溫壓炸藥發(fā)展趨勢的幾點思考

王伯良,李亞寧,韓志偉

1 溫壓炸藥的內(nèi)涵與特點

溫壓炸藥是一種富燃料炸藥,在其爆炸過程中,大量未完全反應(yīng)的中間產(chǎn)物及金屬燃料可以利用空氣中的氧發(fā)生后燃反應(yīng),加強沖擊波能的同時以長時間爆炸火球的形式提高整體爆炸能量,形成獨特的溫壓效應(yīng)。

溫壓炸藥爆炸反應(yīng)歷程包含以下3個階段:1)配方中主體炸藥的無氧爆轟;2)少量金屬燃料與爆轟產(chǎn)物、氧化劑之間的無氧燃燒反應(yīng);3)未反應(yīng)完的金屬燃料及爆轟產(chǎn)物與周圍環(huán)境中的氧湍流混合,發(fā)生的有氧燃燒反應(yīng),又叫后燃反應(yīng),是溫壓炸藥爆炸反應(yīng)的典型特征。

溫壓炸藥相較于普通炸藥具備下列特點:從配方組成設(shè)計角度來看,溫壓炸藥配方具有更明顯的負氧平衡,且燃燒熱較大;從應(yīng)用領(lǐng)域角度來看,溫壓炸藥更適用于有限空間、復(fù)雜地形、大尺寸爆炸等環(huán)境;從其毀傷元角度來看,溫壓炸藥具有多樣性的毀傷效果和更高的毀傷威力,其基本毀傷方式包括沖擊波毀傷與熱毀傷,非基本毀傷方式包括窒息效應(yīng)和破片毀傷等。

2 溫壓炸藥的設(shè)計方法

根據(jù)溫壓炸藥的釋能與毀傷特點,過量金屬燃料在第三階段的有效釋能并形成溫壓效應(yīng),是溫壓炸藥配方設(shè)計的關(guān)鍵。因此,在設(shè)計溫壓炸藥配方時,除了需要考慮一般軍用混合炸藥的設(shè)計要求外,還要充分考慮如何使得溫壓炸藥爆炸反應(yīng)三階段有機銜接,如何使得金屬燃料的化學(xué)潛能有效釋放。要實現(xiàn)這一目標,需要在配方設(shè)計時,盡可能提高可燃組分的含量,并采取提高可燃組分反應(yīng)完全性的措施,也就是溫壓炸藥配方設(shè)計需要兼顧化學(xué)熱力學(xué)設(shè)計與爆炸反應(yīng)動力學(xué)設(shè)計,重點在于爆炸反應(yīng)動力學(xué)設(shè)計。

化學(xué)熱力學(xué)設(shè)計的目的是提高溫壓炸藥配方的化學(xué)潛能,可通過提高配方中金屬燃料含量實現(xiàn)。通常而言,溫壓炸藥配方中金屬燃料的質(zhì)量分數(shù)應(yīng)在30%以上;國外學(xué)者則認為設(shè)計溫壓炸藥時,應(yīng)使金屬燃料過量至其后燃潛能達到爆轟能的兩倍以上。

然而從溫壓炸藥的實際應(yīng)用效果來看,單純提高金屬燃料的含量,而不考慮配方化學(xué)潛能釋放的有效性,往往難以達到預(yù)期的設(shè)計目標。主要原因在于金屬燃料的反應(yīng)活性、反應(yīng)速率等特性參數(shù)難以與炸藥無氧爆轟、無氧燃燒階段形成的瞬態(tài)高溫高壓環(huán)境相匹配,導(dǎo)致后燃階段金屬燃料因反應(yīng)無法自持、反應(yīng)速率低等原因致使能量無法有效釋放。因此,需要從燃料粒度、燃料氧化劑傳質(zhì)距離、燃料活化速率、環(huán)境參數(shù)等等方面,實現(xiàn)溫壓炸藥爆炸能量輸出結(jié)構(gòu)的調(diào)控,提高后燃階段釋放能量的有效性。爆炸反應(yīng)動力學(xué)調(diào)控方法包括:

(1)金屬燃料粒度級配。不同粒徑分布的金屬燃料具有不同的反應(yīng)動力學(xué)特征,爆炸過程中,粒度較小的燃料顆粒率先被點燃,釋放出大量熱量維持爆炸火球溫度,之后粒度較大的燃料顆粒被點燃,通過逐級燃燒的形式實現(xiàn)后燃的維持與傳播;

(2)氧化劑的使用。在溫壓炸藥配方中添加一定含量的氧化劑,能夠從兩方面改善配方的爆炸反應(yīng)動力學(xué)特性,其一為氧化劑通常在金屬燃料后燃反應(yīng)之前作用,有利于維持爆炸形成的高溫高壓環(huán)境;其二為生成大量氧化性產(chǎn)物,提高燃料周圍的氧化性物質(zhì)濃度;

(3)含氟材料的使用。含氟材料之于溫壓炸藥的作用主要是改變后燃反應(yīng)的演化機理,研究表明含氟材料能與絕大多數(shù)金屬燃料及其金屬氧化物發(fā)生表面放熱反應(yīng),并生成低沸點氟化物,從而加速金屬燃料表面氧化層的破碎,避免燒結(jié)現(xiàn)象,提高金屬燃料的反應(yīng)活性;

(4)高爆溫高能炸藥的使用。高爆溫高能炸藥主要指以CL-20、DNTF等為代表的第三代單質(zhì)炸藥,應(yīng)用時能夠通過高溫更快活化金屬燃料,有利于增強金屬燃料的能量釋放速率;

(5)組分界面微結(jié)構(gòu)的設(shè)計。研究表明,含能組分界面微結(jié)構(gòu)的精細化設(shè)計,能夠改善組分在粘結(jié)基體中的分散均勻性,增強配方中各組分之間的界面結(jié)合力,能夠減少氧化劑與燃料之間的傳質(zhì)傳熱距離,從而提高燃料反應(yīng)速率與反應(yīng)完全性。

3 溫壓炸藥性能評價方法

溫壓炸藥毀傷方式的多樣性,導(dǎo)致其性能評價方法一直是行業(yè)內(nèi)的難題,特別是對于溫壓炸藥能量的評估,研究人員至今尚未形成統(tǒng)一認識。傳統(tǒng)的基于炸藥爆熱的TNT當量法,由于完全忽略了溫壓炸藥的第三反應(yīng)階段,因此不適用于評估溫壓炸藥的能量與威力。某些工程標準中雖然明確了溫壓炸藥總爆炸能量、爆轟能、燃燒能的測試方法,但沒有考慮到實際應(yīng)用過程中環(huán)境氧濃度對后燃效應(yīng)的增強,因此也無法準確評估其能量。后續(xù)應(yīng)當加強此方面的研究,提出更科學(xué)合理的溫壓炸藥性能綜合評價方法,這也是支撐高效能溫壓炸藥配方及溫壓戰(zhàn)斗部設(shè)計的重要基石。

4 溫壓炸藥應(yīng)用要求

根據(jù)溫壓炸藥應(yīng)用背景,未來溫壓炸藥設(shè)計時需考慮以下要求:

(1)低成本。俄烏沖突表明,戰(zhàn)爭中彈藥消耗量巨大,一旦進入戰(zhàn)略相持階段,保供將成為致勝的關(guān)鍵。因此,有必要開發(fā)原材料易得、生產(chǎn)工藝簡單、作用效果良好的溫壓炸藥配方。

(2)低易損?，F(xiàn)代武器裝備高度集成化,呈現(xiàn)載彈量大、單發(fā)彈藥威力大、平臺價值高等特點。新形勢對武器裝備的戰(zhàn)場生存能力提出了更高要求。因此,必須深入開展溫壓炸藥的低易損性研究,為人、彈、車/機/艦共存條件提供安全保障,降低后勤保障壓力。

(3)高抗過載能力。有限空間可以加強溫壓彈藥的毀傷效果,因此溫壓炸藥特別適用于打擊房屋、掩體、坑道內(nèi)目標,以及深埋目標。這就需要溫壓炸藥具有一定抗過載能力,以適應(yīng)攻堅、城市反恐作戰(zhàn)的需要,以及高效打擊深層目標的能力。

(4)巨型裝藥應(yīng)用。溫壓類型的巨型炸彈,可打擊地面大面積目標,被認為是核武器之下最具威懾性的常規(guī)戰(zhàn)略武器之一,可作為大國重器彰顯軍事強國實力?，F(xiàn)階段適合巨型溫壓彈藥的溫壓炸藥及裝藥技術(shù)尚有待完善,這是未來的重要研究方向之一。

5 結(jié)束語

當前,美國和俄羅斯在溫壓炸藥及其戰(zhàn)斗部裝藥領(lǐng)域仍走在世界前列,我國起步較晚,積累不足,需要持之以恒的系統(tǒng)研究以實現(xiàn)迎頭趕超。概括以上分析,形成下列4點結(jié)論:

(1)深入認知溫壓炸藥的爆炸歷程是改善其性能的基礎(chǔ),應(yīng)進一步精細化溫壓炸藥的爆炸反應(yīng)歷程和反應(yīng)模型;

(2)溫壓炸藥爆炸反應(yīng)動力學(xué)的設(shè)計是調(diào)控其能量輸出結(jié)構(gòu)的核心,是提高溫壓炸藥作用效能的關(guān)鍵;

(3)溫壓炸藥性能評價方法是配方科學(xué)設(shè)計與應(yīng)用效果合理評估的重要依據(jù),應(yīng)盡快形成統(tǒng)一認識;

(4)新型溫壓炸藥研創(chuàng)應(yīng)緊密結(jié)合其實際應(yīng)用環(huán)境需求,高能量不敏感抗過載巨型溫壓裝藥是未來研究的主旋律。

王伯良

二〇二三年十一月