東方的爆裂

鴻鵠

在2017年度國家科學技術獎評選中，王澤山院士與侯云德院士獲國家最高科學技術獎。對南京理工大學王澤山院士的獎勵，是為了表彰他在火炸藥研究領域的卓越貢獻。中國是黑火藥的起源地，也是現(xiàn)代火炸藥技術的后起之秀。因此，王院士的獲獎具有非常重要的意義。

火炸藥與含能材料的基本概念

黑火藥的起源，最早可以追溯到春秋時期。范子計然說“硝石出隴道”，說的就是黑火藥的三大組成之一的硝酸鉀。而到唐末宋初，將硝酸鉀、木炭和硫磺按照一定比例混合成黑火藥就開始用于戰(zhàn)爭，可以認為是一種簡單的炸藥。

隨著現(xiàn)代新興科學技術的高速發(fā)展，越來越多的新型含能物質(zhì)及其復合物被發(fā)掘和使用，所以含能材料也有了新的定義：含有爆炸性基團或含有氧化劑和可燃物，能獨立地進行化學反應并輸出能量的化合物或混合物。

而今，因為現(xiàn)代武器、航空航天等國防工業(yè)領域的需要，火炸藥也不斷發(fā)展，而追求高能量密度、高能量釋放速率、高力學性能，同時能以簡單的方法獲取，而且成本低，安全性高（低感度）的含能材料一直是科研工作者的目標。

含能材料技術落后就要挨打

火炸藥在彈藥中有廣泛應用。以普通的炮彈為例，彈丸戰(zhàn)斗部里裝的是高性能炸藥，引信里裝的是火工藥劑和傳爆藥，發(fā)射藥筒里裝的是發(fā)射藥，底火中裝的則是發(fā)火藥和傳火藥。炮彈被擊發(fā)以后，發(fā)火藥首先燃燒，點燃傳火藥，再點燃發(fā)射藥。發(fā)射藥燃燒作功將彈丸推出炮膛。炮彈遇到目標后，引信被觸發(fā)，引爆炸藥，最終摧毀目標。各種類型的導彈亦是如此，只不過發(fā)射藥并不會在發(fā)射裝置里燃燒完，而是在飛行過程中持續(xù)燃燒。

戰(zhàn)斗部和動力部分使用含能材料的性能高低影響炮彈、導彈的綜合威力。所以近現(xiàn)代戰(zhàn)爭史也是含能材料的發(fā)展史。一國在含能材料領域的突破性進步甚至能左右戰(zhàn)爭的結(jié)局。

◎雷汞

近代中國在軍事科技上的落后，也體現(xiàn)在火炸藥制造和使用水平上。鴉片戰(zhàn)爭時期，英軍就開始裝備燧發(fā)式火槍。它利用金屬片與燧石互相敲擊點火的點火方式，相比當時清軍主要裝備的火繩槍要優(yōu)越很多。因為火繩槍需要點火發(fā)射，有較長的引線，在雨霧天效能極差。而燧發(fā)槍是摩擦燧石，不易受到惡劣天氣的影響。當時的英軍還部分裝備了雷管槍，由扳機敲擊雷管，使其中的雷汞爆炸而引火點燃推進藥。就當時的火槍和引爆藥水平而言，清軍比英國的技術落后一到兩代。

雷汞屬于炸藥中的起爆藥，是1779年由英國化學家霍華德發(fā)明的。發(fā)明之后很快就被西方國家用于配制火帽擊發(fā)藥和針刺藥。雷汞的應用某種程度上也是現(xiàn)代化學炸藥應用于戰(zhàn)爭的開端。

◎下瀨火藥

日本人發(fā)明的下瀨火藥是基于著名化學炸藥苦味酸（2，4，6-三硝基苯酚）制成的。它不僅會形成沖擊波和炮彈碎片，還會在爆炸中心產(chǎn)生高達上千攝氏度的大火。當時艦船上的鋼鐵都能被燒穿。這種火藥爆炸形成的火焰會四散流動，即使在水中都能持續(xù)燃燒一段時間。近失彈爆炸產(chǎn)生的高溫照樣能破壞船體。下瀨火藥爆炸時會并發(fā)有毒黃色煙霧，也可以給船上船員以極大殺傷。

◎TNT炸藥

伴隨著威力更加強大的梯恩梯（TNT：三硝基甲苯）炸藥的出現(xiàn)，苦味酸逐漸被取代。TNT是一種威力更強而且更穩(wěn)定的炸藥，即使是被子彈直接擊中也不會爆炸或者燃燒，必須要用雷管進行引爆。因為其安全可靠，它在20世紀初開始廣泛用于軍事上裝填各種彈藥和工業(yè)上的采礦、筑路、興修水利、工程爆破、金屬加工等。直到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束，梯恩梯都可以稱得上是綜合性能最好的炸藥，因此也贏得了 “炸藥之王”的美譽。與黑火藥相比，它的爆炸能提高了足足四倍。

抗日戰(zhàn)爭時期的日本已經(jīng)能大量的生產(chǎn)和使用TNT。而當時中國工業(yè)積累嚴重不足，即使能夠生產(chǎn)TNT，也因為產(chǎn)量不足、質(zhì)量不過關等原因，難以大量應用。所以當時中國國產(chǎn)彈藥在威力方面遠遠不如日本，甚至八路軍敵后部隊還在使用黑火藥發(fā)射的土槍土炮。這也是抗戰(zhàn)武裝斗爭極為漫長艱苦的原因之一。

超高能含能材料的發(fā)展

當前國內(nèi)外有關含能材料研究的目的，就是如何讓槍彈、炮彈和導彈等具有更遠的射程和更大的毀傷效果。而降低含能材料的成本等，也是很重要的研究目標。

現(xiàn)代含能材料的研究大致經(jīng)歷了三個階段：第一階段是20世紀50年代到60年代末期。為了將含能材料應用到導彈核武器和航天技術中，高能含能材料的合成和制造成為含能材料研究和發(fā)展工作的重點，代表性的是各類型的硝酸酯基化合物、高氮化合物、硼氫化合物、金屬及其氫化物、新型高氯酸鹽等。第二階段是70年代到80年代末期。從大幅度提高能量、片面追求單一指標向適度提高能量改進綜合性能（安全可靠性，經(jīng)濟實用性等）的方面轉(zhuǎn)變，并且取得了實際進展。第三階段是90年代后。這個階段新概念不斷提出，各種新技術手段被應用到各種新含能材料的合成中。同時發(fā)現(xiàn)和認識了一些新型超高能含能材料，代表性的是多孔硅含能材料、C60、N60原子簇等等。

進入21世紀以來，超高能含能材料因?qū)崿F(xiàn)能量的驚人突破而受到越來越多國家的高度重視。與傳統(tǒng)的含能材料或者常規(guī)炸藥的單位體積重量的含能量（通常為103焦耳每克） 相比，超高能含能材料提高了至少一個數(shù)量級。超高能含能材料目前主要分為兩大類。首先是基于化學能的一類。其能量水平為104～105焦耳每克。代表性的是納米鋁、納米硼、納米多孔硅等高活性儲能材料、金屬氫及氮原子簇類的全氮物質(zhì)等。其次是基于物理能的一類。能量水平在105焦耳每克以上，如亞穩(wěn)態(tài)核同質(zhì)異能素、反物質(zhì)材料等。九十年代，美軍牽頭推出了圍繞“高能量密度物質(zhì)”計劃、 “國家先進含能材料研究倡議”計劃 等多項重大發(fā)展計劃，率先取得了突破性進展。目前美、俄處于國際領先地位，在高活性全氮物質(zhì)、金屬儲能材料和核同質(zhì)異能素等方面的研究上率先取得重大突破。超高能含能材料一旦獲得應用，無疑將會和當年的梯恩梯一樣，在武器裝備方面迎來重大變革，甚至可能引發(fā)新一輪的軍事變革，從根本上改變戰(zhàn)爭形態(tài)和作戰(zhàn)樣式。

◎全氮材料合成研究

美國于1998年成功獲得了離子型全氮化合物N5+，該物質(zhì)以不到0.2克的質(zhì)量炸爛了實驗的一個通風櫥。此后又獲得了其他13種含N5+的鹽類化合物。后續(xù)推出了N8、N60等全氮原子簇的研制工作，其爆炸能量達到TNT炸藥的3～10倍當量。在聚合氮制備技術有一定成果之后，2009年，美國陸軍開始研究該類型材料的低成本制備方法及大批量制備工藝技術。

◎基于高活性金屬儲能材料的實用炸藥

美國成功將含納米鋁的溫壓炸藥裝備到了巨型空爆炸彈——“炸彈之母”（裝藥8.5噸），采用云霧爆轟方式，爆炸威力相當于11噸TNT當量。正在研制的基于高活性硼燃料的高威力巨型炸彈則有88噸TNT當量的爆炸威力。此外，美國陸軍則在加速將這種材料開發(fā)成先進高能量密度發(fā)射藥。而美國空軍則在研究聚合氮和納米鋁的界面作用，以制成高性能的復合炸藥。

◎大力發(fā)展核同質(zhì)異能素

相比于傳統(tǒng)的化學能類含能材料，基于物理能的超高能含能物質(zhì)可能更具有革命性創(chuàng)新意義。其中核同質(zhì)異能素技術最有可能首先進入實用。相比于傳統(tǒng)的含能材料，其能量提高了兩個數(shù)量級。美國國防部已將該技術列入軍用關鍵技術清單。美國當前重點研究的亞穩(wěn)態(tài)核同質(zhì)異能素可能包括鉿-178、鋨-187、釔-186、鉭-180和鋅-66等。其中鉿-178在美國空軍研究實驗室已獲萬分之一克產(chǎn)量，目前正在研發(fā)基于此的鉿彈（伽瑪射線武器）。

俄羅斯則于近年啟動了國家級的“創(chuàng)建新型高能材料的基礎研究計劃”，側(cè)重點主要集中在全氮高能材料和高能高活性金屬儲能材料的研究與發(fā)展。如爆炸威力是美國“炸彈之母”4倍的“炸彈之父”，就采用了7.1噸高活性金屬高能材料，其威懾力不亞于小型核武器。全氮化合物方面，成功獲得了以立方體氮原子框架結(jié)構(gòu)存在的全氮化合物。除美俄外，德國、瑞典、印度、以色列和日本等國也在加速研究超高能含能材料技術。

建國初期，我國首先開始對蘇聯(lián)等國外成熟產(chǎn)品的仿制，探索從芳香類合成物到雜環(huán)化合物的合成路徑，并開始進行相關理論的研究攻關以指導含能材料的合成制造。同時積極學習西方先進理論和技術，掌握了相當于美國H6炸藥的制備工藝，而H6含鋁炸藥與GBU-43“炸彈之母”的裝藥類型相同。

進入新世紀以來，我國在科研方面投入了大量資金，含能材料的研究也取得了較快的發(fā)展，超高能材料的研究也取得了一定的進展。比如中國工程物理研究院化工材料研究所與重慶大學合作發(fā)現(xiàn)納米多孔硅/硝酸鹽復合材料具有較好的爆炸性質(zhì)。而黑索金（RDX）基復合炸藥中加入納米鋁粉后，復合炸藥的作功能力比含微米鋁粉的復合炸藥明顯提高。此外，全氮材料因為具有高密度、高生成焓、超高能量及爆轟產(chǎn)物清潔無污染等優(yōu)點，被寄予厚望，我國在此方面的研究處于世界前列。

南京理工大學陸明教授課題組2017年發(fā)表在國際頂級期刊自然雜志的一篇文章《系列水合五唑金屬鹽含能化合物》，體現(xiàn)了含能材料領域新的研究成果。所合成的全氮陰離子鹽N5-，是全氮類高能材料中重要的前體物質(zhì)。這項成就如果應用于火炸藥，將有希望提高我國武器裝備整體性能。

王澤山院士的貢獻

王澤山院士是中國火炸藥學科帶頭人，發(fā)射裝藥理論體系的奠基人，是中國人的“火藥王”。授予王院士的國家最高科學技術獎，就是為了表彰他在火炸藥領域內(nèi)取得的巨大成就。他曾三次獲得國家科技大獎。

◎全等式模塊裝藥技術

王院士2016年獲得的國家技術發(fā)明一等獎主要歸功于具有普遍適用性的遠射程與模塊裝藥技術?；鹫ㄋ幵诨鹋谏蠎?，除了本身的爆炸性能外還有重要的一點，就是其使用效率。目前世界各國155毫米火炮多采用模塊化裝藥。模塊化裝藥分為單模塊（也稱“全等式”）和雙元模塊（也稱“不等式”）兩種。發(fā)射時，根據(jù)火炮實際需求的不同射程，往炮膛內(nèi)填進不同數(shù)量的裝藥模塊。近射程用1-2個裝藥模塊，遠射程火用5-6個模塊的全號裝藥。但 “全等”模塊裝藥在過去很難實現(xiàn)。這是因為火炮的膛壓和初速與發(fā)射藥量是非線性關系。滿足全號裝藥時的內(nèi)彈道指標，就會在使用最小號裝藥時出現(xiàn)燃燒不完全，導致威力不夠。如果為了滿足最小號裝藥的內(nèi)彈道指標，使用全號裝藥時又會出現(xiàn)膛壓超限的情況。

在王院士之前，各國的火炮基本采用“雙模塊裝藥”模式，將發(fā)射藥分為兩種模塊（不同顏色體現(xiàn)），比如1號和2號發(fā)射藥一種顏色，3/4/5/6號發(fā)射藥則為另一個顏色，不同模塊的燃燒效率不同不能混用。

這種模式在裝藥發(fā)射前，需要在不同的單元模塊間進行更換，操作過程繁瑣且費時，火炮的效率相對低下。因此，美、英等多國科學家曾聯(lián)合開展相關研究，想要使用同一種單元模塊，只是通過模塊數(shù)量的不同組合，來實現(xiàn)火炮對于遠近射程的自由切換，以提高火炮效率。但最終由于無法突破技術瓶頸，研究無法繼續(xù)。而王院士則另辟蹊徑，創(chuàng)立了裝藥新技術和相應的彈道理論，經(jīng)過20年的不懈努力，帶領著團隊攻克了這一國際軍械領域懸而未決的難題，研發(fā)出了具有普適性的全等式模塊裝藥技術。

全等式模塊裝藥技術的各個單元模塊是完全相同的，能在不改變火炮總體結(jié)構(gòu)和不增加火炮膛壓的前提下，通過提高火藥能量的有效利用效率來提升火炮的射程。使得中國火炮炮口動能及全面超過其他國家的同類火炮。實際多種武器裝備和型號應用表明，使用該技術后火炮的射程能夠提高20%以上，最大發(fā)射過載降低25%以上。而且降低了火藥燃燒產(chǎn)生的火焰、煙氣、有害氣體，減少了對操作員和環(huán)境造成的危害。

◎火炸藥資源化再利用

王院士早年還因為火炸藥資源化再利用研究成果獲得過一次國家科技進步一等獎。與食品一樣，含能材料有一定的使用壽命。到期的含能材料，其穩(wěn)定性和安全性都顯著下降，而且大部分含能材料易燃、易爆、有毒，也加大了其處理難度。特別是大量的退役報廢彈藥，它們在貯存、運輸、拆卸和銷毀的過程中都充滿了危險。傳統(tǒng)處理的方法是將廢棄的含能材料堆積在遠離城市和交通樞紐的露天焚燒場，然后用電點火方式進行遠距離引燃操作。雖然該方法簡單、經(jīng)濟、投資低、且相對安全，但因此帶來的污染問題也不容忽視，美國在七十年代就廢止了該方法。為了降低污染，七十年代以后發(fā)展了包括焚燒爐焚燒法和生物降解法在內(nèi)的多種方法處理含能廢棄物。但仍然沒有做到真正的物盡其用。

目前，各國都在積極研究廢棄含能材料的再利用問題。比如說把它轉(zhuǎn)變?yōu)榛ぴ匣虍a(chǎn)品。從含能材料中分離出的各類氧化劑、金屬粉、增塑劑等，可以通過后續(xù)的化學反應轉(zhuǎn)化為甘油、酒石酸等其他可用的化工產(chǎn)品。而軍用炸藥、發(fā)射藥等廢棄含能材料，可以制成工業(yè)炸藥。王院士正是在上世紀九十年代率先攻克了相關的技術難題，讓原本的“炸藥包”變成了具有重要經(jīng)濟價值的寶貝。

◎降低火炸藥環(huán)境溫度敏感性

王院士另一個國家科技進步一等獎，則是因為他帶領團隊成功解決了降低武器對環(huán)境溫度敏感性這個世界軍事難題。炸藥的燃燒和爆炸過程中的化學反應受溫度的影響很大，溫度越高，反應速率越快。溫度對于發(fā)射藥燃燒速度的影響，最終會體現(xiàn)在火炮的彈道性能上，使得火炮炮口初速呈現(xiàn)出低溫低、高溫高的變化。對于追求高膛壓高初速的坦克炮，受氣溫影響就非常明顯。原本在南方能輕易擊穿裝甲的坦克炮，在北方的極寒天氣或者高原地區(qū)發(fā)揮不出應有的效能。所以，研制低溫感的火炸藥對我我國這種疆域遼闊、南北跨度大、地貌復雜的國家是尤為必要的。

為解決這個問題，國際上通常采用化學和物理兩個途徑?；瘜W上，通過添加鉛、銅的氧化物等，作為燃速催化劑，利用這些添加劑降低燃速溫度系數(shù)，減小溫度對發(fā)射藥燃速的影響。物理上，可利用發(fā)射藥物理性能與溫度的相關性。發(fā)射藥強度會隨溫度變化，低溫下火藥下強度變差，因此可以用這種原理來加快火藥破裂、增加燃燒面積，從而提高燃速速度。

而王院士獨辟蹊徑，利用燃料的補償效應，建立了一個隨著溫度升高自然下降的補償系統(tǒng)（可認為是一種對高溫更敏感的阻燃劑）。通過與火藥系統(tǒng)的綜合，使其燃燒性能對溫度的變化不那么敏感，具體包括低溫感包覆火藥混合裝藥的概念和破孔增燃補償與使用同材質(zhì)包覆層的理論。該裝藥由制式發(fā)射藥主裝藥和包覆藥按一定比例組成，包覆藥外層中含有阻燃劑（銳鈦型二氧化鈦），本身能滿足低溫感技術的要求。在高溫下（800℃左右），銳鈦型二氧化鈦會發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，從而吸收部分熱量，進一步起到了鈍感及阻燃的作用。另外，采用發(fā)射藥燃面和燃速調(diào)控的技術，也就是所謂的破孔增燃補償，達到了各溫度下燃氣生成速率的恒定。這樣，讓火炸藥在不同溫度條件下都能以同一速率燃燒。這項發(fā)明的核心技術，在各方面處于國際領先。

王澤山院士的成就，不但使中國的火炸藥生產(chǎn)和研究達到了世界先進水平，也證明了中國人通過自己創(chuàng)新出相關的技術和理論，能夠解決外國人解決不了的技術難題。這對于各個領域的科研和自主創(chuàng)新活動，都具有積極意義。