一种随行装药的燃烧性能

梁泰鑫，吕秉峰，马忠亮，肖忠良

（中北大学化工与环境学院，山西太原 030051）

一种随行装药的燃烧性能

梁泰鑫，吕秉峰，马忠亮，肖忠良

（中北大学化工与环境学院，山西太原 030051）

为解决随行装药的点火延迟控制及能量释放稳定性问题，提出了一种新的随行装药方案，采用密闭爆发器与30 mm火炮试验对其延时机构的有效性、能量释放的稳定性及燃速进行了研究。结果表明：依托随行装药高密实性，延时机构可对随行装药点火延迟时间进行有效控制；主装药量一定，延时机构厚度存在较佳值，以获得较优的随行装药效应；试验结果基本稳定，初步验证了随行装药结构可靠，燃烧性能基本稳定，有较好的能量释放规律；随行装药具有较高的燃速、燃气释放速率，多-125发射药含量95%时，其燃速最大值是6/7发射药的46倍，最大动态活度达7.4 MPa-1·s-1.改变随行装药中多-125发射药的含量，其燃速、燃气释放速率可调。

兵器科学与技术；随行装药；燃烧性能；点火延迟；内弹道性能；增加初速

0 引言

随行装药是一种能有效提高火炮初速的装药技术，在与常规装药相同的装药量与弹丸质量比的条件下，可大幅提高火炮弹道效率［1-3］。在火炮射击过程中实现随行装药原理，一直以来都是国内外学者长期追求的目标。

Tompkins等［4］将高燃速火药作随行装药进行了内弹道试验。结果表明，在随行装药点火延迟时间得以控制的情况下，该方案可大幅提高初速。Michel等［5］将稳态爆燃技术应用于随行装药中，初速提高40%～60%，但膛压也大幅增加。杨京广等［6-7］采用包容式随行技术，结合新研制的延时机构，对固体随行装药进行了内弹道试验，实现了随行装药原理。但延时机构重达22 g，增加了弹丸的消极质量，限制了随行装药效应的进一步提高。Liu等［8］将包覆阻燃发射药作随行装药进行了内弹道试验。结果表明，随行装药点火延迟时间可通过包覆层厚度来控制，压力在330 MPa、400 MPa条件下，其初速分别提高2.8%、4.2%.初速难以大幅提升，低压下能量释放稳定性差等问题是该方案的发展瓶颈。因此，研究一种新的随行装药方案，解决现有方案不足，进一步增强随行装药效应是当前迫切需要解决的课题。

本文首次将固结装药技术应用于随行装药技术，提出了一种新的随行装药方案。将固结装药直接成形于弹尾圆柱形腔体内，依托固结装药的高密实性［9-11］，在其端面安装延时机构，以期实现对随行装药点火延迟时间的控制。基于固结装药的高装填密度、燃烧性能稳定［12-14］，以期实现随行装药能量的稳定性释放，在提高随行装药量的同时进一步增强随行装药效应。改变随行装药中速燃药的含量，以期实现对其燃速的控制。通过密闭爆发器与30 mm火炮试验，对该随行装药方案的上述3个方面进行了研究，为进一步研究提供依据。

1 技术途径与试验

1.1 技术途径

以4/7发射药与速燃药多-125发射药为基体药，与5%的粘结剂（太根、双铅推进剂、2号硝化棉）进行预先混合，其中多-125发射药与4/7发射药的含量，可根据试验要求进行相应的调整；置于捏合机中捏合30 min，使粘结剂对基体药表面进行充分浸润、胶化；4 MPa压力下在弹尾圆柱形腔体内模压成型，压制密度为1.55 g/cm3.成型后基体药与粘结剂均匀分布，装药与腔体紧密结合、无缝隙；最后在装药端面安装延时机构，完成随行装药试样的制备，其整体结构见图1所示。

图1 随行装药结构Fig.1 The structure of traveling charge

延时机构实质是一种缓燃材料，在0.5 MPa压力下压制成层。缓燃材料主要成分为燃速较低的火药与一定比例的乙基纤维素。为防止高压气体对延时机构的冲击而造成其结构的变形、失效，在弹尾加盖0.2 mm硝化纤维塑料片。

为实现随行装药在密闭爆发器中试验，模拟弹尾结构特制了钢体，随行装药以相同的工艺在钢体中成型后与图1虚线左侧部分所示完全相同，其虚线只作标示作用。

1.2 密闭爆发器试验

为研究随行装药在静态燃烧条件下的燃烧情况，将6/7发射药与随行装药试样采用混装的方式进行200 cm3密闭爆发器试验。试验条件:装填密度0.2 g/cm3，点火药2号硝化棉，点火压力10 MPa，压力传感器精度0.005 MPa，采样时间间隔0.05 ms.

为研究随行装药的燃速，进行了100 cm3密闭爆发器试验。试验条件:装填密度0.2 g/cm3，点火药为2号硝化棉，点火压力10 MPa，压力传感器精度0.005 MPa，采样时间间隔0.02 ms.

1.3 弹道试验

弹道试验采用30 mm火炮，药室容积0.14 dm3，弹丸行程长1.634 m，弹丸质量389 g，点火药为2号小粒黑，铜柱法测试膛底最大压力。在随行装药内弹道重复试验时，采用压电法测试膛底最大压力。

2 结果与分析

2.1 密闭爆发器试验结果

图2为随行装药密闭爆发器压力-时间曲线，其中曲线1为37.4 g的6/7发射药密闭爆发器试验曲线，曲线2为34 g的6/7发射药与随行装药试样混装后密闭爆发器试验曲线，曲线2、3、4的装药条件相同。随行装药质量12.75 g，多-125发射药含量20%，延时机构厚0.4 mm.

由图2可知，从开始燃烧到53.8 ms左右，4条曲线基本重合，随后曲线2、3、4高于曲线1，压力快速上升直至达到最大值。说明采用混装方式进行密闭爆发器试验，存在两个燃烧阶段:第一阶段为6/7发射药与延时机构共同燃烧阶段；第二阶段为6/7发射药与随行装药共同燃烧阶段。对应曲线2，从开始燃烧到53.8 ms左右为第一阶段的燃烧，该阶段的压力增长由6/7发射药燃烧决定。在53.8 ms处延时机构燃完，进入第二阶段的燃烧，即6/7发射药同随行装药共同燃烧阶段，两种发射药的燃烧共同决定该阶段压力的增长。之所以存在两个燃烧阶段，是由于延时机构的缓燃作用。可见在一定时间段内，延时机构可将随行装药与高温火焰隔离。在静态燃烧条件下，依托随行装药的高密实性，延时机构可实现对随行装药点火延迟时间的有效控制。

图3给出了相应的动态活性-相对压力（L-B）曲线，从中可以看出，曲线2、3、4始终具有较好的重合度。相对压力区间［0，0.38］，为6/7发射药与延时机构共同燃烧阶段，该阶段3条曲线基本重合，说明在相同装药条件下，延时机构对随行装药点火延迟时间的控制重复性好；相对压力区间［0.38，1］，为6/7发射药与随行装药共同燃烧阶段，该阶段3条曲线基本重合，说明在相同装药条件下，随行装药燃烧性能基本稳定，重复一致性好。因此，在静态燃烧条件下，该随行装药整体燃烧性能基本稳定、有较好的重复一致性。同时曲线2、3、4均光滑，动态活性未出现震荡现象，说明该随行装药具有较好的能量释放规律。

图2 随行装药密闭爆发器压力-时间曲线Fig.2 p-t curves of closed bomb tests of traveling charge

图3 随行装药密闭爆发器L-B曲线Fig.3 L-B curves of closed bomb tests of traveling charge

2.2 随行装药的燃速

本文为研究随行装药的燃速，压制了多-125发射药不同含量，直径20 mm、高20.5 mm，压制密度1.55 g/cm3，质量为10 g的随行装药药柱。在无钢体及延时机构的情况下，进行了100 cm3密闭爆发器试验，试验时随行装药的装药量20 g，结果见表1和图4.

表1 随行装药的燃速测试Tab.1 The burning rate tests of traveling charge

图4 随行装药u-p曲线Fig.4 u-p curves of traveling charge

由表1可知，多-125发射药含量20%时，随行装药燃速最大值是6/7发射药的28倍，最大动态活性相差0.8；含量40%时，燃速最大值是6/7发射药的30倍，最大动态活性相差1.5；含量60%时，燃速最大值是6/7发射药的33倍，最大动态活性相差2.3；含量95%时，燃速最大值是6/7发射药的46倍，最大动态活性相差4.4.说明随行装药具有较高的燃速、燃气释放速率。改变多-125发射药的含量，随行装药的燃速、燃气释放速率可调。

图4给出了表1中各装药试样相应的燃速（up）曲线。

2.3 内弹道试验结果

为说明随行装药在动态燃烧条件下，可取得与静态燃烧条件下相同的试验结果，压制了质量10.2 g，多-125发射药含量20%，延时机构厚度不同，总弹质量为399.3 g的随行装药试样。主装药为6/7发射药，在不同的装药量条件下，进行了30 mm火炮试验，结果见表2.

表2 30 mm火炮内弹道试验Tab.2 The interior ballistic experiments of 30 mm gun

针对30 mm火炮，根据经验公式［15］估算，弹丸质量增加10 g，主装药量为104.0 g、117.5 g时，最大膛压分别提高约5.2 MPa、6.9 MPa.结合计算结果，将表2中方案1～3同相应主装药量下标准弹丸试验结果对比可知:方案1、2最大膛压的增加基本为弹丸质量增加所引起，初速相应降低。说明主装药量117.5 g、延时机构厚≥0.8 mm时，随行装药在膛内未被点燃；在相同主装药量下，当延时机构厚度减至0.6 mm时，最大膛压及初速变化明显，说明方案3的随行装药在膛内点火燃烧。可见在动态燃烧条件下，依托随行装药的高密实性，延时机构可实现对随行装药点火延迟时间的有效控制，且在主装药量一定的情况下，通过调整延时机构厚度，可将随行装药点火延迟时间延至最大膛压以后，实现较佳的点火延迟时间。主装药量117.5 g、延时机构厚0.6 mm时，最大膛压提高约6%、初速增加约5.9%，若实现随行装药较佳的点火延迟时间，其最大膛压应相应降低，初速则相应增加。由方案2、3可知，主装药量117.5 g时，实现随行装药较佳的点火延迟时间，延时机构厚度应在0.6～0.8 mm之间，需作进一步的探索。

将表2中方案4～6同相应主装药量下标准弹丸试验结果对比可知:方案5、6最大膛压过高，说明延时机构厚0.4 mm、主装药量≥108.5 g时，随行装药在最大膛压前已开始燃烧；延时机构厚度不变、主装药量降为104 g时，最大膛压增幅基本合理，在提高6.4 MPa的情况下，初速提高56.9 m/s，增幅约7.1%.说明方案4的随行装药是在较佳的点火延迟时间点火燃烧，故有较优的随行装药效应。综合分析方案4、5、6可知，延时机构厚度不变，主装药量的不同，即膛压的不同对点火延迟时间具有一定的影响，在保证点火延迟有效的情况下，随膛压的增加，延时机构厚度需相应的增加。

为进一步研究随行装药在弹道试验中的稳定性，对表2中方案4进行重复试验，结果见表3.表3中各方案的最大膛压值均为电测结果，并通过压电法测试了方案4及相同主装药量下标准弹丸的内弹道p-t曲线，见图5.由表3可知，4次随行装药内弹道试验的最大膛压基本稳定，初速跳差小，且达到最大膛压的时间均在2 ms左右。说明随行装药在动态燃烧条件下，燃烧性能基本稳定、有较好的重复一致性。同时在试验中，通过高速摄影仪对弹丸出炮口后的情况进行了观察，4次试验均无弹尾光，说明随行装药在膛内均已燃烧完全。

表3 内弹道重复试验Tab.3 Repeated experiments of interior ballistic

3 结论

1）在静态与动态燃烧条件下，试验结果均表明:依托随行装药的高密实性，延时机构可对随行装药的点火延迟时间进行有效控制；试验结果基本稳定，初步验证了随行装药结构可靠，燃烧性能基本稳定，有较好的能量释放规律。

图5 随行装药内弹道p-t曲线Fig.5 p-t curves of interior ballistic experiments of traveling charge

2）主装药量一定，延时机构厚度存在较佳值，以实现随行装药较佳的点火延迟时间，从而获得较优的随行装药效应。

3）该随行装药具有较高的燃速、燃气释放速率，且改变多-125发射药的含量，其燃速、燃气释放速率可调。多-125发射药含量95%时，随行装药燃速最大值是6/7发射药的46倍，最大动态活性达7.4 MPa-1·s-1.

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［1］ 肖忠良.提高火炮初速（动能）技术途径与潜力分析［J］.华北工学院学报，2001，22（4）:277-280. XIAO Zhong-liang.The analysis of the technical way and potentiality on improving initial velocity of gun［J］.Journal of North China Institute of Technology，2001，22（4）:277-280.（in Chinese）

［2］ 王泽山，何卫东，徐复铭.火药装药设计原理与技术［M］.北京:北京理工大学出版社，2006:249-258. WANG Ze-shan，HE Wei-dong，XU Fu-ming.Propellant charge design principle and technology［M］.Beijing:Beijing Institute of Technology Press，2006:249-258.（in Chinese）

［3］ 王琼林，刘少武，张远波，等.程序控制燃烧发射药的概念和原理［J］.火炸药学报，2009，32（5）:71-74. WANG Qiong-lin，LIU Shao-wu，ZHANG Yuan-bo，et al.Conception and principle of controlled burning gun propellant［J］. Chinese Journal of Explosives and Propellants，2009，32（5）: 71-74.（in Chinese）

［4］ Tompkins R E，White K J，Oberle W F，et al.Traveling charge gun firings using very high burning rate propellants，BRL-TR-2970［R］.Aberdeen:BRL，1989.

［5］ Michel S，Dieter H.Application of stationary deflagration to traveling charge［C］//14th International Symposium on Ballistics. Quebec，Canada:ADPA，1993:429-438.

［6］ 杨京广，余永刚.随行装药方案提高大口径火炮初速的数值预测［J］.爆炸与冲击，2008，28（2）:161-165. YANG Jing-guang，YU Yong-gang.Velocity prediction of big caliber gun based on traveling charge scheme［J］.Explosion and Shock Wares，2008，28（2）:161-165.（in Chinese）

［7］ 杨京广，余永刚.固体随行装药内弹道模型及数值模拟［J］.火炮发射与控制学报，2006，27（2）:1-5. YANG Jing-guang，YU Yong-gang.Interior ballistic model and numerical simulation of solid traveling charge［J］.Journal of Gun Launch and Control，2006，27（2）:1-5.（in Chinese）

［8］ Liu D Y，Zhao Z Y，Yu Y G，et al.Experiments on the combustion characteristics of deterrent-coated propellants and their applicationin traveling charge propulsion［J］.Combust Science and Technology，2012，184（2）:178-185.

［9］ 黄振亚，何卫东，肖忠良，等.发射药及其装药技术［M］.北京:中国科学技术出版社，2014:53-75. HUANG Zhen-ya，HE Wei-dong，XIAO Zhong-liang，et al.Report on the science and technology advancement of gun propellants［M］.Beijing:China Science and Technology Press，2014:53-75.（in Chinese）

［10］ 姚月娟，刘少武，张琼林，等.颗粒模压发射药的燃烧性能［J］.含能材料，2012，20（1）:76-79. YAO Yue-juan，LIU Shao-wu，WANG Qiong-lin，et al.Burning performance of grain-molded propellant［J］.Chinese Journal of Energetic Materials，2012，20（1）:76-79.（in Chinese）

［11］ 梁勇，姚月娟，杨建，等.颗粒密实模块药的弹道性能［J］.火炸药学报，2010，33（3）:51-54. LIANG Yong，YAO Yue-juan，YANG Jian，et al.Ballistic performance of gun propellant grain compressed modular［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，2010，33（3）:51-54.（in Chinese）

［12］ 马忠亮，夏萍，贺增弟，等.胶黏固结发射药的燃烧性能［J］.火炸药学报，2006，29（5）:60-62. MA Zhong-liang，XIA Ping，HE Zeng-di，et al.Combustion properties of a glued consolidation gun propellant［J］.Chinese Journal of Explosives and Propellants，2006，29（5）:60-62.（in Chinese）

［13］ 肖正刚，应三九，徐复铭.粘结压实药柱解体及渐增性燃烧性能的中止实验研究［J］.弹道学报，2013，25（3）:70-74. XIAO Zheng-gang，YING San-jiu，XU Fu-ming.Experimental studies of interrupted burning characteristics and deconsolidation performance of consolidated propellant charge［J］.Journal of Ballistics，2013，25（3）:70-74.（in Chinese）

［14］ 肖正刚，应三九，徐复铭.粘结压实药柱变容燃烧中止实验研究［J］.弹道学报，2014，26（1）:1-5. XIAO Zheng-gang，YING San-jiu，XU Fu-ming.Experimental studies on interrupted burning of consolidated propellant charges in semi-closed chamber with variable volume［J］.Journal of Ballistics，2014，26（1）:1-5.（in Chinese）

［15］ 金志明.枪炮内弹道学［M］.北京:北京理工大学出版社，2004:130-134. JIN Zhi-ming.Gun interior ballistics［M］.Beijing:Beijing Institute of Technology Press，2004:130-134.（in Chinese）

Combustion Performance of a Traveling Charge

LIANG Tai-xin，LYU Bing-feng，MA Zhong-liang，XIAO Zhong-liang
（School of Chemical Engineering and Environment，North University of China，Taiyuan 030051，Shanxi，China）

In order to solve the problems of the ignition delay control and the energy release stability of traveling charge，a new traveling charge scheme is presented.The validity of time delay unit，stability of energy release and burning rate of traveling charge are studied by the closed bomb and 30 mm gun test. The results show that the ignition delay time of traveling charge can be controlled by the time delay unit based on its high density.There is an appropriate thickness of time delay unit，which can obtain an optimum effect of traveling charge，when the main charge remains constant.The experimental results are basically stable，which preliminarily verified the structural reliability of traveling charge，basic stable combustion performance and favorable energy release rule.The traveling charge has higher burning rate and gas release rate.When the content of porous propellant 125 charge is 95%，the maximum burning rate of traveling charge is 46 times as fast as 6/7 propellant，and the maximum dynamic vivacity reaches 7.4 MPa-1·s-1.The burning rate and gas release rate of traveling charge can be adjusted by changing the content of porous propellant 125 charge.

ordnance science and technology；traveling charge；combustion performance；ignition delay；internal ballistic performance；muzzle velocity increment

TJ55；TQ562

A

1000-1093（2015）09-1660-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.09.009

2015-01-16

国家部委预先研究项目（404060401）

梁泰鑫（1988—），男，博士研究生。E-mail:liangtx2006@126.com；马忠亮（1967—），男，教授，博士生导师。E-mail:ma19960512@sohu.com