高能低敏感发射药安定性与安全性研究

高能低敏感发射药安定性与安全性研究

李黎明

安徽红星机电科技股份有限公司安徽省合肥市230000

摘要：现代先进武器系统对弹药提出了大威力和高生存能力的要求,研究开发低敏感高能发射药必将成为21世纪发射药及其装药发展的大趋势。

关键词：高能低敏感发射药；安定性；安全性

一、高能低敏感发射药慨况

为了适应现代战争环境及新型武器弹药的需求，研究人员在通过多种途径提高发射药能量水平的同时还要降低其敏感性。因此，高能低敏感发射药已成为新一代发射药研究发展的方向。国内外主要采用两种方法获得高能低敏感发射药，一是通过使用填充高含量固体硝铵的聚合物黏结基质（即聚合物黏结发射药）；二是采用硝化纤维素（NC）基配方。两种方法都要求发射药具有一定的力学性能，特别是低温力学强度。采用电子万能试验机和自制的抗压强度测试仪研究了粒状发射药的轴向力学性能和径向力学性能，发现随着轴向加载速度的增加，弹性模量增大，抗压强度变小；研究了含ＲＤＸ多相发射药的力学性能，发现随着温度的升高，含RDX多相发射药抗压性能降低，抗冲击性能提高；研究了含ＦＯＸ－７发射药的低压燃烧性能及ＦＯＸ－７用量对发射药常温力学性能的影响，发现随着FOX-7含量的增加，发射药燃速压强指数降低，抗冲击强度增大。

二、发射药技术的发展前景

1.作为身管武器的能源—新世纪内,其它能源很难替代发射药的地位。新能源电能、核能和新技术、新武器(激光、微波、粒子束定向武器);电热-化学推进、电磁能推进的动能身管武器;气象、基因、机器人、次声、反装备等新概念身管武器相继出现,但作为军用和民用的特殊能源发射药,在今后相当长的时间里,是很难被其它能源所替代的。其它如核能、激光、微波、粒子束、电热-化学、电磁等能源,可以在部分武器中使用,但由于它们在身管武器化方面存在这样和那样的困难(如核能、大容量与高功率电能等所带来武器小型化、轻型化和污染问题;以及对压力推进、反作用力推进、爆炸做功等,类型多、数量大等武器适应性的问题),即使是部分的解决也需漫长的时日。通过对先进性、相容性、生存能力、机动性、生产以及效/费比等的综合分析,在新世纪内的绝大多数身管武器上,发射药化学能的应用,优于其它能源的应用。

2.发射药的发展前景—有潜力、非常诱人。(1)发射药的能量潜力。能量是决定弹丸的初速、以及决定做功能力的关键因素。现有发射药大多数是由碳、氢、氧、氮(C、H、O、N)等元素组成的物质,被广泛应用的主要是固体物质。研究显示,在碳、氢、氧、氮元素系统中,发射药仍有较为广阔的发展前景。目前已发展的、具有代表性的发射药及其原材料有:液体发射药(在能量特征和流动特征上具有优越性)和高能量密度材料等(CL-20、N原子族高能亚稳定态物质等新含能物质)。发射药的发展表明,发射药组分不能局限于C、H、O、N系列的物质,从发射药的能量考虑,一些化合物,例如高能量物质,它们在潜能上具有优势。高能量密度的单组分炸药,性能良好的粘合剂,含能添加剂和高燃速火药、反应中摄取环境组分的发射药等,任何方面的研究成果,都将促进发射药技术的进展。(2)高密度装药技术,能显著地提高发射药的推进能力。身管武器高能量密度的装药方法,能提高体积潜能,减少身管武器的质量和无效载荷,增加射程,增加穿透力和杀伤力。而密实装药技术对装药能量密度的贡献明显,更具有现实性。(3)科技创新建立起发射药与身管武器的协调关系。身管武器与发射药之间的约束是相互的,身管武器在新技术、科技创新的基础上,通过所选定的原理、材料、结构和工作条件,已为发射药的发展提供了条件。大幅度地提高了发射药潜能的复合类发射药、提高威力的底排发射技术、随行装药技术、高膛压发射药技术的出现和发展,都是新约束条件下的成功产物。正在发展的远射程大口径火炮、技术组合弹药技术,电热-化学推进技术以及新概念、新原理身管武器,耐烧蚀、高强度新材料,计算与计算机技术,化学合成技术,发射药与化学合成的信息技术,都为发射药的发展和创新提供了条件。

三、发射药安定性研究现状与进展

发射药的安定性试验主要是检测它的化学安定性。世界各国都发展了一系列检测技术，其目的是确定发射药的安全储存寿命。这些方法的原理基本上都是一样的，即基于安定剂或者硝酸酯火药分解，测定自动催化加速或者氧化氮加速生成的转折点所对应的时间，以此来表征发射药的安定性。测量分解气体的安定性试验。目前，这类方法主要有维也里试验、阿贝尔试验、甲基紫试验、真空安定性试验(VST)HJ等。维也里试验是在19世纪90年代提出的一种经典的试验方法，距今已有100多年的历史。该方法的优点是较接近于火药在实际储存期的缓慢分解，不失为一种较好的安定性试验方法。但在试验中发现存在试验结果反常的问题，如松钾药加热过程中红色终点出现后，继续加热时出现红色的时间反而延长，甚至退回到玫瑰色，硝基胍火药甚至不出现红色。对选定的经过85℃老化试验的单基药、双基药、三基药试样，分别进行了134．5℃和120℃的甲基紫试验。结果发现，单基发射药、双基发射药、双基改性推进剂的甲基紫变色时间随老化时间的变化显著，双基推进剂和三基发射药甲基紫变色时间随贮存时间的变化不显著。这些观察试纸颜色安定性试验方法具有试验设备简单、操作方便快捷等优点。其不足之处是，在试验时，一直采用肉眼判读试纸颜色变化情况，试纸的过渡颜色和终点颜色由操作人员根据实际经验和习惯来判读记录，主观性强，对同一样品来说，不同操作人员可能会得到不同的结论，从而影响发射药的质量判断。因此，针对维也里试验研发了一种基于颜色传感器的试纸颜色自动判读系统，它可以消除人工判读试纸颜色所带来的误差，减少操作人员的劳动强度，及时准确地记录有关数据，客观评价发射药的质量，从而为确定发射药的储存安全状况提供有力的支持。

四、发射装药发射安全性评定原理与流程

膛炸是由于发射装药点传火过程中燃气生成速率太大，弹丸刚开始运动甚至还未运动膛压就超过身管的极限应力。根据内弹道学理论，燃气生成速率表征了膛压变化规律以及发射安全性。因此，只要测定了弹底发射装药被点燃前的膛压及燃气生成速率变化，就能评判发射装药发射安全性。由于相同组分的发射药，燃气生成速率取决于发射装药的燃烧面积，也就是说发射装药发射安全性取决于发射装药的燃烧面积。由于无法通过射击试验直接获取弹底发射装药被点燃前因破碎导致的燃烧面积的变化，首先通过试验装置来测试获取弹底发射装药被点燃前的颗粒间挤压应力，再由模拟装置来再现从点火开始至发射装药被点燃时的挤压应力时间历程及其破碎规律。为解决挤压破碎发射药形状杂乱无章，不可能理论计算发射装药的几何形状对应表面积的问题，提出发射药起始动态活度比和动态活度比的新概念，分别用于表征弹底发射装药被点燃时以及被点燃以后至燃烧结束过程中的挤压破碎发射药相对于未破碎发射药的面积比。用试验装置获得发射装药动态活度比和起始动态活度比，由此评判发射装药发射安全性。根据膛炸机理，评定发射装药发射安全性，首先要能够再现并测得发射过程中发射装药膛内力学环境，确定从击发到弹底发射装药被点燃时刻的弹底发射装药挤压应力历程。然后要逼真模拟发射过程中发射装药的挤压破碎规律，获得相应力学环境下破碎发射装药。再准确表征挤压破碎发射装药的起始动态活度比，建立发射环境下发射装药破碎程度与弹底发射装药最大挤压应力历程之间的定量关系，形成发射装药发射安全性判据和评定方法。

高能低敏感发射药安定性与安全性是一个比较复杂的问题,尚有一些不成熟之处,仅供参考。

参考文献：

[1]马亭国．弹药发射安全性导论［M］．北京:国防工业出版社，2014．

[2]牟筱浩．对发射装药引起的膛炸机理的讨论［J］．兵工学报，2014，28(2):153－157．