小口径可燃药筒及装药的燃烧性能研究

邹伟伟，郝晓琴，张志勇，党海燕，周伟良

（1.北京特种机械研究所，北京100039；2.南京理工大学化工学院，江苏南京210094）

小口径可燃药筒及装药的燃烧性能研究

邹伟伟1，郝晓琴1，张志勇1，党海燕1，周伟良2

（1.北京特种机械研究所，北京100039；2.南京理工大学化工学院，江苏南京210094）

为改善可燃药筒的燃尽性，以含能纤维为添加组分，经抽滤模压工艺制备了3个配方的小口径可燃药筒，并对所制药筒的燃烧性能与力学性能进行了测试研究，同时分析了药筒装药的能量释放规律。结果表明：含能纤维的引入能够使得可燃药筒的燃烧速度加快，燃烧结束时间缩短，火药力增大，药筒的燃尽性得到改善；和4/7-单与可燃药筒组成的装药相比，可燃药筒与19孔火药匹配较合理，装药能量下降幅度小，能量释放充分。可燃药筒与19孔火药组成装药的射击实验表明，含能纤维的加入能够提高药筒装药的弹道性能。

兵器科学与技术；可燃药筒；含能纤维；装药；燃烧性能

0 引言

可燃药筒具有生产工艺简单、成本低廉，便于战时大量生产与勤务处理的特点，且具有容器与提供能量的双重作用，战略意义重大，因此自从20世纪问世以来，得到了迅速发展［1-3］。可燃药筒的出现促进了火炮结构与装药结构的改进，并使模块化装药得以实现。目前，主战坦克、大中口径自行火炮所使用各类炮弹及模块化装药中大多以可燃药筒作为发射装药容器［4］。

可燃药筒的燃烧性能是其最主要的性能之一，在各国的战术指标中都列在首要位置［5］。可燃药筒燃烧性能的好坏直接影响到炮弹的弹道性能及其使用价值。以抽滤模压制备的可燃药筒是一种含能的多孔复合材料，孔隙分布不均一，呈现出渗透性燃烧的特点，与符合几何燃烧规律的火药相比，具有特殊的燃烧特性，因而不能把火药的燃烧规律简单地套用于可燃药筒。同时药筒在装药过程中参与主装药的共同燃烧，对主装药的燃烧规律影响明显，进而对弹丸发射和内弹道性能带来较大影响［6-9］。因此研究可燃药筒及其装药的燃烧规律能够为可燃药筒装药设计、膛内装药的燃烧规律及弹道性能的模拟奠定基础，具有十分重要的意义。

抽滤模压工艺制备的可燃药筒强度与燃尽性是一对矛盾体［10］，药筒中硝化棉含量增加或药筒密度降低有助于燃烧，能够提高药筒的燃速，缩短药筒的燃烧时间，改善药筒的燃尽性，但会使得药筒强度降低［11］。相反，增强材料硫酸盐木浆纸含量增加、药筒密度增大对提高药筒的强度有利，但却使得药筒的燃速大幅度降低，不利于药筒的燃烧完全。因此，如何在保证可燃药筒强度的前提下改善药筒的燃尽性成为药筒研究的关键。

针对可燃药筒发展过程中存在的矛盾，本文以自制含能纤维为组分替换参比配方中的硫酸盐木浆纸，通过抽滤模压工艺制备了一系列小口径（25 mm）可燃药筒，研究了含能纤维对小口径可燃药筒力学性能和燃烧性能的影响，并分析了药筒装药的弹道性能。同时，采用弹道炮进行了小口径可燃药筒装药的射击实验，考察了药筒及其装药的燃尽性与内弹道性能。

1 实验

1.1 试样制备

实验以硝化棉、硫酸盐木浆纸、粘结剂、自制含能纤维及分散成型助剂为原材料，采用抽滤模压工艺制备3种配方的小口径可燃药筒，其中N0为参比配方，N1、N2分别以质量百分比5%和10%的含能纤维替代参比配方中的硫酸盐木浆纸，具体配方见表1所示。

表1 小口径可燃药筒制备实验配方Tab.1 Composition of small-bore combustible cartridge cases

1.2 实验方法

密度：采用美国的Micromeritics AccuPyc II 1340型真密度分析仪测试，测试介质为高纯氦气。测试温度25℃±2℃，试样尺寸为35 mm×21 mm× 2.5 mm.

压缩力：从壳体靠近底部位置切取50 mm± 1 mm圆环，上下截面平行，外观平整，测试温度25℃±2℃，加载速度20 mm/min.试样破坏时的载荷值即为压缩力，每个试样测试5次求平均值。

抗拉强度：从壳体中部位置切取120 mm圆环，以美国标准ASTM1708—95标准裁剪成哑铃状，进行抗拉强度测试，测试温度为25℃±2℃，拉伸速度为10 mm/min.用试样破坏时的拉力值计算抗拉强度，每个试样测试5次求平均值。

燃烧性能：以密闭爆发器为能量测试手段，容积为109 mL，测试温度为20℃±2℃，2号硝化棉为点火药，点火药量为1.1 g，药筒试样尺寸为35 mm× 21 mm×2.5 mm.测试方法依据GJB5472.9—2005.对小口径可燃药筒及其与发射药混合组成的装药分别进行0.12 g/cm3、0.20 g/cm3两种装填密度下的实验，每个装填密度实验3发。

2 结果与讨论

2.1 小口径可燃药筒的力学性能

可燃药筒作为装药的一个重要部件，力学性能是其主要的性能之一，对药筒的使用性能及装药的安全性能有很大的影响。对抽滤模压工艺制备的3种小口径可燃药筒的密度、压缩力与抗拉强度进行测试，测试结果见表2.其中ρ为实验测得的可燃药筒的密度，σ为药筒的抗拉强度，G为药筒的压缩力。

表2 小口径可燃药筒力学性能对比Tab.2 Comparison of mechanical properties of small-bore combustible cartridge cases

由表2可知：与参比配方N0相比，配方N1药筒的压缩力提高14%，抗拉强度降低5.6%；而配方N2药筒的压缩力与抗拉强度均降低，压缩力较参比配方降低1%，抗拉强度降低24%.结果表明，在不改变粘结剂种类和用量的情况下，加入合适比例的含能纤维能够提高药筒的压缩力，但是抗拉强度有一定程度的下降。当配方中的含能纤维含量超过10%时，药筒的压缩力及抗拉强度均下降。

2.2 小口径可燃药筒的定容燃烧性能

采用密闭爆发器对所制备的小口径可燃药筒的燃烧特性进行研究。表3为密闭爆发器测得的可燃药筒的定容燃烧结束时间tk.tk是从点火药完全燃烧（压力达到10 MPa）到测试压力值达到最大时所对应的时间。从表3中可以看出，N1配方燃烧结束时间较参比配方缩短2.86 ms，N2配方燃烧结束时间较参比配方缩短3.3 ms.密闭爆发器实验的p-t曲线如图1所示。由图1可知，p-t曲线起始段压力上升迅速，尤其是在1/4tk时压力开始迅速上升，燃烧后段，压力上升趋于平缓。与参比配方N0相比，N1与N2配方药筒燃烧速度加快，最大压力提高，燃烧结束时间明显缩短。且随含能纤维加入量的增大，该变化趋势更为明显。

表3 小口径可燃药筒密闭爆发器燃烧结束时间Tab.3 Burning-off times of small-bore combustible cartridge cases in closed-bombms

3种小口径可燃药筒的火药力f、余容α见表4.表4中，pm1、pm2分别为装填密度为0.12 g/cm3与0.20 g/cm3下测得的最大压力扣除点火压力10 MPa后的数值。由表4中数据可以看出，在药筒中添加含能纤维后，药筒的火药力提高。与参比配方N0相比较，N1、N2配方的火药力分别提高了15%、17%.

图1 小口径可燃药筒密闭爆发器p-t曲线Fig.1 p-t cures of small-bore combustible cartridge cases in closed-bomb

表4 小口径可燃药筒密闭爆发器实验测得的火药力、余容Tab.4 Measured values of impetus and covolume of small-bore combustible cartridge cases in closed-bomb

图2为可燃药筒的动态活性-相对压力（L-B）曲线。图2中，3种可燃药筒的动态活性在0.21～0.33范围内达到峰值，此时可燃药筒瞬间燃烧最为剧烈，随后又迅速下降，表现出强渐减性，在粘结剂和硝化纤维素含量一定的情况下，含能纤维的加入量越高，药筒的活性越大。活性是单位压力下压力的变化速率，活性越大，低压下压力变化速率越快，燃烧结束时间越早，故含能纤维的加入使药筒燃尽时间缩短，即提高了药筒的燃烧速度，也使得药筒的燃尽性能得到改善。

由上述分析可知，含能纤维具有提高药筒的能量、改善药筒燃烧性能的作用，在一定程度上能够有效解决药筒燃尽性问题。

2.3 可燃药筒与4/7-单装药的定容燃烧特性

为研究可燃药筒含量对装药的影响规律，采用密闭爆发器对4/7-单与参比配方N0组成的装药的燃烧规律进行分析，药筒的含量分别选择0%、10%、20%、40%、60%、80%、90%、100%.4/7-单与药筒组成的混合装药的名称采用混加数字组成，混为混合装药，数字为可燃药筒的百分含量。

图2 可燃药筒密闭爆发器L-B曲线Fig.2 L-B curves of combustible cartridge cases in closed-bomb

图3为混合装药的密闭爆发器p-t曲线。由图3可见，随着可燃药筒的含量的增加，混合装药的起始段压力上升速率加快，最大压力下降，燃烧结束时间缩短。4/7-单与可燃药筒组成的装药在燃烧初期，可燃药筒的燃烧起主要作用，药筒的减面性大，气体生成速率快，压力增加迅速，压力的增大使得4/7-单的燃烧速度提高，因而混合装药燃烧结束时间缩短。另外，在燃烧过程中4/7-单提供的氧和热量有助于可燃药筒的燃烧充分进行，使得混合装药最大压力降低。

图3 混合装药密闭爆发器p-t曲线Fig.3 p-t cures of mixed charge in closed-bomb

图4与图5分别为混合装药的密闭爆发器dp/dt-t曲线与L-B曲线。从图4中可以看出，4/7-单、混合装药、可燃药筒的燃烧都属于渐减性燃烧，只是渐减性程度有区别。4/7-单是均质火药，dp/dt-t曲线的变化趋势比较平缓，燃气生成速率开始阶段上升缓慢，经过一定的时间后才迅速上升，达到最大压力后迅速下降。在混合装药中，随着可燃药筒含量的增加，dp/dt-t曲线上升段的陡度增加，混合装药的初期燃气生成速率增大，但峰值降低，下降段趋势变缓。可燃药筒结构多孔，比表面积较大，初期的燃气生成速率增加迅速，但达到最大值后又迅速降低，表现出强渐减性燃烧的特点，且燃烧未段有较长的延迟。

图4 混合装药密闭爆发器的dp/dt-t曲线Fig.4 dp/dt-t curves of mixture charge in closed-bomb

图5 混合装药密闭爆发器的L-B曲线Fig.5 L-B cures of mixture charge in closed-bomb

由图5可知，添加可燃药筒后，混合装药的L-B曲线的开始阶段较4/7-单高，且随着混合装药中药筒含量的增加逐渐增大，这表明4/7单基药加入药筒后，装药初始燃速大于火药燃速，低压下压力上升较快，而下降段变陡表明混合装药的燃烧渐减性增强，当装药全部为可燃药筒时，燃烧程度最为剧烈，达到极值后迅速下降，表现出强渐减性燃烧。随着可燃药筒的含量增加，混合装药的最大活性逐渐增大，这表明添加可燃药筒后装药的瞬时燃烧更剧烈，这是由药筒的多孔结构与渗透性燃烧的特点所决定的。

表5为混合装药的氧平衡、火药力及余容。从表5中可以看出，混合装药的氧平衡、火药力随着混合装药中可燃药筒的含量增加而下降，基本呈直线关系，下降程度较大。药筒中由于添加了增强组分硫酸盐木浆纸，其氧平衡系数很低，因而与4/7-单组成混合装药时会降低整个装药的氧平衡，使得装药的能量下降。另外，理论计算的火药力ft与实验得到的f值不同，说明混合装药的能量不是简单的二者按比例加成，这一方面是由于可燃药筒与火药的燃烧规律不同，其呈渗透性燃烧；另一方面是当药筒中加入火药（4/7-单）后，火药提供的热量和氧有助于药筒燃烧的充分进行，能量释放完全，这也是实验值大于理论计算值的原因。

表5 混合装药的氧平衡及火药力、余容Tab.5 Oxygen balance，impetus and covolume of mixture charge

2.4 可燃药筒与不同主装药组成的混合装药定容

燃烧性能比较

采用容积为109 mL的密闭爆发器对参比配方N0与4/7-单、参比配方N0与19孔火药组成的混合装药的定容燃烧特性进行研究，混合比例为1:9（可燃药筒:主装药），该比例与弹道炮中所采用的装药比例一致。装填密度分别选择0.12 g/cm3、0.20 g/cm3，每个装填密度实验3发，测试温度为20℃～22℃（室温）。采用密闭爆发器测得的混合装药的燃烧结束时间tm、最大压力pm、火药力f分别见表6.

表6 混合装药的密闭爆发器实测参量Tab.6 Parameters of mixture charge measured by closed-bomb tests

由表6可以看出，与纯火药相比，混合装药的燃烧结束时间缩短，最大压力与火药力均降低。相比4/7-单，药筒与4/7-单组成的混合装药的火药力下降11.7%，而与19孔火药相比，药筒与19孔火药组成的混合装药的火药力下降4.7%，下降幅度较小，能量释放完全。可见，可燃药筒与不同成分、不同形状的主装药组成的混合装药的燃烧规律不同，存在着匹配问题。

图6、图7分别为可燃药筒与19孔火药、4/7单组成的混合装药的p-t曲线、动态活性曲线。从图中曲线可以看出，两种装药的燃烧规律差异较大。主装药为19孔火药时，装药的压力上升平缓，达到最大压力的时间较长，活性较低，有益于药筒的完全燃烧。因此，一般在弹道炮中选择19孔火药作为主装药。

图6 混合装药的p-t曲线Fig.6 p-t curves of mixture charges

通过对抽滤模压工艺所制备的可燃药筒的定容燃烧性能及力学性能的研究表明，以5%含能纤维替换硫酸盐木浆纸的可燃药筒N1的压缩力较参比配方N0提高了14%，而且其燃速提高，燃烧结束时间缩短，火药力增大，平衡了药筒强度与燃烧性能间的矛盾。因此，在弹道炮射击实验中，可燃药筒选择配方N1.另外，在装药的定容燃烧实验研究结果中，药筒与19孔火药匹配较合理，装药能量下降幅度小，能量释放充分，从而将其作为主装药。

图7 混合装药的L-B曲线Fig.7 L-B curves of mixture charges

2.5 小口径可燃药筒装药的射击实验

采用弹道炮对药筒装药进行射击实验，可燃药筒选择配方N0、N1，主装药为19孔火药，装药量为95.4 g.弹道炮结构参数分别为：药室容积V0= 0.4 dm3，弹丸质量m=0.23 kg.实验温度为常温（约20℃）。

弹道炮测得的小口径可燃药筒装药的内弹道性能结果如表7所示，其中药筒装药燃烧过程的压力及相应的燃烧时间（实测值）是运用电传感器测压系统测试得到的，弹丸初速是采用天幕靶测速系统测试得到的，并采用窥膛镜对可燃药筒在膛内的燃烧情况进行观察。

表7 小口径可燃药筒装药内弹道性能实验结果Tab.7 Experimental results of interior ballistic performance of small-bore combustible cartridge case charge

在表7中第1发为冷弹，用于温炮，将该数据剔除，第2发、第3发为N0与19孔火药组成的混合装药的测试结果，第4发～第7发为N1与19孔火药组成的混合装药的实验结果。

由表7中的实验结果可知，参比配方N0与19孔火药组成的混合装药在膛内燃烧不完全，膛底有微烟，且炮栓被熏黑。而N1与19孔火药组成的混合装药在膛内燃烧完全，炮栓无熏黑现象。同时，与参比配方N0相比，配方N1与19孔火药组成的装药平均膛压提高了5.3%，而弹丸的平均初速提高了2.9%.可见，含能纤维的加入，不但提高了药筒装药的弹道性能，而且使得药筒装药的燃尽性得到明显的改善。

N2与19孔火药组成的装药的平均膛压为319.2 MPa，膛压标准偏差为7.67 MPa，弹丸的平均初速为1 079 m/s，初速或然误差为6.42 m/s.

3 结论

1）在小口径可燃药筒中加入合适比例的含能纤维能够有效提高药筒的压缩力，但是当含能纤维含量大于10%时，药筒的压缩力与抗拉强度均降低。含能纤维的引入对药筒的燃烧性能有着重要的影响，其有利于提高药筒的能量，使药筒燃烧速度加快，燃烧结束时间缩短，且随药筒中含能纤维含量的增加，这种趋势更为明显，从而改善了可燃药筒的燃尽性。

2）在参比配方与4/7单基药组成的混合装药中，随着可燃药筒含量的增加，装药的起始段燃烧速率增大，最大压强下降，燃烧结束时间缩短，火药力降低。与4/7-单相比，可燃药筒与19孔火药匹配较合理，装药能量下降幅度小，能量释放充分。

3）射击实验表明，含能纤维的引入不但可以提高药筒装药的弹道性能，而且能够明显改善药筒装药的燃尽性。

（

）

［1］张兆钧，徐文娟，张会生.三种可燃药筒燃烧特性分析［J］.兵工学报，1996，17（1）：26-31. ZHANG Zhao-jun，XU Wen-juan，ZHANG Hui-sheng.Analyses on the burning properties of three kinds of combustible cartridges［J］.Acta Armamentarii，1996，17（1）：26-31.（in Chinese）

［2］Shedge M T，Patel C H，Tadkod S K.Polyvinyl acetate resin as a binder effecting mechanical and combustion properties of combustible cartridge case formulations［J］.Defence Science Journal，2008，58（3）：390-397.

［3］Kurulkar G R，Syal R K，Singh H.Combustible cartridge case formulation and evaluation［J］.Journal of Energetic Materials，1996，14（2）：127-130.

［4］李煜，赵成文，郭德惠，等.可燃药筒的定容燃烧特性［J］.火炸药学报，2009，32（4）：75-79. LI Yu，ZHAO Cheng-wen，GUO De-hui，et al.Constant-volume combustion properties of combustible cartridge case［J］.Chinese Journal of Explosives&Propellants，2009，32（4）：75-79.（in Chinese）

［5］胡国胜，张丽华，牛秉彝.单基与多基火药［M］.北京：兵器工业出版社，1996. HU Guo-sheng，ZHANG Li-hua，NIU Bing-yi.Single-base propellant and multibase propellant［M］.Beijing：Publishing House of Ordnance Industry，1996.（in Chinese）

［6］Kestusis G C，Pauline M S，William S L.Investigation of residue and coating stoichiometry on 120 mm combustible cartridge case， ADA-387313［R］.Springfiled：NTIS，2000.

［7］徐文娟，庄国镇.抽滤型可燃药筒加主装药的静态试验研究［J］.弹道学报，1993，5（2）：52-59. XU Wen-juan，ZHUANG Guo-zhen.Static experimental study on cartridge with extracted combustible case［J］.Journal of Ballistics，1993，5（2）：52-59.（in Chinese）

［8］张会生，徐文娟.可燃药筒实际燃烧速度的研究［J］.弹道学报，1996，8（4）：24-27. ZHANG Hui-sheng，XU Wen-juan.Study on the burning rate ofcombustible case［J］.Journal of Ballistics，1996，8（4）：24-27.（in Chinese）

［9］乔丽洁，堵平，廖昕，等.可燃药筒对模块装药燃烧残渣的影响［J］.兵工学报，2011，32（10）：1250-1254. QIAO Li-jie，DU Ping，LIAO Xin，et al.Influence of combustible case on combustion residue of modular charges［J］.Acta Armamentarii，2011，32（10）：1250-1254.（in Chinese）

［10］Colburn J W，Robbins F W.Combustible cartridge case ballistic characterization，BRL-MR-3835［R］.Maryland，US：Ballistic Research Laboratory，1990.

［11］贾吴楠，王琦，路桂娥，等.环境湿度对可燃药筒燃烧性能的影响［J］.弹道学报，2013，25（1）：81-84. JIA Wu-nan，WANG Qi，LU Gui-e，et al.Influence of humidity on combustion performance of CCC［J］.Journal of Ballistics，2013，25（1）：81-84.（in Chinese）

Research on Combustion Performance of Small-bore Molded Combustible Cartridge Case and Charge

ZOU Wei-wei1，HAO Xiao-qin1，ZHANG Zhi-yong1，DANG Hai-yan1，ZHOU Wei-liang2
（1.Beijing Institute of Specialized Machinery，Beijing 100039，China；2.School of Chemical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

In order to improve the burning-off property，a small-bore combustible cartridge cases with energetic fibers are manufactured by using pulp molding method.The combustion performance and mechanical property of small-bore combustible cartridge case and the energy discharge function of combustible small-bore cartridge case charge are analyzed by experimental measurement.The results show that the small-bore combustible cartridge case with energetic fibers is beneficial to increase the burning rate，shorten the constant volume combustion time，and improve the burn-off property and ballistic property. The impetus of the mixed charge declines and burning rate increases with the increase in CCC.Compared to the mixed charge of combustible cartridge case and 4/7 single base propellants，the small-bore combustible cartridge case with 7/19 single base propellants is more reasonable，the charge energy decline lightly and the energy can be released sufficiently.

ordnance science and technology；combustible cartridge case；energetic fiber；charge；combustion performance

TJ410.3+66

A

1000-1093（2015）08-1423-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.08.008

2014-05-05

国家“973”重大基础研究项目（973-613126）

邹伟伟（1985—），男，工程师。E-mail：zouweiwei57@sina.com；周伟良（1965—），男，研究员，博士生导师。E-mail：wlzhou331@163.com