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药形对燃烧表面积的影响示意图

  在隔绝外界氧条件下能迅速而有规律地稳定燃烧,并释放出大量热能和气体的固态物质。在特定条件下亦可发生爆轰。在军事上主要用作发射枪弹炮弹火箭的能源以及某些驱动装置和抛射装置的工作能源。通常将发射枪炮弹丸的火药称为发射药;将推进火箭、导弹的火药称为固体推进剂。

目录

主要能量成分

  火药的主要能量成分为可燃剂和氧化剂(或含有氧及可燃性元素)。此外,还有少量改善火药性能的添加剂,如调节燃烧性能的燃烧催化剂、增加贮存期的安定剂、消除炮口焰的消焰剂、降低烧蚀性的缓蚀剂,以及改善工艺性能的工艺添加剂等。

  火药在武器内的工作过程,是通过火药燃烧将其化学能转化为热能,再通过高温高压气体的膨胀,将热能转化为弹丸或火箭的动能。火药的能量及其释放速率,是决定上述过程的主要因素,也是影响武器弹道性能的重要因素。

性能

  主要有:①能量特性。标志火药作功能力的参量。由于火药在枪炮膛内和火箭发动机中的作功原理不同,因而表示其作功能力的参量也不相同。在枪炮膛内用火药力来表示,即1千克火药燃烧时,气体产物在1个大气压下膨胀所作的功(千焦/千克)。在火箭发动机中用比冲量来表示,即1千克火药燃烧时产生的推力总冲量(牛•秒/千克)。火药力或比冲量主要取决于火药的化学能。标志火药化学能的参量有爆热、比容和爆温。 它们分别表示1千克火药在标准状态下绝热燃烧所放出的热量(千焦/千克)、气体量(升/千克)和气体产物所能达到的最高温度(开)。当爆热基本相同时,比容大的火药爆温较低。提高爆温,火药力或比冲量可随之增加,但相应增大了对武器的烧蚀作用。提高比容,同样可以提高火药力或比冲量,而对武器的烧蚀作用较轻。选择恰当的火药成分和配比,可获得火药力大或比冲量高而爆温合理的配方。火药密度是单位体积的能量标志,因此,它也是能量特性中一个重要参量。②燃烧特性。火药能量释放速率主要取决于火药的燃烧速度和燃烧表面积。火药质地均匀致密,燃烧能垂直于燃烧表面向火药内部按平行层自行传播,而且能在很宽的压力范围(0.1~1000兆帕)内稳定进行。 单位时间内燃烧传播的距离称为火药的燃烧速度,一般为每秒几毫米至几米。燃烧速度与火药的组成和物理结构有关,此外还随初温和工作压力的升高而增大。不同类型的火药其燃烧速度不同,同一类型的火药中能量大的燃烧速度高。加入增速催化剂,嵌入金属丝,或将火药制成多孔隙状,均可提高燃烧速度。加入降速剂,可降低燃烧速度。火药中的氧化剂粒度对燃烧速度亦有影响,利用这个因素,可在比较大的范围内调节燃烧速度。燃烧速度与压力的关系通常用经验公式U =ɑbpn表示,其中U —燃烧速度;p—工作压力;ɑ和b—常数;n—压力指数,表示燃烧速度受压力影响的程度。火药在炮膛内工作过程中,对压力指数没有特殊要求;在火箭发动机内工作过程中,要求压力波动小,即n 值愈小愈好。目前降低压力指数的办法,是在火药中加入燃烧催化剂,因而出现了平台推进剂。燃烧速度随温度的变化,用燃速温度系数即初温每升高1℃时燃烧速度的相对变化量来表示。 能量的转化速率受控于燃烧过程中燃烧表面的变化。燃烧表面积主要取决于火药的几何形状、尺寸和对表面的处理情况。不同的几何形状,其燃烧面积随时间的变化规律表现为递增、递减和恒定不变三种,一般将这三种燃烧过程相应地称为增面燃烧、减面燃烧和恒面燃烧。在压力和燃烧速度相同的情况下,能量转化速率亦按渐增、渐减和恒定不变的规律进行,如图所示。通常火药的几何形状和尺寸是根据武器弹道性能的要求设计,常采用单孔或多孔的粒状和管状,内孔为各种形状的管状以及片状、带状、环状等。火药的尺寸,小粒药直径可小于一毫米,大型推进剂直径可达几米。③力学性质。火药在武器工作过程中,会受到各种外力作用,因而要求火药在高温下具有相应的强度以保持不变形,在低温下不变脆,能承受在使用和勤务处理时可能出现的各种力的作用,以保证稳定燃烧。④安定性。火药必须在长期贮存中保持其物理化学性质相对不变,从而保证武器弹道性能稳定。为了改善火药的安定性,一般在火药中加入少量的化学安定剂,如中定剂二苯胺等。⑤安全性。火药在特定条件下,能发生爆轰,因此在配方设计时必须考虑到保证生产、使用和运输过程中安全可靠,能经受相应的冲击。

发射药

  中国古代发明的火药是最早的发射药。1884年法国科学家P.-M.-E.维埃耶研制成单基药。1888年瑞典化学家A.B.诺贝尔制成双基药。由于这两种药无烟、能量高,所以逐渐取代了黑火药。 其火药力约为827~1142千焦/千克。其主要组分是由棉纤维制成的纤维素硝酸酯,通称为硝化棉。纤维素硝酸酯能量的高低取决于其中(-ONO2)基团(氧化剂)的含量多少。 纤维素硝酸酯经过加入溶剂塑化后,即可制成致密的不同形状和尺寸的火药。单基药是纤维素硝酸酯用挥发性溶剂塑化成型后,将溶剂驱除而成,由于大尺寸火药溶剂不易驱除,故多制成单孔、七孔粒状和小尺寸管状药。它的比容较大,爆温相对较低,因而对武器的烧蚀较轻,广泛用作枪弹和中小口径炮弹的发射药。双基药是由纤维素硝酸酯经难挥发性溶剂硝化甘油或二乙二醇二硝酸酯或与其类似的硝酸酯塑化而成。 硝化甘油中的(-ONO2)基团,含量比纤维素硝酸酯高,因而能量比纤维素硝酸酯大。改变纤维素硝酸酯和硝化甘油的比例,可调整火药的能量特性。双基药可制成片状药和较大型管状药柱。在相同能量水平条件下,双基药比单基药爆温高,对武器烧蚀严重,多用作各种大口径炮弹的发射药。1937年在德国出现了三基药,它是在双基药基础上加入硝基胍或类似的成分制成的。对武器的烧蚀比相同能量水平的单基药、双基药都轻,主要用作大口径炮弹的发射药。

火箭固体推进剂

  常用的主要有双基推进剂、复合推进剂和复合改性双基推进剂。双基推进剂曾在第二次世界大战中广泛应用,其主要能量成分和能量特性基本与双基药相同,比冲量为2100~2300牛•秒/千克;加入燃烧催化剂后,压力指数较小。但由于其能量比复合推进剂低,制造大尺寸药柱也受到一定限制,因而只能用在近程的小型火箭上。复合推进剂是由无机氧化剂(高氯酸盐或硝酸盐)均匀分散在高分子粘结剂中制成的。1942年美国研制出了沥青高氯酸钾复合推进剂;40年代末出现了以聚硫橡胶为基的第一代复合推进剂;现代复合推进剂以高氯酸铵、铝粉和高分子粘结剂(如聚硫橡胶、聚氨酯、端羧基聚丁二烯、端羟基聚丁二烯等)为主要组分。复合推进剂能量高于双基推进剂,比冲量为2200~2600牛•秒/千克。而且可调范围广,燃烧性能除与主要组分有关外,还与氧化剂的粒度、燃烧催化剂的种类等有关。其压力指数一般比双基药低。由于采用了浇铸工艺,加工大型药柱不受限制,一般可制成多种形状内孔的直径大至几米的药柱,广泛用于中、远程导弹。复合改性双基推进剂出现于50年代,是在双基推进剂基础上加入高氯酸铵和铅粉制成的。其能量比复合推进剂高,比冲量为2400~2700牛•秒/千克,但压力指数也比复合推进剂高,多用于中、远程导弹。为了提高能量,有的还在推进剂中加入奥克托今等高能炸药,但相应地带来了压力指数的增高。

展望

  将重点改善单项性能指标,研制适应不同武器要求的特种性能火药。例如研制高能低烧蚀发射药、高能高强度发射药、低易损性火药、高能无烟推进剂、高能平台推进剂、高燃速推进剂、低燃速推进剂和贫氧推进剂等。

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