三基发射药具有能量高、烧蚀低等优良性能, 在火炮装药中应用广泛。但是三基发射药点火压力高, 发射装药不易点燃, 影响了发射药在火炮膛内的燃烧性能及弹道性能。对此, 可通过改变发射药燃气释放规律、采用混合装药技术等, 使发射药装药在膛内按照一定的方式释放燃气, 以最大程度释放发射药的潜能。目前, 改变发射药燃气生成规律的常用方法有包覆技术、变燃速技术等。发射药的包覆技术, 一种是通过不含能的高分子(樟脑、邻苯二甲酸二丁酯、石蜡、聚酯等)对发射药进行钝感包覆处理^[1-3]; 另一种是加入感度较低的含能组分, 在保证发射药能量基本不变的条件下, 将TATB炸药等加入包覆剂, 对发射药进行表面处理, 达到调节发射药燃气释放规律的目的^[4-5]。变燃速技术采用两层及两层以上燃速不同的发射药, 一般内层为高燃速发射药, 外层为低燃速发射药, 通过调整发射药的药型尺寸、内外层比例和燃速系数比, 控制分层结构发射药在不同时期的气体生成速率, 达到调节发射药的燃气释放规律的目的^[6-9]。包覆技术、变燃速技术改变了发射的燃气生成规律。包覆剂、炸药等非发射药组分外加剂的引入, 改变了发射药的组成。外加剂在不同燃速发射药层间产生浓度含量梯度, 在发射药内发生迁移, 影响发射药组分之间的相容性和储存期内的各项性能。而通过物理方法, 溶解发射药表面层中分散的发射药组分, 保持发射药的整体结构不变, 不引入发射药组分以外的物质, 使表面层形成海绵状微孔结构, 改变发射药的燃气生成规律, 且增加发射药的初始燃烧速度, 发射装药在点火燃烧后形成初始压力场, 使发射装药快速点燃的研究尚未见相关文献报道。

为此, 本研究通过物理方法, 采用蒸馏水在一定的温度下浸泡处理三基发射药, 使其表面层一定深度内的硝基胍溶解。用扫描电镜观测了浸泡后发射药表面层的形貌特征, 并利用密闭爆发器实验测得的压力-时间(p-t)曲线分析表面微孔结构对发射药燃烧性能的影响, 测量了表面微孔结构对三基发射药的力学性能的影响, 进行了内弹道性能试验, 为微孔结构三基发射药的应用提供理论和实验依据。

自制三基发射药, 硝基胍质量分数为47%, 原料:吸收药片、硝基胍, 辽宁庆阳化工厂; 试剂:乙醇、甲醇, 分析纯, 上海试剂厂; 蒸馏水实验室自制。由于硝基胍在80 ℃以上的水中溶解度高于6.12 g·100 g^-1, 称取一定质量的蒸馏水, 其中水与发射药质量比为5:1, 将纯净水升温至100 ℃, 将一定质量的发射药放入水中, 保持水温不变, 40 min后取出发射药, 烘干后称量备用。

采用FEI Quanta 250环境扫描电子显微镜, 对所得硝基胍发射药样品进行表面层及内部微观结构进行观测, 并测量了其微孔层厚度。结果如图 1所示。

图 1(Fig. 1)

图 1 表面微孔结构三基发射药扫描电镜图 Fig.1 SEM photos of triple base propellant samples with the surface micro-porous structure

由图 1可以看出, 水浸泡处理后三基发射药的表面(图 1a)出现很多微孔, 呈现出海绵状多孔结构, 发射药表面微孔结构层与内部主体结构层之间存在明显的界面(图 1b), 微孔层厚度为130 μm左右。而内部主体结构层中的硝基胍紧密分布、存在少量加工工艺过程中形成的部分空隙, 内部为密实结构。表明采用水溶解的方法可以制备出表面微孔结构的三基发射药。

密闭爆发器容积为100 mL, 在高温(50 ℃)、常温(20 ℃)、低温(-40 ℃), 点火压力为10 MPa, 装填密度0.2 g·cm^-3条件下进行试验。采用压电式传感器测量压力, 采集数据进行处理。

用模具制成直径为6 mm圆柱状药条, 切割成高度6 mm的药柱, 经表面处理后制成微孔结构样品3组, 以及未处理的原药样品3组, 每组样品有10发平行样, 分别在高温(50 ℃)、常温(20 ℃)、低温(-40 ℃)下保温24 h, 采用INSTRON3367型电子万能材料试验机测量发射药的抗压强度。

采用INSTRON9250HV型全数字化落锤冲击试验机测试冲击强度。

将表面微孔结构三基发射药, 与未处理原药按质量比3:7混合组成新装药, 在45倍口径155 mm火炮上进行内弹道试验。采用电测法测压, 靶线法测试弹丸炮口初速。

对处理前后的原三基发射药与表面微孔结构三基发射药进行密闭爆发器试验, 测得的p-t曲线如图 2所示。p-t曲线经过数据转换处理获得到的dp/dt-t曲线如图 3所示, L-B关系曲线如图 4所示, u-p关系曲线图 5所示。其中:p为爆发器实验所测得压力, MPa; t为时间, ms; u为发射药的表观燃速, cm·s^-1; L为动态活度; B为相对压力。

图 2(Fig. 2)

图 2 处理前后三基发射药的p-t曲线 Fig.2 p-t curves of the triple base propellants samples before and after processing

图 3(Fig. 3)

图 3 处理前后三基发射药的dp/dt-t曲线 Fig.3 dp/dt-t curves of the triple base propellants samples before and after processing

图 4(Fig. 4)

图 4 处理前后三基发射药试样的L-B曲线 Fig.4 L-B curves of the triple base propellants samples before and after processing

图 5(Fig. 5)

图 5 处理前后三基发射药试样u-p曲线 Fig.5 u-p curves of the triple base propellants samples before and after processing

从图 2中可以看出, 在三种温度下表面微孔结构三基发射药的压力曲线均高于未处理的原药压力曲线, 压力最大值基本相同, 均在276 MPa左右。常温下表面微孔结构三基发射药的试样压力上升到最大值时, 所需时间比原药短约3.2 ms, 而高温及低温条件下, 所需时间变化较少。由图 3可以看出, 微孔结构发射药对应的压力增量高于原药, 且dp/dt达到最大值所需时间比原药小。由于微孔结构在表面层深度130 μm左右, 表面微孔结构三基发射药的起始燃烧猛烈, 初始压力上升速度加快, 燃烧药室压力增大, 发射药的燃烧速度增加, 因而燃烧结束时间相对缩短。

从图 4可以看出, 对比未处理原药试样的动态活度, 高温时, 处理前后试样的动态活度值变化趋势一致, 当表面微孔结构三基发射药B值为0.68时, L达最大值, 而当原药B值为0.72时, L达最大值。这表明高温时表面微孔结构三基发射药的燃烧分裂点提前, 其燃烧渐增性变低。常温和低温时, B值小于0.3范围, 表面微孔结构三基发射药动态活度值比原药大, 而B值大于0.3范围, 表面微孔结构三基发射药动态活度值比原药小, 这表明在常温及低温条件下微孔结构发射药的燃烧渐增性也下降。由于表面微孔结构发射药的初始燃面大, 点火燃烧后燃气生成量大, 相比原药初始阶段燃烧消耗的发射药量较多, 燃烧室内压力大, 燃速增幅大, 燃烧分裂点提前, 发射药的渐增性降低。表面微孔结构三基发射药与原药试样的渐增性, 在高温时最高, 常温次之, 低温最低。发射药的燃烧速度与温度成正比, 发射药的初温越高, 对应燃速大, 发射药点火后燃烧气体生成量多, 动态活度值的上升幅度大, 因此高温时发射药的燃烧渐增性高。

图 5表明, 表面微孔结构可以改变三基发射药的表观燃速。其中, 在初始阶段压力为10~25 MPa范围内, 表面微孔结构三基发射药的表观燃速变大, 且高温和常温下表观燃速变大最明显。当压力进一步增大, 两种发射药在各温度下的表观燃速近似相等。这说明具有表面微孔结构三基发射药, 在点火阶段容易被点燃, 点火阶段气体压力升高较快, 发射药燃烧表观速度增加。表面微孔结构三基发射药燃烧分为两个过程:表层微孔区燃烧过程和内部燃烧过程。当微孔结构层燃烧后, 由于大量的微孔存在, 燃烧面积骤然增加, 燃气释放速率增大, 燃速也随之增大。当燃烧到内部密实部分时, 内部的结构与原药的一致, 燃气释放速率相等, 后期燃烧速度基本相等。

综上所述, 浸水处理后的硝基胍发射药具有初始阶段压力增加幅度快、初始动态活度高以及初始燃速大等特点, 在发射装药燃烧过程中, 表面微孔结构发射药的微孔面层在点火药作用下快速点燃, 释放燃烧气体形成初始压力场, 达到发射药装药快速全面点燃的效果。

处理前后的原三基发射药与表面微孔结构三基发射药的抗压强度及抗冲击强度如表 1所示。

表 1(Tab. 1)

表 1 处理前后三基发射药试样的抗压强度和抗冲击强度 Tab. 1 Compressive strength and anti-impact strength of two triple base propellants samples before and after processing T/℃ compressive strength/MPa anti-impact strength/kJ·m-2 original after processing original after processing 50 55.55 53.24 7.69 7.36 20 58.61 55.63 6.52 6.17 -40 62.49 60.27 3.87 3.62

表 1 处理前后三基发射药试样的抗压强度和抗冲击强度 Tab.1 Compressive strength and anti-impact strength of two triple base propellants samples before and after processing

由表 1可知, 与未处理的原药相比, 表面微孔结构三基发射药试样的抗压强度及抗冲击强度都有不同程度的降低, 其中抗压强度高温下降低2.31 MPa、常温降低2.98 MPa、低温降低2.22 MPa。抗冲击强度高温下降低0.33 kJ·m^-2、常温降低0.35 kJ·m^-2、低温降低0.25 kJ·m^-2; 原药及表面微孔结构三基发射药的低温抗压强度最大, 常温次之, 高温最小; 高温抗冲击强度最大, 常温次之, 低温最小。表面微孔结构三基发射药力学性能下降, 主要的原因是三基发射药的表面部分硝基胍组分被溶解, 形成一种微孔海绵状结构的表面, 弱化了发射药的整体结构, 在应力的作用下, 面层结构容易变形, 导致整体力学性能下降。低温下, 原药及表面微孔结构三基发射药硬度增大, 使得抗压强度增加, 而在动态冲击压力作用下, 硬度大韧性降低, 抗冲击强度减小; 高温下受热变软, 抗压强度变小, 但是粘弹性增强, 所以抗冲击强度增加。综合分析其力学性能及燃烧性能, 表面微孔结构三基发射药力学性能略有下降, 但燃烧性能达到了预期目标。

将表面微孔三基发射药, 按一定比例与原药组成混合装药和原药装药在155 mm火炮上进行内弹道试验, 5组平行样的平均结果如表 2所示。

表 2(Tab. 2)

表 2 155 mm火炮内弹道试验结果 Tab. 2 Interior ballistic experiment of 155 mm gun charge chamber pressure/MPa muzzle velocity/m·s-1 original charge(reduced charge) 103.3 537.7 mixed charge(reduced charge) 97.7 551.6 original charge(full charge) 393.2 903.1 mixed charge(full charge) 377.2 918.1

表 2 155 mm火炮内弹道试验结果 Tab.2 Interior ballistic experiment of 155 mm gun

从表 2试验结果可以看出, 在装药量一样的条件下, 在发射装药中加入表面微孔结构三基发射药组成的混合装药, 减装药膛压降低5.6 MPa, 炮口初速提高13.9 m·s^-1, 全装药膛压降低16.0 MPa, 炮口初速提高15.0 m·s^-1。这是由于表面微孔结构三基发射药的加入, 膛内燃烧过程中初期压力增量比原药大, 后期的压力增量比原药小, 使得混合装药在膛内的燃烧压力变化值降低, 使得膛压下降。表面微孔结构三基发射药, 初始燃烧面积大、易于点燃, 燃烧初期燃气生成量大, 使得整个装药快速全面点火, 发射药在炮膛内燃烧更充分, 能量释放更完全, 使得弹丸初速增加。

(1) 采用蒸馏水浸泡的方法, 溶解三基发射药中的硝基胍, 在表面层130 μm的深度内形成海绵状多孔结构, 形成了表面层微孔结构三基发射药。

(2) 与未处理原药相比, 表面微孔结构三基发射药的燃烧压力上升快, 燃烧结束时间缩短, 常温下燃烧时间缩短最明显, 达到3.2 ms; 初始动态活度值升高, 燃烧渐增性比原药低; 在点火燃烧初始阶段表观燃速变大, 后期燃速与原药基本一致。

(3) 表面微孔结构三基发射药抗压强度及抗冲击强度与原药相比略有下降, 常温下降低幅度最大, 其中抗压强度降低2.98 MPa, 抗冲击强度降低0.35 kJ·m^-2。

(4) 加入表面微孔结构三基发射药的混合装药, 内弹道性能得到显著改善, 膛压降低, 初速提高, 其中, 减装药炮口初速提高13.9 m·s^-1、全装药炮口初速提高15.0 m·s^-1。