降低發(fā)射裝藥彈道溫度系數技術的國內外研究進展

趙 強，劉 波，劉少武，馬方生，王瓊林

(西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

引 言

發(fā)射藥是槍炮身管武器完成彈丸發(fā)射的能源，其裝藥性能制約著武器的射程以及威力[1]。現(xiàn)有的制式裝藥彈道溫度系數一般較大，與常溫相比，因為低溫初速明顯降低，將導致低溫射程和威力明顯降低，如低溫初速降低5%，彈丸射程及穿甲威力將降低約10%；另一方面，由于高溫膛壓明顯增加，受到火炮身管強度的限制必須降低低溫及常溫的彈道指標，如高溫膛壓增加15%，將導致常溫彈丸射程及穿甲威力將降低約15%，無法充分發(fā)揮火炮身管的設計潛力。降低發(fā)射裝藥彈道溫度系數，可使不同環(huán)境溫度下火炮膛壓、初速接近高溫時的水平，有利于提高身管武器彈藥環(huán)境溫度適應性以及低溫和常溫條件下的射程及威力[2]。

國內外研究表明[3-6]，降低發(fā)射裝藥彈道溫度系數的基本原理類似，但其技術途徑和調控機制則具有多樣性。近年來，新型發(fā)射藥研究日趨活躍，發(fā)射藥能量不斷提高，品種不斷增多，迫切需要開展對降低發(fā)射裝藥彈道溫度系數新技術的研究。

本文闡述了降低發(fā)射裝藥彈道溫度系數的基本原理，綜述了國內外降低發(fā)射裝藥彈道溫度系數技術的研究進展，在此基礎上總結了不同技術途徑降低發(fā)射裝藥彈道溫度系數的調控機制。

1 降低發(fā)射裝藥彈道溫度系數基本原理

對于槍炮發(fā)射藥，其氣體生成速率可以表達為[1]：

dΨ/dt= (S/V1) (de/dt)

(1)

式中：Ψ為某瞬間火藥燃燒掉的相對體積；t為火藥的燃燒時間；e為火藥的燃燒層厚度；S為火藥的燃燒面積；V1為火藥原有的體積。

一般地，火炮最大膛壓和彈丸初速隨溫度的變化規(guī)律，即彈道溫度系數的大小，取決于燃燒面積S、燃速de/dt隨溫度的變化規(guī)律。

溫度對燃速u的影響遵循阿侖尼烏斯關系式：

u=u0·e-E/RT

(2)

式中：u0為常數；E為活化能；R為氣體常數；T為溫度。

一般情況下，隨著T的增大，u將隨之增大，S變化相對較小。根據上式，氣體生成速率增大，火炮膛壓、初速等隨之增加，表現(xiàn)出較高的彈道溫度系數。降低發(fā)射裝藥彈道溫度系數的途徑有：(1)使發(fā)射藥燃燒面積隨溫度增加而減?。?2)降低發(fā)射藥燃速隨溫度變化而改變的幅度。

2 國外降低發(fā)射裝藥彈道溫度系數技術的研究進展

2.1 降低球形發(fā)射藥裝藥彈道溫度系數的機械壓扁技術

Boulkadid K M等[7-9]研究了雙基球扁藥的燃燒性能。NATO 5.56mm口徑步槍彈道試驗結果表明，溫度為-54～21℃時，雙基球扁藥裝藥彈道溫度系數較低，指出雙基球形藥經過合適的機械壓扁后，藥片內含微小裂紋，低溫時在初始燃燒壓力沖擊作用下，易出現(xiàn)一定程度破碎，初始燃面增大，補償因溫度降低導致燃速下降而引起的燃氣生成速率變化。

球扁藥流散性好，裝填密度高，目前已在輕武器中得到廣泛應用。隨著大弧厚球扁藥制備工藝的發(fā)展，球扁藥在大口徑身管武器發(fā)射裝藥中也具有一定的應用前景[10-12]。

2.2 降低大粒發(fā)射藥裝藥彈道溫度系數的技術

2.2.1 大粒雙基和三基發(fā)射藥包覆技術

20世紀70年代，國外研究人員[13-16]采用聚氨酯、聚己酸內酯等一系列高分子化合物，對雙基、三基發(fā)射藥進行表面包覆處理，結果發(fā)現(xiàn)這些發(fā)射藥裝藥表現(xiàn)出了一定程度的低溫度系數效果。Brachert H等[3]用聚甲基丙烯酸甲酯對19孔三基粒狀發(fā)射藥進行包覆。密閉爆發(fā)器試驗結果表明，低溫下包覆發(fā)射藥活度較高，高溫下包覆發(fā)射藥活度降低，與未包覆單基發(fā)射藥混合裝藥(主裝藥與包覆藥質量比為8∶2)后，可使高低溫區(qū)間內活度保持一致。Mann D C[17]在105mm M68坦克炮中使用19孔包覆雙基發(fā)射藥替代制式M30發(fā)射藥，通過理論計算預計可提高常溫初速10%左右。

2.2.2 大粒雙基發(fā)射藥SCDB技術

本世紀初，F(xiàn)ahrni M等[18-20]開發(fā)了可應用于大口徑坦克炮穿甲彈的表面包覆雙基(SCDB，surface c-oated double base)發(fā)射藥技術，即在混合裝置中加入多孔粒狀藥、固體材料、塞子穩(wěn)定改良劑以及低黏度液體，混合一定時間后使液體揮發(fā)掉，制備的發(fā)射藥由端面向孔內延伸一定距離被形成的“塞子”所封堵?！叭印钡倪\動具有溫度關聯(lián)性，低溫時受到點火沖擊易運動而增大燃燒面積，高溫時受到點火沖擊不易運動而降低燃燒面積，從而使燃燒初期高低溫氣體生成速率基本保持一致。

德國120mm坦克炮DM63穿甲彈采用了“半可燃藥筒+底火+短傳火管+點火藥包+100%SCDB發(fā)射藥”的裝藥結構，相較于DM53，低溫炮口動能提高了10%，高溫膛壓降低了14%，展現(xiàn)出較低的彈道溫度系數[21]。2010年，韓國仿制開發(fā)了LDCT(Low dependence on charge temperature)發(fā)射藥，并將其成功應用于105、120mm尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈中[22]。

2.3 降低小粒發(fā)射藥裝藥彈道溫度系數的技術

2.3.1 小粒單基發(fā)射藥EI技術

20世紀90年代，瑞士開發(fā)了可應用于中小口徑火炮的擠壓浸漬(EI，extruded impregnated)技術，即先通過擠壓成型工藝制備出小粒單基粒狀藥，再采用浸漬NG和高分子鈍感工藝制備出表面處理發(fā)射藥，這種發(fā)射藥具有高能量、高燃燒漸增性、低溫度敏感性等優(yōu)異性能[23-24]。

Ryf K等[25]在25mm火炮上對比了EI發(fā)射藥裝藥與單基藥裝藥的內彈道性能。結果表明，EI發(fā)射藥裝藥相較于單基藥裝藥初速有較大提升，且高溫膛壓升與低溫初速降僅為1.4%和-1.5%，彈道溫度系數顯著降低。

目前，EI發(fā)射藥技術比較成熟，國外已成功將EI發(fā)射藥應用于中、小口徑武器中。EI發(fā)射藥應用于30 mm×173 mm“叢林之王”Ⅱ型自動炮用曳光尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈中，相較于傳統(tǒng)單基藥，由于其具有較高的能量以及較低的溫度敏感性，能夠使-50℃下彈丸動能提高18%，20℃下彈丸動能提高12%[26]。

2.3.2 小粒三基發(fā)射藥LTC技術

2001年，Langlotz W等[27]在專利中公開了一種發(fā)射藥，配方中包含固體硝胺化合物(如RDX、HMX等)、NC、三組分含能增塑劑及其他添加劑。三組分含能增塑劑主要包括：2,4-二硝基-2,4-二氮雜戊烷(40±10)%、2,4-二硝基-2,4-二氮雜己烷(45±10)%、3,5-二硝基-3,5-二氮雜庚烷(15±10)%。這種發(fā)射藥應用于身管武器中，在-50～70℃范圍內具有低溫度系數特性，因此其將這種發(fā)射藥稱為低溫度系數(LTC， low temperature coefficient)發(fā)射藥。

為了測試LTC發(fā)射藥的燃燒特性，Bohn M A等[28]對其進行了不同溫度及裝填密度下的密閉爆發(fā)器試驗，結果如圖1所示?？梢钥吹?，在不同溫度及裝填密度下，LTC發(fā)射藥的線性燃速基本不發(fā)生變化。

圖1 LTC發(fā)射藥在不同溫度下的線性燃速Fig.1 Linear burning rate of LTC gun propellant at different temperatures

為了將LTC發(fā)射藥應用于120mm Leopard 2戰(zhàn)斗坦克炮，Mueller D等[29]進行了75mm模擬炮試驗，測定了不同溫度下的p—t曲線，并與JA2發(fā)射藥試驗值進行了比較。結果發(fā)現(xiàn)，LTC發(fā)射藥裝藥在21℃下達到的最大燃氣壓力值，與JA2發(fā)射藥裝藥50℃時的最大壓力值相同，且隨溫度上升壓力反而降低，因此采用LTC發(fā)射藥裝藥的常溫炮口速度可比JA2發(fā)射藥裝藥高出約100m/s，達到1750m/s。

Gert Pauly等[30]研究了壓力震蕩對LTC發(fā)射藥燃燒行為的影響。結果表明，當發(fā)射藥內孔長度l和內孔直徑d之比l/d小于π時，藥粒表現(xiàn)出正常的燃燒溫度行為，即隨著溫度增加，燃速增大。隨著發(fā)射藥l/d的增加，低溫時發(fā)射藥較硬，孔內易發(fā)生震蕩燃燒，線燃速增大；高溫時發(fā)射藥較軟，震蕩阻尼較大，線燃速減小，因此LTC發(fā)射藥在不同溫度下線燃速基本保持一致。

2014年，Muller D等[31]對LTC發(fā)射藥配方進行了改進，包括添加醋丁纖維素，采用醇溶性硝化纖維素代替僅溶于丙酮的硝化纖維素等。結果顯示，加入醋丁纖維素降低了爆溫，提高了烤燃溫度，降低了發(fā)射藥的摩擦感度和沖擊感度。醇溶性硝化纖維素成本較低，且與醇潤濕的固體含能材料一起使用時，可以省去對固體含能材料的干燥步驟，從而使發(fā)射藥生產成本降低30%左右。

上述研究表明，LTC發(fā)射藥展現(xiàn)出較低的溫度敏感性，結合對其藥型的設計優(yōu)化可以降低發(fā)射裝藥彈道溫度系數。

2.3.3 小粒三基發(fā)射藥ECL技術

近年來，國外科研人員開發(fā)了擠壓復合低敏感(ECL，extruded composite low sensitivity)發(fā)射藥，以替代EI發(fā)射藥。ECL發(fā)射藥配方中，主體材料為NC，還包含固體硝胺化合物(如RDX、HMX、CL-20等)及一種或多種惰性增塑劑[32]。ECL發(fā)射藥用于中小口徑槍炮彈藥時，進行了表面包覆處理。Mauser MK-30/2槍內彈道實驗結果如圖2所示。

圖2 Mauser MK-30/2槍內彈道實驗結果Fig.2 Interior ballistic test results of Mauser MK-30/2 gun

可以看到ECL發(fā)射藥裝藥的彈道溫度系數明顯優(yōu)于EI發(fā)射藥裝藥及傳統(tǒng)單基藥裝藥。相較于單基藥裝藥，低溫及常溫初速分別提高100和70m/s；對比EI發(fā)射藥裝藥，低溫初速提高40m/s，高溫及常溫初速也有小幅度提升；同時，ECL發(fā)射藥裝藥的高溫及低溫初速差異△v0<20m/s[33]。

2011年，Vogelsanger B等[34]指出，ECL發(fā)射藥技術已經成熟。在中口徑彈藥系統(tǒng)中，ECL發(fā)射藥溫度敏感性低，100℃加速老化后化學與彈道穩(wěn)定性良好，耐沖擊和耐烤燃性能好，綜合性能明顯優(yōu)于在役發(fā)射藥；在120mm遠射程迫擊炮彈藥中，ECL發(fā)射藥由于不含NG，因此消除了發(fā)射藥與可燃容器之間的NG遷移。

在小口徑武器(如5.56、7.62mm口徑步槍、機槍)中采用ECL發(fā)射藥裝藥，通過藥型設計優(yōu)化，采用4孔矩形藥粒替代單孔圓柱狀藥粒，可提高裝藥量和能量轉換效率，從而進一步提升初速，且低溫度系數性能并未發(fā)生變化[35]。

通過調節(jié)ECL發(fā)射藥配方中固體硝胺化合物的比例，可使其能量相較于含NG的發(fā)射藥基本不發(fā)生變化，同時由于其配方中不含NG，可降低鈍感劑的遷移，提升長貯穩(wěn)定性；由于采用了感度較低的惰性增塑劑，ECL發(fā)射藥還具有不敏感特性，更好地滿足了現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需求。

2.4 電熱化學發(fā)射技術

20世紀80年代，美國開始了對電熱化學(ETC，electrothermal-chemical)炮的研究。由于電熱化學發(fā)射技術點火延遲時間短、點火可重復性好，可實現(xiàn)對高裝填密度發(fā)射裝藥以及低敏感發(fā)射藥的點火，及對溫度變化的補償，且可通過對常規(guī)火炮的改裝實現(xiàn)兼容發(fā)射，引起各國的高度重視[36-39]。

1997年，美國Chaboki A等[40]在30mm ETC測試設備中采用雙基七孔粒狀發(fā)射藥裝藥，輸入電能約47kJ，3種溫度(68、25、-59℃)下火炮膛壓、初速基本維持一致，基本達到了零梯度彈道溫度系數的效果。2001年，德國Weisse T等[36]在120mm ETC炮平臺中采用NENA推進劑裝藥，通過使輸入電能從50℃時的39kJ增大到21℃時的110kJ，可使兩種溫度下炮口初速基本保持一致。2007年，以色列Zoler D等[41]在105mm火炮與ETC炮上分別進行了3種不同裝藥量下的傳統(tǒng)點火與等離子體點火試驗。結果表明，采用等離子體點火后火炮在21～52℃范圍內膛壓與初速的變化量均明顯小于傳統(tǒng)點火，指出通過調整等離子體射流的總能量，可以顯著降低發(fā)射裝藥彈道溫度系數。

ETC炮中，通過調整等離子體射流的總能量，可以顯著降低彈道溫度系數[41-42]。特別在中小口徑ETC炮中，當輸入電能增強到某一程度后，等離子體的作用階段不僅限于點火過程，還通過侵蝕燃燒效應持續(xù)增強發(fā)射藥的燃燒，大量的等離子體能量熱流在某種程度上“中和”了由初始溫度不同引起的燃燒差異，發(fā)射藥的溫度敏感性消失[43]。

相較于其他技術途徑，電熱化學發(fā)射技術可通過調節(jié)輸入能量精確實現(xiàn)對溫度變化的補償，降低發(fā)射裝藥彈道溫度系數的效果最為明顯，具有良好的發(fā)展前景。

3 國內降低發(fā)射裝藥彈道溫度系數技術的研究進展

3.1 降低大粒雙基及三基發(fā)射藥裝藥彈道溫度系數的藥包藥技術

王澤山院士首次提出了降低雙基、三基發(fā)射藥溫度系數的“藥包藥”技術，即通過對雙基、三基粒狀發(fā)射藥包覆同材質材料，可使發(fā)射藥不同溫度下燃燒面積和燃速的增減等效互補，達到不同溫度下氣體生成速率基本恒定[44]。

堵平等[45]提出對太根發(fā)射藥進行雙層包覆，通過內外包覆層協(xié)同作用，利用外層的阻燃鈍感作用和內層的強度支撐，既可以將包覆層厚度控制在一定范圍內，又能夠達到較好的低溫感效果。史先揚等[46-50]將低溫感裝藥技術應用于高能硝胺發(fā)射藥，在某105mm火炮上對比了單一制式裝藥與混合裝藥(主裝藥與包覆藥比例為7∶3)的彈道性能，混合裝藥可使低溫初速提高100m/s左右，高溫膛壓升與低溫初速降僅為1.9%和-2.6%，基本達到了零彈道溫度系數的效果。王琳[51]采用低溫感包覆技術對125mm穿甲彈用混合硝酸酯發(fā)射藥進行改進，在火藥配方中添加RDX適當提高火藥力，優(yōu)選較佳的弧厚范圍，各主要參數合理匹配，且盡可能地增加裝藥量，降低了裝藥彈道溫度系數，使常溫初速有了顯著的提升。韓博[52]在某制式大口徑火炮上考察了大弧厚硝基胍發(fā)射藥與包覆藥混合裝藥的低溫感效果。結果表明，混合裝藥高溫時膛壓要低于常溫膛壓，呈現(xiàn)負彈道溫度系數的效果。

3.2 降低小粒單基發(fā)射藥裝藥彈道溫度系數的浸漬鈍感包覆技術

2002年，王瓊林[53]提出了調節(jié)裝藥溫度系數的塑性調節(jié)原理，即通過提高多孔粒狀發(fā)射藥增塑劑含量、優(yōu)化增塑劑品種、表面浸漬NG、表面鈍感、表面包覆等獨立或組合技術途徑，可以提高發(fā)射藥表面塑性，降低裝藥的溫度系數。原因為：一方面，高溫時發(fā)射藥表面較軟，初始燃燒壓力沖擊下藥床壓縮性大、初始燃燒面積變小，低溫時發(fā)射藥表面較硬，藥床壓縮性小、初始燃燒面積較大；另一方面，隨溫度升高，多孔粒狀發(fā)射藥表層膨脹會導致內孔直徑縮小甚至部分閉孔，初始燃燒面積變小。在此基礎上設計了改性單基發(fā)射藥，并對其裝藥低溫度系數性能進行了驗證。

劉少武等[54-55]將改性單基藥應用于30mm火炮上，相較于單基藥，可使常溫初速提高5%左右，展現(xiàn)了良好的低溫度系數效果。于慧芳等[56]指出高氮量改性單基發(fā)射藥裝藥彈道溫度系數要低于單基藥裝藥，且彈道性能優(yōu)于低氮量改性單基藥，有望在穿甲彈等彈藥中得到應用。

目前，國內研究人員[57-62]已成功制備具有高燃燒漸增性、低燒蝕、長貯穩(wěn)定性好等優(yōu)良性能的改性單基發(fā)射藥，在中小口徑武器中具有良好的應用前景。

4 發(fā)射裝藥彈道溫度系數的調控機制

結合降低發(fā)射裝藥彈道溫度系數的基本原理，分析上述發(fā)射裝藥彈道溫度系數的調控機制，可以分為以下兩方面。

4.1 燃面補償方面

球扁發(fā)射藥低溫沖擊破碎機制，可采用機械壓扁技術。球形發(fā)射藥經過合適的機械壓扁后，藥片內含微小裂紋，低溫時在初始燃燒壓力沖擊作用下，易出現(xiàn)一定程度破碎，初始燃面增大，氣體生成速率提高[8]。

雙基、三基發(fā)射藥包覆堵孔層沖擊破碎機制，可采用包覆技術、SCDB技術、ECL技術、藥包藥技術。多孔雙基、三基發(fā)射藥通過表面包覆特種高分子材料，內孔端面被包覆材料堵住，低溫時在初始燃燒壓力沖擊作用下，包覆堵孔層易破裂，內孔燃面暴露，初始燃面增大，氣體生成速率提高；高溫時包覆堵孔層難破裂，初始燃面減小，氣體生成速率降低。單獨裝藥或與未包覆藥混合裝藥后，其高低溫氣體生成速率可基本保持一致[18,44-45]。

小粒單基發(fā)射藥浸漬鈍感層壓縮閉孔機制，可采用EI技術、浸漬鈍感包覆技術。小粒多孔單基發(fā)射藥通過浸漬NG和高分子鈍感工藝，表面增塑劑含量增加，內孔端面含拉鏈式堵孔結構，低溫時表面變硬、內孔端面拉鏈大部分拉開，在初始燃燒壓力沖擊作用下，初始燃面增大，氣體生成速率提高；高溫時發(fā)射藥表面變軟、內孔端面拉鏈閉合，初始燃面減小，氣體生成速率降低[54]。

4.2 降低溫度對發(fā)射藥燃速的影響方面

小粒三基發(fā)射藥內孔震蕩燃燒機制，可采用LTC技術。小粒多孔三基發(fā)射藥通過采用高效增塑劑、控制合適的藥粒內徑與長度之比等技術措施，表現(xiàn)出特別的震蕩燃燒特性，低溫時藥體較硬，容易發(fā)生內孔震蕩燃燒，線燃速增大，氣體生成速率提高；高溫時藥體較軟，震蕩阻尼較大，線燃速減小，氣體生成速率降低[30]。

等離子體點火增強燃燒機制，可采用電熱化學發(fā)射技術。等離子體點火具有增強發(fā)射藥燃速的作用，在ETC炮中，通過調節(jié)輸入電能改變不同溫度下發(fā)射藥的燃速可以顯著降低發(fā)射裝藥彈道溫度系數；特別對于中小口徑ETC炮，使輸入電能增大到某一程度，大量等離子體能量熱流在某種程度上“中和”了由初始溫度不同引起的燃燒差異，發(fā)射藥的溫度敏感性消失[41-43]。

5 結束語

降低發(fā)射裝藥彈道溫度系數，可使不同環(huán)境溫度下火炮膛壓和初速接近高溫時的水平，是一種提高武器彈道性能簡單而有效的方式。近年來，我國在大口徑武器用發(fā)射藥包覆技術方面已取得長足進展，王澤山院士的課題組所提出的“藥包藥”技術在國際上處于領先水平，但在中小口徑用發(fā)射藥包覆技術方面與國外仍存在一定差距。此外，美國已成功將電熱化學炮系統(tǒng)集成到裝甲車中，進行了電熱化學發(fā)射試驗，我國對電熱化學炮系統(tǒng)在武器系統(tǒng)中的集成還未見相關報道，因此建議未來應重點開展以下幾個方面的研究：

(1)中小口徑武器用EI發(fā)射藥由于含NG，毒性較大，長貯穩(wěn)定性有待提升，需加強對ECL發(fā)射藥的研究；

(2)針對大口徑武器，開展SCDB發(fā)射藥制備工藝的研究以及裝藥技術原理的研究；

(3)進一步增強對等離子體與發(fā)射藥相互作用機理以及電源的小型化研究，推動電熱化學發(fā)射技術的武器化進程。