第三節(jié) 層狀發(fā)射藥

國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，一些發(fā)射裝藥技術(shù)，如多孔粒狀藥技術(shù)、表面鈍感技術(shù)、低溫度系數(shù)技術(shù)、變?nèi)妓偌夹g(shù)等，通過采用制式發(fā)射藥配方、多孔粒狀外形，有效提高了傳統(tǒng)單孔粒狀藥的內(nèi)彈道性能。但隨著這些技術(shù)的推廣應(yīng)用，如何進(jìn)一步創(chuàng)新發(fā)射裝藥概念，推動(dòng)身管武器內(nèi)彈道性能持續(xù)改進(jìn)，已經(jīng)成為當(dāng)前迫切需要解決的重大課題。大量的研究工作證實(shí)，通過密實(shí)裝藥等技術(shù)途徑制得的高裝填密度裝藥，有效提高了發(fā)射裝藥的總能量，但難以解決膛壓快速上升、燃燒穩(wěn)定性不佳等問題；雖然通過粒狀藥表面鈍感改善了發(fā)射裝藥的燃燒漸增性，但由于目前彈藥產(chǎn)品中粒狀藥裝填密度已接近極限，無法進(jìn)一步大幅度提高彈丸的動(dòng)能水平。

目前，人們提出了一種新概念發(fā)射藥—程序控制燃燒發(fā)射藥，也稱為層狀發(fā)射藥。該概念將發(fā)射藥配方和發(fā)射裝藥、提高發(fā)射藥的燃燒漸增性和提高發(fā)射裝藥的總能量等結(jié)合起來考慮，在不增加火炮最大膛壓的前提下，彈丸炮口動(dòng)能水平可提高10%以上，具有重要的軍事應(yīng)用價(jià)值。

一、基本概念

層狀發(fā)射藥是利用不同燃速但有足夠化學(xué)安定性的相鄰幾層材料制成的，按線性燃速漸增原理設(shè)計(jì)的一種新型高漸增性高密度發(fā)射藥。層狀發(fā)射藥的基本設(shè)想是：通過發(fā)射藥表層結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，使其由外及里燃速不斷增加；同時(shí)，通過發(fā)射藥幾何外形的特殊設(shè)計(jì)，使其具有較高的裝填密度，裝填密度大（通常在1.3g/cm³以上）。在高裝填密度條件下，發(fā)射藥按預(yù)先設(shè)定的程序，先緩燃后速燃，裝藥能量釋放早期少后期多，最終達(dá)到不增加最大膛壓而大幅度提高彈丸動(dòng)能水平的目的。

美國(guó)研究人員將納米含能材料引入高能層狀發(fā)射藥中，使發(fā)射藥的平均火藥力提高到1299J/g；法國(guó)研制出NENA（硝氧乙基硝氨）基高能層狀發(fā)射藥，其速燃配方的燃速為7470m/s，慢燃配方的燃速為3770～5370m/s，荷蘭采用計(jì)算機(jī)軟件擴(kuò)大層狀發(fā)射藥的同步擠出規(guī)模，并制備了無孔層狀發(fā)射藥和七孔層狀發(fā)射藥。2011年，美國(guó)和英國(guó)聯(lián)合報(bào)道了層狀發(fā)射藥的內(nèi)彈道性能研究結(jié)果，制造了145個(gè)藥柱，完成了大口徑火炮系統(tǒng)中的綜合評(píng)價(jià)且取得理想效果。

二、構(gòu)成要素

層狀發(fā)射藥的構(gòu)成要素包括高漸增性表層結(jié)構(gòu)、高裝填密度幾何外形。

傳統(tǒng)的隨行裝藥、高漸增性裝藥（如多孔粒狀藥、表面鈍感粒狀藥）等概念，給出了裝藥燃燒應(yīng)具備漸增特點(diǎn)，但通常不具備高裝填密度特性；傳統(tǒng)高裝填密度裝藥概念指出了發(fā)射藥幾何外形特點(diǎn)，但沒有給出其高漸增燃燒特性。層狀發(fā)射藥的概念，同時(shí)規(guī)定了發(fā)射藥的燃燒和幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此不同于傳統(tǒng)的發(fā)射藥概念。

（一）高漸增性表層結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)途徑

通過發(fā)射藥表層結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，使其由外及里燃速不斷增加，結(jié)構(gòu)上可以有多種方案，如雙層、三層、四層或更多層。其中，雙層藥的外層為緩燃層，另一層為內(nèi)部發(fā)射藥速燃層；三層藥的外部?jī)蓪訛槿妓佥^低的緩燃層，另一層為內(nèi)部發(fā)射藥速燃層；四層藥的外部三層為燃速較低的緩燃層，另一層為內(nèi)部發(fā)射藥速燃層；同理類推，N層藥中，外部N-1層為緩燃層，另一層為內(nèi)部發(fā)射藥速燃層。實(shí)現(xiàn)上述高漸增性表層結(jié)構(gòu)有多種技術(shù)途徑，如通過發(fā)射藥表面鈍感、表面包覆、表面涂層、多層共擠、多層共壓等技術(shù)途徑，均可制得具有不同表層結(jié)構(gòu)的發(fā)射藥。

（二）高裝填密度幾何外形的實(shí)現(xiàn)途徑

通過發(fā)射藥幾何外形的特殊設(shè)計(jì)，可以獲得高裝填密度。

（1）整體式外形，如圖2-7所示。這種發(fā)射藥的外觀可以是圓柱多孔結(jié)構(gòu)、圓柱單孔結(jié)構(gòu)和一體式圓柱結(jié)構(gòu)等。內(nèi)部可以是均一發(fā)射藥，也可以由小粒藥壓制而成。

（2）多根藥柱式外形，如圖2-8所示。這類發(fā)射藥為長(zhǎng)管狀發(fā)射藥，將多根發(fā)射藥組合，可組成多根藥柱式發(fā)射裝藥。管狀發(fā)射藥可以是多孔圓柱狀、多孔單層環(huán)面狀和多層環(huán)面狀等。

（3）片狀外形，如圖2-9和圖2-10所示。這類發(fā)射藥為片狀，將多片或單片發(fā)射藥組合，可組成縱向片狀排列發(fā)射裝藥（見圖2-9），也可組成多層縱向片狀排列發(fā)射裝藥（見圖2-10）。

三、工作原理

（一）燃燒漸增性對(duì)內(nèi)彈道性能的影響

由經(jīng)典內(nèi)彈道理論定義可知：

式中：p為彈底壓力；l為彈丸移動(dòng)距離；p_m為彈底最大膛壓；l_g為炮管長(zhǎng)度；W_g為火炮藥室容積；m為彈丸質(zhì)量；v_g為彈丸炮口速度；η_g為藥室容積充滿系數(shù)；φ為次要功計(jì)算系數(shù)，其大小與發(fā)射藥裝藥的能量釋放規(guī)律，即燃燒漸增性有關(guān)。西安近代化學(xué)研究所對(duì)不同發(fā)射藥進(jìn)行了大量密閉爆發(fā)器和內(nèi)彈道發(fā)射對(duì)比試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在彈道試驗(yàn)器材一定的情況下，發(fā)射藥的密閉爆發(fā)器試驗(yàn)燃燒漸增因子P_r與其內(nèi)彈道發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果有以下經(jīng)驗(yàn)公式成立：

式中：a、b為與彈道器材有關(guān)的常數(shù)；P_r為發(fā)射藥密閉爆發(fā)器試驗(yàn)測(cè)得的燃燒漸增因子（無量綱）。其中，P_r定義為

式中：L為密閉爆發(fā)器試驗(yàn)測(cè)得的燃燒活度；B_s為燃燒分裂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相對(duì)壓力B值；L_s為燃燒分裂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相對(duì)壓力值；L_0.1為相對(duì)壓力0.1時(shí)對(duì)應(yīng)的燃燒活度值；L_0.3為相對(duì)壓力0.3時(shí)對(duì)應(yīng)的燃燒活度值。根據(jù)P_r定義的幾何和物理意義，其值越大，發(fā)射藥燃燒漸增性越強(qiáng)。

（二）裝藥總能量對(duì)內(nèi)彈道性能的影響研究

將幾種典型制式發(fā)射藥裝藥的總能量和彈丸總動(dòng)能作圖，結(jié)果顯示，即使是火炮種類、發(fā)射藥和彈丸不同，在最大膛壓相近的情況下，彈丸總動(dòng)能和發(fā)射藥總能量存在以下線性關(guān)系式：

式中：E_彈為彈丸動(dòng)能，；E_藥=f·ω；c為能量轉(zhuǎn)化常數(shù)；m為彈丸質(zhì)量；v_g為彈丸炮口速度；f為發(fā)射藥火藥力；ω為發(fā)射藥裝藥量。

選取不同的程序控制燃燒發(fā)射藥，如表面鈍感、表面包覆、顆粒模壓、多層等不同系列的發(fā)射藥樣品在30mm高壓模擬火炮中的內(nèi)彈道試驗(yàn)結(jié)果，將發(fā)射藥樣品的總能量和彈丸動(dòng)能作圖，結(jié)果表明，彈丸動(dòng)能和發(fā)射藥能量依然存在式（2-4）所示的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

（三）燃燒漸增性和發(fā)射裝藥總能量對(duì)內(nèi)彈道性能的影響研究

將式（2-1）和式（2-3）合并可得：

由式（2-1）知，在最大膛壓不變的情況下，提高彈丸初速，必須同時(shí)提高發(fā)射藥的燃燒漸增性。由式（2-3）知，提高彈丸初速，必須同時(shí)提高發(fā)射藥裝藥的總能量。由式（2-4）知，在最大膛壓不變的情況下，提高發(fā)射藥的燃燒漸增性，必須同時(shí)提高發(fā)射藥裝藥總能量。

為了更清楚地分析發(fā)射裝藥特性對(duì)其內(nèi)彈道參數(shù)的影響，依據(jù)式（2-1）～式（2-4），可以預(yù)測(cè)不同組合情況下的內(nèi)彈道參數(shù)變化趨勢(shì)，結(jié)果見表2-1。

從表2-1可看出以下幾點(diǎn)。

（1）彈丸速度與發(fā)射藥裝藥總能量的變化趨勢(shì)一致，即提高發(fā)射藥總能量，將提高彈丸速度，反之亦然。因此，發(fā)射藥裝藥的總能量水平?jīng)Q定彈丸的速度水平。

（2）最大膛壓與發(fā)射藥燃燒漸增性的變化趨勢(shì)相反，即提高發(fā)射藥燃燒漸增性，將降低最大膛壓，反之亦然。因此，發(fā)射藥的燃燒漸增性水平直接影響最大膛壓水平。

（3）在最大膛壓不增加的前提下，能帶來彈丸速度增加的只有組合3，即同時(shí)提高發(fā)射藥燃燒漸增性和提高發(fā)射藥總能量水平。

上述結(jié)果說明，在維持最大膛壓不變的情況下提高彈丸速度，發(fā)射藥裝藥必須同時(shí)具備高燃燒漸增性和高能量?jī)蓚€(gè)基本特性，這就證明了層狀發(fā)射藥概念的原理。