溫壓炸藥設(shè)計(jì)原則探討

溫壓炸藥由于兼具常規(guī)高能炸藥(HE)和燃料空氣炸藥的特點(diǎn)，爆炸時(shí)可以產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的高溫和高壓，在較為封閉的環(huán)境中還可以產(chǎn)生耗氧窒息作用，因此具有更高的毀傷威力和作用效果，自20世紀(jì)80年代問(wèn)世以來(lái)越來(lái)越受到重視，已經(jīng)在80年代的阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)以及近年的車臣戰(zhàn)爭(zhēng)、伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)當(dāng)中一展身手，成為當(dāng)前高能炸藥發(fā)展的熱點(diǎn)和趨勢(shì)。

從炸藥爆炸化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)上說(shuō)，溫壓炸藥是炸藥配方自身嚴(yán)重缺氧，爆轟時(shí)產(chǎn)生大量未完全氧化的產(chǎn)物，需要從外界得到氧繼續(xù)燃燒而放出能量的高能非理想炸藥。通常情況下，溫壓炸藥配方中富含金屬燃料(ANNAEWG.AspectsofThermobaricWeaponry[J] .ADFHealth，2003,4(1): 3-6.)，能夠有效利用外部環(huán)境中的氧參與后燃燒階段的釋能化學(xué)反應(yīng)，這是溫壓炸藥的本質(zhì)特征體現(xiàn)。

溫壓炸藥爆炸反應(yīng)一般有三個(gè)過(guò)程，各過(guò)程的爆炸化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)行為是不同的(ArnoldW. 38thInternationalAnnualConferenceofICT，June26-29, 2007,Germany. 1-12.)。第一過(guò)程為溫壓炸藥配方中主炸藥(如HMX、RDX等)的無(wú)氧爆轟，無(wú)需從外界環(huán)境得到氧，屬于分子內(nèi)的氧化還原反應(yīng)，整個(gè)爆轟過(guò)程體積不變，具有高溫、高壓和高反應(yīng)物濃度的特性，反應(yīng)持續(xù)時(shí)間為數(shù)微秒，產(chǎn)生的爆轟壓力為數(shù)十吉帕；第二過(guò)程為無(wú)氧燃燒反應(yīng)，在該過(guò)程中爆轟產(chǎn)物已膨脹到數(shù)倍的炸藥裝藥半徑，但依然可以維持較高的溫度和壓力環(huán)境，可以使無(wú)氧爆轟過(guò)程中無(wú)法參與反應(yīng)的較大尺寸的燃料顆粒(如大尺寸Al粒子或其它金屬粒子等)發(fā)生部分燃燒反應(yīng)，該過(guò)程也不需要從周圍環(huán)境中吸取氧，主要是燃料顆粒與主炸藥的爆轟產(chǎn)物(CO2、CO、H2O等)之間的放熱反應(yīng)，反應(yīng)持續(xù)時(shí)間為數(shù)百微秒，產(chǎn)生的爆炸壓力為數(shù)個(gè)吉帕到數(shù)百兆帕。限制該過(guò)程反應(yīng)的主要問(wèn)題是氧的濃度，由于爆轟產(chǎn)物的體積膨脹，導(dǎo)致燃料顆粒與含氧爆轟產(chǎn)物之間的摩爾濃度比降低，影響了燃料在這一過(guò)程的反應(yīng)，為了提高發(fā)生燃燒釋能反應(yīng)的燃料比例，通常在溫壓炸藥配方中添加一定量的高氯酸銨(AP)，以提高該反應(yīng)過(guò)程的氧化劑濃度；第三過(guò)程是未反應(yīng)完的燃料及爆轟產(chǎn)物與周圍環(huán)境中的氧湍流混合，發(fā)生燃燒放熱反應(yīng)，持續(xù)時(shí)間為數(shù)毫秒，產(chǎn)生的壓力為兆帕量級(jí)，該過(guò)程是溫壓炸藥爆炸反應(yīng)特有的階段。在這一過(guò)程，由于爆轟產(chǎn)物已經(jīng)膨脹到十倍以上的裝藥直徑，導(dǎo)致爆炸場(chǎng)的溫度、壓力急劇下降，使得爆炸條件已經(jīng)無(wú)法完全達(dá)到燃料發(fā)生燃燒反應(yīng)的閾值，因此要提高這一過(guò)程中燃料的反應(yīng)完全性，其核心是通過(guò)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和改性，降低燃料在這一過(guò)程中的反應(yīng)閾值。

溫壓炸藥爆炸反應(yīng)的三個(gè)過(guò)程是相互關(guān)聯(lián)的，第一過(guò)程主炸藥爆轟為第二過(guò)程的反應(yīng)提供高溫高壓的初始反應(yīng)環(huán)境，第二過(guò)程的放熱反應(yīng)為第三過(guò)程中燃料的后燃燒反應(yīng)發(fā)生提供溫度支持，同時(shí)第二過(guò)程的爆炸壓力可以推動(dòng)燃料粒子與周圍氧的湍流混合。因此通過(guò)溫壓炸藥配方的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，可以對(duì)溫壓炸藥爆炸反應(yīng)三個(gè)過(guò)程進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫壓炸藥爆炸能量及爆炸輸出作用參數(shù)的時(shí)間-空間分布調(diào)整，達(dá)到對(duì)不同目標(biāo)的選擇性毀傷。

溫壓炸藥的爆炸能量分為無(wú)氧爆轟能、無(wú)氧燃燒能和有氧燃燒能三部分。在配方設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)爆炸反應(yīng)過(guò)程中氧化劑的來(lái)源，將其能量分為爆轟能和后燃燒能，其中爆轟能(Energy of Detonation)是溫壓炸藥在無(wú)氧爆轟和無(wú)氧燃燒反應(yīng)階段釋放的能量總和，后燃燒能(Energy of Subsequence Combustion)是溫壓炸藥爆轟過(guò)程中未完全氧化的產(chǎn)物或未反應(yīng)的燃料與周圍空氣中的氧氣湍流混合燃燒放出的能量。對(duì)于溫壓炸藥來(lái)說(shuō)，其后燃燒能量通?？蛇_(dá)到爆轟能量的3倍左右，是提高爆炸毀傷作用的主要能量來(lái)源和溫壓炸藥的特征體現(xiàn)。表1所示為典型溫壓炸藥的能量構(gòu)成。對(duì)于TNT炸藥，如果通過(guò)動(dòng)力學(xué)改進(jìn)或創(chuàng)造更好的反應(yīng)條件，可以使其含有的C發(fā)生燃燒反應(yīng)，TNT也是一種非常好的溫壓炸藥，基于此，國(guó)外研究者常用TNT作為標(biāo)準(zhǔn)炸藥，分析溫壓炸藥的爆炸反應(yīng)過(guò)程和能量構(gòu)成特點(diǎn)(OrnellasD.CalorimetricDeterminationsoftheHeatandProductsofDetonationforExplosives.UCRL-52821, 1982.)。

表1 典型溫壓炸藥的能量構(gòu)成

溫壓炸藥的性能評(píng)價(jià)除了常規(guī)炸藥的爆轟性能要求外，更重要的是對(duì)其爆炸反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性能的評(píng)價(jià)。動(dòng)力學(xué)性能參數(shù)是溫壓炸藥配方設(shè)計(jì)科學(xué)合理性和爆炸化學(xué)反應(yīng)過(guò)程獨(dú)特性的表征，主要包括爆轟能量釋放速率、后燃燒反應(yīng)速率、燃料反應(yīng)速率及反應(yīng)完全性、爆炸作功能力及作功效率等，這是指導(dǎo)溫壓炸藥配方設(shè)計(jì)，提高溫壓炸藥爆炸毀傷作用的核心參數(shù)。對(duì)于這些參數(shù)的測(cè)量需要通過(guò)多種試驗(yàn)手段和方法進(jìn)行綜合測(cè)量與分析評(píng)價(jià)。

溫壓炸藥配方設(shè)計(jì)不能只從化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)角度考慮，而應(yīng)該基于對(duì)炸藥爆炸化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性和規(guī)律的研究與分析來(lái)設(shè)計(jì)，這是溫壓炸藥配方設(shè)計(jì)的核心和關(guān)鍵。溫壓炸藥設(shè)計(jì)的難題是炸藥配方中的燃料(如Al粉)在爆炸反應(yīng)第三階段的點(diǎn)火和反應(yīng)完全性，這主要由燃料在炸藥爆炸過(guò)程中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性決定。

內(nèi)爆型溫壓炸藥，由于爆炸反應(yīng)在較為封閉的環(huán)境中進(jìn)行，爆炸場(chǎng)的溫度和壓力易于維持，而且由于燃料粒子與固壁發(fā)生的反射R-M效應(yīng)，促進(jìn)了燃料粒子與環(huán)境中氧的湍流混合燃燒，這些條件均可以提高溫壓炸藥爆炸化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)性能，因此在溫壓炸藥配方設(shè)計(jì)時(shí)，主要是進(jìn)行提高燃料反應(yīng)完全性和燃燒反應(yīng)速率的設(shè)計(jì)。

空爆型溫壓炸藥，爆炸反應(yīng)在空曠環(huán)境中進(jìn)行，一方面爆炸反應(yīng)后溫度和壓力迅速下降，導(dǎo)致溫度很難達(dá)到燃料的反應(yīng)閾值，另一方面爆炸沖擊波推動(dòng)空氣向外擴(kuò)展，使得氧氣與燃料粒子的深度混合較為困難，濃度比減小，這些使得燃料粒子在爆炸反應(yīng)的第三階段不易點(diǎn)火和提高反應(yīng)完全性，因此在進(jìn)行空爆型溫壓炸藥設(shè)計(jì)時(shí)，必須從降低燃料的點(diǎn)火閾值，提高燃料的反應(yīng)完全性、改善燃料粒子與環(huán)境中氧的混合度、提高燃料燃燒反應(yīng)速率等多方面進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。通常在空爆型溫壓炸藥配方中添加一定量的易于在爆炸第一和第二階段反應(yīng)，且能夠釋放大量熱量的氧化劑，使爆炸場(chǎng)具有一定的高溫條件，從而便于提高燃料的點(diǎn)火概率和反應(yīng)完全性；另一種方法是對(duì)燃料進(jìn)行處理，以提高燃料反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)活性，降低燃燒反應(yīng)的閾值條件，常用的方法有納米化、活性包覆、燃料粒子復(fù)合化等。

溫壓炸藥的發(fā)展應(yīng)該向爆炸能量輸出結(jié)構(gòu)的多樣化和配方的高能量密度化進(jìn)行。主要是通過(guò)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)爆炸能量輸出結(jié)構(gòu)的時(shí)間-空間分布可控、可調(diào)及多樣化，以便與實(shí)際作用目標(biāo)有效匹配；在溫壓炸藥組分中使用新型高活性燃料(如納米鋁、納米復(fù)合物、機(jī)械活化含能材料(MAEC)等)、高能量密度材料(如六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)、二羥基-5,5′-聯(lián)四唑二羥胺鹽(HTAO)等)，通過(guò)組合配方裝藥方式，提高對(duì)爆炸環(huán)境中氧的利用率，實(shí)現(xiàn)溫壓炸藥的高能量密度化。

總之，溫壓炸藥的配方設(shè)計(jì)應(yīng)該基于爆炸化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論，打破傳統(tǒng)高爆炸藥自身封閉體系的設(shè)計(jì)思想，考慮到溫壓炸藥的使用環(huán)境，進(jìn)行與爆炸環(huán)境相互作用的開(kāi)放體系設(shè)計(jì)，其核心點(diǎn)是燃料化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)及爆轟與后燃燒過(guò)程的能量分配設(shè)計(jì)。溫壓炸藥的性能研究重點(diǎn)在爆炸動(dòng)力學(xué)性能的測(cè)量與評(píng)價(jià)，關(guān)注燃料的反應(yīng)完全性和爆炸反應(yīng)速率。

王曉峰， 馮曉軍

西安近代化學(xué)研究所

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