基于金屬熔流的未爆彈藥銷毀技術研究進展

張啟功， 安振濤， 肖 輝， 李金明

(1. 軍械工程學院 彈藥工程系， 石家莊 050003； 2. 武警8640部隊， 河北定州 073000；

3. 第75170部隊， 廣西桂林 541000)

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基于金屬熔流的未爆彈藥銷毀技術研究進展

張啟功1,3， 安振濤1， 肖 輝2， 李金明1

(1. 軍械工程學院 彈藥工程系， 石家莊 050003； 2. 武警8640部隊， 河北定州 073000；

3. 第75170部隊， 廣西桂林 541000)

結合未爆彈銷毀作業的特點，分析常用銷毀方法的適用范圍，將煙火切割技術應用于彈藥銷毀作業，介紹了一種引燃非引爆的銷毀方法。概述了金屬熔流銷毀技術的原理，梳理了燃燒劑配方和燃燒炬結構的研究現狀，分析了燃燒劑體系配比，添加劑成分和燃燒炬結構對金屬熔流的作業時間、熔穿金屬效率、效果的影響。對比文獻資料，采用火箭發動機型燃燒炬和利用高熱劑、合金劑、稀釋劑和造氣劑優化燃燒劑，更有利于未爆彈藥的銷毀。并為下一步深入研究基于金屬熔流的彈藥銷毀技術提供參考。

銷毀方法； 未爆彈藥； 金屬熔流； 燃燒炬； 燃燒劑

1　引言

金屬熔流銷毀技術是一種引燃非引爆的新型彈藥銷毀技術，該技術主要依靠金屬熔融物的熱效應、機械效應和化學效應，熔穿金屬，引燃主裝藥。金屬熔流銷毀技術的關鍵點在于燃燒劑的配方和燃燒炬的結構，燃燒劑以高熱劑為主，添加多種改性劑，可以提高作業效能；燃燒炬由管狀腔體、燃燒劑和點火裝置組成，可以集中能量，提高金屬熔融物作業效率，以達到快速銷毀單發未爆彈藥的目的。

本文在分析未爆彈及其銷毀技術的基礎上，以燃燒劑配比和燃燒炬結構為重點，闡述了金屬熔流銷毀技術在未爆彈銷毀中的應用范圍和研究現狀，對進一步的發展趨勢進行了分析。

2　未爆彈藥特點

部隊在作戰和實彈訓練等相關軍事活動中，往往會遇到敵方布放或我方射擊未爆的彈藥，統稱未爆彈。未爆彈通常鉆入地下或殘存于地表， 殘留于地表的彈藥多為殼體較薄，彈丸重量較輕，裝藥量較少，常以單發出現，如X型火箭筒破甲彈、槍榴彈、反坦克手榴彈等彈藥。此類彈藥受過射擊沖擊，引信雖沒能及時起爆彈丸，但已處于解除保險的不確定狀態，極易因人員觸碰發生意外爆炸，不僅對下一步的軍事行動造成嚴重的制約和阻撓，還嚴重威脅周邊人員安全，需要盡快排除。

3　射擊未爆彈常用銷毀方法

目前銷毀彈藥主要采用焚燒法、炸毀法、切割法、機械拆分法。

焚燒法是利用火焰(或熱能)所產生的高溫刺激含能物質燃燒銷毀未爆彈藥〔1〕。焚燒法分為露天焚燒和密閉焚燒兩種燒毀方式。露天焚燒法主要用于大口徑彈藥的作業，而密閉焚燒法主要用于火炸藥、污染物和小型彈藥的銷毀。主要應用于已經拆除危險單元，且內裝藥性質穩定的彈藥。

炸毀法是利用炸藥爆炸所產生的沖擊波銷毀未爆彈藥。炸毀法需要完備的爆破器材，且爆破器材需要專業的裝具運輸，造成工作效率低，準備時間長，布設時接觸未爆彈，作業過程中風險高。同時，在作業中產生的彈片和砂石對周邊人員影響嚴重。該方法只有在滿足安全防護距離要求，或搭設具備良好安全防護設施的條件下才能順利開展工作，目前該方法仍是未爆彈銷毀的主要技術手段，這種方法不適用于人口密集區或重要設施旁的銷毀作業。

切割法是利用熱、沖擊、化學等多種效應破壞彈體，使彈藥失去爆炸性能，銷毀未爆彈藥。切割法主要包括高熱劑融化法、聚能切割法、水磨切割法、等離子體高溫技術銷毀法、激光銷毀法〔2-8〕。該種銷毀方法對周圍環境破壞大、能源需求量大、作用功效低、成本昂貴，主要用于少量彈藥的銷毀。

機械拆分法是把彈藥拆分成若干小部件，對有用的金屬材料、火炸藥等進行回收，處理彈藥〔9〕。該方法只適用于對狀態穩定彈藥的處理。

焚燒法和機械拆分法適合銷毀狀態清晰，安全性高，不易在銷毀過程中發生爆炸的彈藥，不適用于未爆彈藥銷毀。目前，未爆彈藥的主要銷毀方法有炸毀法和切割法，雖然這些方法銷毀可靠，但也潛藏巨大風險和不便，主要表現在銷毀人員需要近距離觸及未爆彈藥，風險高，準備工作時間長、效率低，成本昂貴，對周圍環境破壞嚴重。鑒于上述弊端，結合彈藥結構和彈丸炸藥燃爆屬性，采用引燃非引爆的銷毀思路提出金屬熔流銷毀法，以達到縮小防護范圍，提高作業效率的目的。

4　金屬熔流銷毀法

4.1作用原理

金屬熔流銷毀法是針對殘留在地表、殼體較薄的射擊未爆彈彈丸的銷毀方法，該方法利用添加多種改性劑的混合高熱劑，發生劇烈的氧化還原反應，并釋放大量熱量，反應生成的鐵和其他混合氧化物保持其熔融流體狀態，這種高溫熔融物能夠熔化鐵質、鋁質等金屬材料，引燃塑料、火藥、炸藥等易爆材料。該技術應用在射擊未爆彈銷毀中，可以提高未爆彈銷毀的效率和安全性，能夠最大限度地降低彈藥銷毀對周邊環境的危害。

金屬熔流銷毀法主要依靠金屬熔融物的熱效應、機械效應和化學效應，熔穿金屬，引燃主裝藥。金屬熔融物離開噴口，形成不規則的熔融物；接觸彈體時，熔融物迅速將彈丸殼體熔化，過多熔化金屬被燃氣吹除，減少包覆，增強熱量滲透，提高沖蝕效果。高溫的熔融物通過沖蝕、熔化和化學腐蝕持續作用對殼體造成破壞。殼體破壞瞬間，主裝藥被高溫熔融物引燃，所產生的高壓氣體對高溫軟化的殼體造成二次破壞，增大了燃燒產生氣體的釋放面積，減弱了燃燒轉爆轟的趨勢，使主裝藥繼續保持燃燒，直至銷毀。金屬熔流銷毀法使彈丸只燃燒而不發生爆炸，對周邊環境破壞小，工作效率高，可以在不移動彈藥的情況下對彈藥進行銷毀，適用于單發危險彈藥的銷毀作業，銷毀成本低，效果好。

4.2燃燒劑配方

金屬熔融銷毀技術是通過熱、機械和化學的綜合反應，其作業效能主要取決于燃燒劑。燃燒劑由高熱劑和多種改性劑組成，通過改變高熱劑，添加不同的改性劑，改進燃燒劑的配方，使鋁熱反應中的某些特性增加，從而提高它的作業效能。

高熱劑是燃燒劑的主要熱量提供單元，能形成易于流動的高沸點熔融物，合理的高熱劑配方是燃燒劑的關鍵。高熱劑是由金屬可燃劑和與之反應的金屬氧化劑混合而成，金屬可燃劑是保證高熱劑燃燒反應順利進行的重要因素，其選擇至關重要。最早的高熱劑配方是由美國學者HELMS提出〔10-11〕，該配方是由鎳粉、金屬氧化物、可燃金屬粉(鋁、鎂、鎬、鉍、鈹、硼粉)和產氣劑組成，首次用于金屬切割作業。在此之后，很多學者都是以HELMS配方為基礎進行改進，通過多種金屬粉搭配組合發現金屬可燃劑中不宜選用原料稀缺(鎬、鉍、鈹)、腐蝕性大(鈣)和難以燃燒(錳)的金屬。對比常用的金屬可燃劑發現，Al的放出熱量高、密度大、燃燒產物的熔點較低、沸點較高，是高熱劑較為合適的金屬可燃劑。Al在高溫下有較強的活動性，可以將金屬氧化劑中的金屬還原出來，生成低熔點、高沸點的液態金屬流，有利于金屬的熔穿作業。金屬氧化劑的選擇直接影響還原出金屬的特性，進而影響作業效能。通過國內外學者不斷探索發現，Pb3O4的含氧量少、密度大，配置的高熱劑可燃劑含量少，導致鋁熱反應降低；CuO極易放出氧氣，導致鋁熱反應劇烈，不宜控制；鐵鋁高熱劑燃燒時放出3.90kJ/g熱量，并產生約2 400 ℃的高溫熔融物，機械感度小，不易被點燃，一經點燃難以熄滅，鋁熱反應穩定，可以生成低熔點、高沸點的液態金屬流，較適應于銷毀作業。綜合考慮，選擇鐵鋁高熱劑作為燃燒劑的主體藥劑調整燃燒劑的配方〔12-15〕。

金屬熔融物通過機械效應和化學效應對彈丸殼體進行沖蝕，增加開孔深度，提高內孔孔徑，增強熔穿效果。美國專利US6627013公開了一種由鎳、鋁、氧化鐵和聚四氟乙烯組成的能夠實現高效穿孔的燃燒劑配方〔16〕。美國專利US7632365的配方是由鎂鋁合金、CuO、MoO3和少量粘結劑組成〔17〕，提高了穿孔效率，是US6627013的金屬消耗量的2.8倍。

近年來，國內學者通過不斷創新，在燃燒劑方面得到了發展。在燃燒劑內添加有機粘結劑可以增大燃燒劑的火焰，減慢燃燒速度，降低燃燒劑的機械感度。添加二茂鐵可改進燃燒劑的點火物性和燃燒特性，對燃燒過程起到催化的作用。添加S為粘結劑，可以生成SO2火焰，同時S易于和金屬作用，生成低熔點、易流動的金屬熔融物。加入MoO3提高燃燒劑的氧化性能，提高燃燒劑熔穿效果。以高熱劑為主體的燃燒劑，通過添加硝酸鹽，生成高速氣流，減少金屬熔流作用區內熔化金屬堆積，提高沖蝕效果，從而改進燃燒劑的作用能力。適當調節燃燒劑主體反應體系的配比或添加合金劑、稀釋劑、造氣劑，可以提高熔穿彈丸殼體效果，加快熔穿速度，使彈丸主裝藥有充足的能量達到穩定燃燒，減少彈藥銷毀不完全造成的危險〔18-20〕。

4.3燃燒炬結構

燃燒炬主要由管狀腔體、燃燒劑和點火裝置三個部分組成，針對不同銷毀目標改變燃燒炬結構，調節燃燒銷毀效果，提高銷毀作業的效率。美國專利US5698812中描述了一種由殼體和鐵鋁高熱劑(也可是錳鋁高熱劑、鉻鋁高熱劑)構成的燃燒破壞設備，可以廣泛地用于燒毀破壞裝甲車輛發動機、火炮以及地雷等目標〔18〕。這種技術不是專為彈藥銷毀設計的。美國專利US7632365描述了一種試驗用燃燒炬〔17〕，由收斂噴管和貯存室組成，收斂的噴管較好地提高了燃燒劑的熔穿效率。法國專利DE19740089C1介紹的則是一種利用高熱劑專門銷毀有毒物質及軍火等化學物質的技術手段〔21〕，就是將高熱劑裝入管體內制成燃燒裝藥置于裝有有毒物質的容器或彈藥上，通過鋁熱燃燒產生的高溫熔融物燒穿容器或彈殼，以引燃內部物質達到銷毀目的。俄羅斯國防部隊使用的P-40“破壞者”排爆設備，該設備類似于我國的圓柱形禮花，在噴口端，放入引燃藥劑和電點火頭，用電容式電點火機遠距離點火，點燃“破壞者”后，燃燒著的高溫混合劑流體，從圓柱一端的中心定向孔噴出，瞬間融化裝藥金屬殼體，未爆彈殼體被“擊穿”一個孔，引燃彈體內的炸藥，炸藥在“穿孔”處引燃，燃燒氣體從“穿孔”處流出，整個銷毀過程彈藥不會發生爆炸。該設備處理未爆彈大大優于傳統的排爆器材。通過深化高熱劑技術，相繼又研制出一種由支架、高熱劑、耐熱殼體、點火劑、電點火頭組成的爆炸物銷毀裝置，其中電點火頭置于設備的前端，由支架附著在銷毀彈體表面，通過高熱劑生成的高溫熔融物對榴彈進行熔穿，對彈內裝藥引燃銷毀。

我國燃燒炬結構設計起步較晚，應用于銷毀方面的研究較少，主要包含圓筒型、口部收斂型和火箭發動機型，如圖1所示。

圖1　典型燃燒炬結構Fig.1　Typical combustion torch

易建坤〔22〕設計的圓筒型燃燒炬由電點火頭、高熱劑和耐高溫陶制圓筒組成，使高熱劑完全貼敷于模擬彈藥表面進行銷毀作業，通過模擬彈藥實驗如(圖2(a))，驗證高溫熔融物銷毀彈藥技術是可行的。劉濤〔23〕在此基礎上對圓筒型燃燒炬進行詳細改進，由點火藥、點火蓋、密封蓋、外殼、主裝藥、擋藥蓋和密封蓋組成，針對不同型號的地雷進行銷毀作業，設計了多種類型不同的燃燒炬。彭飛等〔24〕設計的口部收斂型燃燒炬將高熱劑裝入口部收斂的耐熱殼體內，由裝置前端點火，利用400g高熱劑可順利熔穿6mm厚A3鋼板，可以應用于榴彈銷毀作業，銷毀試驗如圖2(b)所示。吳藝英等〔25〕借鑒固體火箭發動機設計原理，設計的火箭發動機型燃燒炬由殼體、底火、燃燒劑和噴管組成的燃燒炬，可對Q235、H26黃銅板材、鋁材等多種金屬靶板進行熔穿，測試證明60g燃燒劑，可熔穿20mm厚鋼板〔26〕，提高了熔穿殼體的深度，滿足不同類型彈藥裝藥的銷毀作業〔26-28〕，較適用于彈藥銷毀領域，銷毀試驗如圖2(c)所示。通過對國內外燃燒炬結構分析研究，燃燒炬的結構直接影響金屬熔融物流速、流量，從而影響熔穿效果，燃燒炬上的噴嘴可以起到定向和聚能的作用，有助于增加彈內壓力，增強燃燒劑的熔穿效果，進而提高彈藥銷毀作業效率。

圖2　燃燒炬銷毀實驗Fig.2　Combustion torch in destruction experiment

5　結論

(1)未爆彈銷毀與普通彈藥銷毀方法有所不同，未爆彈已處于解除保險的不確定狀態，極易因人員觸碰發生危險，銷毀此類彈藥存在極大風險，需要盡量減少彈藥的移動和碰觸，并且未爆彈藥所處的環境復雜，需要提高在多種環境下的適用性，減少對周圍重要設施的影響。

(2)金屬熔流銷毀法是一種引燃非引爆的新型彈藥銷毀方法，金屬熔流銷毀設備總重量較小，便于單兵攜帶，針對單發未爆彈藥作業，可以減少與彈藥觸碰，提高作業的安全性；銷毀作業中不生成破片和爆轟波，可以縮小防護范圍，提高作業效率。

(3)燃燒劑反應體系由高熱劑和多種改性劑組成。對于未爆彈藥銷毀作業，其彈丸內部裝藥復雜，主反應體系應選用穩定的高熱劑，為了提高作業效率，適當調節主體反應體系的配比或添加合金劑、稀釋劑，減少包覆，增強熱量滲透，提高沖蝕效果，達到安全銷毀的目的。

(4)燃燒炬結構直接影響銷毀作業的效率。對比文獻資料，借鑒固體火箭發動機設計原理，設計的火箭發動機型燃燒炬，賦予高溫熔融物動能，能夠提高熔化金屬材料的速度和深度，增加應用范圍，滿足銷毀不同類型彈藥裝藥，較適于彈藥銷毀領域。但燃燒炬的研究僅限于結構設計，對于應用材料、噴口結構、內部構造等仍需深入研究。在引燃和作業階段，生成的高溫金屬熔融流體對結構有什么影響，目前在此方面的研究幾乎為空白，仍需繼續研究。

根據相關資料，該技術能夠應用在某些未爆彈的銷毀工作中，對如何使用高溫金屬熔融物銷毀未爆彈引燃而不發生爆炸的機理，仍需要進一步研究。今后需進一步對燃燒劑配方優化設計和燃燒炬結構設計，形成多種不同類型，適合不同種類彈藥的燃燒銷毀作業。

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Unexplodedordnancedestructiontechnologybasedonmetalflow

ZHANGQi-gong1，ANZhen-tao1，XIAOHui2，LIJin-ming1

(1.DepartmentofAmmunitionEngineering,OrdnanceEngineeringCollege,Shijiazhuang050003,China；2.ChinaArmedPoliceForce8640,Dingzhou073000，Hebei，China；3. 75170PLATroop，Guilin541000，Guangxi，China)

Combinedwiththecharacteristicsofthedestructionofunexplodedordnance(UXO),thescopeofapplicationofcommonlymethodsofdestructionwasanalyzedandthepyrotechniccuttingtechnologywasappliedtoordnancedestruction.Destructionmethodofignitionandnon-detonationwasintroduced.Theprincipleofthedestructiontechnologyofmetalflowwassummarized.Theresearchstatusofcombustionagentformulaandcombustiontorchstructurewascombed.Theratioofcombustionagentsystem,additivecomposition,combustiontorchstructureimpactingontheoperationtimeofmetalmeltflow,theefficiencyandeffectofmeltingthemetalwereanalyzed.Bycomparingthereferences,therocketenginecombustiontorchwasusedandthecombustionagentwasoptimizedwiththermite,alloyingadditives,diluentandgas-formingagent.ItwashelpfultodestroyUXO.Itprovidedareferenceforfurtherresearchofthedestructiontechnologyofmetalflow.

Destructionmethod；Unexplodedordnance(UXO)；Metalflow；Combustiontorch；Combustionagent

1006-7051(2016)04-0047-05

2015-01-06

張啟功(1990-)，男，碩士，主要研究方向為彈藥保障與安全技術。E-mail：zhangqigong07@163.com

TD235.21+4

Adoi： 10.3969/j.issn.1006-7051.2016.04.010