新型高能叠氮硝胺发射药高压燃烧稳定性研究

石先锐，闫光虎，王 勇，胡 睿，贾永杰，王宏战，张玉成

(1.西南科技大学 环境友好能源材料国家重点实验室，四川 绵阳 621010；2.西安近代化学研究所，陕西 西安 710065; 3.辽宁庆阳特种化工有限公司，辽宁 辽阳 111002)

引 言

随着高膛压身管武器系统的发展，高能发射药膛内燃烧稳定性的问题越来越受到重视。严重的膛内燃烧稳定性问题不仅制约了高性能高膛压身管武器性能的发挥，甚至会造成膛涨、炸膛等发射安全性问题，严重影响了操作人员的生命安全[1-4]。

为了研究高能发射药膛内燃烧规律，促进高能发射药的设计和应用，西安近代化学研究所自主设计建立了高压30mm模拟试验装置，研究和考核了多种高能发射药高压环境下燃烧稳定性和内弹道性能稳定性。黄振亚等[5]以单基药为参照样品，研究了RGD7发射药的膛内压力波特征和低温动态燃烧活性，表明RGD7发射药具备良好使用安全性。杨丽侠等[6]结合点火模拟装置试验，研究了钝感和包覆的叠氮硝胺发射药膛内起始燃烧性能，并分别提出了钝感和包覆方法改善压力波强度的机理。杨建兴等[7]结合密闭爆发器静态试验，以制式单基药为对比，研究了DAGRl25发射药的静态和动态燃烧特性，并讨论了DAGR125发射药内弹道稳定性的机制。

1,5二叠氮基-3-硝基氮杂戊烷(DIANP)与NC相容性良好，不仅对NC具有优异的增塑性能，且具有低燃温、低燃气相对分子质量、高产气量等特点[8-10]。我国研究人员将DIANP引入到发射药体系，分别研制出了高能低烧蚀叠氮硝胺发射药[11]和高能高强度叠氮硝胺发射药[7]，较好地解决了提高能量和降低烧蚀、提高强度之间的矛盾，在高性能身管武器系统中具有良好的应用前景。

本研究以NC、NG、DIANP、RDX等为基本组成，设计制备了一种火药力高达1240J/g的新型高能叠氮硝胺发射药(ADR)。采用高压密闭爆发器研究了ADR发射药不同温度条件下的定容燃烧稳定性。以30mm高压模拟试验装置为试验平台，在相同的点传火结构和装药结构条件下，对比了ADR发射药和RGD7发射药的膛内高压燃烧特征，并研究了装填密度、温度、石墨光泽等因素对ADR发射药高压燃烧稳定性的影响，分析了高压燃烧稳定性的影响机理，以期为新型高能叠氮硝胺发射药在高膛压环境中的应用提供技术支撑。

1 实 验

1.1 材料与仪器

试验所采用的发射药样品如表1所示，均为七孔粒状药。ADR发射药火药力、低温力学性能均优于RGD7发射药，爆温低于RGD7发射药。空白ADR发射药经1.5‰石墨光泽处理，得到石墨光泽ADR发射药。

表1 试验用发射药样品

高压密闭爆发器：西安近代化学研究所自主设计，试验压力上限700MPa，容积100mL；30mm高压模拟试验装置：药室容积 0.315dm3，身管内膛直径0.30dm，弹丸行程16.6dm，弹质量(200±0.2)g，可同步测试膛底、药室坡膛位置的p—t曲线，该试验系统可用来研究发射药在不同装药条件下的膛内动态燃烧过程。

1.2 试验方法及条件

定容燃烧试验：按照GJB770B方法703.1 密闭爆发器试验微分压力法，获得发射药燃气压力变化率(dp/dt)-时间(t)曲线，并通过计算获得压力(p)-时间曲线(t)和动态燃烧活度(L)变化曲线。

动态燃烧试验：参考GJB2973A-2008火炮内弹道试验方法和GJB2179-94炮用发射药与装药内弹道试验方法，采用30mm高压模拟试验装置，在相同装药及点传火结构条件下，获得膛底压力、坡膛压力随时间的变化曲线。参考文献[4]计算膛内压力波曲线特征参数平均值，对比研究不同条件对ADR发射药的膛内燃烧规律的影响。

定容燃烧试验：装填密度0.30g/cm3，点火药为1.1g硝化棉，点火压力10MPa，高低常温试验样品各3发，保温时间均大于4h。

动态燃烧试验：试验采用自主设计的30mm高压模拟试验装置，装药结构为自主设计的全可燃药筒结构，点传火方式采用中心传火管方式，装药结构如图1所示。点火药为小粒黑火药，药量为装药质量的1%。高低常温试验样品各5发，保温时间均大于4h。

图1 装药结构示意图Fig.1 Diagram of charge structure for different gun propellants

2 结果与讨论

2.1 ADR发射药定容高压燃烧性能

采用高压密闭爆发器研究了ADR发射药高膛压下的定容燃烧性能。图2为不同温度下ADR发射药高压燃烧p—t曲线、dp/dt—t曲线和L—B曲线。

图2 ADR发射药典型高压燃烧p—t曲线、dp/dt—t曲线和L—B曲线Fig.2 The representative p—t, dp/dt—t and L—B curves of the static combustion of ADR gun propellants

由图2可知，不同温度下，发射药样品p—t曲线光滑无转折；随着温度的增加，最大膛压从515MPa分别上升4MPa和7MPa，略有增加，燃烧时间从3.48ms逐渐减小3.32ms和3.26ms；另外，不同压力阶段，试验温度越高，样品膛内压力上升速率dp/dt越大。由L—B曲线可见，起始阶段，由于点火过程的影响，发射药燃烧活度出现一定波动；随着试验温度的增加，发射药燃烧活度变大。不同试验温度下，B大于0.2时，发射药燃烧活度均平稳增加，且均在B=0.72时达到燃烧分裂点，燃烧活度逐渐减小，可见发射药在不同温度条件下燃烧一致性较好。因此，最大压力大于500MPa，定容条件下，ADR发射药不同温度的静态燃烧性能稳定性良好，燃烧过程未见异常。

2.2 装填密度对ADR发射药膛内燃烧规律的影响

图3为RGD7发射药和不同装填密度ADR发射药典型膛内膛底压力(pt)、坡膛压力(pd)、压差(Δp=pd-pt)随时间(t)的变化曲线。

图3 RGD7发射药和不同药量ADR发射药典型膛内燃烧压力变化曲线Fig.3 The representative pt—t, pd—t and Δp—t curves of RGD7 and ADR gun propellants with different charges

由图3可见，不同装填密度条件下，ADR发射药膛内燃烧压力均出现不同程度的波动，而膛底压力曲线较为光滑，各曲线中膛底压力(pt)最大值均大于坡膛压力(pd)最大值，说明ADR发射药在试验装药条件下，膛内燃烧稳定性较好。试验中采用了内置传火药条的中心传火管，该传火管为可燃材质，顶端密封，管壁不含传火孔。传火药条被点燃后，会迅速在传火管内由底部向顶部传播。由于黑火药燃速明显高于传火管的燃速[12]，在黑火药点燃瞬间，传火管并未破裂，因此会在传火管内建立一定的燃气压力。在燃气压力以及燃烧的作用下，传火管最终破裂，并完成装药的点火。另外，传火管长度与装填密度进行了匹配性设计。因此，该点传火方式对设计的装填密度装药均具有良好的点火均一性[13-14]。

表2列出了RGD7发射药和ADR发射药膛内燃烧特征值。

表2 RGD7发射药和不同药量ADR发射药膛内燃烧特征值

由表2可见，随着装填密度的增加，ADR发射药+DPi、-DPi、+DPmax、FDP及QDP均明显增大。这是由于随着装填密度的增加，发射装药药床内燃气流动变差，点火燃烧均一性降低，导致压力波强度变大，压力波衰减速度变慢，装药膛内受到的冲击和挤压变强。另外，随着装填密度的增加，装药的起始燃面增大，燃气生成速率增加，膛内压力上升变快，也会加剧膛内压力波动。然而，装填密度从0.48g/cm3增至0.57g/cm3，增加了18.75%，起始负压差增加了208%，而装填密度从0.57g/cm3增至0.64g/cm3，增加了12.28%，起始负压差仅增加了6.9%。可见，在膛压300～580MPa范围内，随着装填密度的增加，ADR发射药膛内燃烧压力波强度增幅明显减小。对比RGD7发射药，在相同装填密度时，ADR发射药膛内压力波强度和压力波衰减速度稍小于RGD7发射药，但药床冲击和挤压作用稍大于RGD7发射药。因此，两种发射药膛内高压燃烧稳定性基本相当。

2.3 药粒温度对ADR发射药膛内燃烧规律的影响

图4为不同温度条件下ADR发射药(190g)典型膛内燃烧压力变化曲线。由图4可见，不同温度下，ADR发射药膛内燃烧压力均出现了不同程度的波动，而膛底压力曲线光滑；随着温度的增加，膛内最大压力逐渐增加，且每一发试验膛底压力、坡膛压力无异常。因此，ADR发射药高、低、常温膛内高压燃烧稳定性较好。

图4 不同温度条件下ADR发射药典型膛内燃烧压力变化曲线Fig. 4 The representative pt—t, pd—t and Δp—t curves of interiorburning process of ADR gun propellants at different temperatures

表3为不同试验温度ADR发射药膛内燃烧特征值。

表3 不同试验温度ADR发射药膛内燃烧特征值

由表3可见，随着温度的增加，+DPi和-DPi逐渐减小，压力波衰减速度呈减小趋势，QDP则与温度无明显关系。在药床未发生明显冲击挤压破碎的前提下，膛内压力波强度与药床起始燃烧一致性有关，药床起始燃烧一致性较好，压力波强度越小。发射药温度越高，药床点火性能越好，在相同的中心传火管点传火的条件下，药床点火均一性越好[15]。因此，ADR发射药不仅低温下高压动态燃烧无异常，在高温条件下，膛内燃烧稳定性更佳。

2.4 石墨光泽对ADR发射药膛内燃烧规律的影响

图5为石墨光泽ADR发射药典型膛内燃烧压力变化曲线。由图5可见，不同温度下，石墨光泽ADR发射药膛内高压燃烧正常。与未光泽发射药相比，石墨光泽ADR发射药膛压曲线较为光滑，膛内压力波动也较小。

图5 石墨光泽ADR发射药典型膛内燃烧压力变化曲线Fig.5 The representative pt—t, pd—t and Δp—t curves of interior burning process of graphite coated ADR gun propellants

表4列出了石墨光泽ADR发射药的膛内高压燃烧特征值。

表4 石墨光泽ADR发射药膛内高压燃烧特征值

由表4可见，与未光泽ADR发射药相比，石墨光泽ADR发射药膛内燃烧随温度的变化规律基本相同。然而，在装填密度增加12.3%的情况下，石墨光泽ADR发射药-DPi明显减小，-40、20和50 ℃条件下，-DPi分别降低了40%、36%和44%，QDP分别降低了21%、25%和10%。因此，石墨光泽后，在本试验的点传火结构下，ADR发射药的膛内高压燃烧稳定性明显增加。

表5列出了ADR发射药光泽前后起始阶段燃烧平均压力陡度，反应了装药起始阶段燃气生成猛度的变化。

表5 石墨光泽前后ADR发射药起始燃烧平均压力陡度

由表5可见，光泽后，-40、20和50℃条件下，ADR发射药在10～30MPa时Q1分别降低了27%、11%和54%，Q2则未见明显变化。因此，石墨光泽处理，可降低ADR发射药10～30MPa范围内的燃气生成猛度，但对30MPa以上的燃气生成猛度则无明显影响。研究表明，表面包覆处理可在发射药表面/表层建立缓燃层，可降低发射药起始燃速和燃气生成猛度，从而减小膛内压力波[6, 16-17]。发射药药粒经石墨光泽后，片层石墨紧密附着在发射药表面，在发射药表面形成厚度为微米级的石墨层。由于石墨具有良好的气体阻隔特性[18]，在燃烧起始阶段，可有效延缓燃气对发射药表层的侵蚀，阻碍了表层发射药的快速燃烧，从而降低了局部压力上升速率；随着膛内压力和温度的上升，石墨阻隔层的缓燃效果逐渐减小，发射药燃烧恢复正常。由于ADR发射药配方中含有高比例的RDX，使得ADR发射药的起始缓燃特性与DAGR125发射药相当[6]，石墨光泽更进一步增加了ADR发射药起始缓燃效果，因此，ADR发射药具有较好的膛内高压燃烧稳定性。

3 结 论

(1)不同温度条件下，最大膛压高于500MPa时，ADR发射药定容燃烧过程未见异常，发射药静态高压燃烧性能稳定性良好。

(2)装药中心传火管点火一致性较好，装填密度0.48～0.64g/cm3范围内，随着装填密度的增加，ADR发射药膛内压力波增加幅度逐渐减小；药体温度的增加，提高了ADR发射药的点火性能和装药的点火一致性，增加了ADR发射药膛内燃烧稳定性；ADR发射药起始缓燃，石墨光泽处理在发射药表面形成阻隔层，进一步增加了ADR发射药的起始缓燃效果，使其膛内压力波强度明显降低。

(3)与RGD7发射药相比，ADR发射药在火药力、低温力学性能、爆温等方面具有优势，而膛内高压燃烧稳定性相当，该发射药在高膛压环境中应用前景较好。