軍用混合炸藥的發(fā)展趨勢

王曉峰

(西安近代化學(xué)研究所,陜西 西安 710065)

引 言

炸藥是常規(guī)武器爆炸產(chǎn)生破壞與殺傷作用的能源,是武器裝備實(shí)現(xiàn)高效毀傷的基礎(chǔ),是決定武器系統(tǒng)威力的關(guān)鍵因素。雖然對(duì)爆炸物質(zhì)的了解和使用可以上溯至公元10世紀(jì)的黑火藥,但現(xiàn)代炸藥的發(fā)展始于19世紀(jì)。從19世紀(jì)末開始裝填彈藥的苦味酸和梯恩梯,到二次大戰(zhàn)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(shù)的所有領(lǐng)域都產(chǎn)生了巨大的進(jìn)步。這些進(jìn)步不僅使炸藥技術(shù)本身得到了深化和發(fā)展,而且有力地促進(jìn)了武器裝備性能的提高和更新?lián)Q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(bǔ)了單質(zhì)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(yīng)性。20世紀(jì)90年代以來,隨著人們對(duì)毀傷技術(shù)相關(guān)物理、化學(xué)規(guī)律認(rèn)識(shí)的不斷深入以及數(shù)學(xué)處理技巧與計(jì)算機(jī)模型的不斷發(fā)展,在新材料和高新技術(shù)的帶動(dòng)下,一度沉寂的混合炸藥技術(shù)領(lǐng)域再度活躍起來,在設(shè)計(jì)理論、研究方法、制造工藝和應(yīng)用范疇等各個(gè)方面都取得了革命性的進(jìn)展,呈現(xiàn)出許多超越傳統(tǒng)概念和內(nèi)涵的新的發(fā)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(zhì)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(tǒng)技術(shù)途徑,當(dāng)前研究的熱點(diǎn)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(yīng)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(zhàn)斗部的性能。典型配方有美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)研制的LX-19 炸藥,密度1.942 g/cm3,爆速9 208m/s,圓筒試驗(yàn)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(jì)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(jià)值彈藥對(duì)小型傳爆裝藥高起爆能量輸出的要求;在此基礎(chǔ)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(jì)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(zhàn)斗部和高爆戰(zhàn)斗部中;美國海軍研制的PBXW-16 炸藥[1],以Hytemp 4454 作高分子黏結(jié)劑,DOS(癸二酸二辛酯)和WS-280(一種有機(jī)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(zhì)的壓裝金屬加速炸藥;法國火炸藥公司(SNPE)研制出C L-20質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)90%以上的室溫澆注PBX 炸藥,爆速達(dá)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(yōu)點(diǎn)的C L-20/HTPB(96/4)配方,密度1.913 g/cm3(98.1%TMD),實(shí)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(yīng)用于熔鑄炸藥也受到了越來越多研究者的關(guān)注,含能離子液體代表了含能化合物向離子鍵型化合物發(fā)展的新方向。

炸藥組分高能化的另一條途徑是黏結(jié)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(yīng)用以及含能熱塑性彈性體在熔鑄PBX 炸藥中的應(yīng)用[3]。

2 爆炸反應(yīng)物質(zhì)的復(fù)合化和納米化

炸藥的爆轟本質(zhì)上是快速的氧化-還原反應(yīng),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(tuán),稱為分子內(nèi)炸藥;而當(dāng)前大力發(fā)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(fù)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(xué)反應(yīng),與各自獨(dú)立的成分相比,可燃劑和氧化劑的混合物增加了爆炸反應(yīng)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(yīng)釋放出更高的能量。

目前,實(shí)際應(yīng)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(diǎn)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(dāng)前應(yīng)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(yīng)更有效,可以使金屬更完全地轉(zhuǎn)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(xué)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(qiáng)鋁的反應(yīng)活性[5]。以前含硼炸藥領(lǐng)域的研究效果并不是很好,因?yàn)樵谟泻瑲湮镔|(zhì)(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(jìn)展已經(jīng)使硼的燃燒效率超過了90%,應(yīng)用前景漸趨明朗。

復(fù)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(xué)能反應(yīng)更迅速、化學(xué)反應(yīng)更完全的優(yōu)點(diǎn)。最直接的方法是在混合炸藥中應(yīng)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(yīng)的能量釋放速率和金屬粉的反應(yīng)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(fā)揮其比表面積大、比表面能高和比表面活性高的優(yōu)點(diǎn),因此,采用納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合含能材料,將氧化劑與還原劑在納米尺度上實(shí)現(xiàn)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(zhì)炸藥/氧化劑納米晶體分布于連續(xù)基質(zhì)形成的納米復(fù)合材料[10-12]、亞穩(wěn)態(tài)分子間復(fù)合物(M IC)(即超級(jí)鋁熱劑)[13-14]、含氧化劑的納米多孔硅[15-16]等。

3 儲(chǔ)能物質(zhì)的金屬化和貧氧化

傳統(tǒng)的金屬化炸藥已經(jīng)發(fā)展了一個(gè)多世紀(jì),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(chǎn)物(H2O、CO2)的反應(yīng)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(nèi)部組分之間反應(yīng)熱力學(xué)的范疇,更多的是從動(dòng)力學(xué)的角度,通過金屬粉的貧氧化和高活性化,控制反應(yīng)速率,充分利用周圍介質(zhì)(空氣或水)中的氧參與爆炸反應(yīng),提高毀傷作用的總能量水平,使單位質(zhì)量炸藥載荷的能量最大化,并調(diào)節(jié)能量釋放的時(shí)間-空間分布,從而獲得多重毀傷效應(yīng),增強(qiáng)傳統(tǒng)炸藥的毀傷效能。

根據(jù)反應(yīng)時(shí)間尺度的不同,所產(chǎn)生的是不同的增強(qiáng)效應(yīng)。如果爆轟產(chǎn)物及周圍介質(zhì)與金屬粉之間的后續(xù)反應(yīng)足夠快速,則其釋放能量所產(chǎn)生的是增強(qiáng)主爆轟沖擊波效應(yīng);如果爆轟產(chǎn)物及周圍介質(zhì)與金屬粉之間的后續(xù)反應(yīng)較慢,則其釋放能量所產(chǎn)生的是溫壓效應(yīng)和氣爆效應(yīng)。與上述效應(yīng)相對(duì)應(yīng),重點(diǎn)發(fā)展的炸藥品種是沖擊波效應(yīng)增強(qiáng)型炸藥、溫壓炸藥和燃料空氣炸藥(FAE)。

溫壓炸藥比常規(guī)炸藥具有更高的毀傷威力,在近距離產(chǎn)生強(qiáng)烈的爆炸沖擊波摧毀中硬目標(biāo),而大范圍的氣云后燃爆炸釋能過程,可產(chǎn)生無孔不入的高溫火球破壞障礙物后的軟目標(biāo)。近20年,在世界局部戰(zhàn)爭中,美國和俄羅斯等國使用的多種溫壓彈,已成為標(biāo)志性的新型武器,其發(fā)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(biāo),如摧毀地下洞穴、巷道、工事中的人員,反恐和城市作戰(zhàn)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(dú)特的殺傷效應(yīng),產(chǎn)生大空間區(qū)域毀傷和面毀傷效應(yīng),很早就引起了人們的重視,德國在第二次世界大戰(zhàn)中、美國在越南戰(zhàn)爭中、前蘇聯(lián)在阿富汗戰(zhàn)爭中都使用了FA E。FAE 的研究如今在世界范圍內(nèi)廣泛開展,一直在尋找能量更高的爆源材料,如高反應(yīng)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(dāng)量,毀傷效應(yīng)類似于小型核彈[17]。美國NASA 蘭利研究中心在“關(guān)于未來戰(zhàn)爭的預(yù)測”中認(rèn)為,未來可能用于FAE 的新型非核高能材料包括亞穩(wěn)態(tài)填隙式復(fù)合物(6 倍TN T 當(dāng)量)、燃料-空氣/粉塵-空氣炸藥(15 倍TN T 當(dāng)量)、金屬氫類HEDM(數(shù)十倍TN T 當(dāng)量)、張力鍵物質(zhì)(100 倍TN T 當(dāng)量)等。

4 能量輸出結(jié)構(gòu)的多樣化和精細(xì)化

不同類型的目標(biāo)有不同的易損性特點(diǎn),為了適應(yīng)打擊目標(biāo)多樣化、目標(biāo)特性復(fù)雜化的作戰(zhàn)需求,炸藥的能量輸出結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出多樣化和精細(xì)化的特點(diǎn)。

對(duì)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(duì)于破片殺傷式彈藥,要求炸藥對(duì)破片具有較高的加速能力;對(duì)于聚能戰(zhàn)斗部,要求炸藥能驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生高速射流和自鍛彈丸;對(duì)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(jī)械氣泡能;對(duì)于硬目標(biāo)侵徹戰(zhàn)斗部,要求炸藥有較高的抗沖擊過載特性和較高的內(nèi)部爆炸威力;對(duì)于溫壓戰(zhàn)斗部,要求炸藥有較高的沖擊波沖量、持續(xù)時(shí)間較長的熱效應(yīng)及較高的耗氧能力;對(duì)于云爆戰(zhàn)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(xì)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(duì)不同的目標(biāo)對(duì)炸藥爆轟能量輸出過程進(jìn)行真正有效的控制,大大提高炸藥裝藥的能量利用率和戰(zhàn)斗部終點(diǎn)毀傷效果。

針對(duì)城市作戰(zhàn)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(zhì)炸藥(如RDX、HMX)和高密度重金屬鎢合金(HM TA)粉組成的復(fù)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(tǒng)和裝備的作戰(zhàn)需求,要求在對(duì)目標(biāo)硬毀傷的同時(shí)還能對(duì)信息化裝備具有高效率的軟殺傷效果,給常規(guī)毀傷戰(zhàn)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(shù)解決途徑。美國陸軍發(fā)展的導(dǎo)電氣溶膠等離子體戰(zhàn)斗部技術(shù),其關(guān)鍵是采用一種富金屬燃料的非理想復(fù)合炸藥,爆炸產(chǎn)生氣溶膠等離子體場,既具有沖擊波毀傷效應(yīng),又具有電磁和電流毀傷效應(yīng)。

針對(duì)恐怖分子可能發(fā)動(dòng)的生物或化學(xué)襲擊以及大型化工企業(yè)常常會(huì)發(fā)生的有毒、污染氣體泄漏事故,需要發(fā)展能及時(shí)響應(yīng)和快速、高效率清除污染的技術(shù)。俄羅斯采用有大量含鈦成分的炸藥,在污染區(qū)域爆炸,快速產(chǎn)生納米級(jí)TiO2氣溶膠云團(tuán),通過納米級(jí)TiO2產(chǎn)生的光催化效應(yīng),高效催化分解污染物。該技術(shù)目前仍處于初步試驗(yàn)探索階段,今后納米含能材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展會(huì)促進(jìn)該技術(shù)的成熟和實(shí)用化。

5 能量釋放利用的組合化和一體化

當(dāng)前軍用混合炸藥的發(fā)展已經(jīng)打破了自身體系的封閉性,不再局限于傳統(tǒng)的物質(zhì)和傳統(tǒng)的釋能方式,借用體系外的物質(zhì)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(xié)同考慮了環(huán)境因素,實(shí)現(xiàn)了炸藥與環(huán)境介質(zhì)的一體化。

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

炸藥與彈藥的其他部件組合能夠釋放更多的化學(xué)能,如戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)時(shí)炸藥與反應(yīng)性材料的組合,用在彈丸中產(chǎn)生的孔洞比同樣大小的惰性彈丸或破片產(chǎn)生的孔洞大3 ～4 倍,對(duì)目標(biāo)的破壞作用明顯增強(qiáng)。美國海軍近期計(jì)劃重點(diǎn)研究一種反應(yīng)性破片戰(zhàn)斗部,可使其對(duì)目標(biāo)的破壞力增加3 倍,對(duì)空中目標(biāo)的殺傷率增加50%,并計(jì)劃用在聚能射流中以顯著增加對(duì)裝甲的穿深及破壞后效[18]。

威力可調(diào)戰(zhàn)斗部將炸藥裝藥與打擊目標(biāo)一體化考慮,基于燃燒點(diǎn)火和爆轟起爆之間存在時(shí)間延期,通過精確控制起爆時(shí)間,使炸藥裝藥部分燃燒、部分起爆,控制戰(zhàn)斗部內(nèi)發(fā)生爆轟的炸藥裝藥量,輸出與目標(biāo)相匹配的毀傷威力,同樣可控制附帶毀傷。該技術(shù)已經(jīng)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(yàn)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(shù)的發(fā)展,不但能有效提高武器平臺(tái)的安全性,而且能有效提高彈藥攻擊突防能力。20世紀(jì)80年代以來,不敏感彈藥(IM)已成為國外彈藥領(lǐng)域重要發(fā)展方向,混合炸藥技術(shù)的發(fā)展始終圍繞著不敏感炸藥(IHE)這個(gè)需求在進(jìn)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(guān)鍵技術(shù)計(jì)劃中,所有炸藥項(xiàng)目都是要求不敏感的,這樣做既是為了盡快實(shí)現(xiàn)彈藥的更新?lián)Q代,更是為了在21世紀(jì)繼續(xù)保持領(lǐng)先地位。

7 結(jié) 論

(1)新材料對(duì)于混合炸藥的發(fā)展具有重大的推動(dòng)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(yīng)用。

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

(3)炸藥應(yīng)用技術(shù)受到高度關(guān)注,應(yīng)用技術(shù)層面的交叉融合以及集成創(chuàng)新極大地拓展了混合炸藥的技術(shù)范疇,具有特殊爆炸效應(yīng)的新概念炸藥及其應(yīng)用技術(shù)不斷出現(xiàn)。

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