王伯良,李亞寧,韓志偉

1 溫壓炸藥的內涵與特點

溫壓炸藥是一種富燃料炸藥,在其爆炸過程中,大量未完全反應的中間產物及金屬燃料可以利用空氣中的氧發(fā)生后燃反應,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。

溫壓炸藥爆炸反應歷程包含以下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物、氧化劑之間的無氧燃燒反應;3)未反應完的金屬燃料及爆轟產物與周圍環(huán)境中的氧湍流混合,發(fā)生的有氧燃燒反應,又叫后燃反應,是溫壓炸藥爆炸反應的典型特征。

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;從應用領域角度來看,溫壓炸藥更適用于有限空間、復雜地形、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和破片毀傷等。

2 溫壓炸藥的設計方法

根據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,是溫壓炸藥配方設計的關鍵。因此,在設計溫壓炸藥配方時,除了需要考慮一般軍用混合炸藥的設計要求外,還要充分考慮如何使得溫壓炸藥爆炸反應三階段有機銜接,如何使得金屬燃料的化學潛能有效釋放。要實現這一目標,需要在配方設計時,盡可能提高可燃組分的含量,并采取提高可燃組分反應完全性的措施,也就是溫壓炸藥配方設計需要兼顧化學熱力學設計與爆炸反應動力學設計,重點在于爆炸反應動力學設計。

化學熱力學設計的目的是提高溫壓炸藥配方的化學潛能,可通過提高配方中金屬燃料含量實現。通常而言,溫壓炸藥配方中金屬燃料的質量分數應在30%以上;國外學者則認為設計溫壓炸藥時,應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用效果來看,單純提高金屬燃料的含量,而不考慮配方化學潛能釋放的有效性,往往難以達到預期的設計目標。主要原因在于金屬燃料的反應活性、反應速率等特性參數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,導致后燃階段金屬燃料因反應無法自持、反應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、燃料氧化劑傳質距離、燃料活化速率、環(huán)境參數等等方面,實現溫壓炸藥爆炸能量輸出結構的調控,提高后燃階段釋放能量的有效性。爆炸反應動力學調控方法包括:

(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動力學特征,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動力學特性,其一為氧化劑通常在金屬燃料后燃反應之前作用,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物,提高燃料周圍的氧化性物質濃度;

(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的演化機理,研究表明含氟材料能與絕大多數金屬燃料及其金屬氧化物發(fā)生表面放熱反應,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,避免燒結現象,提高金屬燃料的反應活性;

(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炸藥,應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)組分界面微結構的設計。研究表明,含能組分界面微結構的精細化設計,能夠改善組分在粘結基體中的分散均勻性,增強配方中各組分之間的界面結合力,能夠減少氧化劑與燃料之間的傳質傳熱距離,從而提高燃料反應速率與反應完全性。

3 溫壓炸藥性能評價方法

溫壓炸藥毀傷方式的多樣性,導致其性能評價方法一直是行業(yè)內的難題,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用過程中環(huán)境氧濃度對后燃效應的增強,因此也無法準確評估其能量。后續(xù)應當加強此方面的研究,提出更科學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)斗部設計的重要基石。

4 溫壓炸藥應用要求

根據溫壓炸藥應用背景,未來溫壓炸藥設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鍵。因此,有必要開發(fā)原材料易得、生產工藝簡單、作用效果良好的溫壓炸藥配方。

(2)低易損?，F代武器裝備高度集成化,呈現載彈量大、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階段適合巨型溫壓彈藥的溫壓炸藥及裝藥技術尚有待完善,這是未來的重要研究方向之一。

5 結束語

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

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

(2)溫壓炸藥爆炸反應動力學的設計是調控其能量輸出結構的核心,是提高溫壓炸藥作用效能的關鍵;

(3)溫壓炸藥性能評價方法是配方科學設計與應用效果合理評估的重要依據,應盡快形成統(tǒng)一認識;

(4)新型溫壓炸藥研創(chuàng)應緊密結合其實際應用環(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