军用混合炸药的发展趋势

王晓峰

(西安近代化学研究所,陕西 西安 710065)

引 言

炸药是常规武器爆炸产生破坏与杀伤作用的能源,是武器装备实现高效毁伤的基础,是决定武器系统威力的关键因素。虽然对爆炸物质的了解和使用可以上溯至公元10世纪的黑火药,但现代炸药的发展始于19世纪。从19世纪末开始装填弹药的苦味酸和梯恩梯,到二次大战中受到各国普遍重视的RDX 和HM X,再到1987年以来以CL-20 为代表的高能量密度化合物,炸药技术的所有领域都产生了巨大的进步。这些进步不仅使炸药技术本身得到了深化和发展,而且有力地促进了武器装备性能的提高和更新换代。

目前,世界各国武器装备使用的炸药绝大部分都是混合炸药,弥补了单质炸药在品种、成型工艺、原料来源和成本方面的不足,具有较大的选择性和适应性。20世纪90年代以来,随着人们对毁伤技术相关物理、化学规律认识的不断深入以及数学处理技巧与计算机模型的不断发展,在新材料和高新技术的带动下,一度沉寂的混合炸药技术领域再度活跃起来,在设计理论、研究方法、制造工艺和应用范畴等各个方面都取得了革命性的进展,呈现出许多超越传统概念和内涵的新的发展趋势。

1 炸药组分的高能化和高能量密度化

通过提高主体单质炸药的能量和含量,从而提高混合炸药的能量和能量密度,是提高混合炸药能量的主要传统技术途径,当前研究的热点是CL-20、DN TF、TNAZ 等高能量密度化合物在混合炸药配方中的应用。

CL-20 主要用于在金属加速炸药中取代HM X,从而提高聚能装药、EFP 及破片杀伤战斗部的性能。典型配方有美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)研制的LX-19 炸药,密度1.942 g/cm3,爆速9 208m/s,圆筒试验的能量输出比LX-14炸药高14%;美国陆军研制的PAX-11 炸药,密度1.951g/cm3(99%TMD),计算爆速9 520m/s,除用于精密聚能装药外,也用作高能传爆药,满足高价值弹药对小型传爆装药高起爆能量输出的要求;在此基础上,美国陆军研制了含铝CL-20 基炸药PAX-29,理论密度2.002 g/cm3,计算爆速8770 m/s,总能量比LX-14 增加了42%,可用于多用途反装甲战斗部和高爆战斗部中;美国海军研制的PBXW-16 炸药[1],以Hytemp 4454 作高分子黏结剂,DOS(癸二酸二辛酯)和WS-280(一种有机硅化合物)作混合增塑剂,还含有少量石墨作为润滑剂,理论密度1.883 g/cm3,是一种具备不敏感性质的压装金属加速炸药;法国火炸药公司(SNPE)研制出C L-20质量分数达90%以上的室温浇注PBX 炸药,爆速达8900 m/s[2];瑞士采用新工艺(Isogen 工艺)研制出兼具浇注和压装双重优点的C L-20/HTPB(96/4)配方,密度1.913 g/cm3(98.1%TMD),实测爆速9090 m/s。

DNTF 、TNAZ 主要用于代替TN T 作为熔铸炸药的液相载体炸药。除了DN TF、TNAZ 以外,近年来用含能离子液体取代TN T 应用于熔铸炸药也受到了越来越多研究者的关注,含能离子液体代表了含能化合物向离子键型化合物发展的新方向。

炸药组分高能化的另一条途径是黏结剂、增塑剂等惰性组分的含能化,如含能聚合物、含能增塑剂在浇注-固化PBX 炸药中的应用以及含能热塑性弹性体在熔铸PBX 炸药中的应用[3]。

2 爆炸反应物质的复合化和纳米化

炸药的爆轰本质上是快速的氧化-还原反应,理想炸药的氧化剂和还原剂(可燃剂)是同一分子的不同基团,称为分子内炸药;而当前大力发展的非理想炸药是氧化剂和可燃剂物理分离的分子间炸药。氧化剂-可燃剂复合型炸药成为提高炸药能量的新途径,其能量主要来自于组分间的快速化学反应,与各自独立的成分相比,可燃剂和氧化剂的混合物增加了爆炸反应的潜在能力,通过合理选择可燃剂和氧化剂,有可能使爆炸反应释放出更高的能量。

目前,实际应用最广泛的氧化剂是高氯酸铵(AP),金属可燃剂主要是铝粉。今后重点研究的新型氧化剂有两种:一种是ADN,它所释放的气泡能比当前应用的最好的水下炸药(PBXN-103)的气泡能高出50%[4],可使杀伤半径增加约25%;另一种是二氟氨基(NF2)化合物,它和金属的反应更有效,可以使金属更完全地转化为氧化物,具有显著增加能量的可能性[4]。可燃剂方面,采用在热力学上更具有吸引力的材料,如锆、镁或硼等,全部或部分取代炸药中的铝,可以增强铝的反应活性[5]。以前含硼炸药领域的研究效果并不是很好,因为在有含氢物质(如水)存在的条件下,硼的氧化效率很低,更趋于生成低能中间体HOBO(HBO 2),而不是B2O3,目前的进展已经使硼的燃烧效率超过了90%,应用前景渐趋明朗。

复合型非理想炸药的主要问题是能量释放不够完全和快速,而纳米含能材料具有释放化学能反应更迅速、化学反应更完全的优点。最直接的方法是在混合炸药中应用纳米金属粉(如铝、镁)或非金属粉(如硅、硼)[6-9],增加各组分间接触的紧密性和表面积,从而增加爆轰反应的能量释放速率和金属粉的反应完全性。但由于单一的纳米粉体在混合炸药中很难均匀分散,无法发挥其比表面积大、比表面能高和比表面活性高的优点,因此,采用纳米结构的复合含能材料,将氧化剂与还原剂在纳米尺度上实现组装,可能是使混合炸药的能量释放问题得到根本解决的有效途径,这类材料包括单质炸药/氧化剂纳米晶体分布于连续基质形成的纳米复合材料[10-12]、亚稳态分子间复合物(M IC)(即超级铝热剂)[13-14]、含氧化剂的纳米多孔硅[15-16]等。

3 储能物质的金属化和贫氧化

传统的金属化炸药已经发展了一个多世纪,是在炸药中引入高热值金属粉,由于按体积来衡量,金属与爆轰产物(H2O、CO2)的反应所释放的能量比被金属替换的那部分炸药所释放出的能量更高,因此金属化的炸药能够提高能量水平。如今,炸药的金属化研究已不局限于配方内部组分之间反应热力学的范畴,更多的是从动力学的角度,通过金属粉的贫氧化和高活性化,控制反应速率,充分利用周围介质(空气或水)中的氧参与爆炸反应,提高毁伤作用的总能量水平,使单位质量炸药载荷的能量最大化,并调节能量释放的时间-空间分布,从而获得多重毁伤效应,增强传统炸药的毁伤效能。

根据反应时间尺度的不同,所产生的是不同的增强效应。如果爆轰产物及周围介质与金属粉之间的后续反应足够快速,则其释放能量所产生的是增强主爆轰冲击波效应;如果爆轰产物及周围介质与金属粉之间的后续反应较慢,则其释放能量所产生的是温压效应和气爆效应。与上述效应相对应,重点发展的炸药品种是冲击波效应增强型炸药、温压炸药和燃料空气炸药(FAE)。

温压炸药比常规炸药具有更高的毁伤威力,在近距离产生强烈的爆炸冲击波摧毁中硬目标,而大范围的气云后燃爆炸释能过程,可产生无孔不入的高温火球破坏障碍物后的软目标。近20年,在世界局部战争中,美国和俄罗斯等国使用的多种温压弹,已成为标志性的新型武器,其发展前景被一致看好。美国将其列为十六种“未来武器”之一,在日益增多的打击有限空间目标,如摧毁地下洞穴、巷道、工事中的人员,反恐和城市作战中大有用武之地。

燃料空气炸药(FAE)爆炸过程中的高热和冲击波无孔不入,形成独特的杀伤效应,产生大空间区域毁伤和面毁伤效应,很早就引起了人们的重视,德国在第二次世界大战中、美国在越南战争中、前苏联在阿富汗战争中都使用了FA E。FAE 的研究如今在世界范围内广泛开展,一直在寻找能量更高的爆源材料,如高反应活性金属等。2007年俄罗斯研制成功“炸弹之父”,采用含高活性金属材料的高能FAE 炸药,其爆炸威力接近6 倍TN T 当量,毁伤效应类似于小型核弹[17]。美国NASA 兰利研究中心在“关于未来战争的预测”中认为,未来可能用于FAE 的新型非核高能材料包括亚稳态填隙式复合物(6 倍TN T 当量)、燃料-空气/粉尘-空气炸药(15 倍TN T 当量)、金属氢类HEDM(数十倍TN T 当量)、张力键物质(100 倍TN T 当量)等。

4 能量输出结构的多样化和精细化

不同类型的目标有不同的易损性特点,为了适应打击目标多样化、目标特性复杂化的作战需求,炸药的能量输出结构呈现出多样化和精细化的特点。

对于大型爆破型弹药,要求炸药具有较高的冲击波超压和冲量;对于破片杀伤式弹药,要求炸药对破片具有较高的加速能力;对于聚能战斗部,要求炸药能驱动产生高速射流和自锻弹丸;对于重型鱼雷、水雷和深水炸弹等水下爆破弹药,要求炸药具有较高的冲击波能和机械气泡能;对于硬目标侵彻战斗部,要求炸药有较高的抗冲击过载特性和较高的内部爆炸威力;对于温压战斗部,要求炸药有较高的冲击波冲量、持续时间较长的热效应及较高的耗氧能力;对于云爆战斗部,要求燃料与空气混合后具有较高的爆炸冲击波超压、冲击波正相冲量和热通量。上述要求使炸药品种细分为通用爆破型炸药、金属加速炸药、水下炸药、抗过载炸药、温压炸药和燃料空气炸药,从而能针对不同的目标对炸药爆轰能量输出过程进行真正有效的控制,大大提高炸药装药的能量利用率和战斗部终点毁伤效果。

针对城市作战减少无辜伤亡的需求,国外提出了低附带损伤弹药(LCD)的概念,美国空军研制了高密度惰性金属炸药(DIM E),是一种由单质炸药(如RDX、HMX)和高密度重金属钨合金(HM TA)粉组成的复合物,高密度惰性金属取代含能材料降低了炸药的总能量,爆炸半径很小,可控制爆炸毁伤的作用范围,减少附带损伤。

军事装备信息化提出了高效毁伤电子信息系统和装备的作战需求,要求在对目标硬毁伤的同时还能对信息化装备具有高效率的软杀伤效果,给常规毁伤战斗部附加软性电磁毁伤功能的多功能化方案无疑是很有吸引力的技术解决途径。美国陆军发展的导电气溶胶等离子体战斗部技术,其关键是采用一种富金属燃料的非理想复合炸药,爆炸产生气溶胶等离子体场,既具有冲击波毁伤效应,又具有电磁和电流毁伤效应。

针对恐怖分子可能发动的生物或化学袭击以及大型化工企业常常会发生的有毒、污染气体泄漏事故,需要发展能及时响应和快速、高效率清除污染的技术。俄罗斯采用有大量含钛成分的炸药,在污染区域爆炸,快速产生纳米级TiO2气溶胶云团,通过纳米级TiO2产生的光催化效应,高效催化分解污染物。该技术目前仍处于初步试验探索阶段,今后纳米含能材料科学技术的发展会促进该技术的成熟和实用化。

5 能量释放利用的组合化和一体化

当前军用混合炸药的发展已经打破了自身体系的封闭性,不再局限于传统的物质和传统的释能方式,借用体系外的物质和能量获得了更大的功效,贫氧化的温压炸药、水下炸药及燃料空气炸药就协同考虑了环境因素,实现了炸药与环境介质的一体化。

装药结构设计是充分提高炸药的能量利用率以及能量向毁伤元的转化率的最有效手段之一。改变单一整体式装药结构,采用同轴双元或多元装药,内、外层装药采用不同能量输出结构的配方,通过不同配方的组合,可实现炸药装药与毁伤目标的匹配,提高弹药的多模式毁伤和多任务适应性。例如,美国海军提出了温压与破片效应相结合的战斗部装药结构技术,理论上该战斗部综合了所有爆炸毁伤性弹药所具备的毁伤效应,综合了气爆弹药、破片弹药和聚能弹药的杀伤特点,正在低成本自主攻击系统(LOCAAS)进行应用研究,可以满足一种弹药对付多种目标的任务要求。

炸药与弹药的其他部件组合能够释放更多的化学能,如战斗部设计时炸药与反应性材料的组合,用在弹丸中产生的孔洞比同样大小的惰性弹丸或破片产生的孔洞大3 ～4 倍,对目标的破坏作用明显增强。美国海军近期计划重点研究一种反应性破片战斗部,可使其对目标的破坏力增加3 倍,对空中目标的杀伤率增加50%,并计划用在聚能射流中以显著增加对装甲的穿深及破坏后效[18]。

威力可调战斗部将炸药装药与打击目标一体化考虑,基于燃烧点火和爆轰起爆之间存在时间延期,通过精确控制起爆时间,使炸药装药部分燃烧、部分起爆,控制战斗部内发生爆轰的炸药装药量,输出与目标相匹配的毁伤威力,同样可控制附带毁伤。该技术已经成熟,可用于105mm 炮弹及体积更大的武器,美国正在开展演示验证工作[19]。

6 炸药装药的不敏感化

不敏感含能材料、不敏感炸药和不敏感弹药技术的发展,不但能有效提高武器平台的安全性,而且能有效提高弹药攻击突防能力。20世纪80年代以来,不敏感弹药(IM)已成为国外弹药领域重要发展方向,混合炸药技术的发展始终围绕着不敏感炸药(IHE)这个需求在进行,高能不敏感混合炸药成为近年来新列装武器弹药用主流炸药。美国在其国防关键技术计划中,所有炸药项目都是要求不敏感的,这样做既是为了尽快实现弹药的更新换代,更是为了在21世纪继续保持领先地位。

7 结 论

(1)新材料对于混合炸药的发展具有重大的推动作用,高能量密度化合物、纳米含能材料、含能聚合物等已在混合炸药中得到广泛应用。

(2)混合炸药的能量设计打破了传统体系的封闭性,发展氧化剂-可燃剂复合型非理想炸药以及借用体系外的物质和能量成为提高炸药能量水平的重要途径。

(3)炸药应用技术受到高度关注,应用技术层面的交叉融合以及集成创新极大地拓展了混合炸药的技术范畴,具有特殊爆炸效应的新概念炸药及其应用技术不断出现。

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