吴艺英，王瑞林，辛文彤，王 森

（军械工程学院 基础部机械设计教研室，河北 石家庄，050003）

现有的热切割技术虽然在切割精度、效率和质量上都得到了快速发展，但其切割时都需要外界能源和设备，难以满足复杂环境诸如战场抢修、自然灾害等要求快速反应、简易携带、有效的切割。烟火学切割是一种利用烟火药燃烧产生的高温熔融金属射流来切割金属材料，以实现在无外加能量源的条件下对金属材料实现快速切割的热切割技术。我国在烟火切割技术研究方面起步较晚，研究较少，也不够系统[1]。

枪发切割弹是在烟火切割技术的基础上结合固体火箭发动机原理进行切割的，是一种无需外界电源和气源，携带方便、操作简单，可以原位切割金属结构的新切割方法，其特点在于将弹药和枪结合进行切割，实现了战场和野外等特殊情况下机动、灵活、高效的应急切割任务需求。

1 枪发切割弹结构

枪发切割弹结构如图1所示，主要包括底火、弹壳、切割剂和喷嘴4个部分。其药柱成型方式借鉴了固体火箭发动机燃烧室的药柱成型原理，其弹体装药采用单孔管状带固定式装药，其外侧表面和两端面包覆。当击发底火点燃弹体内部切割剂后，切割剂的燃烧合成反应从中空内孔开始，均匀径向燃烧至弹壳。

图1 切割弹结构简图Fig.1 The sketch of cutting ammunition

在燃烧过程中，装药长度对弹内燃烧情况具有重要影响，因此通过对装药长度进行分析，可以有效地分析切割弹的燃烧机理和切割性能。

2 实验方法

将配置好的切割剂各组分放入三维混料机进行机械均匀混合，并置入恒温110°鼓风干燥箱中2h，取出后置于常温下冷却，最后采用冲压成型法压制于切割弹内。弹体前端为耐高温材料的锥形石墨喷嘴，喷嘴直径Ds为4mm、装药外径D为25mm、中空初始内孔d0为6mm。实验时，保持内其余参数不变，每隔20mm取不同装药长度值L进行实验，实验参数见表1。

表1 实验方案Tab.1 Experiment design

切割时将切割弹装入特制切割枪中，手持切割枪对准被切割工件—20mm厚Q235钢板进行切割，通过扣动扳机击发切割弹底火，底火引燃切割剂，产生高温液体和高压气体，产物经喷嘴聚能压缩后喷出，将钢结构件局部熔化，实现切割。为方便实验数据记录，减少切割人为因素带来的误差，切割时未进行移动操作，通过切割熔融钢板的孔深、孔径及体积比较其切割效果，并利用电子秒表和摄像机采集切割弹切割工作时间等实验数据。

3 实验结果及分析

3.1 切割时间

通过对切割时间的测量，得到如图2的变化曲线，可以发现随着装药长度的增大，切割时间并不是单调增加，切割时间呈现先增大后减小的规律。

图2 切割时间随装药长度的变化曲线Fig.2 Curve of cutting time vs charge length

式（1）中：m为装药总重量，kg；us为喷嘴出口射流速度，m/s；As为喷嘴横截面积，m2；ρs为射流密度，kg/m3。

在装药量较少时，装药增量△m大于出口射流的增量△us，占主导因素。故随着装药长度L的增加，装药量m增大，切割时间逐渐增大。

图3 切割弹内燃烧示意图Fig.3 The sketch of combustion in cutting ammunition

式（2）中：ρ为切割剂密度，kg/m3；Ab为燃烧面积，m2；为切割剂燃烧速率，m/s。

当弹内压力p较大时可以忽略自然环境压力，装药末端到喷嘴出口处由动量守恒有：

式（3）中：△m为△t内流过喷嘴的射流质量，kg；p为弹内压强，Pa。

另一方面，萨姆菲尔德提出的简单复合火药物理模型燃烧速度关系式[2]同样适用于以铝热剂为主的切割剂燃烧规律：

式（5）中：为切割剂的燃烧速度，m/s；a、b均为常数。

将式（3）～（4）带入式（1）可得：

式（6）中：d为内孔直径，m；L为装药长度，m。

由前面分析可知，影响切割时间t的主要因素为装药量m和射流速度us，装药长度L通过直接或间接作用影响m和us，使切割时间出现峰值。结合图 2切割时间测量实验结果可知，L=80mm左右为切割时间峰值点，此时切割时间最长，利于切割操作。

实验发现，当L=120mm时，出现喷嘴被射流冲出现象，导致切割时间很短（2.5s）。这是因为装药设计中装药长度L过长而装药初始内径d0不变时，初始通气参量æ0（æ0=4L/d0）超过规定值，导致弹内发生侵蚀效应[4]。

发生侵蚀效应的结果是生成物流速u较大的一端切割剂燃烧速度r更快，弹内压强p更大，最终超过允许压力，导致燃烧的切割剂瞬间将喷嘴喷出，影响切割效果，造成安全危险。

3.2 切割效果

割孔的宏观效果与装药长度的对应关系见图4。由图4可见孔深和出口射流速度、切割时间具有明显的相关性。实验测得割孔深度与装药长度L关系见图5。

图4 不同装药长度下的割孔效果Fig.4 Photo of cutting effect with different charge length

图5 不同装药长度下的割孔深度变化曲线Fig.5 Curve of cutting depth with different charge length

从图5中可以看出，孔的深度随着装药长度L的增加先增加后降低，弹内压强p随着L的增加而不断变大，导致喷嘴出口流速不断增大us，而实验研究表明，对基于烟火切割原理的切割弹而言，影响其切割效果的主要为“挂渣”[5]。而燃烧生成物（金属射流介质）的出口射流平均速度us越快，动量越大，起到的对流传热和清渣作用越好，即“吹渣”效果越好。

当L＜80mm时，切割时间不断增大，在工件表面形成熔池后向下熔化时间增加，使热量充分向钢板工件深处传递，故孔深不断增加。

而当装药长度大于80mm后，切割时间变短，导致熔池停留时间缩短，热量作用于工件的时间缩短，导致割孔深度下降。特别是当L=120mm时喷嘴被冲出，燃烧热量瞬间作用到Q235钢板表面，形成了上径大而深度浅的割孔，难以实现厚钢板的切割。

4 结论

（1）枪发切割弹是一种新型的应急切割技术，弹内切割剂主要是以高热剂为主的烟火配系，其弹体装药设计结合了固体火箭弹装药设计原理，切割时操作简单，无需外界能源和设备，携带使用方便，是战场抢修和抢险救灾应急切割的理想手段。

（2）装药长度L的设计影响着弹内切割剂的燃烧方式进而影响到切割效果，L设计过小导致切割时间t缩短，不利于切割操作，设计过大，导致弹内发生侵蚀效应，压强超出允许范围，切割效果差，更可能导致爆炸等安全隐患。不同的药剂成分其L取值不尽相同。实验表明，对于本配方切割剂，L=80mm左右为宜，此时切割时间、切割效果都较好。

（3）切割时间t和喷嘴出口速度us对切割效果有着重要的影响，切割时间越长，切割时形成熔池后向下熔化时间增加，使热量充分向钢板工件深处传递；us的增大可使喷射的熔融金属对切割工件形成连续机械冲刷，有效地起到了对流传热和清渣作用。两者结合作用可实现较厚钢板的切割。L通过这两者的作用进而影响切割弹切割效果。

[1]王鹏,张靖.烟火切割技术研究进展[J].含能材料,2010,18(4) :476-480.

[2]董师颜,孙思诚,张兆良,等.固体火箭发动机原理[M].北京:北京理工大学出版社,1996.

[3]王光林.固体火箭发动机设计[M].西安:西北工业大学出版社,1994.

[4]张洪林.侵蚀燃烧在发射装药内弹道中的应用研究[J].兵工学报,2008,29(2):129-133.

[5]王鹏，张靖. 烟火切割热力学分析及药剂配方设计与实验[J].含能材料,2011,19(4):459-463.