随着武器对内弹道性能要求的提高, 越来越多的武器发射装药采用了钝感包覆发射装药技术^[1]。这种钝感包覆发射装药在提高武器内弹道性能的同时暴露出一些新的问题, 如：夜晚枪口火焰大容易暴露目标, 从而影响安全。因此, 在战场上不容易暴露目标的新型低枪口火焰发射装药技术将成为武器发射装药发展的一大趋势^[2-5]。众所周知, 目前降低装药枪口火焰主要方法是向发射药中加入碱金属化合物如冰晶石、硫酸钾、硝酸钾等消焰剂, 或者是将硝酸钾、硫酸钾等钾盐消焰剂作为装药组件之一装入药筒消焰^[6-7]。但是这些消焰剂吸湿性很大, 在装药过程中容易吸收空气中的水分而结块, 影响消焰效果^[8-11]。关于消焰剂在发射药中的应用以及消焰剂的吸湿性问题, 最近几年研究的不是很多。因此, 开展不吸湿的新型高效消焰剂及其相应添加工艺有着十分重要的意义。

本研究将自行合成的两种新型含能的有机钾盐AK和BK以及传统的硝酸钾、硫酸钾应用于发射药装药中进行了对比, 结果表明所采用的新型钾盐AK、BK常温不吸湿, 具有较好的消焰性能。

自行合成的两种新型有机含能钾盐AK和BK及传统硝酸钾、硫酸钾的主要性能见表 1, 其中溶解性能按照GB/T21845-2008进行, 吸湿性能按照GJB770B-2005火药试验方法404.1吸湿性干燥器平衡法进行。

表 1(Tab. 1)

表 1 钾盐性能 Tab. 1 The properties of potassium salts flame inhibitor potassium content/% solubility at R.T. moisture absorption at R.T. K2SO4 44.0 large large KNO3 38.6 large large AK 25.9 small small BK 20.7 small small

表 1 钾盐性能 Tab.1 The properties of potassium salts

首先将钾盐AK、BK、K₂SO₄、KNO₃研磨并过150目标准筛备用, 然后将双基吸收药(NC：85.0%, NG：13.0%, C₂：2.0%)经成球、烘药、筛分、钝感、烘药等工序制备出钝感发射药, 接着通过包覆工艺制备成适用于5.8 mm通用普通弹发射药装药样品。在这里, 钾盐AK、BK、K₂SO₄、KNO₃有两种加入方式, 一种是在钝感时加入, 称之为添加工艺A；另一种是在包覆时加入, 称之为添加工艺B。

(1) 采用符合WJ2127-93方法102规定的5.8 mm通用普通测速弹道枪及弹部件。

(2) 高速彩色电荷耦合器件(CCD)：感光尺寸1280×1024点, 感光器类型为互补金属氧化物半导体(CMOS), 感光点尺寸为12 μm×12 μm。

(3) DVR Express cl160采集卡, 全分辨率格式下速度为500 f/s, 最快速度为5000幅/s, 图象输出格式为8bit彩色或灰度。

采用B门照相法进行枪口火焰性能评价。试验温度(20±2) ℃, 相对湿度(60±15)%。采集速度4000 f/s, 曝光速度200 μs, 光圈2.8, 增益为98, 增益表示火焰面积的放大倍数。由专业图像软件测出长、宽并计算出火焰面积。火焰辐射温度由专业图像软件并通过一定的计算公式计算得出。

消焰剂含量为0.8%时, 不同添加方式对枪口火焰性能的测试结果见表 2。

表 2(Tab. 2)

表 2 消焰剂添加方式对枪口火焰的影响 Tab. 2 Effect of adding pattern of flame inhibitors on the muzzle flame flame inhibitor adding pattern flame temperature/K flame area/mm2 K2SO4 A 2599 3963 B 2632 4037 KNO3 A 2631 4081 B 2675 4100 AK A 2507 3903 B 2577 3945 BK A 2482 3895 B 2519 3965

表 2 消焰剂添加方式对枪口火焰的影响 Tab.2 Effect of adding pattern of flame inhibitors on the muzzle flame

从表 2可以看出, 采用同种消焰剂相同含量时, 添加工艺B中消焰剂对枪口火焰同样具有抑制作用, 但较添加工艺A的效果略差一些。这主要是由于在包覆工艺过程中消焰剂的量有一定的损失, 相当于降低了消焰剂的含量, 因此消焰效果差一些；其次由于该工艺添加的钾盐在发射药的最外层, 延迟了钾盐的分解, 可能也是其消焰效果差的另一个原因。因此本文采用添加工艺A, 即在钝感时加入消焰剂。

在消焰剂含量0.8%, 添加方式为工艺A下, 不同种类的消焰剂对枪口火焰的影响结果见表 3。

表 3(Tab. 3)

表 3 消焰剂种类对枪口火焰的影响 Tab. 3 Effect of the type of flame inhibitors on the muzzle flame flame inhibitor flame temperature/K flame area/mm2 absorption/% / 3059 8068 / K2SO4 2599 3963 1.78 KNO3 2631 4081 1.25 AK 2507 3903 0.43 BK 2482 3895 0.35

表 3 消焰剂种类对枪口火焰的影响 Tab.3 Effect of the type of flame inhibitors on the muzzle flame

从表 3可以看出, 对比未加消焰剂, 添加钾盐消焰剂可以使枪口火焰面积以及火焰温度有较大幅度的降低。消焰剂在发射时与火药燃气一同逸出枪口, 由于存在钾离子, 提高了H₂、CO的发火点, 促使了气相链锁反应的断裂, 阻止了H₂、CO与氧气的化学作用, 起到消焰的作用, 在这种环境下钾盐是一种负催化剂。

较常用的钾盐K₂SO₄、KNO₃, 新型含能钾盐AK、BK的枪口火焰面积小100 mm²左右, 而且火焰温度也低大约100 K, 在消焰效果上具有一定的优势。这主要是因为采用的AK、BK消焰剂对产生枪口火焰的链式反应具有更强的负催化作用。其次, 尽管新型含能钾盐AK、BK中钾含量低(表 1), 但它们常温下不溶于水, 具有较低的吸湿性能, 使得含新型含能钾盐AK、BK的发射药中实际钾含量高于含K₂SO₄、KNO₃的发射药中的钾含量。

采用添加工艺A, 不同含量新型钾盐AK和BK消焰剂的枪口火焰性能测试结果见表 4。

表 4(Tab. 4)

表 4 消焰剂含量对枪口火焰的影响 Tab. 4 Effect of content of flame inhibitors in DB propellant on the muzzle flame flame inhibitor content of flame reducer/% flame temperature/K flame area /mm2 0.6 2614 4065 AK 0.8 2507 3903 1.0 2320 3777 0.6 2556 3994 BK 0.8 2482 3895 1.0 2201 3724

表 4 消焰剂含量对枪口火焰的影响 Tab.4 Effect of content of flame inhibitors in DB propellant on the muzzle flame

从表 4可以看出, 对于同一种消焰剂, 随消焰剂含量的增加, 枪口火焰温度降低, 火焰面积减小, 主要是因为消焰剂中起消焰作用的有效成份是钾离子, 其含量对其消焰作用起决定性的作用。随着消焰剂含量的增加, 作为负催化作用的钾离子对阻止可燃气体与氧气发生化学反应的作用更强, 从而消焰效果更明显。

(1) 同种消焰剂相同含量时, 采用钝感时添加比在包覆时添加的消焰效果要好一些。

(2) 与常用消焰剂硫酸钾、硝酸钾相比较, 新型钾盐AK和BK吸湿性小, 常温不溶于水, 在相同含量相同添加方式下消焰效果好, 对降低火焰亮度的作用更强, 降低火焰面积效果更明显。

(3) 对新型钾盐AK和BK而言, 钾离子含量越高, 其消焰效果越好。