(tài)燃燒煙霧收集系統(tǒng)，將槍口燃?xì)馐占翢熿F收集箱中，通過密閉容器中的分級濾膜過濾掉燃?xì)?，稱量分級濾膜增加的質(zhì)量，根據(jù)每一級濾膜規(guī)格查表得到煙霧粒子的粒徑分布，最后得到煙霧粒子粒徑與粒子質(zhì)量的對應(yīng)關(guān)系。

可見光透過率測試：以5.8mm彈道槍為試驗(yàn)平臺，采用制式裝藥結(jié)構(gòu)，將含量相同的不同粒度消焰劑直接加入到槍彈發(fā)射藥裝藥中，使用可見光透過率測試系統(tǒng)，按照Q/AY425-2004《發(fā)射藥槍口煙霧透過率測試方法》進(jìn)行膛口煙霧透過率測試，以可見光透過率來衡量發(fā)射時(shí)槍口的煙霧大小，可見光透過率越高，表明單位空間的煙霧微粒越少，即槍口煙霧濃度越小。

1.2.2火焰測試

以不同口徑火炮為試驗(yàn)平臺，使用火焰測試儀器，按照Q/AY 525-2011《發(fā)射藥及裝藥炮口火焰高速攝影法》對不同結(jié)構(gòu)的發(fā)射藥裝藥炮口火焰圖像進(jìn)行拍攝，然后使用炮口火焰分析軟件對圖像進(jìn)行疊加處理，得到火焰面積。

2結(jié)果與分析

2.1消焰劑粒度對槍口煙霧的影響

膛口煙霧可見光透過率測試結(jié)果見表1，煙霧粒徑分級測試結(jié)果見表2。

表1　煙霧可見光透過率測試結(jié)果

注：d0為消焰劑粒徑；τ為可見光透過率。

表2　煙霧粒徑分級測試結(jié)果

注：d為煙霧粒徑；w為煙霧粒徑在各尺度內(nèi)的含量。

從表1可看出，隨著消焰劑粒度的減小，煙霧的可見光透過率下降；從表2可看出，含有微納米粒度消焰劑的發(fā)射藥裝藥燃燒后，75%的煙霧粒徑分布在0.4 ~1.1μm，明顯多于含常規(guī)粒度消焰劑的發(fā)射藥裝藥，這部分煙霧粒子的粒徑接近可見光波長，對光的吸收和散射作用增強(qiáng)，是消焰劑粒度減小后其光透過率下降的主要原因。因此從經(jīng)濟(jì)成本和降低槍口煙霧方面考慮，消焰劑粒度不宜過小。

2.2消焰劑粒度對炮口火焰的影響

以30mm火炮為試驗(yàn)平臺，采用制式裝藥結(jié)構(gòu)，研究了消焰劑粒度對炮口火焰的影響，結(jié)果見表3。

表3　30mm火炮炮口火焰的測試結(jié)果

注：d0為消焰劑粒徑；m為裝藥質(zhì)量；S為炮口火焰面積。

從表3可以看出，微納米消焰劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于1.5%時(shí)可以消除炮口火焰，常規(guī)粒度消焰劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)出現(xiàn)了炮口火焰，而常規(guī)粒度消焰劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%以上時(shí)，才能達(dá)到消焰效果。表明消焰劑粒度減小后，消焰效果得到提升。

消焰劑能夠抑制火焰，主要是裝藥燃燒后氣態(tài)的K+參與可燃基團(tuán)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，并終止了反應(yīng)。消焰劑粒度越小，消焰劑中的K+分解速度也就越快，彈道周期內(nèi)能夠形成的氣態(tài)K+數(shù)目越多，在發(fā)射藥燃?xì)庵行纬蓾舛容^高的K+氛圍，有效地阻止二次火焰鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，消焰效果就越好。因此減小消焰劑粒度能提高消焰劑的利用率，有利于抑制火焰。

2.3消焰劑藥包裝填位置對炮口火焰的影響

某大口徑火炮發(fā)射藥的裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　某大口徑火炮發(fā)射藥裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Schematic diagram of gun propellant chargestructure for big caliber gun

一般情況下，大中口徑火炮彈藥發(fā)射藥裝藥中，消焰劑通常被裝填到棉布袋中以裝藥元件—消焰劑藥包的形式使用，因此為考察消焰劑藥包在裝藥中位置對炮口火焰的影響，本實(shí)驗(yàn)分別采用將200g消焰劑藥包置于裝藥頂部的裝藥結(jié)構(gòu)，以及將200g消焰劑藥包拆分為150g和50g兩個(gè)藥包，并且將50g消焰劑藥包置于裝藥底部，測試炮口火焰的面積，共測試5發(fā)，結(jié)果見表4。

表4　消焰劑藥包裝填位置不同時(shí)炮口火焰的測試結(jié)果

由表4可看出，當(dāng)200g消焰劑藥包置于裝藥頂部時(shí)，5發(fā)中有3發(fā)出現(xiàn)炮口火焰；但將消焰劑藥包拆分為兩個(gè)藥包，并將50g消焰劑藥包放置在裝藥底部時(shí)，5發(fā)中僅1發(fā)出現(xiàn)炮口火焰，且炮口最大火焰面積由1.24m2降至0.17m2，說明消焰劑藥包裝填位置能夠?qū)ε诳诙窝娴南a(chǎn)生影響。

分析認(rèn)為，當(dāng)整個(gè)消焰劑藥包置于裝藥頂部時(shí)，在發(fā)射過程中隨著火藥氣體向前運(yùn)動，消焰劑受火藥氣體作用主要擴(kuò)散到膛內(nèi)火藥氣體流場的前端，靠近彈尾的火藥氣體含消焰劑成分較多，在其流出炮口后由于消焰劑的作用不會形成明顯的炮口火焰。但隨著消焰劑的消耗，含消焰劑成分較少的火藥氣體流出炮口，會形成較明顯的炮口火焰；而將藥包拆分為兩個(gè)藥包，并將其中一個(gè)藥包移至裝藥底部后，相當(dāng)于把消焰劑較為均勻地分配到整個(gè)裝藥藥床內(nèi)，在火炮發(fā)射過程中消焰劑成分可以充分與火藥氣體混合，從而能較好地消除炮口火焰。

2.4發(fā)射藥弧厚對炮口火焰的影響

在最大膛壓和炮口初速相當(dāng)?shù)臈l件下，不同發(fā)射藥弧厚裝藥的某大口徑火炮炮口火焰測試結(jié)果見表5。由表5可以看出，在其他裝藥結(jié)構(gòu)相同的條件下，隨著藥型弧厚從1.8mm增加至2.0mm，炮口火焰呈增大趨勢。根據(jù)內(nèi)彈道理論可知，發(fā)射藥的弧厚與其在膛內(nèi)燃燒結(jié)束點(diǎn)直接相關(guān)；發(fā)射藥弧厚(燃燒層厚度)增加，藥粒燃燒結(jié)束點(diǎn)向膛口方向偏移，相當(dāng)于縮短了燃?xì)庠谔艃?nèi)滯留與充分混合分散的時(shí)間；當(dāng)藥粒弧厚過大時(shí)，其理論燃燒結(jié)束點(diǎn)可能偏移至膛外，意味著發(fā)射藥不能在膛內(nèi)燃盡，在炮口與空氣接觸產(chǎn)生大量火焰；同時(shí)未燃盡殘藥在膛口的瞬態(tài)壓力降作用下，出炮口后熄滅并形成燃燒殘?jiān)黐8]。因此應(yīng)在不影響發(fā)射裝藥內(nèi)彈道性能的前提下，控制發(fā)射藥弧厚，提高發(fā)射藥的燃燒一致性，使發(fā)射藥燃燒結(jié)束點(diǎn)遠(yuǎn)離炮口，降低炮口火焰。

表5　不同弧厚發(fā)射藥裝藥的炮口火焰測試結(jié)果

注：δ為發(fā)射藥弧厚；pm為最高膛壓；v為炮口初速。

2.5可燃支撐筒長度對炮口火焰的影響

不同長度可燃支撐筒時(shí)發(fā)射藥裝藥的炮口火焰測試結(jié)果見表6。

表6　不同長度可燃支撐筒裝藥的炮口火焰測試結(jié)果

注：L為可燃支撐筒長度。

由表6可以看出，同一種裝藥質(zhì)量相同時(shí)，炮口火焰隨著可燃支撐筒長度的增加而增大?？扇贾瓮驳慕M分主要為硝化棉、硫酸鹽木漿紙和一些加工助劑等，硫酸鹽木漿紙和加工助劑的加入可顯著提高可燃支撐筒的強(qiáng)度，但硫酸鹽木漿紙和加工助劑的燃盡性和氧平衡系數(shù)較低，對裝藥整體化學(xué)平衡狀態(tài)和燃燒反應(yīng)動力學(xué)將產(chǎn)生不利影響，增加可燃支撐筒的長度，相當(dāng)于降低了裝藥整體的氧平衡，造成裝藥燃燒不充分，燃?xì)庵锌扇蓟鶊F(tuán)的含量增加，因此炮口火焰也隨之增大。所以，在不影響裝藥內(nèi)彈道性能和裝藥穩(wěn)定性的前提下，減小可燃支撐筒長度，可以提高裝藥的燃盡性，有利于降低炮口火焰，本研究選用的某大口徑火炮發(fā)射藥裝藥可燃支撐筒長度約40cm時(shí)，炮口火焰面積較小。

3結(jié)論

(1)消焰劑(K2SO4)粒徑從160μm減小至3μm，有助于提高消焰效果，但煙霧的可見光透過率從65.7%降至42.3%。

(2)消焰劑藥包在裝藥中位置不同會造成消焰效果的差異，在消焰劑用量相同的條件下，裝藥頂部150g消焰劑藥包加底部50g消焰劑藥包的組合結(jié)構(gòu)消焰效果優(yōu)于僅含頂部200g消焰劑藥包的結(jié)構(gòu)。

(3)在其他裝藥條件不變的情況下，發(fā)射藥弧厚從1.8mm增至2.0mm時(shí)，炮口火焰面積增大；炮口火焰隨著可燃支撐筒長度的增加而增大。因此，在不影響裝藥內(nèi)彈道性能和裝藥穩(wěn)定性的前提下，應(yīng)盡量減小發(fā)射藥弧厚和可燃支撐筒長度。

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Influences of Gun Propellant Charge Structures on the Muzzle Smoke and Flash

HAN Bing1, WEI Lun1, WANG Qiong-lin1, TANG Xiao-jun2, LIU Shao-wu1, LIU Jin-yu1, XIN Kai-di1

(1. Xi′an Modern Chemistry Research Institute,Xi′an 710065, China； 2. The 63863 Troop of PLA,Baicheng Jilin 137001, China)

Abstract:Aiming at the problem of serious muzzle smoke and flash for gun barrel weapon equipment, the particle size and visible light transmittance of muzzle smoke and flash were determined by 5.8mm ballistic gun as testing platform, the muzzle flash areas of different charge structures were determined by 30mm ballistic gun and big caliber gun as testing platform. The effects of gun charge structures, including particle size of flame inhibitor, location site of flame inhibitor, web size of gun propellant and length of combustible supporting piece, on the muzzle smoke and flash were investigated. The results show that reducing the particle size of flame inhibitor(K2SO4)from 160μm to 3μm helps to improve the suppression effect of flame but can cause the visible light transmittance of smoke down. When the same amount of flame inhibitor is used, the combination structure with top bag and bottom bag has the better effect on eliminating muzzle flame than the structure with only top bag. With increasing the web size of gun propellant from 1.8mm to 2.0mm, the area of muzzle flame increases. With increasing the length of the combustible supporting piece, the area of muzzle flame increases.

Keywords:gun propellant; charge structure; muzzle smoke and flash; flame inhibitor; web size of gun propellant; combustible supporting piece

中圖分類號：TJ55; TQ562

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-7812(2016)01-0095-04

作者簡介:韓冰(1982-)，男，工程師，從事發(fā)射藥裝藥技術(shù)研究。E-mail: 57821340@qq.com通訊作者:唐小軍(1976-)，男，高級工程師，從事武器裝備試驗(yàn)研究。E-mail: milanhua2008@163.com

收稿日期:2014-10-13；修回日期:2015-08-15

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.01.018