基于RDX, GAP和 TAGN等成分的火炮用高能发射药研究High Energy Propellants for Gun Ammunition Based onRDX, GAP and TAGN Compositions

基于 RDX, GAP和 TAGN等成分的火炮用高能发射药研究 High Energy Propellants for Gun Ammunition Based onRDX, GAP and TAGN Compositions

任华杰 1，冀志轩 2，席闯 3

海装沈阳局驻沈阳地区第三军事代表室，辽宁沈阳， 110003

摘要：本文研究了以 黑索今（RDX）、三氨基胍硝酸盐（TAGN）、聚叠氮缩水甘油醚（GAP）等成分为基础的发射药成分，旨在从指标性能和弹道性能两个方面选择适合先进火炮弹药的发射药。本文测定了不同发射药组分在感度、热特征量、热稳定性和力学性能方面的数据，以评估其适用性。

关键字：火药力、黑索今、三氨基胍硝酸盐、聚叠氮缩水甘油醚

Keywords: Force Constant、RDX、TAGN、GAP

1. 简介

由于传统的硝化甘油或硝化二乙二醇/二硝基甲苯发射药在能量输出方面已达到饱和水平，为满足炮射弹药不断提高的射程和初速，更加高能的发射药需要被研制出来。火炮弹药发射装药设计的主要准则是: 1、尽可能高的初速；2、相对较低的火焰温度；3、可接受的燃速特性。

发射药设计追求高的初速是为了实现更远的射程，更高的精度和更好的命中概率，也可以保证破甲弹丸成功穿透现代装甲。而发射药设计追求较低的火焰温度是为了减少炮管磨损，从而提高炮管使用寿命。另外，燃烧速率特性，即线性燃烧系数(β1)和压力指数(α)是决定火炮弹药推进剂的燃烧特性和适用性的重要参数，与火炮的寿命和安全性有关。因此，未来的火炮发射药必须具有更高的力常数F > 1200J/g ，以达到尽可能高的初速，火焰温度必须低于3273k (或3000℃)以确保使用寿命，而压力指数值α< 1.0以保证火炮使用安全。

众所周知，在硝化棉（NC）基体中加入能量材料（RDX、GAP等）可以大大提高火炮发射药的能量输出，从而提高发射药的力常数。根据文献^[1]说明，含有黑索今颗粒的推进剂能有效地提高力常数。然而，据我们所知，关于炮弹用基于黑索今的推进剂在可加工性和弹道要求方面的详细研究尚未在公开文献中发表。同样，尽管聚叠氮缩水甘油醚（GAP）作为一种能量增塑剂已经用于固体火箭推进剂中 ^[2、3] ，但其在火炮发射药中的应用只在少数出版物中有报道^[4、5]。而在基于三氨基胍硝酸盐(TAGN)配方的发射药^[6,7]虽有一些理论研究报道，但已发表的试验工作很少使用这种添加剂^[8]。

鉴于此，本文通过试验详细研究了含有不同浓度的能量材料如黑索今、聚叠氮缩水甘油醚、三氨基胍硝酸盐等的火炮发射药配方。通过我们研究的结果，旨在获得更高的发射能量，并能够评价发射药在加工性能、灵敏度、热塑性、热稳定性和机械性能方面的情况。最后，希望在此基础上，能够提供适用于火炮弹药的发射药配方。

2. 试验

2.1材料和合成物

有些材料是实验室自制的，如氮含量为13.1% 的硝化棉、平均直径为0.05mm 的黑索今颗粒和三氨基胍硝酸盐，而有些材料是从市场采购的，如邻苯二甲酸二辛酯（DOP）、氨基甲酸酯、间苯二酚、水合肼和有机溶剂。这样，我们就可以在实验室合成三氨基胍硝酸盐（TAGN）、聚叠氮缩水甘油醚（GAP）。以环氧氯丙烷为原料，与叠氮化钠反应合成聚环氧氯丙烷。以硝酸胍为原料，水合肼为催化剂，通过肼解反应合成了硝酸胍(80%)。三氨基胍硝酸盐 和聚叠氮缩水甘油醚合成方法的具体细节可在文献^[9]查阅。

2.2发射药配比和生产过程

发射药基于黑索金、聚叠氮缩水甘油醚和三氨基胍硝酸盐的不同组分进行配比(表1-9)，并利用4therm5program算法^[10]计算了这些组分在热化学性质方面的理论性能。发射药制作过程采用标准溶剂法^[11] ，丙酮与乙醇按70:30的比例混合30% 溶液。乙酸乙酯一直被用作溶剂来处理含三氨基胍硝酸盐成分的发射药。这些发射药采用多孔结构，并通过各种性能评价试验。

2.3发射药评估

发射药在700cm³的高压密闭容器中进行弹道参数测定，压力密度2.0g/cm³。撞击感度根据Bruceton Staircase方法^[12]设置的标准“落锤”测定 ，而摩擦感度在Julius Peters装置^[13]上进行评估，需要逐渐将负荷从0.2公斤增加到36公斤，直到5个连续测试样品中没有发生点火或爆炸。稳定性方面的研究是基于发射药样品加热过程中气态氮氧化物的演变规律，采用定性和定量方法，通过Julius Peter绝热量热计测定发射药组成的量热值。点火温度通过Julius Peter绝热量热计测定，分解机理则在DTA的理论^[14]基础上开展研究，发射药力学性能则通过万能试验机进行测试。

三、试验结果

该试验对在密闭容器条件下进行试验的火炮发射药进行了评估，试验按照三个不同组分进行，内容包括感度、热特征量、热稳定性和力学性能等方面。

3.1以黑索今(RDX)为能量组分的发射药

我们以硝化棉(NC)、邻苯二甲酸二辛酯(DOP)、氨基甲酸酯（CARB）和平均粒径(0.05mm)的黑索今颗粒(RDX)为原料，配制了6种不同组分的发射药，并用“ therm”程序计算了其理论性能(表1)。采用标准溶剂法，用30% 丙酮：乙醇(70:30)混合溶液作为溶剂进行处理。研究发现，只有含55%-70% 黑索今和24-36% 硝化棉的组合物才可以用来调整发射药的能量密度。因此，只有4种组合物被制成多孔结构，并用于测定弹道性能(表2)。为了测定其机械性能，我们还制备了标准试样，并将其放在 Instron 试验机中进行测定(表3)。我们进一步测试这些组合物，以测定其他方面的适用性，例如感度、热特征量和热稳定性(表4)。

表1黑索今为主要成分的发射药化学组分和理论指标

表2黑索今为主要成分的发射药弹道性能

表3黑索今为主要成分的发射药机械性能

表4黑索今为主要成分的发射药在适用性方面的试验数据

3.2以聚叠氮缩水甘油醚（GAP）为主要成分的发射药

为了提高发射药的力常数，用含能塑化剂聚叠氮缩水甘油醚代替非含能塑化剂邻苯二甲酸二辛酯，聚叠氮缩水甘油醚基础成分的数据参见表5。这些成分也被用于测定弹道参数和其他方面，如敏感性、热特征量、热稳定性和机械性能。试验结果表明，通过对比聚叠氮缩水甘油醚组分的可见吸收光谱与基于邻苯二甲酸二辛酯组分的可见吸收光谱情况，结果表明在密闭容器试验条件下，在弹道性能方面，聚叠氮缩水甘油醚比邻苯二甲酸二辛酯提高6ー8%，在力学性能方面，聚叠氮缩水甘油醚比邻苯二甲酸二辛酯提高8% ，线性燃烧系数β1方面，聚叠氮缩水甘油醚比邻苯二甲酸二辛酯提高7% ，压力指数α方面，聚叠氮缩水甘油醚比邻苯二甲酸二辛酯降低13% (表6)。压力/时间分布曲线表明聚叠氮缩水甘油醚组分发射药比邻苯二甲酸二辛酯组分发射药有更高的压力变化速率，如图1。

图1 压力变化速率曲线

另外，在感度、热特征量和热稳定性方面，这两个不同组分的发射药性能相当（表7），但聚叠氮缩水甘油醚组的机械性能比邻苯二甲酸二辛酯组略低，不过是在可接受范围内（表8）。

表5聚叠氮缩水甘油醚（GAP）为主要成分的发射药化学组分和理论弹道性能

表6基于GAP和DOP组分的发射药密闭容器试验对比数据

表7基于GAP和DOP组分的发射药在适用性方面的数据

表8基于GAP和DOP组分的发射药机械性能

3.3以三氨基胍硝酸盐(TAGN)为基础的发射药

为了降低发射药的燃烧温度，我们尝试使用三氨基胍硝酸盐替代部分黑索今。因此，试验分别按邻苯二甲酸二辛酯组分和聚叠氮缩水甘油醚组分，按照黑索今和三氨基胍硝酸盐的不同变化量对比其性能指标、弹道性能，具体如表9-10。试验结果表明，用氨基胍硝酸盐替代部分黑索今，火焰温度降低明显，而力常数仅略有下降。

表9黑索今和三氨基胍硝酸盐为主要成分的发射药化学组分和理论指标

表10以黑索今和三氨基胍硝酸盐为主要成分的发射药密闭容器试验

四、讨论

1、关于黑索今的占比

通过表1，我们可以发现如果黑索金按照5%的比例提高成分占比，那么火焰温度每次大概提高140K，火药力每次大概提高35J/g。然而，通过工程实践发现，只有当黑索金占比在55%-70%之间和硝化棉占比在24%-36%之间时，混合后的发射药才是可加工的。

通过表2，我们可以得到密闭容器试验的弹道性能结果。试验结果表明火药力的实测值和理论计算值吻合较好，序号1、2的力常数值较低(1127J/g和1165J/g)。序号3有更大的力常数（1200 J/g）、相对低的火焰温度（3210K）和可接受的线性燃烧系数、压力指数。序号4虽然力常数进一步提高，达到1235 J/g，但其火焰温度（3340K）和压力指数（1.1）都超过了火炮寿命的理论值，因此序号1、2、4的成分占比都不予考虑。从而我们可以知道，发射药中黑索今占比达到65%的时候，力常数相对最大，而火焰温度、线性燃烧系数、压力指数都在理论值以内。需要说明的是，当黑索金浓度刚刚超过65%时，压力指数会突然增大（图2），而且抗拉强度会出现突然降低(图3)，这意味着黑索今浓度必须控制在65%才能保证发射药满足使用要求。

图2 黑索今压力曲线 图3 黑索今抗拉强度曲线

2、关于聚叠氮缩水甘油醚和三氨基胍硝酸盐

为了提高发射药的弹道性能，我们试图用含能增塑剂聚叠氮缩水甘油醚代替非含能增塑剂邻苯二甲酸二辛酯。试验结果证明聚叠氮缩水甘油醚基发射药在弹道性能方面的确优于邻苯二甲酸二辛酯基发射药。聚叠氮缩水甘油醚基发射药有较大的力常数是相对邻苯二甲酸二辛酯基发射药而言，其燃烧产物的分子量更低、气体比热更低、密度更大、生成热也更多，而聚叠氮缩水甘油醚基发射药的火焰温度更高是因为其比邻苯二甲酸二辛酯基发射药更高的氧平衡造成的^[15]。

通过图1我们发现聚叠氮缩水甘油醚基推进剂比邻苯二甲酸二辛酯基推进剂具有更高的速度，更低的压力指数(α)，更高的线性燃烧系数(β1)。线性燃烧系数值较高可归因于发射药表面燃烧释放出大量热量，而压力指数较低可归因于发光火焰与发射药燃烧表面之间的距离较大，燃烧过程产生大量的含碳的物质。这些含碳物质能让发光火焰与发射药表面保持起一定距离，因此起到了散热的作用。

通过阿贝尔热试验、甲基紫试验和Bergmann & Junk试验结果表明，聚叠氮缩水甘油醚基发射药具有良好的热稳定性。表7的数据表面，聚叠氮缩水甘油醚基发射药推在抗拉强度、延伸率和弯曲性能方面略低于邻苯二甲酸二辛酯基发射药，但在可用范围之内。而导致其机械性能降低的原因在于聚叠氮缩水甘油醚基发射药具有较大的粘度和较高的“玻璃转移温度”（-50℃）。

通过表5我们发现尽管黑索今和聚叠氮缩水甘油醚增加了发射药的火药力，但它们使发射药的火焰温度超过了理论可接受的水平。因此，我们需要用一种合适的含氮化合物替代部分黑索今来配制发射药组分，以便在不影响力常数水平的情况下降低发射药的火焰温度。

本研究选用三氨基胍硝酸盐作为能量氧化剂，主要是考虑其燃烧产物分子量较低，燃烧气体有较高的氮含量和比热比。不过在固体发射药中掺入三氨基胍硝酸盐存在着与普通溶剂(丙酮/乙醇)不相容、燃速高、热稳定性差等问题，因此我们用乙酸乙酯作为加工溶剂，采用固体氧化剂的双峰粒径^[16] (RDX=5μm 和 TAGN=18μm)和间苯二酚作为稳定剂^[17]来解决这些问题。

通过表9我们可以看出用三氨基胍硝酸盐替代部分黑索今可显著降低燃烧温度，而力常数仅略有下降。燃烧温度能够有效降低的原因是发射药中含三氨基胍硝酸盐的含氮量要高于黑索今的含氮量，燃烧过程中会释放出大量氮气，而含三氨基胍硝酸盐的发射药的气体比热又比含黑索今发射药的气体比热大，因此，火焰温度显著降低。据统计，三氨基胍硝酸盐燃烧的火焰温度为2055 k，而黑索今燃烧温度为3255 k ^[18]。

结论

试验结果表明，含28%硝化棉、45% 黑索今、20% 三氨基胍硝酸盐、6%聚叠氮缩水甘油醚、0.7% 氨基甲酸和0.3% 间苯二酚的组合物是高性能弹药的理想发射药。在相对较低的火焰温度(3215 k)下，它表现出较高的火药力(1225J/g) ，并且有相当好的燃烧速率特性(β1=0.17 cm/s/MPa 和α=0.88)和机械性能(抗拉强度达到11.78 MPa 和压缩率=11%)。这种发射药配方将满足未来弹药发射药的要求，并有助于提高弹丸的杀伤力、延长射程和缩短飞行时间，同时减少炮管的磨损。

参考文献

[1] K. P. Rao, P. K. Umrani, R. G. K. Nair, K. Venkatesan, Studies on Some Aspects of Propellants for Improving the Performance of Tank Guns, Def. Sci. J. 1978, 37(1), 51.

[2] A. N. Nazare, S. N. Asthana H. Singh, Glycidyl Azide Polymer– An Energetic Component of Advanced Solid Rocket

Propellants – A Review, J. Energ. Mater. 1992, 10, 43.

[3] G. Nakashita, N. Kubota, Energetics of Nitro/Azide Propellants,Propellants,Explos . Pyrotech. 1991, 16, 177.

[4] F. Schedlbauer, LOVA Gun Propellants with GAP Binder,

Propellants,Explos . Pyrotech. 1992, 17, 164.

[5] M. Niehaus, Compounding of Glycidyl Azide Polymer with

Nitrocellulose and its Influence on the Properties of Propellants,Propellants,Explos . Pyrotech. 2000, 25, 236.

[6] E. J. Flanagan, E. V. Haury, Cool Burning Gun Propellants Containing Triaminoguanidine and Cyclotetramethylene with Ethyl Cellulose Binder, US Patent 3,909,323, 1975, Rockwell International Company, USA.

[7] E. V. Haury, B. M. Frankel, Triaminoguanidine Nitrate Containing Gun Propellants, Canadian Patent 977154, 1974, Rockwell International Company, USA.

[8] M. Niehaus, O. Greeb, Mechanical Properties of Propellant Binders Consisting of Copolymerisates of Glycidylazidepolymer and Cellulosenitrate, 28th International Pyrotechnics Seminar, Adelaide, Australia, November 4 – 9, 2001, p. 565.

[9] R. S. Damse, A. S. Redkar, High Impetus Cool Burning Gun Propellants, Def. Sci. J. 2000, 50(3), 281.

[10] K. P. Rao, Calculation of Thermo-chemical Constants of

Propellants, Def. Sci. J. 1979, 29(1), 21.

[11] Surjit Singh, Hand Book on Solid Propellants, CI (ME) reports 1/76, India, 1976, p. 124.

[12] D. H. Mallory (Ed.), Development of Impact Sensitivity Tests at Explosive Research Laboratory, Bruceton Pennsylvania, NAVORD, Report No. 4236, 1960.

[13] J. K. G. Peters, Proceedings of the Production Program of Julius Peter Company for Members of M.B.B., Course-81, Berlin,1921, p. 14.

[14] A. B. Bofors, Analytical Methods for Powders and Explosives,Nobel Krute Bofors, Sweden, 1960, p. 21.

[15] N. Kubota, T. Sonobe, Combustion Mechanism of Azide

Polymer, Propellants,Explos .,Pyrotech. 1988, 13, 172.
[16] K. W. Jones, H. A. Flint, D.W. Smith, The Effect of Picrite Crystal Size in Propellant Burning Rates, Armament Research Establishment, Ministry of Supply, U.K., 1953, p. 12.

[17] S. N. Asthana, B. Y.Deshpande, H. Singh, Evaluation of

Various Stabilizers for Stability and Increased Life of CMDB Propellants, Propellants,Explos .,Pyrotech. 1989, 14, 170.

[18] N. Kubota, Hirata, S. Sakamoto, Decomposition Chemistry of TAGNPropellants, Propellants,Explos.,Pyrotech. 1998, 13, 65.

作者简介：任华杰，1987.4，男，汉族，辽宁灯塔，工程师，硕士，弹药工程