高初速、远射程是身管武器的主要发展方向，为了提高火炮初速，要求发射装药具有高的能量[1]。高能、高装填密度发射药应用是提高发射装药能量的主要技术途径[2-3]。
横切棒状药 (又称部分切口多孔杆状发射药) 具有装填密度高[4]、点传火性能好、燃烧渐增性好的特点，具有广泛的应用前景。但随着装填密度的增加，最大膛压也相应地增加，为保证膛压不超过火炮可承受的范围，需要进一步提高发射装药燃烧渐增性。包覆发射药具有较多孔火药更高的燃烧渐增性，采用横切棒状药和包覆粒状发射药混合装药，可以在保持装药较高装填密度的同时，获得高的燃烧渐增性。对横切棒状药、包覆发射药、粒状发射药燃烧性能，已分别开展了较多的研究工作，徐汉涛[5]等研究了不同切口的杆状药的燃烧性能，研究表明，具有合适切口距的部分切口多孔杆状发射药可以获得和相同药型的多孔粒状药相近的静态燃烧性能。薛幂祎[6]等研究了钝感球扁药和主装药混合的燃烧性能，结果表明，其包覆钝感技术可以改善混合装药燃烧渐增性。王锋[7]等研究了部分切口多孔杆状发射药燃烧性能，证明了其燃烧渐增性比粒状发射药好。F W Robbins[8]研究表明其与粒状药相比，横切棒状药具有更低膛压和更高的初速。Carl[9]研究表明横切棒状药在155 mm火炮上应用，使火炮保持最大膛压的同时初速提高了6%。但未见横切棒状药和包覆粒状发射药混合装药的燃烧性能研究的报道。
本研究针对太根横切棒状药和具有阻燃效果包覆粒状发射药，在不同装填密度下，对它们的不同比例的混合装药的定容燃烧性能进行研究，并分析发射药混合装药的燃烧相互作用。
2 实验部分 2.1 样品制备按制式太根发射药配方，经过捏合、压伸、切药、驱溶等常规发射药制备工序制成9/19梅花型横切棒状药发射药 (PC) 和7/19的粒状发射药，然后对粒状药 (7/19) 表面用含TiO2的高分子阻燃包覆材料在转鼓包覆设备中进行包覆处理，制备成含有TiO2的包覆粒状发射药。其中横切棒状药 (9/19) 药型尺寸:异向切口，切口距20 mm，内径0.25 mm，弧厚0.95 mm，切口深度1/2直径; 粒状发射药 (7/19) 药型尺寸:药长7.48 mm，内径0.24 mm，弧厚0.80 mm，制备了包覆粒状发射药 (DCPC):包覆层中TiO2含量为30%，包覆量为20%。
2.2 密闭爆发器试验密闭爆发器发器容积为107 cm3，装填密度分别为0.20 g·cm-3和0.32 g·cm-3，点火药C# NC 1.1 g，点火压力10.98 MPa，测得混合装药的发射药压力-时间 (p-t) 曲线，经过处理得到相对活度-相对燃烧量 (L-B) 曲线。
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表 1 密闭爆发器试验方案 Tab.1 Different schemes of closed-bomb tests |
1#~5#样品的混合装药燃烧的相对活度-相对燃烧量 (L-B) 曲线如图 1所示。1#~5#相应的L-B曲线渐增性燃烧特征量见表 2。
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图 1 1#~5#样品的L-B曲线 Fig.1 L-B curves of 1#-5# samples |
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表 2 发射药样品的L-B曲线燃烧渐增性特征量 Tab.2 L-B curves progressive combustion characteristics of propellants |
从图 1可以看出:单一横切棒状药 (1#) 的起始活度大，相对活度 (L) 先快速上升，出现了燃烧尖峰。随着燃烧的进行，活度变化表现为先下降后上升，表明发射药燃烧初期发生了明显的侵蚀燃烧现象[10]。而单一包覆粒状发射药 (2#) 的起始活度小，活度逐渐升高，上升速度较缓慢。这主要由于它的包覆层表面阻燃，降低了包覆粒状发射药起始燃速，同时，由于包覆层的堵孔作用，初期内孔不燃烧，消除了起始侵蚀燃烧现象。对于混合装药，随着混合装药中包覆粒状发射药的比例增加，燃烧侵蚀峰渐渐减小。表明:包覆粒状发射药有明显降低起始燃烧尖峰的效果。随着包覆层的破裂和逐渐燃尽，包覆粒状发射药内孔开始燃烧，燃面增大，表现出良好的燃烧渐增性。
从表 2和图 1可以看到混合装药比例为3:7(3#) 的燃烧渐增性特征量较大，说明该比例下混合装药的燃烧性能好。表明，并不是混合装药中横切棒状药越多，燃烧渐增性就越好，选择合适的横切棒状药和包覆粒状发射药比例，是混合装药获得更好的燃烧渐增性关键。
3.1.2 装填密度为0.2 g·cm-3混合比对混合装药燃烧性能影响6#~9#混合装药燃烧的相对活度-相对燃烧量 (L-B) 曲线如图 2所示。6#~9#的相对活度-相对燃烧量 (L-B) 曲线渐增性燃烧特征量见表 2。
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图 2 6#~9#样品的L-B曲线 Fig.2 L-B curves of 6#-9# samples |
从图 2看出，与装填密度为0.32 g·cm-3类似，发射药燃烧初期，横切棒状药 (7#) 发生侵蚀燃烧效应，而包覆粒状发射药 (6#) 由于包覆层阻燃效果而使得燃烧活度曲线缓慢上升，当混合装药中横切棒状药比例变小时，起始峰逐渐减小，侵蚀性燃烧现象减弱，侵蚀燃烧尖峰渐渐被“削平”，混合比例为4:6时，混合装药 (8#) 的侵蚀燃烧尖峰已基本消失。
结合图 2和表 2，可以看到，本试验条件下，当装填密度为0.2 g·cm-3时，在混合装药中，混合比例为4:6的混合装药 (8#) 的燃烧渐增性特征量最大，燃烧渐增性较好。
3.1.3 装填密度对混合装药燃烧性能的影响综合表 2数据，可以看到装填密度为0.32 g·cm-3的混合装药的燃烧性能明显优于装填密度为0.2 g·cm-3的混合装药，燃烧渐增性更好。
从图 3a的不同装填密度的相对活度-相对燃烧量 (L-B) 曲线对比上看到，发射药燃烧的前期阶段，对于单一横切棒状药 (1#和7#) 的定容燃烧，装填密度越大的横切棒状装药，它的燃烧起始活度上升越快，因为装填密度越高，产生压力越大，活度越高; 但是，另一方面，装填密度越大的横切棒状药活度下降也越快，侵蚀燃烧结束的也越早，从图 3a上看到，当B为0.15时，装填密度为0.32 g·cm-3，横切棒状药 (1#) 的侵蚀燃烧结束; 当B为0.3时，装填密度为0.20 g·cm-3，横切棒状药 (7#) 的侵蚀燃烧才结束。这是发射药的装填密度越小，侵蚀燃烧更加严重的结果[11]。结合图 3a和表 2得出结论，随横切棒状药的装填密度增加，侵蚀燃烧现象减弱，燃烧渐增性增加。
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图 3 不同装填密度下的L-B曲线 Fig.3 L-B curves of different loading densities |
对于单一包覆粒状发射药 (2#和6#) 的定容燃烧，装填密度越小，它的起始燃烧活度上升幅度越大，主要原因是破孔前，当达到相同的压力时，高装填密度下燃烧的包覆层厚度必定小于低装填密度下的厚度。因此，当达到相同的压力，发射药在装填密度较小的包覆粒状发射药表面阻燃层燃烧的多，破孔较早，这时，发射药表面破孔发生增面燃烧，相对活度增加，导致曲线上升明显。结合图 3a和表 2得出结论，随包覆药的装填密度增加，燃烧渐增性增加。
发射药燃烧的后期阶段，不同装填密度下的发射药燃烧相对活度-相对燃烧量 (L-B) 曲线基本相当，表明不同装填密度对发射药的燃烧后期的影响不大。
对于发射药混合装药 (5#，8#和4#，9#) 的定容燃烧，由图 3b可以看到，混合装药的相对活度-相对燃烧量 (L-B) 曲线是横切棒状药和包覆粒状发射药共同燃烧作用的结果。同样地，随着混合装药的装填密度增加，侵蚀燃烧效应降低，燃烧渐增性增加。
综上，在其他试验条件相同的条件下，发射药的装填密度越大，燃烧渐增性越好。
3.2 混合装药的定容燃烧相互作用机理活度L的变化反映了燃速和燃面对火药气体生成量的综合影响，B反映了火药燃去量的变化。本研究通过拟合计算混合装药独立燃烧时的活度与试验测试的活度对比来表征发射药混合装药的燃烧过程。
以上试验数据表明：混合装药各组份之间的燃烧既有一定的独立性，又相互干扰。为了分析混合装药各组份燃烧的相互作用机理，假设混合装药中横切棒状药和包覆粒状发射药的两组分燃烧是各自独立的，即彼此不影响，那么可以认为混合装药的活度值具有线性加和性。即：
| $ {L_{\rm{n}}} = {\alpha _1}{L_{\rm{s}}} + {\alpha _2}{L_{\rm{c}}} $ | (1) |
式中，Ln为拟合计算的活度，α1和α2分别是混合装药中横切棒状药和包覆粒状发射药所占的比值 (α1+α2＝1)，Ls表示横切棒状药独立燃烧时的活度，Lc表示包覆粒状发射药独立燃烧的活度。
而实际测试得到的混合装药的燃烧的相对活度-相对燃烧量 (L-B) 曲线是实际情况下杆状药和包覆药各自燃烧对活度的贡献，即：
| $ {L_{\rm{e}}} = {\beta _1}{L_{\rm{s}}} + {\beta _2}{L_{\rm{c}}} $ | (2) |
其中，Le为试验的活度，β1为横切棒状药在某一燃去量时的实际燃烧活度贡献比值，β2为包覆粒状发射药在某一燃去量时的燃烧活度贡献比值 (β1+β2=1)。
通过L拟合的Ln-B曲线，与实际密闭爆发器不同比例的Le-B曲线进行对比。
图 4为3#，4#，5#的混合装药实验和拟合计算L-B曲线。
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图 4 拟合计算与试验的L-B曲线比较 Fig.4 Comparison of simulated and experimental L-B curves |
从图 4可以看出，不同混合比例的混合装药定容燃烧规律基本是相似的，燃烧初期，Ln的数值大，即：Le < Ln，由于横切棒状药相对包覆粒状发射药起始燃烧活度大，因此有，β1 < α1，β2>α2，表明横切棒状药燃烧对包覆粒状发药的燃烧具有影响，包覆粒状发射药较独立燃烧时对混合装药燃气生成具有更大的贡献，分析其原因，横切棒状药燃烧改善了包覆粒状发射药的点火，使得包覆粒状发射药点火一致性变好，起始燃面变大，导致包覆粒状发射药对混合装药燃气生成速率贡献较拟合的大，横切棒状药对混合装药燃气生成速率贡献较拟合的相应减小，包覆粒状发射药相对燃烧质量较拟合增加。
混合装药燃烧中后期，Le≈Ln，即: β1≈α1，β2≈α2，实际燃烧横切棒状药与包覆粒状发射药燃烧相互影响小，燃烧趋于独立。
从图 4上还可以看出，随着混合装药中包覆粒状发射药的比例减小，试验与拟合计算的活度的相差值减小，进一步证明了混合装药燃烧的相互作用机理。
4 结论(1) 横切棒状药和包覆粒状发射药混合装药可获得良好渐增性，装填密度对发射药混合装药定容燃烧性能产生影响，随着装填密度增加，侵蚀燃烧效应降低，燃烧渐增性增加。
(2) 混合比例对混合装药燃烧渐增性产生影响，合适的混合比例是混合装药良好渐增性的保证，在装填密度为0.20 g·cm-3和0.32 g·cm-3条件下，横切棒状和包覆粒状发射药获得较佳燃烧渐增性的混合比例分别为4:6和3:7。
(3) 横切棒状药和包覆粒状发射药混合装药燃烧的相互影响主要表现在燃烧前期, 横切棒状药改善了包覆粒状发射药的点火，燃烧中后期，横切棒状药和包覆粒状发射药燃烧趋于独立。
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