提高装药总能量及其能量利用率是提高火炮威力的有效途径之一[1-4]。颗粒模压发射药是将钝感技术、包覆技术和模压技术结合在一起，有效利用药室空间，实现高装填密度，满足武器高初速性能的要求。对比传统的粒状发射药，颗粒模压发射药单位容积能量密度能够提高20%~40%[5-6]。颗粒模压药的优点在于能提高装药的装填密度，改善发射药的燃烧渐增性，提高武器系统的效率，即提高射速、改善机动性、提高可靠性能。
颗粒模压发射药的燃烧是先从粘结剂开始燃烧，粘结剂的燃烧促使模压药块开始解体，然后基药再燃烧。基药解体后燃面迅速增加，使最大压力出现在膛容较大的瞬间，有效遏制了膛内初始压力的快速上升，发射药燃烧后生成的热能部分转化为火炮动能，达到提高火炮初速的目的。在颗粒模压药解体燃烧的前半程，通过调节颗粒模压药的密实性，减缓药体的起始燃烧，调节模块解体燃烧特性，在颗粒模压药解体燃烧的后半程，通过调节颗粒模压发射药的基药性能来改变发射药在膛内的燃烧状态，实现武器高初速性能。在此基础上，本研究设计了四种模块密度和三种不同基药处理方法的的颗粒模压发射药样品，利用密闭爆发器试验和30 mm模拟弹道炮试验，获得了模块密度和基药的表面处理方法对其燃烧性能的影响规律。
2 实验 2.1 样品制备以高能硝胺发射药RGD7A-6/7粒状药为基药。称取一定量基药，用黏结剂进行涂覆。黏结剂采用一种高温(＞40 ℃)变软、低温(＜-20 ℃)变脆的含能粘结剂B，质量分数1%~5%。用非挥发性溶剂将含能黏结剂完全溶解，均匀涂覆在基药表面上，在特制模具中将涂覆好的药粒压成一定形状的模块，经处理后得到颗粒密实模块药试验样品。其中样品MD1、MD2、MD3、MD4是以空白RGD7A-6/7为基药，药柱的密度分别是1.05, 1.15, 1.25, 1.35 g·cm-3。样品MD5、MD6和MD7的药柱密度均为1.25 g·cm-3，MD5是将空白RGD7A-6/7粒状药经过包覆处理后制成的颗粒模压发射药，MD6是空白RGD7A-6/7粒状药钝感处理后制成的颗粒模压发射药，MD7是空白RGD7A-6/7粒状药经过钝感，然后再进行包覆处理模压制成的颗粒模压发射药。
2.2 发射药静态燃烧性能的测定在装填密度为0.2 g·cm-3，实验温度20 ℃，点火药为2# NC，药量1.1 g，点火压力10 MPa的实验条件下，在常规密闭爆发器中测试了样品的静态燃烧性能，并对密闭爆发器试验得到样品的p-t曲线进行处理，得到L-B曲线。
2.3 发射药静态燃烧渐增性能定量评价[7]本研究采用发射药燃烧渐增性因子Pr表征发射药静态燃烧性能，其定义如下：
| $ {{P}_{r}}={{B}_{\rm{s}}}\times {{L}_{\rm{s}}}/\left( {{L}_{0.1}}+{{L}_{0.3}} \right) $ | (1) |
式中，Pr为发射药燃烧渐增性因子，Pr值越大，燃烧渐增性越强；L为动态活度，B为相对压力，Bs为燃烧分裂点对应的B值，Ls为燃烧分裂点对应的动态活度值，L0.1为相对压力0.1对应的动态活度值，L0.3为相对压力0.3对应的动态活度值。
2.4 弹道试验弹道试验采用30 mm高压模拟试验火炮，弹丸质量约200 g，火炮身管为滑膛结构，弹丸行程长1.66 m，药室容积0.335 dm3。用靶线法测试弹丸距炮口10 m处的速度，用铜柱测试膛底最大压力，点火药为2#小粒黑。
3 结果与讨论 3.1 密度对模压药燃烧性能的影响RGD7A-6/7基药及MD1、MD2、MD3和MD4共5种样品的密闭爆发器试验p-t曲线如图 1所示。试验表明，随着密度的增加，模压药的压力上升变缓，达到最大压力所需时间越长。这说明：在一定密度范围内，模压药能有效遏制膛内初始压力的上升；模压药的密度越大，膛内初始压力上升越慢，能有效地抑制弹丸运动初期膛内的压力增长。
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图 1 不同密度样品的p-t曲线 Fig.1 p-t curves of samples with different densities |
计算上述5种样品燃烧渐增因子Pr值, 见表 1。由表 1可见基药RGD7A-6/7的Pr值是0.2695，样品MD1、MD2、MD3、MD4的Pr值均高于散状基药，这表明颗粒模压药具有良好的燃烧渐增性。
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表 1 不同密度样品的Pr计算值 Tab.1 Pr calculation results of samples with different densities |
上述5种样品的L-B曲线如图 2所示。分析L-B曲线得出：模压药的燃烧过程可分为粘结剂的燃烧、粘结剂与基药的共同燃烧、基药燃烧三个阶段。在前期燃烧过程中，由于整体装药的紧密特性，燃烧开始阶段的燃面小，有效地抑制发射药燃烧开始阶段的压力增长。随着粘结剂的燃烧促使药柱解体破裂成原始药粒，药粒在很宽的燃烧区域内以增速方式燃烧，其表面燃烧发生在个别热点上或包覆膜的缺陷处, 这些热点和缺陷处在燃烧过程中则汇合在一起, 使燃烧表面增多，燃速逐渐增加，使最大压力出现在膛容较大的瞬间，避免了膛内初始压力上升过快，并维持一定的压力平台或延缓压力的下降。而模块越密实(MD4)，起始阶段模压药的解体越慢，随着燃烧的进行，模压药开始解体为药粒状，燃烧总面增大，燃烧渐增性增强。
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图 2 不同密度样品的L-B曲线 Fig.2 L-B curves of samples with different densities |
样品MD5、MD6和MD7的p-t曲线和L-B曲线分别如图 3、图 4所示。其Pr结果见表 2。从p-t曲线(图 3)可以看出，MD7达到最大压力所需时间最长；MD5达到最大压力所需时间最短。从表 2可以得出，样品MD5，MD6和MD7的Pr值分别是0.4262, 0.5194, 0.6192。MD5、MD6和MD7相比，随着(L0.1+L0.3)值减小，Pr值依次增大。这说明经钝感、包覆处理的基药压制成颗粒模压发射药的燃烧性能发生很大变化。从Pr值可以看出，颗粒模压发射药的基药的表面处理方式不同，颗粒模压药的燃烧性能的改变程度也不同。分析L-B曲线(图 4)可以得出，样品MD5、MD6和MD7在药柱解体破裂成原始药粒，燃烧总面积增大，燃烧渐增性增强。相对MD5和MD6，MD7起始阶燃烧较慢，燃气生成速率较低，表明钝感包覆的合理匹配有效减缓了基药的起始燃烧，抑制了起始膛压的增长，同时MD7燃烧结束点向后延迟，延缓了压力下降，有利于形成压力平台，提高发射药的燃烧渐增性。
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图 3 不同基药处理方法样品的p-t曲线 Fig.3 p-t curves of samples with different based-propellants |
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图 4 不同基药处理方法样品的L-B曲线 Fig.4 L-B curves of samples with different based-propellants |
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表 2 不同基药处理方法样品的Pr计算值 Tab.2 Pr calculation results of samples with different based-propellants |
对MD5、MD6和MD7和RGD7A-6/7 4种样品进行30 mm模拟弹道炮试验，常温内弹道试验结果见表 3。在保持膛压相当的情况下，与散状药RGD7A-6/7相比，样品MD5、MD6初速分别提高了15.8, 41.0 m·s-1，提高幅度为1.2%, 3.1%，炮口动能分别提高了2.3%, 6.2%；MD7在膛压低于散装药29.7 MPa下，初速提高了88.8 m·s-1，提高幅度为6.6%，炮口动能提高13.8%。弹道实验结果表明，相比MD5、MD6，基药经过钝感包覆处理后的MD7的弹道性能最好，表明其燃烧渐增性最好。这主要因为基药经过表面钝感包覆处理后，燃烧过程中的高压期出现推迟，随着燃烧的进行，气体生成速率越来越大，为弹丸在身管中的运动提供充足的动力，有效提高了弹丸初速。
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表 3 不同基药处理方法样品内弹道试验结果 Tab.3 Test results of samples with different based-propellants obtained by interior ballistic test |
(1) 颗粒模压发射药通过改变其密实性来改善燃烧渐增性，采用不同密实性的模压药，可控制发射药燃烧渐增性，有效地提高了武器弹道性能。在一定范围内(1.0~1.5 g·cm-3)，颗粒模压发射药越密实，则其解体越慢，燃烧渐增性越好。
(2) 散状基药的表面处理方法对模块药的性能有较大的影响，对基药进行表面处理可明显改变模压发射药的燃烧规律，提高燃烧中后期燃气生成活度，有利于提高颗粒模压发射药的燃烧渐增性，经过钝感包覆处理过的模压药MD7的燃烧渐增性因子从空白药的0.2695提高到0.6192，在膛压相对较低的情况下，弹丸初速提高了88.8 m·s-1，提高幅度为6.6%，炮口动能提高了13.8%。
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