液体发射药炮

1、1945年美国开始试验把液体发射药用于火炮预测20世纪末或21世纪初可装备部队？比冲高250500秒推力范围大单台推力1克力700吨力能反复起动能控制推力大小工作时间较长351 10 7 10NN化学火箭发动机氧化剂液氧四氧化二氮燃烧剂液氢偏二甲肼煤油氧化剂和燃烧剂必须储存在不同的储箱中推力室推进剂供应系统发动机控制系统将化学能转变成推进力的重要组件推进剂喷嘴燃烧室喷管组件推进剂通过喷注器注入燃烧室雾化、蒸发、混合、燃烧出口速度高25005000米/秒燃烧室内压力可达20MPa温度30004000需要冷却按要求的流量和压力向燃烧室输送推进剂按输送方式挤压式（气压式）高压气体经减压器减压后进入氧

2、化剂、燃烧剂贮箱将其分别挤压到燃烧室中只用于小推力发动机泵压式用液压泵输送推进剂大推力发动机对工作程序和工作参数进行调节和控制工作程序包括三个阶段发动机起动工作关机按预定程序自动进行工作参数主要指推力大小推进剂的混合比航天器发射姿态修正与控制轨道转移等初速大最初目的液体发射药比固体发射药的能量高炮用肼基药120毫米2096米/秒装填密度高相对装药量高射速高不需装填、抽抛药筒155毫米液体发射药自行榴弹炮携弹量超过126发普通榴弹炮3040发有自动装填机构的155毫米液体发射药炮射速1520发/分普通火炮最大射速为12发/分30毫米液体发射药航空机关炮射速可达6000发/分烧蚀小液体燃料爆温低延

3、长身管寿命燃料配制工艺简单危险性降低价格便宜容易实现装填自动化液体燃料由专门供给管道灌装提高炮膛工作容积利用系数通过喷射流量的控制后勤上的便利液体燃料体积可变性贮存运输弹药加工内弹道性能稳定性较差尚不能有效控制液体燃料的破碎、雾化和燃烧初速分散大膛压曲线多峰或压力振荡类似于液体火箭发动机产生回火而引发膛炸内弹道循环控制不当喷射机构的可靠性和寿命还不够高多数的液体燃料具毒性和腐蚀性部队使用不便一次注入式整装式BLPG再生注入式RLPG目前最接近实用的液体发射药火炮发射时将燃料预先注入药室，然后点火发射结构简单类似于固体装药的装填内弹道过程难以控制利用流体不稳定性使气液混合并充分燃烧的过程底火液体

4、燃料弹丸装药结构类似于固体发射药液体发射药直接装填在弹后空间的药室内较大的装填密度（11.45g/cm3)机械结构简单内弹道过程复杂难以控制点火方式及点火能量影响到压力曲线形状大多数情况下有双峰现象一般底部点火类似于膛底发生的轻微水下爆炸使膛底局部形成气泡或空腔容易产生流动的不稳定性导致液体燃料破碎很大的随机性难以控制增大燃烧面积提高燃烧效率提高弹道效率底火液体药气体弹丸双峰现象第一峰值与点火能量释放有关第二峰值取决于液体燃料破碎机制口径mm点火方式弹丸质量gML/ms发数PmMPav0标准偏差38.8烟火剂端面开孔3291.10055291569392.53291.1055490154919

5、1.2烟火剂径向开孔3281.10074911533422.73231.130135071531322.11912.2603535179129.31.61912.3203562180322.61.3ML液体发射药质量；ms弹丸质量（比值为相对装药量）Kanpton,J.D.等给出的采用HAN（硝酸羟胺hydroxylammoniumnierate）基火药的结果再生注入式1活塞挤入式外环式内环式再生注入式2泵入式贮液室（药室）与燃烧室由活塞隔开点火后推动活塞向后运动通过活塞上的喷口将燃料喷射到燃烧室雾化燃烧通过控制喷射规律可获得平台式的p-t曲线增大炮膛工作容积效率给定最大压力下获得更高初速贮液

6、室活塞 燃烧室弹丸P-t曲线大致5阶段内弹道初始阶段点火延迟阶段压力上升阶段平台效应阶段燃气膨胀阶段1点火；2喷射积累；3积累与燃烧；4准平衡；5膨胀内弹道初始阶段点火产生燃气压力升高推动活塞后退压缩贮液室中的燃料喷射燃料通过活塞上的小孔或间隙喷射到燃烧室点火延迟阶段活塞继续后退积累喷射出来的雾化燃料在燃烧室内积累受热点火药气体将热量传给雾化燃料对流传热点火延迟时间过长积累过多膛炸压力上升阶段点燃积累的燃料迅速燃烧压力上升活塞加速速度升至最大弹丸开始加速平台效应阶段膛内压力达到最大值后基本不变平衡状态气体生成量与流入身管和补偿活塞运动的气体量液体发射药火炮的优势所在内弹道性能优于固体发射药火炮

7、燃气膨胀阶段喷射过程结束活塞到位膛内燃料继续燃烧膛压下降燃料全部燃完燃气继续膨胀做功弹丸射出膛口内弹道过程结束原因喷射流体的脱壁与重附作用再生式活塞的冲击及机械振荡前两种因素的综合作用燃烧室及贮液室的声学振荡燃烧室被活塞所激励而产生的应力波电子噪声等口径mm燃料类型药量kgML/ms发数PMPa膨胀比行程mv0弹道效率%计算25OTTOII0.1160.83481837.652.1394621.124.030OTTOII0.1970.58341198.52.4494619.623.9LP18450.2340.8124195101913.917.5LP18460.2270.78731961014

8、15.018.0105OTTOII1.030.092311015.95.1850136.239.81.080.096211051137.741.51.960.157211012.866240.441.92.100.161211066139.545.13.130.250211010.475533.938.33.220.278811081035.037.7发射时用泵将发射药不断地泵入药室通过调节泵入速率来控制燃速从而控制初速和射程结构相对复杂单元药将氧化剂和燃料溶为一体发射时注入药室，点火燃烧双元药氧化剂和燃料分别置于不同容器中q装填时液体通过各自的管道注入药室成份异丙基硝酸脂和肼的化合物肼、硝酸

9、肼与水的混合物优点点火容易喷射机构简单使用方便缺点对冲击波和强烈点火源很灵敏贮存不安全单元燃料显示出更多的优点OTTOII早期研究硝酸羟胺（HAN）基单元燃料美国海军LP系列单元燃料美国弹道研究实验室以硝酸羟胺为基燃料组分主要为三甲基胺（TMAN，C3H10N2O3）乙醇硝酸胺（FOAM，C2H8N2O4）三乙基硝酸胺（EN，C6H16N2O3）可溶于水的混合物毒性小HAN溶液和LP系列单元燃料初始分解温度仅依赖于硝酸的浓度大范围内几乎是线性关系硝酸浓度从约200的2.8mol/L到120的13mol/LLP系列燃料中含有少量卤盐或转变金属使着火温度减小对污染敏感相容性差以HAN为基的液体燃料

10、的压缩点火相关项所剩空间大小气泡大小增压速率最大压力液体初始压力液体燃料一项重要的敏感性指标液体燃料的相变温度早期HAN基的液体燃料-30左右军用角度不能接受LGP1845和LGP1846-60温度与粘性的关系温度减小，粘性明显增大影响低温条件下流动特性喷射雾化过程-55以下才能满足要求名称比能kJ/kg爆温K氧平衡%密度g/cm3硝基甲烷(NM)CH3NO31244304439.31.14硝酸异丙基(IPN)C3H7NO38221844-991.04肼(65%)+水(5%)+硝酸(30%)10991792-62.41.12OTTOII8132040-1.22M1(84.2%NC)955255

11、4-516A502(93.5%NC)9622721-43NC873(96.6%NC)10122968-37.8A505(98.2%NC)10353097-34.5M8(52.15%NC-43%NGL)11733758-21固体火药单元液体药牌号燃料HAN质量分数水质量分数密度g/cm3火药力kJ/kg火焰温度K符号质量分数1776 TMAN0.1930.608 0.199 1.39960.726001781 EOAN0.3250.503 0.172 1.42929.625601812TEN0.1360.675 0.189 1.40959.826201814TEN0.1320.653 0.215

12、 1.38924.725001835TEN0.1180.684 0.198 1.41885.724101845 TEAN0.2000.632 0.168 1.46962.327301846 TEAN0.1920.608 0.200 1.42934.525701848 TEAN0.1450.663 0.192 1.46820.72260LP1846液滴在高温环境下主要经历蒸发过程蒸发产物为水蒸气周期性膨胀收缩过程液滴膨胀的最大直径约为初始直径的两倍左右伴有液滴的轻度微爆现象微爆机理主要是水组分的过热较强热分解过程燃烧过程（ p =0.4MPa ，T =700 ）自燃式q发射药注入药室一经接触便可

13、燃烧非自燃式q发射药注入药室后须点火方能燃烧氧化剂q硝酸q四氧化二氮q过氧化氢（双氧水）qN2H4O4燃料q自燃q一甲基肼(MMH)q非对称二甲基肼(UDMH)q三乙基胺(TEA)q非自燃q十氢化萘q煤油(JP4)q异辛烷和异丙醇(ZPA)优点良好的点火性能和弹道性能氧化剂和燃料的配比可以在很宽的范围内进行调节贮存和输运时比较安全氧化剂和燃料分开存放缺点毒性和腐蚀性操作人员的安全火炮身管、喷射系统的寿命名称凝固点沸点密度g/cm3燃料异辛酸C14N18-109117.60.69JP4（煤油）-601040.773非对称二甲基肼(UDMN)C2H8N2-57.2630.791一甲基肼（MMH）C

14、H6N2-52.487.60.875二乙基肼（TEA）C6H15N-114.789.30.728糖醇（FFA）C5H6O2-321711.13异丙酸（IPA）C3H8O-89.582.40.786氧化剂WFNAHNO3-41.6841.513RFNAHNO3-52401.557四氧化二氮N2O4-11.221.31.45过氧化氢H2O285%ig-17.9136.91.36比能kJ/kg爆温K氧平衡%非自燃JP4/RFNA10163200异辛烷/WFNA-90%ig8792800异辛烷/WFNA12783581异辛烷/N2O414373928IPA/H2O2-80%ig11462851-8.5

15、自燃MMW/RFNA14463510-21.9UDMH/WFNA13753500-20.0TEA/WFNA13023671-20.2FA/WFNA11533635-16.7UDMH/RFNA1375燃烧性能及能量指标物理性能安全性稳定性经济性有些要求是相互矛盾的某些性能有所改善，而另一些性能却可能恶化不能片面地追求某些性能指标应该从整个武器系统性能的综合指标出发对液体燃料提出合理的要求低闪点或燃点闪点开始闪火的最低温度液体燃料蒸气与空气的混合物与明火或火花接触时燃点当液相也参与燃烧时的最低温度高蒸气压易挥发可燃浓度极限宽点火迅速可靠贮运时易起火、爆炸选择合适参数采取安全措施气态分子对液体产生的

16、压强饱和蒸气压一定外界条件下单组分系统发生两相变化液体中的液态分子会蒸发为气态分子气态分子也会撞击液面回归液态平衡时，气态分子含量达到最大值蒸气压越大液体内分子的逃逸倾向越大即越容易挥发衡量倾向程度的量液体中能量较高的分子脱离液面进入气相产生气态分子的原因液体的本性液体的自有属性外界条件（温度、压力）一定确定的数值在密闭容器中装满液体液体没有空间形成蒸气自然也不会对液体产生压力但蒸气压作为液体本质属性依然存在不能说此时液体的蒸气压为0描述单组分体系气液两相平衡时的特征具有热力学上的意义不能等同动力学量将液体放入真空容器中外压相当于此条件下的液体蒸气压当液体系统气液两相平衡时借此研究蒸气压随温度

17、的变化规律及对应关系蒸气压会随温度增大而增大分别利用Clapeyron方程和Antonie公式求解液体非在真空容器中，而是在惰性气体中外压不再相当于液体蒸气压若液体置于空气中且规定空气不溶于液体此时的外压为大气压力蒸气压随外压的变化规律通过平衡分析利用Gibbs自由能变量相等定量考察蒸气压随外压增大而增大外压的影响甚微，通常可忽略不计着火或点火延迟时间短而稳定着火延迟时间自燃双元燃料中氧化剂和燃料从开始接触到着火的时间点火延迟时间非自燃液体燃料与明火接触到被点燃的时间着火或点火时间过长控制喷射速度不协调燃烧室内液体燃料聚集过多燃烧不稳定性甚至爆炸与燃料的性质有关大部分在430ms燃烧充分、安全

18、高热值低爆温燃气比体积大绝热指数小粘性小减小流动阻力雾化容易雾化直径小利于混合、蒸发和燃烧温度敏感性低避免造成流阻变化引起流量波动影响到膛压曲线的变化规律内弹道性能稳定在高、低温度条件下内弹道的设计容易保证合理匹配燃料喷射规律膛内压力变化规律随温度增加而减小气体的粘性随温度增加而增大表面张力小易碎裂成液滴和雾化提高燃烧效率易形成液膜湿润膛壁表面减小身管的烧蚀密度大充分利用药室容积增大装填密度减小贮液室容积减小消极质量密度随温度变化小影响喷射流量影响到内弹道的稳定冰点和沸点范围宽适应高、低温度条件下的使用一般冰点低于-50沸点高于100此温度范围内不应发生相变或变为胶状否则会影响到喷射过程中燃料

19、的输送选择燃料时在保证安全的前提下再考虑满足其他性能的要求热敏感性液体燃料受热作用时发生着火爆炸的敏感程度低的热分解温度或自燃温度利于燃料的点火和燃烧热敏感性程度同时增大不利于贮存运输的安全要求火花敏感性液体燃料产生爆炸的敏感程度电火花、静电火花机械火花雷击明火火花敏感程度低闪点高燃点高爆炸浓度极限窄最小引爆能量小安全机械敏感性机械作用下发生着火或爆炸的敏感程度受到摩擦作用或者压缩燃料局部温度上升发生分解或着火现象包括撞击敏感振动敏感摩擦敏感枪击敏感压缩敏感冲击波敏感受到气体冲击波作用下能否引起爆炸的特性爆轰敏感性临界直径冲击波强度射击环境炮口冲击波战争环境高温高压爆炸冲击波物理稳定性蒸发使燃

20、料损失，浓度变小，质量下降污染环境甚至造成人员死亡吸湿分层单元燃料分层或胶化影响其组分的均匀性沉淀贮存安全使用寿命燃料性能化学稳定性贮存过程中氧化分解贮存安全使用寿命燃料性能原料成本低来源广泛生产工艺过程简单周期性短使用寿命长点火过程可靠性直接影响到药火炮内弹道性能的稳定点火过程影响因素喷射结构点火原理液体燃料性能对点火的影响尤为显著点火功能有显著差别开始时喷入燃烧室的氧化剂和燃料在某个部位首先反应着火为维持再生过程提供了必要条件液体的喷射启动原理很简单通常只用空气或氮气把活塞压到启动位置即可 点火器必须具备功能将再生活塞推到初始喷射位置产生高压热气体将喷射燃烧室的冷态液体燃料点燃性能良好的点

21、火器5ms内燃烧室压力达到 1820Pa能多次重复使用与点火有重要作用的参量压力上升速率最大压力值点火器持续时间这些参量必须与喷射活塞的液压特征性能相匹配当喷口打开时， 保证贮液室内的压力大于燃烧室内压力满足射击要求给再生过程提供足够的起始喷射量避免喷射过量点火延迟或过程中止整装方案中的电火花点火系统安装在燃烧室内固体火药盒安装在燃烧室外部高压燃烧之后， 排出热气进入燃烧室点火辅助点火增强点火在电极之间形成电弧相当于电阻加热和电解反应向点火器中的液体燃料提供能量使其燃烧而生成高温气体喷入燃烧室进行点火以氢和氧为基础的点火系统两种方案氢气和空气的混合物用电点火引发氢和空气经过压缩注意对燃烧转爆轰的影响 点火位置点火强度燃烧室结构将液体燃料喷入用氩气稀释的氢和氧混合气体电流在液体射流喷嘴部位放电产生等离子流使液体燃料雾化并将其周围的气体和液体燃料同时点燃 将液体燃料喷入点火器中的空气预压燃烧室由电极放电点燃燃烧产物通过喷孔以高压喷入燃烧室88 243 65 210 /s喷射速度参量优化获得合适的最大压