0 引　言

传统火炮发射过程中，火药在膛内燃烧生成火药燃气，火药燃气在弹底产生压力推动弹丸，而燃气分子存在惯性，形成弹后压力梯度，压力梯度是装药质量比的强函数，因此理论上存在初速极限。采用分子量大的火药燃气加速弹丸时，火药燃气有很大一部分能量用于加速火药燃气本身，用来加速弹丸的能量就相应减少，因此，降低火药燃气分子量，对提高弹丸初速极限有很大的帮助。氢氧燃烧高速发射是一种利用低分子量可燃气体燃烧后产生高温高压轻质气体推动弹丸运动的新型发射方式。氢气作为可燃轻质气体与氧气按照一定比例加注进入燃烧室形成混合气体，通过点火装置点燃混合气体，混合气体燃烧形成高温高压轻质燃气推动弹丸在炮膛内运动，由于利用的是轻质燃气推动弹丸，弹底与膛底的压力差减小，膛内声速大，可以将弹丸加速到远高于传统火炮的初速。

为了掌握氢氧燃烧高速发射技术，需要对氢氧燃烧发射过程中涉及的科学、技术问题开展研究。本文分别对参与燃烧的气体成分和比例关系、参与燃烧的氢氧总质量、点火能量、点火方式、点火点数量等科学问题以及燃烧室的结构、密封方式、低温燃料的供给等技术问题进行了探讨。

1 提高火炮初速遇到的瓶颈问题

使火炮射程更远是火炮行业的不懈追求，常规火炮增大射程的一个重要手段就是提高火炮的初速（见图1），按照能量守恒定律，火炮发射的内弹道过程遵守以下方程式^[1]：

$ \frac{1}{2}\phi mv_0^2=\int_0^{l_g}Sp\mathrm{\mathrm{d}}l 。$

(1)

式中：p为火炮膛内压力；l为弹丸行程；v₀为弹丸初速；m为弹丸质量；$ \phi $为次要功系数；$ {l_g} $为身管总长度；S为身管截面积。

由式（1）可知，同口径的火炮，在保持弹丸质量不变的条件下，提高初速的手段主要有：提高膛压、增大药室、加长身管（见图2）等。这些措施虽然不同程度地增大了初速，但也带来火炮体积和重量的增加，影响火炮的机动性和适装性。此外，火药发射还有以下更难以突破的问题。

1.1 火药固有能量——火药力的限制

火炮的实际初速和火药主要参量的关系表示为^[1]：

$ \nu_0=\nu_l（\eta_{\text{g}}'）{\frac{1}{2}}\nu_l=\left(\frac{2f\omega}{\theta\phi m}\right)^{\frac{1}{2}} 。$

(2)

式中：$ {v_l} $为火炮的极限初速；$ \eta '_{\text{g}} $为火炮的热机效率；$ \omega $为装药质量；$ f $为火药力。$ {v_l} $为火炮的极限初速；$ \eta '_{\text{g}} $为火炮的热机效率；$ \omega $为装药质量；$ f $为火药力。

火炮的初速和火药力（$ f $）成正比，常用的发射药进一步提高火药力的措施有限。

1.2 火药燃烧过程难以控制

从火炮内弹道$ p - l $曲线（见图3）、初速和膛压的关系式（3）可知，火炮的初速和膛压曲线与横轴组成的面积大小成正比，在最大膛压一定的情况下，

$ \nu_0==\left(\frac{2S}{\phi m}\int_0^{l_g}p\mathrm{d}l\right)^{\frac{1}{2}}。$

(3)

在弹底面积一定的情况下，增加$ p - l $曲线下的积分面积并不是一件容易的事，火药的燃烧特性决定了$ p - l $曲线的基本特征。

1.3 火药燃气分子量限制

气体膨胀做功时，气体所能获得的最大膨胀速度$ {v_{gm}} $表示为^[2]：

$ {\nu _{gm}} = \frac{2}{{\gamma - 1}}{C_0} {C_0} = {\left( {\frac{{\gamma R{T_0}}}{{{M_\tau }}}} \right)^{\frac{1}{2}}}。$

(4)

式中：$ {v_{gm}} $为气体的最大膨胀速度；$ {C_0} $为气体的声速；$ {M_\tau } $为气体的相对分子量。

对于无限长的发射管，不考虑损耗，这个速度就是弹丸可能达到的最大速度^[3]。

火药燃气的主要成分是CO₂、N₂、CH₄、CO、H₂O等，平均分子量大约在20~30之间，该分子量限制了其最大膨胀速度的量值。

为了突破以上限制，进一步提高火炮初速，火炮和弹药行业也进行了很多有益的探索，提出了一些新型发射技术，比如随行装药技术（针对问题1.1和1.2）、液体发射药技术（针对问题1.1和1.2）、电热化学炮技术（针对问题1.1和1.2）、电磁轨道炮技术（针对问题1.1、1.2和1.3），这些技术一定程度上可以解决上述问题，但也存在实施难度大、能量需求大、火炮结构复杂、体积重量大、身管寿命低、成本高等诸多问题，工程实现上存在无法克服的技术难题。

2 氢和氢氧燃烧

氢是元素周期表中排第一的元素，氢通常的单质形态是氢气，是最轻的气体。因此，根据式（4），氢气具有非常高的最大膨胀速度。

氢气具有非常好的燃烧特性。氢气的燃烧热高达141.8 kJ/g，是汽油的3倍；常态下在氧气中燃烧极限为4.1%~94.0%（体积分数）；空气中最小点火能量为0.02 mJ，约为汽油的1/10，特别容易被点燃；在标准态空气中，氢气燃烧速度为3 460 mm/s，比甲烷高一个数量级^[4]。

氢的能量密度极高，达39.4 kW·h/kg^[5]，氢气在氧气中燃烧可以瞬间释放大量的热能，燃烧产物为含有高热量的水蒸气。氢氧燃烧已用于内燃机、火箭推进。特别是航天发射，广泛使用液氢作为发射动力，可以大幅降低燃料自身的重量，增加有效载荷占比。

氢氧燃烧用于内燃机、火箭推进时，通常工作在常压下，推进的瞬时速度不是很高。而如果作为武器使用时，则需要瞬间的爆发力，在毫秒级的时间内把弹丸推进到每秒几千米的速度，因此整个燃烧过程是一个高温、高压、高速的过程。据研究，用氢氧燃烧作为发射工质提供的炮口动能比先进的固体发射药至少高出30%^[6]。

3 科学与技术问题 3.1 科学问题 3.1.1 确定参与燃烧的气体成分和比例关系

氢气在氧气中燃烧方程式为：

$ 2{\mathrm{H}}_2 +{\mathrm{O}}_2 =2{\mathrm{H}}_2 {\mathrm{O}} $

氢气和氧气参与化学反应的摩尔比为2∶1，用于氢氧燃烧发射时，需要把氢气和氧气预先混合后形成预混气体，再进行点燃，此时的反应非常剧烈，容易发生爆炸（常态下在氧气中爆轰的浓度极限是15%~90%）^[4]。另外，如果氢气和氧气按摩尔比2∶1进行反应后全部变成水蒸气，用来推进弹丸时的效率就会变低。因此，为了控制燃烧进程、又有多余的高温高压轻质气体用来推进弹丸，一般会在预混气体中加入一些轻质气体作为稀释剂，如氢气和氦气^[4]。加入多少氢气或氦气，才能达到好的燃烧和推进效果，需要深入研究。

3.1.2 确定参与燃烧的氢氧总质量

根据热力学第一定律，要想获得足够大的能量对外做功，参与反应的工质气体要有足够的能量，而这些能量大小和气体的量多少有关。常温常压下，一定体积气体的质量一定。

要想在一定的体积下（发射药室容积一定）获得足够多的气体质量，可以使用高压和低温的气体。所以，有3个问题需要研究：燃烧室容积的大小、气体的初始温度、燃烧气体的压力。

用于发射时的氢氧燃烧是在一定的燃烧室中进行的，在发射温度和发射压力确定的情况下，燃烧室容积的大小基本决定了燃烧气体的总量。确定燃烧室大小时，要考虑气体总的能量能否满足发射要求，还要考虑发射装置的体积和重量是否满足总体要求。

在0.1 MPa大气压力下，当温度低于一定程度时，氢气和氧气将变成液态（氢气在252.87 ℃变成液氢，氧气在−182.96 ℃变成液氧），甚至变成固态（液氢在259.1 ℃变成固体，液氧在218.8 ℃变成固体），液氢密度是氢气密度的1200多倍，液氧密度是氧气密度的800倍；在温度一定的情况下，当压力增大时，气体的浓度会增大，如在20 ℃时，70 MPa的氢气密度是42.8 kg/m³，是0.1 MPa时的476倍。这都有利于在有限的体积内增大气体的质量。美国UTRON公司采用液态的氢气和氧气在一定的压力下进行燃烧，取得很好的效果。航天发射也采用液氢燃烧的方式。到底采用何种相态、在什么温度和何种压力下进行氢氧燃烧发射的效率最高需要深入研究。

3.1.3 确定点火能量、点火方式、点火点数量

燃烧室预混的氢氧混合物，如果点火不当，会发生爆炸或产生压力波，对内弹道过程产生不利影响。正确的点火包括对点火能量、点火方式和点火点数量的正确选择^[7]。

点火能量：点火能量和混合气体的组分、点火时的压力、点火时的温度等都有关系；点火能量的大小也对内弹道过程产生很大的影响，点火能量越大，燃烧反应越快，內膛压力上升越快，内弹道时间越短。

点火方式：气体燃烧一般采用电火花点火，能量来源于电容或电感储能，但电火花点火的可控性较差、耐压和耐温的能力都不强，使用可靠性、寿命等需要深入研究；等离子体点火、激光点火、微波点火等点火方式在火炮发射药点火中得到应用，可控性较好，可以尝试进行使用。

点火点数量：为了使预混气体充分燃烧，提高气体燃烧的一致性，对点火点的数量、布局方式等进行研究，可以给出较好的使用方案。

3.1.4 燃烧模型的建立和燃烧速度、气体膨胀速度等的计算

采用低温、高压状态下预混的氢氧混合物进行燃烧反应，其燃烧模型能否使用通常的预混燃烧模型，如漩涡破碎模型、涡团耗散模型、K-ε-g模型等^[8]，在进行燃烧速度、气体膨胀速度等参数计算时，是否需要对模型进行修正，修正参数如何选择，修正量如何确定，需要大量的实验数据进行支撑。

3.1.5 弹丸挤进过程分析

常规火炮的弹丸由弹丸的定心部、弹带来保持弹丸在膛内的密封和定位，火药燃烧达到启动压力（通常为25 ~ 40 MPa）时，弹丸启动，之后弹带嵌入膛线，膛压进一步上升，推动弹丸加速运动。在氢氧燃烧发射时，弹丸采用何种形式，是否需要弹带，身管有无膛线，启动压力如何确定，弹丸挤进模型的建立等，需要充分进行研究。

3.1.6 建立弹丸的运动学和动力学模型

建立正确的弹丸运动学和动力学模型，才能计算膛压、弹丸初速等内弹道参数。氢氧燃烧发射时，需要研究膛压、燃烧温度以及弹丸运动的速度、行程和时间等各个变量之间的相互关系，建立内弹道方程组，需要深入研究不同初始压力对弹丸速度和膛底/弹底压力的影响、不同初始温度对弹丸速度和膛底/弹底压力的影响等，为内弹道的正面计算和反面计算奠定理论基础。

3.1.7 内膛烧蚀机理研究和氢脆的控制

传统火炮身管的寿命与火药燃烧形成的高温高速气体的冲刷和烧蚀作用关系密切。氢氧燃烧产生的火焰温度高达2500 ~3000 ℃，比火药燃烧产生的温度稍低；燃烧生成物是高温的水蒸气，比火药燃烧生成的高温气体对药室和身管内壁造成的损害要小。但是高温高速的水蒸气对内膛造成的损害机理仍需要研究，另外，燃烧混合物中的氢气对高强度合金钢结构的金属身管可能造成的氢脆现象需要高度重视。在氢氧燃烧发射过程中，混合气体在燃烧前后处于几十兆帕到几百兆帕的压力作用下，氢气可渗入钢中，与钢中的杂质发生化学反应生成氢化物，氢化物可在钢中夹杂物或晶间等场所形成核，随着核的扩展，产生高压导致材料受损，在钢的内部形成细小的裂纹，对身管的寿命造成不利影响。温度越高、压力越大，越容易造成氢脆，而且由氢引起的合金的敏感性随着金属强度增大而增大，随着氢气纯度的增加而增加^[4]。要深入研究氢气对身管钢的损害机理，制定有效的措施，避免氢脆的发生。

3.2 技术问题

当上述基础的科学问题逐项得到解决后，要在工程上实现氢氧燃烧技术的应用，仍有很多技术问题需要攻克。

3.2.1 设计燃烧室的结构

氢氧燃烧发射的燃烧室类似火炮的药室，其强度设计可以参考火炮药室的强度设计方法，但其结构却有很大的不同。氢氧燃烧发射采用向膛内填充气体的方式，燃烧室在填充气体前应该是一个密封腔体。燃烧室设计成方形、圆柱形、圆锥形、还是球形？为了控制燃烧速度，内部是否需要格栅？有研究表明，密闭容器中，内部如果有障碍物，障碍物可以促进湍流的形成，使火焰加速明显；另外，燃烧室内壁粗糙时，在初始压力一定的情况下，燃烧速度会有不同；燃烧室内壁光滑时，燃烧速度高，且与初始压力无关^[9]。

3.2.2 选择密封方式

为了保证燃烧室是一个密闭的环境，弹丸装填后的可靠密封，充气口、点火点处的安全可靠密封都至关重要。包括密封方式、密封材料、密封结构的选择，密封性能的计算等。比如弹丸装填后的密封，弹丸装填到位后，与燃烧室前端结合后，应满足在气体充填后初始压力下可靠密封，还要继续承受弹丸在启动之前预设的启动压力，且在满足启动压力时能够适时启动；充气口、点火点等都应是耐压且密封的，充气口在需要充填气体时应能安全可靠地打开，填充完成后还应该安全可靠地关闭，美国URTON公司的充气口密封形式如图4所示^[10]。

3.2.3 低温燃料的供给

为了达到好的发射效果，氢和氧形成的混合推进剂以液体或接近液态（冷稠态气体）按照使用要求的量被精确地输送到燃烧室。

低温燃料的供给要满足以下需求：1）在规定的时间内完成供给；2）按规定的量准确供给；3） 按规定的次数连续供给；4）能自动完成供给；5） 能安全可靠地完成供给。

美国URTON公司的低温燃料供给系统（见图5^[10]）将液氢和液氧储存在储罐中，通过泵把液氢和液氧充到蓄能器中，在蓄能器中氧是液态、氢是气态，填充后蓄能器的压力约为55 MPa，并进行液氮冷却，以保持长期储存。蓄能器后，液氧或氢气减压到约34.5 MPa，并通过调节阀和质量流量计填充燃烧室。

3.2.4 确定弹丸形式

弹丸的外形除满足外弹道飞行的气动外形要求（可参考火炮发射弹丸气动外形的设计）外，还要保证弹丸能够顺利装填和可靠密封燃烧室^[11]。美国URTON公司采用了一种带裙摆的弹丸（见图6^[12]），这个裙摆在燃烧室压力作用下进入身管时，被压入到弹丸的凹槽内，与身管内壁严密结合，以动态密封的方式防止燃烧气体通过弹丸溢出。这个裙摆的合理设计（包括材料、结构、强度等）非常重要，将决定弹丸的启动压力、弹丸在膛内的运动规律和弹丸的最终速度。另外，在这种弹丸的尾部还采用了一种非金属的密封环，起到辅助密封的作用。

3.2.5 确定连续发射方法

不论何种发射方式，要成为一款有效武器，都必须有能够连续装填弹丸的机构，使发射过程能够持续地进行，满足作战要求。氢氧燃烧发射技术的燃烧室需要严格密封，所以它如果像常规火炮那样在发射之后打开药室来装填弹丸，一是装填行程长，二是重新可靠密封难度大，三是如果采用固定式的点火管就无法从后部打开燃烧室。美国URTON公司采用了一种旋转腔室的方式（见图7^[10]），该旋转腔室安装在燃烧室和身管之间，发射时连接燃烧室和身管形成一个密封的管道用于发射弹丸，需要装填弹丸时把该旋转腔室旋转90°，接收从一个固定弹夹上送来的弹丸，再旋转90°进行发射。

4 结　语

氢氧燃烧发射技术与火药发射技术相比存在热能高、推进速度快、可控性好等特点，上述的7个科学问题和5个技术问题是氢氧燃烧发射技术能够在工程上得到应用急需解决的问题，待上述问题得到解决后，氢氧燃烧发射技术可以用于高速发射弹丸，突破火药发射的速度局限，实现超远程发射。由于氢氧燃烧发射技术带来的低烧蚀，可有效提高发射管的寿命。氢气和氧气可以由电解水获得，发射能源就是水，在未来的战车或战舰上，不需要携带发射药，只要有水，就可以实现氢氧燃烧发射。经过合理的设计，该技术也可用于导弹、无人机、鱼雷的发射。