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                战甲军品资料网

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                1. 内容

                俄罗斯霰弹枪发射药

                有枪无弹,扯几把蛋。有弹无药,瞎基吧妖。

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                发射药是整个枪弹系统当中最为基础、也最不可或缺的部分,发射药的燃烧生成气体膨胀的过?#22363;?#25512;动弹头发射外,同时也是整个自动枪械系统动力的来源,因此发射药的相关属性直接决定着枪弹系统的优劣,甚至制式枪械的发射药更标志着一个国家和地区的基础化学工业发展水平。

                由于现代无烟发射药位于弹壳内部,相对隐蔽,因此也是枪械当中最不易被?#26031;?#27880;的要素之一。由于人们对枪械使用的要求不同,因此考虑?#25345;?#29305;定枪弹所用的发射药的时候,就需要根据枪弹的设计要求考虑不同的发射药,以保证可以最大程度的利用发射药的动能来产生最佳的射击效果。


                枪弹发射药原理

                枪弹的击发,本质上可以看做发射药在底火的引燃后,极其复杂而又快速的可控燃烧。在击发的过程中,发射药内部化学键当?#24615;?#21547;的化学能以热能和动能的形式进行?#22836;牛?#20135;生数千度的高温和大量的高压气体[1],然后通过气体推动了弹头的发射过程和自动武器的整个自动循环。

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                上图为枪膛内发射药击发后产生的膛压(1)与弹头初速(2)的一?#38704;?#21270;曲线关系。根据该图可以看出,发射药在击发燃烧后压力迅速增加至最大值(P max),呈现出极性特征(峰值膛压),而弹头初速则由于受到发射药燃气推动的原因,因此呈现出加速度逐渐降低的一个增速过程。整个过程可以分为四个阶段:

                第一阶段中,子弹在枪膛中,由击针?#19981;?#24213;火后,底火受到?#19981;鰨?#20869;部的引药引燃迸发出火星,从而引燃发射药。发射药被引燃后,迅速燃烧,并伴随产生高温气体,由于燃烧速度很快,因此发射药燃气的压力在短时间内便会迅速上升。与此同时,弹头受到高压火药燃气的推力,克服本身的静止惯性以及膛线所造成的摩擦力进入枪管,开?#20339;?#33179;线在枪管内进行旋转前进的加速运动。此时,弹头开始运动时发射药燃气的初?#20339;?#21147;称之为“加速压力[1](RF)”

                第二阶段是弹头从开始在枪管中沿膛线进行自旋前进到发射药燃烧殆尽的阶段。在这一阶段中,弹头的初速并不高,但此时发射药的质量燃烧速率[2]达到最大值,同时发射药燃烧带来的膛压极速升高至最大值(P max)。而此时弹头由于受到高膛压的火药燃气推进,呈现加速度不断增加的变加速运动。但是伴随着发射药的燃烧耗尽,导致弹壳中剩余发射药的表面燃?#25112;?#20302;,从而降低了质量燃烧速率,导致随着弹头速度的增加,但发射药燃气体积的增速降低,膛压也随之开始降低。

                第三阶段是发射药燃烧殆尽,但发射药气体进行绝热膨胀的过程,此时,弹头扔持续增速。这一阶段一直持续到枪弹弹头飞离枪口后一段距离。

                第四阶段则是发射药燃气的后效作用时期,在这一阶段,飞离枪口一段距离的枪弹弹头获得最大初速。

                弹头的初速以及发射药燃气的峰值膛?#25925;?#24433;响枪弹弹道特性的最重要指标,它们一道决定了枪弹的?#23548;?#21457;射效果和安全。然而这些关系着枪弹性能的参数则是取决于多项因素,例如:发射药重量,弹头重量,发射药类型、配方以及相应的几何外形尺寸等等,甚至是在射击时的初始温度。


                [1]对应俄文为д?#23398;纓荮支擐訌支?форсиров?#23398;擐訌瘛?/p>

                [2]对应俄文为м?#23398;悃悃唰纓学?скорость гор?#25903;擐訌瘛?/p>


                枪弹发射药成分和造粒

                用于轻武器枪弹的绝大部分发射药是基于硝化纤维设计的。所谓硝化纤维,是由木纤维或者棉纤维与硝酸硝化之后的产物,根据硝化的含氮量,硝化纤维素可分为含氮量高的火棉以及含氮量低的?#22909;?a href="file:///C:/Users/Administrator/Desktop/%E6%96%B0%E5%BB%BA%E6%96%87%E4%BB%B6%E5%A4%B9%20(4)/%E4%BF%84%E7%BD%97%E6%96%AF%E9%9C%B0%E5%BC%B9%E6%9E%AA%E5%8F%91%E5%B0%84%E8%8D%AF.htm#_ftn1">[1],而运用在军事工业作为发射药的通常是其中含氮量更高的火棉成分。

                硝化纤维素?#23548;?#19978;可以看做是具有极高燃烧速率的纸浆,在?#23548;?#30340;燃烧过程中难以控制。因此在生产武器级硝化纤维的过程当中,通常会使用惰性塑化溶剂对火棉增塑,然后通过挤出、造粒制备成一定体积?#22270;?#20309;外形。再通过干燥除去这些溶剂回收再用,因此在发射药当中总会有一定的残留溶?#31890;?#20363;如:圆柱形?#25512;?#29366;采用乙醇和乙醚;球形造粒则采用乙酸乙酯。发射药造粒之后,火棉的含量通常在90 % ~ 98 %之间,而溶剂残留量则高达0.6 % ~ 5.0 %。

                在发射药的存贮过程当中,由于硝化纤维在日常会缓慢放热分解,在仓库的堆积当中容易达到其180摄氏度自燃的燃点,往往容易引发相应的安全问题。因此为了保证硝化纤维素发射药的化学稳定性,通常会在造粒的时候将二苯胺作为化学稳定剂加入其中,约?#30002;?#37327;的0.5 % ~1.5 %。在增加二苯胺作为稳定剂之后,可将硝化纤维素发射药的安全储存时间延长至50年以上。

                为了减缓某些型号发射药用于线膛武器时的表层燃烧速度,减缓燃烧初期的气体生成速率,减轻峰值膛压对枪膛和枪管的损伤,做到“渐猛燃烧”[2],在大药粒的发射药当中通常采用多空药形,面对小药粒发射药,由于加工不便,因此会在发射药的配方当中引入一种引入一种称之为燃烧钝感剂的物质,例如:樟脑、邻苯二甲酸二丁酯等?#21462;?#36825;一类物质通常采用酒精溶解后,在发射药造粒后的表层渗入。钝感?#20102;?#30528;渗入的厚度而减少,在浸透钝感剂的缓燃层燃尽后,气体生成速率逐渐增加,形成建猛燃烧,相对更具“后劲?#34180;?/p>

                最后,在任何发射药的成?#31181;校?#19981;论何种型号、何种造粒外形,通过何种形式的干燥,都会至少含?#24615;?.5 % ~ 1.5 %的水分,而水含量的不同往往与发射药型号有关。而带有水份的火药颗粒在金属弹壳当?#22411;?#24448;会由于表面的粘性以及静电的吸附导致发射药在弹壳当中的流动性降低。因此为了消除火药颗粒由于静电吸附效应聚合,增加其在弹壳中均匀而准确分布的流动性,在发射药造粒后往往会在弹头表面采用石墨进行处理,其重量约占发射药总量的0.2 % ~0.9 %。

                上述的配方被称之为单基发射药,也称一元发射药,是在俄罗斯最主流的发射药类型。另外也有相应的双基发射药(也称二元发射药),即在单基发射药的基础上增加一定比例的高能炸药,例如30%的硝化?#35270;停?#20197;增加发射药能量,提高发射时的膛压和动能。这30%的硝化?#35270;?#22312;双基发射药当中充?#22791;?#33021;增能添?#28216;?#20197;及硝化纤维的增塑剂。为了保证双基发射药的化学稳定性,在其配方当中通常还需要加入0.5 %左?#19994;?#20013;定?#31890;?#20363;如二甲基二苯脲?#21462;?/p>

                在双基发射药当中,配方中引入作为烈性炸药的硝化?#35270;停?#22686;加了发射药颗粒的燃烧速度,并因此增加了引燃后所产生的发射药燃气体积,导致峰值膛压增高。同时硝化?#35270;?#22312;爆炸时,提高了整体发射药燃气的温度,增加了绝热膨胀的程度,使弹头在枪管出?#22336;?#20540;膛压之后,加速?#20154;?#22833;相对较少,“后劲”更足。

                尽管轻武器所用的无烟发射药种类繁多,但是在俄罗斯登记的种类也不过60余种,以上的配方基本上已经涵盖了俄国国内外的常用发射药配料的做法。此外由于三基发射药基本上不会用在轻武器上,因此此文不做叙述。

                在俄国国内外生产的各种发射药外形当中,包揽了世界上常用的大部分外形,例如:圆柱形、管?#30784;?#34562;窝煤形、饼形、方片形、球形等[3]。此外这里应当指出,在轻武器发射药当中,各种外形的发射药?#20960;?#26377;优劣,没有哪种形状的发射药是毫无优点的,因此在不同的国家,发射药外形的差异主要是由于其制造工艺的既定传统来决定。在高初速的步枪弹当中,在最小容积容纳最大装药量是实现弹头高初速的必备做法。而在发射药造粒中,球形以及圆柱形、管?#30784;?#34562;窝煤形的发射药,在表面积相同的情况下具有更小的体积,容?#36164;?#29616;在小尺寸弹壳当中实现更大的容量,因此用于装备步枪弹。在俄国通常的情况下,采用圆柱形、蜂窝煤?#20301;?#32773;方片形造粒的发射药为单基发射药,而球形造粒的发射药则单基和双基发射药都有。


                [1]前者对应俄文пироксилины,后者为коллоксилины。

                [2]渐猛发射药?#27425;?#20276;随着燃?#25112;?#31243;,气体生成速率逐渐增加的发射药,适用于长管身武器,在与普通发射药对比中,渐猛发射药在与普通发射药的膨胀做功相同的情况下,最大峰值膛压要比后者的低;而且如果发射药在燃烧初期气体生成速?#24335;?#22823;,随后伴随着发射药的耗尽迅速降低,那么末膛压力?#19981;?#20986;现开始骤升,之后骤降的现象,不利于实现长管身武器的弹道性能。

                [3]发射药造粒种类常规的三大类是:长管?#30784;?#31890;?#30784;?#29255;?#30784;?#20854;中长管状例如英国.303步枪弹所用的“科玳”无烟发射药(俗称意大利面条),造型为内部有1个长孔贯穿的长管结构,长孔的直径?#32479;?#31649;的长度之比在1:100以内;粒状外形为短的圆柱形,分为管状?#22836;?#31389;煤状,管状中间有一个?#28304;?#30340;孔,蜂窝煤状则在截面开有数个小孔;片状,有方片形、圆片形多种,特点是很薄,通过极薄的厚度来追求燃烧中的燃速。

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                俄罗斯市面上常见的几种商业用枪弹发射药,例如前两者为“苏纳尔?#36856;?/p>

                发射药的另一个重要指标是发射药造粒的几何尺寸,对于管状发射药的发射药弧厚[1]来说更为重要,这直接决定了发射药的燃烧时间长短以及发射药燃气的累积速度,从而决定膛压。发射药弧厚通常为发射药造粒厚度的一半,通常写作e1,发射药弧厚越小,发射药在枪膛中的燃速越快。这一效果跟发射药的装填密度与燃速之间的关系有一定的相似性,即发射药颗粒分布?#38477;停?#23380;隙率越大、单颗粒的?#32570;?#38754;积越大,燃速越高。因此,在?#23548;?#30340;操作当中,通常会通过改变发射药的弧厚和孔隙率来调节不同弹药对单一种发射药之间的燃速需求,确保所需的发射药燃速,进而调节膛压。因此不论是在俄国?#25925;?#20854;他国家,有相当大一部分相同配方甚?#26009;?#21516;造粒的外观的发射药,但是发射药密度和弧厚确实独一无二的,因此即便是专家,想从外观上来确定发射药的类型也是很困难的,这也是为何当前我国即便了解?#26031;?#22806;发射药的配方也很难做到同样的品质,这涉及到了基础化学工业范畴的问题。


                [1]发射药弧厚:俄文толщине горящ?#25903;鴛?свода,意为在管状造粒的发射药当中,外部直径与内部大孔之间的直径距离。?#26538;?#29366;发射药最重要的指标之一,直接决定发射药燃烧的恒定速度。

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                位于俄罗斯喀山的“苏纳尔?#36856;?#26080;烟发射药的外观,?#26469;?#20026;:“苏纳尔”型、“苏纳尔SV”型、“苏纳尔S”型、“苏纳尔H”型、“苏纳尔SF”型,放大比例为4:1


                俄罗斯市面上部分霰弹发射药的简介

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                如果我们现在重新回过头来考虑滑膛的霰弹猎枪用的发射药,那么世界上至少有不下200多个种类。借用俄国市面上几种常见的霰弹发射药进行进一步介绍:“苏纳尔SVS”型、“苏纳尔SV”型、“苏纳尔”型、“苏纳尔SF”型    、“苏纳尔N”型、“?#22686;馈?#22411;、“苏纳尔-马格南”型      、“苏纳尔-410”型,不同的发射药适用于不同的口径规格和用?#23613;?#22312;挑选这类武器所用弹药的时候,我们采用俄罗斯市面上比较常用的几种12号霰弹来进行对比:

                 

                —射击运动用,24 g立姿射击运动霰弹(奥运会用);

                —28 g体育竞赛运动霰弹;

                —30-33 g,34-36 g和40-42 g狩猎标准霰弹;

                —长度为76和89mm,质量级为47-60 g的猎用“马格南”霰弹;

                —狩猎用独头弹;

                —采用橡胶弹头的非致命霰弹;

                —检测枪?#30340;途?#24230;的测试弹;

                 

                与线膛武器不同,滑膛霰弹枪在射击时发射药产生的膛压?#31995;停?#36825;取决于弹药类型和口径,大致在500到1000 Kgf/cm2 ),因此滑膛霰弹枪所用的霰弹就需要采用高燃速的发射药,以确保发射药可以在枪膛和枪管内得以充分燃烧。猎枪用的霰弹发射药根据燃速可以分为三类:速燃型、均速型和缓速型,每一类不同燃速的发射药适用于不同的用?#23613;?#20363;如:速燃型的“苏纳尔SVS”型以及“苏纳尔SV”型适用于24 g轻型霰弹以及28 g轻型霰弹,用于诸如飞碟射击一类的体育竞赛和射击运动。“苏纳尔SVS”型以及“苏纳尔SV”型属于多气孔的发射药,通过在发射药?#24615;?#21152;大量均匀的小孔,孔细而多的发射药具有更大的?#32570;?#38754;积,燃烧速率更快。另外由于“苏纳尔SVS”型属于双基发射药,在配方当中含有20%的硝化?#35270;停?#36825;也在一定程度上增加了发射药的燃速。

                霰弹的重量级越高,霰弹弹壳中发射药的燃速需求就越慢。因此从12号缩小,经过16号、20号,直到.410英寸口径时,相应的霰弹发射药燃速就需要越慢。


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                “苏纳尔SV”型无烟发射药的显微照片,放大22倍

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                苏纳尔SV”型无烟发射药,单粒的左视图,放大100倍

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                “苏纳尔SV”型无烟发射药,单一颗粒放大100倍后,其多孔结构以及中间的通道(大孔)清晰可见,燃烧弧厚度大约是发射药外壁厚度的一半

                均速型的“苏纳尔”型、“苏纳尔SF”型、“苏纳尔N”型主要用于12号,重量级为32 g到36 g的猎用霰弹。“苏纳尔”型、“苏纳尔SF”型采用了最传统的单基发射药配方:能量基础的硝化纤维、二苯胺作为稳定剂、润滑用的石墨、残留的惰性醇醚溶剂?#22270;?#20302;含量的水组成,通过几何尺寸外形以及孔隙率的最佳配比使得发射药具有所需的相应特性。“苏纳尔”型、“苏纳尔SF”型在燃烧速度、质量比重、膛压等一些主要方面与西欧以及美国的一些先进均速型发射药类似。由于“苏纳尔”型、“苏纳尔SF”型均速型发射药相比俄国市面上其他同类型的发射药燃速更高一些,膛压更高,进而保证了弹头的初速,因此装有“苏纳尔”型、“苏纳尔SF”型均速型发射药的12号猎枪弹对比装有“?#22686;馈?#22411;发射药的12号猎枪弹,由于做到相同射击效果所需的装药量更少,“苏纳尔”系列的均速型发射药更具优势,因此也更受俄国市场的?#38431;?#20294;是为了满足这种相对“高”燃速带来的优势,“苏纳尔”系列的均速型发射药必须装在质量更好、密封更致密的弹壳当中,不然就容易导致射击效果的孱弱,这在狩猎途中遇到猛兽的情况下将是致命的。

                作为狩猎用霰弹的发射药,能量密度更高的“苏纳尔N”型以及类似的“超级金钱豹”型发射药往往更适合直面猛兽,这种双基发射药含有20%的硝化?#35270;?#20197;含氮量,使得在更小的体积当中发射药气体生成量和生成速率更高(术语?#23567;?#27604;容”更高),更适合在小尺寸的大威力霰弹上使用。

                在本世?#32479;?#24320;始,市面上出?#33267;恕?#33487;纳尔-马格南”型以及“苏纳尔-410”型这两种高质量无烟发射药。“苏纳尔-马格南”型发射药适配与12号、16号以20号的高重量级霰弹,增加了弹丸的重量以及弹壳密封的牢?#22363;?#24230;,而“苏纳尔-410”型则专用于.410英寸口径的小尺寸霰弹。正如我们之前所提到的,在霰弹重量级的提升以及口径缩小的情况下,发射药的燃速必须减速,做到前文提到的“渐猛燃烧?#20445;?#20197;保证射击效果。为此,在这两种发射药的加工当中,引入了樟脑作为钝化?#31890;?#27167;脑是一种含氧量?#31995;?#30340;大分子?#35760;?#21270;?#34900;錚?#29123;烧缓慢且化学性?#39280;?#23450;,在用酒精溶解浸泡后在发射药造粒表面形成一层外浓内淡的缓燃层,在燃烧时随着由外及里樟脑浓度的逐渐降低,燃烧速率逐渐加快,气体生成?#39135;上?#24615;稳定增加,在做到同样射击效果的同时所产生的最大膛压相对更小,对枪膛本身的压力更小。

                装有“苏纳尔-马格南”型发射药的霰弹,在俄国国外被称之为“迷你马格南”亦或者“中等马格南?#20445;?#20854;等级一般位于常规的狩猎用霰弹与“马格南”霰弹之间。弹壳长度为70毫米的霰弹,在采用“苏纳尔-马格南”型发射药的时候,可在保持常规猎枪最大膛压水平的同时,将弹丸的重量级提升到40到42克,当然伴随而言的后坐力?#19981;?#30456;对于常规狩猎霰弹略高一些,这几乎可以算是大威力猎枪弹的一个通病。“苏纳尔-马格南”型发射药装在12号、16号和20号霰弹射击时,与装有“苏纳尔”型以及“?#22686;馈?#21457;射药的同等霰弹作对比,在装药量一致的情况下可将弹丸初速提高10%到15%。其实在我看来,“苏纳尔-马格南”型发射药更适合装填在16号和20号的小口径霰弹当中,多装10%的发射药以提升射击效果,这反而更适合猎枪狩猎的一些规律。

                “苏纳尔-410”型发射药作为小口径霰弹用的发射药,其燃速是最慢的一种,甚至接近常规步枪发射药的燃速,但这不代表这两者就能混用。

                片状的“?#22686;馈?#21457;射药对比市面上常有的几种发射药,诸如:“苏纳尔”型、“苏纳尔SF”型来说,燃速更高,孔隙率更低。因此在作为12号霰弹发射药的时候,由于发射药燃气不完全燃烧因此所装药?#30475;?#21040;2克以上,远高于常规的发射药,在射击时会产生更高的后坐力以及更大的噪音。但16号和20号霰弹要求的膛压更高,高燃速的发射药燃烧更为充分,因此使用这种高燃速的片状发射药更适合16号和20号的霰弹。

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                跟“?#22686;馈?#21457;射药属于同一类的美国的IMR HI-SKOR 700X型速燃发射药,主要用于12号霰弹和16号霰弹,?#37096;?#29992;于9mm 鲁格弹,.357 马格南弹,.38特种弹,.44马格南弹,.45 ACP弹等手枪弹,造粒方式为圆饼状,图中放大100倍

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                美国的IMR HI-SKOR 700X型发射药,单枚发射药颗粒的左视图,放大200倍

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                美国的IMR HI-SKOR 700X型速燃发射药,由于追求燃速,因此造粒为无空的圆饼状,厚度仅为0.08 毫米,通过极薄的厚度来实现高燃速,放大60倍


                俄国商用发射药存在的问题


                如果我们把市面上俄国国产的商用发射药与欧美的商用发射药对比,它们的配方基本上都是一致的,不同在于在造粒方面,欧美的商用发射药以片状和圆饼状更普遍,而俄产商用发射药则以球形?#25237;?#31649;形为主,但这并不影响发射药的品质和效果。俄国国产的发射药缺点在于弹道性能不专一,适用?#27573;?#26356;广泛,一个品牌类型的发射药可适用于多种不同的霰弹,缺乏专一性和针对性。例如在12号霰弹当中,如果用“苏纳尔”型发射药,那么平均装药量约为1.9克,但是不同批次的发射药可以装1.7克到2.0克之间的装药量。对于16号和20号霰弹所用的小剂量发射药而言,很难做到更高的品质。对于12号口径的自动装填霰弹枪,例如Saiga-12半自动霰弹枪来说,使用这种小剂量的霰弹发射药时,在某些情况下的自动循环过程当中容易出现故障。再者由于这种小剂量发射药的噪音、枪口焰以及后坐力?#31995;停?#22240;此装2克左右发射药是常规做法。?#22771;?#19968;段时间俄国商用发射药应该做的是做到用途的专一化,让消费者根据需求来购买,这一方面是生产者对于市场认识和责任方面的问题,另一方面也与俄国人本身对于“能用即可”理念的随遇而安有关,问题和压力都不小。


                给我国发射药带来的启示


                朵英贤院士曾在公开场合专门就国产轻武器发射药的问题发文,证明当前我国改进轻武器发射药是一?#38704;?#28982;而且紧迫的趋势。当前而言,在配方和工艺方面,我国发射药很大程度上仍旧在啃仿苏式发射药的?#31995;?#23376;,推陈出新的频率和数量不足,难以支?#29260;?#24403;前小口径高速步枪弹专用发射药的缺口。另一方面,发射药工艺属于基础化学工业当中范畴,我国基础化学工业就?#22771;?#32780;言与国际先进水平仍有一定的差距,以这种工业底子去实现更精密且更合适的轻武器发射药是不太切合?#23548;?#30340;。因此俄国商用发射药当中专一化的问题也是我们将要面临的,而最基础的问题就是提升中国本身的基础化学工业,这在兵器工业当中是至关重要的基础。


                全文完。


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