軍用混合炸藥的發展趨勢

王曉峰

(西安近代化學研究所,陜西 西安 710065)

引 言

炸藥是常規武器爆炸產生破壞與殺傷作用的能源,是武器裝備實現高效毀傷的基礎,是決定武器系統威力的關鍵因素。雖然對爆炸物質的了解和使用可以上溯至公元10世紀的黑火藥,但現代炸藥的發展始于19世紀。從19世紀末開始裝填彈藥的苦味酸和梯恩梯,到二次大戰中受到各國普遍重視的RDX 和HM X,再到1987年以來以CL-20 為代表的高能量密度化合物,炸藥技術的所有領域都產生了巨大的進步。這些進步不僅使炸藥技術本身得到了深化和發展,而且有力地促進了武器裝備性能的提高和更新換代。

目前,世界各國武器裝備使用的炸藥絕大部分都是混合炸藥,彌補了單質炸藥在品種、成型工藝、原料來源和成本方面的不足,具有較大的選擇性和適應性。20世紀90年代以來,隨著人們對毀傷技術相關物理、化學規律認識的不斷深入以及數學處理技巧與計算機模型的不斷發展,在新材料和高新技術的帶動下,一度沉寂的混合炸藥技術領域再度活躍起來,在設計理論、研究方法、制造工藝和應用范疇等各個方面都取得了革命性的進展,呈現出許多超越傳統概念和內涵的新的發展趨勢。

1 炸藥組分的高能化和高能量密度化

通過提高主體單質炸藥的能量和含量,從而提高混合炸藥的能量和能量密度,是提高混合炸藥能量的主要傳統技術途徑,當前研究的熱點是CL-20、DN TF、TNAZ 等高能量密度化合物在混合炸藥配方中的應用。

CL-20 主要用于在金屬加速炸藥中取代HM X,從而提高聚能裝藥、EFP 及破片殺傷戰斗部的性能。典型配方有美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)研制的LX-19 炸藥,密度1.942 g/cm3,爆速9 208m/s,圓筒試驗的能量輸出比LX-14炸藥高14%;美國陸軍研制的PAX-11 炸藥,密度1.951g/cm3(99%TMD),計算爆速9 520m/s,除用于精密聚能裝藥外,也用作高能傳爆藥,滿足高價值彈藥對小型傳爆裝藥高起爆能量輸出的要求;在此基礎上,美國陸軍研制了含鋁CL-20 基炸藥PAX-29,理論密度2.002 g/cm3,計算爆速8770 m/s,總能量比LX-14 增加了42%,可用于多用途反裝甲戰斗部和高爆戰斗部中;美國海軍研制的PBXW-16 炸藥[1],以Hytemp 4454 作高分子黏結劑,DOS(癸二酸二辛酯)和WS-280(一種有機硅化合物)作混合增塑劑,還含有少量石墨作為潤滑劑,理論密度1.883 g/cm3,是一種具備不敏感性質的壓裝金屬加速炸藥;法國火炸藥公司(SNPE)研制出C L-20質量分數達90%以上的室溫澆注PBX 炸藥,爆速達8900 m/s[2];瑞士采用新工藝(Isogen 工藝)研制出兼具澆注和壓裝雙重優點的C L-20/HTPB(96/4)配方,密度1.913 g/cm3(98.1%TMD),實測爆速9090 m/s。

DNTF 、TNAZ 主要用于代替TN T 作為熔鑄炸藥的液相載體炸藥。除了DN TF、TNAZ 以外,近年來用含能離子液體取代TN T 應用于熔鑄炸藥也受到了越來越多研究者的關注,含能離子液體代表了含能化合物向離子鍵型化合物發展的新方向。

炸藥組分高能化的另一條途徑是黏結劑、增塑劑等惰性組分的含能化,如含能聚合物、含能增塑劑在澆注-固化PBX 炸藥中的應用以及含能熱塑性彈性體在熔鑄PBX 炸藥中的應用[3]。

2 爆炸反應物質的復合化和納米化

炸藥的爆轟本質上是快速的氧化-還原反應,理想炸藥的氧化劑和還原劑(可燃劑)是同一分子的不同基團,稱為分子內炸藥;而當前大力發展的非理想炸藥是氧化劑和可燃劑物理分離的分子間炸藥。氧化劑-可燃劑復合型炸藥成為提高炸藥能量的新途徑,其能量主要來自于組分間的快速化學反應,與各自獨立的成分相比,可燃劑和氧化劑的混合物增加了爆炸反應的潛在能力,通過合理選擇可燃劑和氧化劑,有可能使爆炸反應釋放出更高的能量。

目前,實際應用最廣泛的氧化劑是高氯酸銨(AP),金屬可燃劑主要是鋁粉。今后重點研究的新型氧化劑有兩種:一種是ADN,它所釋放的氣泡能比當前應用的最好的水下炸藥(PBXN-103)的氣泡能高出50%[4],可使殺傷半徑增加約25%;另一種是二氟氨基(NF2)化合物,它和金屬的反應更有效,可以使金屬更完全地轉化為氧化物,具有顯著增加能量的可能性[4]。可燃劑方面,采用在熱力學上更具有吸引力的材料,如鋯、鎂或硼等,全部或部分取代炸藥中的鋁,可以增強鋁的反應活性[5]。以前含硼炸藥領域的研究效果并不是很好,因為在有含氫物質(如水)存在的條件下,硼的氧化效率很低,更趨于生成低能中間體HOBO(HBO 2),而不是B2O3,目前的進展已經使硼的燃燒效率超過了90%,應用前景漸趨明朗。

復合型非理想炸藥的主要問題是能量釋放不夠完全和快速,而納米含能材料具有釋放化學能反應更迅速、化學反應更完全的優點。最直接的方法是在混合炸藥中應用納米金屬粉(如鋁、鎂)或非金屬粉(如硅、硼)[6-9],增加各組分間接觸的緊密性和表面積,從而增加爆轟反應的能量釋放速率和金屬粉的反應完全性。但由于單一的納米粉體在混合炸藥中很難均勻分散,無法發揮其比表面積大、比表面能高和比表面活性高的優點,因此,采用納米結構的復合含能材料,將氧化劑與還原劑在納米尺度上實現組裝,可能是使混合炸藥的能量釋放問題得到根本解決的有效途徑,這類材料包括單質炸藥/氧化劑納米晶體分布于連續基質形成的納米復合材料[10-12]、亞穩態分子間復合物(M IC)(即超級鋁熱劑)[13-14]、含氧化劑的納米多孔硅[15-16]等。

3 儲能物質的金屬化和貧氧化

傳統的金屬化炸藥已經發展了一個多世紀,是在炸藥中引入高熱值金屬粉,由于按體積來衡量,金屬與爆轟產物(H2O、CO2)的反應所釋放的能量比被金屬替換的那部分炸藥所釋放出的能量更高,因此金屬化的炸藥能夠提高能量水平。如今,炸藥的金屬化研究已不局限于配方內部組分之間反應熱力學的范疇,更多的是從動力學的角度,通過金屬粉的貧氧化和高活性化,控制反應速率,充分利用周圍介質(空氣或水)中的氧參與爆炸反應,提高毀傷作用的總能量水平,使單位質量炸藥載荷的能量最大化,并調節能量釋放的時間-空間分布,從而獲得多重毀傷效應,增強傳統炸藥的毀傷效能。

根據反應時間尺度的不同,所產生的是不同的增強效應。如果爆轟產物及周圍介質與金屬粉之間的后續反應足夠快速,則其釋放能量所產生的是增強主爆轟沖擊波效應;如果爆轟產物及周圍介質與金屬粉之間的后續反應較慢,則其釋放能量所產生的是溫壓效應和氣爆效應。與上述效應相對應,重點發展的炸藥品種是沖擊波效應增強型炸藥、溫壓炸藥和燃料空氣炸藥(FAE)。

溫壓炸藥比常規炸藥具有更高的毀傷威力,在近距離產生強烈的爆炸沖擊波摧毀中硬目標,而大范圍的氣云后燃爆炸釋能過程,可產生無孔不入的高溫火球破壞障礙物后的軟目標。近20年,在世界局部戰爭中,美國和俄羅斯等國使用的多種溫壓彈,已成為標志性的新型武器,其發展前景被一致看好。美國將其列為十六種“未來武器”之一,在日益增多的打擊有限空間目標,如摧毀地下洞穴、巷道、工事中的人員,反恐和城市作戰中大有用武之地。

燃料空氣炸藥(FAE)爆炸過程中的高熱和沖擊波無孔不入,形成獨特的殺傷效應,產生大空間區域毀傷和面毀傷效應,很早就引起了人們的重視,德國在第二次世界大戰中、美國在越南戰爭中、前蘇聯在阿富汗戰爭中都使用了FA E。FAE 的研究如今在世界范圍內廣泛開展,一直在尋找能量更高的爆源材料,如高反應活性金屬等。2007年俄羅斯研制成功“炸彈之父”,采用含高活性金屬材料的高能FAE 炸藥,其爆炸威力接近6 倍TN T 當量,毀傷效應類似于小型核彈[17]。美國NASA 蘭利研究中心在“關于未來戰爭的預測”中認為,未來可能用于FAE 的新型非核高能材料包括亞穩態填隙式復合物(6 倍TN T 當量)、燃料-空氣/粉塵-空氣炸藥(15 倍TN T 當量)、金屬氫類HEDM(數十倍TN T 當量)、張力鍵物質(100 倍TN T 當量)等。

4 能量輸出結構的多樣化和精細化

不同類型的目標有不同的易損性特點,為了適應打擊目標多樣化、目標特性復雜化的作戰需求,炸藥的能量輸出結構呈現出多樣化和精細化的特點。

對于大型爆破型彈藥,要求炸藥具有較高的沖擊波超壓和沖量;對于破片殺傷式彈藥,要求炸藥對破片具有較高的加速能力;對于聚能戰斗部,要求炸藥能驅動產生高速射流和自鍛彈丸;對于重型魚雷、水雷和深水炸彈等水下爆破彈藥,要求炸藥具有較高的沖擊波能和機械氣泡能;對于硬目標侵徹戰斗部,要求炸藥有較高的抗沖擊過載特性和較高的內部爆炸威力;對于溫壓戰斗部,要求炸藥有較高的沖擊波沖量、持續時間較長的熱效應及較高的耗氧能力;對于云爆戰斗部,要求燃料與空氣混合后具有較高的爆炸沖擊波超壓、沖擊波正相沖量和熱通量。上述要求使炸藥品種細分為通用爆破型炸藥、金屬加速炸藥、水下炸藥、抗過載炸藥、溫壓炸藥和燃料空氣炸藥,從而能針對不同的目標對炸藥爆轟能量輸出過程進行真正有效的控制,大大提高炸藥裝藥的能量利用率和戰斗部終點毀傷效果。

針對城市作戰減少無辜傷亡的需求,國外提出了低附帶損傷彈藥(LCD)的概念,美國空軍研制了高密度惰性金屬炸藥(DIM E),是一種由單質炸藥(如RDX、HMX)和高密度重金屬鎢合金(HM TA)粉組成的復合物,高密度惰性金屬取代含能材料降低了炸藥的總能量,爆炸半徑很小,可控制爆炸毀傷的作用范圍,減少附帶損傷。

軍事裝備信息化提出了高效毀傷電子信息系統和裝備的作戰需求,要求在對目標硬毀傷的同時還能對信息化裝備具有高效率的軟殺傷效果,給常規毀傷戰斗部附加軟性電磁毀傷功能的多功能化方案無疑是很有吸引力的技術解決途徑。美國陸軍發展的導電氣溶膠等離子體戰斗部技術,其關鍵是采用一種富金屬燃料的非理想復合炸藥,爆炸產生氣溶膠等離子體場,既具有沖擊波毀傷效應,又具有電磁和電流毀傷效應。

針對恐怖分子可能發動的生物或化學襲擊以及大型化工企業常常會發生的有毒、污染氣體泄漏事故,需要發展能及時響應和快速、高效率清除污染的技術。俄羅斯采用有大量含鈦成分的炸藥,在污染區域爆炸,快速產生納米級TiO2氣溶膠云團,通過納米級TiO2產生的光催化效應,高效催化分解污染物。該技術目前仍處于初步試驗探索階段,今后納米含能材料科學技術的發展會促進該技術的成熟和實用化。

5 能量釋放利用的組合化和一體化

當前軍用混合炸藥的發展已經打破了自身體系的封閉性,不再局限于傳統的物質和傳統的釋能方式,借用體系外的物質和能量獲得了更大的功效,貧氧化的溫壓炸藥、水下炸藥及燃料空氣炸藥就協同考慮了環境因素,實現了炸藥與環境介質的一體化。

裝藥結構設計是充分提高炸藥的能量利用率以及能量向毀傷元的轉化率的最有效手段之一。改變單一整體式裝藥結構,采用同軸雙元或多元裝藥,內、外層裝藥采用不同能量輸出結構的配方,通過不同配方的組合,可實現炸藥裝藥與毀傷目標的匹配,提高彈藥的多模式毀傷和多任務適應性。例如,美國海軍提出了溫壓與破片效應相結合的戰斗部裝藥結構技術,理論上該戰斗部綜合了所有爆炸毀傷性彈藥所具備的毀傷效應,綜合了氣爆彈藥、破片彈藥和聚能彈藥的殺傷特點,正在低成本自主攻擊系統(LOCAAS)進行應用研究,可以滿足一種彈藥對付多種目標的任務要求。

炸藥與彈藥的其他部件組合能夠釋放更多的化學能,如戰斗部設計時炸藥與反應性材料的組合,用在彈丸中產生的孔洞比同樣大小的惰性彈丸或破片產生的孔洞大3 ～4 倍,對目標的破壞作用明顯增強。美國海軍近期計劃重點研究一種反應性破片戰斗部,可使其對目標的破壞力增加3 倍,對空中目標的殺傷率增加50%,并計劃用在聚能射流中以顯著增加對裝甲的穿深及破壞后效[18]。

威力可調戰斗部將炸藥裝藥與打擊目標一體化考慮,基于燃燒點火和爆轟起爆之間存在時間延期,通過精確控制起爆時間,使炸藥裝藥部分燃燒、部分起爆,控制戰斗部內發生爆轟的炸藥裝藥量,輸出與目標相匹配的毀傷威力,同樣可控制附帶毀傷。該技術已經成熟,可用于105mm 炮彈及體積更大的武器,美國正在開展演示驗證工作[19]。

6 炸藥裝藥的不敏感化

不敏感含能材料、不敏感炸藥和不敏感彈藥技術的發展,不但能有效提高武器平臺的安全性,而且能有效提高彈藥攻擊突防能力。20世紀80年代以來,不敏感彈藥(IM)已成為國外彈藥領域重要發展方向,混合炸藥技術的發展始終圍繞著不敏感炸藥(IHE)這個需求在進行,高能不敏感混合炸藥成為近年來新列裝武器彈藥用主流炸藥。美國在其國防關鍵技術計劃中,所有炸藥項目都是要求不敏感的,這樣做既是為了盡快實現彈藥的更新換代,更是為了在21世紀繼續保持領先地位。

7 結 論

(1)新材料對于混合炸藥的發展具有重大的推動作用,高能量密度化合物、納米含能材料、含能聚合物等已在混合炸藥中得到廣泛應用。

(2)混合炸藥的能量設計打破了傳統體系的封閉性,發展氧化劑-可燃劑復合型非理想炸藥以及借用體系外的物質和能量成為提高炸藥能量水平的重要途徑。

(3)炸藥應用技術受到高度關注,應用技術層面的交叉融合以及集成創新極大地拓展了混合炸藥的技術范疇,具有特殊爆炸效應的新概念炸藥及其應用技術不斷出現。

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