第三节 层状发射药

国内外研究发现，一些发射装药技术，如多孔粒状药技术、表面钝感技术、低温度系数技术、变燃速技术等，通过采用制式发射药配方、多孔粒状外形，有效提高了传统单孔粒状药的内弹道性能。但随着这些技术的推广应用，如何进一步创新发射装药概念，推动身管武器内弹道性能持续改进，已经成为当前迫切需要解决的重大课题。大量的研究工作证实，通过密实装药等技术途径制得的高装填密度装药，有效提高了发射装药的总能量，但难以解决膛压快速上升、燃烧稳定性不佳等问题；虽然通过粒状药表面钝感改善了发射装药的燃烧渐增性，但由于目前弹药产品中粒状药装填密度已接近极限，无法进一步大幅度提高弹丸的动能水平。

目前，人们提出了一种新概念发射药—程序控制燃烧发射药，也称为层状发射药。该概念将发射药配方和发射装药、提高发射药的燃烧渐增性和提高发射装药的总能量等结合起来考虑，在不增加火炮最大膛压的前提下，弹丸炮口动能水平可提高10%以上，具有重要的军事应用价值。

一、基本概念

层状发射药是利用不同燃速但有足够化学安定性的相邻几层材料制成的，按线性燃速渐增原理设计的一种新型高渐增性高密度发射药。层状发射药的基本设想是：通过发射药表层结构的特殊设计，使其由外及里燃速不断增加；同时，通过发射药几何外形的特殊设计，使其具有较高的装填密度，装填密度大（通常在1.3g/cm³以上）。在高装填密度条件下，发射药按预先设定的程序，先缓燃后速燃，装药能量释放早期少后期多，最终达到不增加最大膛压而大幅度提高弹丸动能水平的目的。

美国研究人员将纳米含能材料引入高能层状发射药中，使发射药的平均火药力提高到1299J/g；法国研制出NENA（硝氧乙基硝氨）基高能层状发射药，其速燃配方的燃速为7470m/s，慢燃配方的燃速为3770～5370m/s，荷兰采用计算机软件扩大层状发射药的同步挤出规模，并制备了无孔层状发射药和七孔层状发射药。2011年，美国和英国联合报道了层状发射药的内弹道性能研究结果，制造了145个药柱，完成了大口径火炮系统中的综合评价且取得理想效果。

二、构成要素

层状发射药的构成要素包括高渐增性表层结构、高装填密度几何外形。

传统的随行装药、高渐增性装药（如多孔粒状药、表面钝感粒状药）等概念，给出了装药燃烧应具备渐增特点，但通常不具备高装填密度特性；传统高装填密度装药概念指出了发射药几何外形特点，但没有给出其高渐增燃烧特性。层状发射药的概念，同时规定了发射药的燃烧和几何结构特点，因此不同于传统的发射药概念。

（一）高渐增性表层结构的实现途径

通过发射药表层结构的特殊设计，使其由外及里燃速不断增加，结构上可以有多种方案，如双层、三层、四层或更多层。其中，双层药的外层为缓燃层，另一层为内部发射药速燃层；三层药的外部两层为燃速较低的缓燃层，另一层为内部发射药速燃层；四层药的外部三层为燃速较低的缓燃层，另一层为内部发射药速燃层；同理类推，N层药中，外部N-1层为缓燃层，另一层为内部发射药速燃层。实现上述高渐增性表层结构有多种技术途径，如通过发射药表面钝感、表面包覆、表面涂层、多层共挤、多层共压等技术途径，均可制得具有不同表层结构的发射药。

（二）高装填密度几何外形的实现途径

通过发射药几何外形的特殊设计，可以获得高装填密度。

（1）整体式外形，如图2-7所示。这种发射药的外观可以是圆柱多孔结构、圆柱单孔结构和一体式圆柱结构等。内部可以是均一发射药，也可以由小粒药压制而成。

（2）多根药柱式外形，如图2-8所示。这类发射药为长管状发射药，将多根发射药组合，可组成多根药柱式发射装药。管状发射药可以是多孔圆柱状、多孔单层环面状和多层环面状等。

（3）片状外形，如图2-9和图2-10所示。这类发射药为片状，将多片或单片发射药组合，可组成纵向片状排列发射装药（见图2-9），也可组成多层纵向片状排列发射装药（见图2-10）。

三、工作原理

（一）燃烧渐增性对内弹道性能的影响

由经典内弹道理论定义可知：

式中：p为弹底压力；l为弹丸移动距离；p_m为弹底最大膛压；l_g为炮管长度；W_g为火炮药室容积；m为弹丸质量；v_g为弹丸炮口速度；η_g为药室容积充满系数；φ为次要功计算系数，其大小与发射药装药的能量释放规律，即燃烧渐增性有关。西安近代化学研究所对不同发射药进行了大量密闭爆发器和内弹道发射对比试验研究，发现在弹道试验器材一定的情况下，发射药的密闭爆发器试验燃烧渐增因子P_r与其内弹道发射试验结果有以下经验公式成立：

式中：a、b为与弹道器材有关的常数；P_r为发射药密闭爆发器试验测得的燃烧渐增因子（无量纲）。其中，P_r定义为

式中：L为密闭爆发器试验测得的燃烧活度；B_s为燃烧分裂点对应的相对压力B值；L_s为燃烧分裂点对应的相对压力值；L_0.1为相对压力0.1时对应的燃烧活度值；L_0.3为相对压力0.3时对应的燃烧活度值。根据P_r定义的几何和物理意义，其值越大，发射药燃烧渐增性越强。

（二）装药总能量对内弹道性能的影响研究

将几种典型制式发射药装药的总能量和弹丸总动能作图，结果显示，即使是火炮种类、发射药和弹丸不同，在最大膛压相近的情况下，弹丸总动能和发射药总能量存在以下线性关系式：

式中：E_弹为弹丸动能，；E_药=f·ω；c为能量转化常数；m为弹丸质量；v_g为弹丸炮口速度；f为发射药火药力；ω为发射药装药量。

选取不同的程序控制燃烧发射药，如表面钝感、表面包覆、颗粒模压、多层等不同系列的发射药样品在30mm高压模拟火炮中的内弹道试验结果，将发射药样品的总能量和弹丸动能作图，结果表明，弹丸动能和发射药能量依然存在式（2-4）所示的关联关系。

（三）燃烧渐增性和发射装药总能量对内弹道性能的影响研究

将式（2-1）和式（2-3）合并可得：

由式（2-1）知，在最大膛压不变的情况下，提高弹丸初速，必须同时提高发射药的燃烧渐增性。由式（2-3）知，提高弹丸初速，必须同时提高发射药装药的总能量。由式（2-4）知，在最大膛压不变的情况下，提高发射药的燃烧渐增性，必须同时提高发射药装药总能量。

为了更清楚地分析发射装药特性对其内弹道参数的影响，依据式（2-1）～式（2-4），可以预测不同组合情况下的内弹道参数变化趋势，结果见表2-1。

从表2-1可看出以下几点。

（1）弹丸速度与发射药装药总能量的变化趋势一致，即提高发射药总能量，将提高弹丸速度，反之亦然。因此，发射药装药的总能量水平决定弹丸的速度水平。

（2）最大膛压与发射药燃烧渐增性的变化趋势相反，即提高发射药燃烧渐增性，将降低最大膛压，反之亦然。因此，发射药的燃烧渐增性水平直接影响最大膛压水平。

（3）在最大膛压不增加的前提下，能带来弹丸速度增加的只有组合3，即同时提高发射药燃烧渐增性和提高发射药总能量水平。

上述结果说明，在维持最大膛压不变的情况下提高弹丸速度，发射药装药必须同时具备高燃烧渐增性和高能量两个基本特性，这就证明了层状发射药概念的原理。