王伯良,李亚宁,韩志伟

1 温压炸药的内涵与特点

温压炸药是一种富燃料炸药,在其爆炸过程中,大量未完全反应的中间产物及金属燃料可以利用空气中的氧发生后燃反应,加强冲击波能的同时以长时间爆炸火球的形式提高整体爆炸能量,形成独特的温压效应。

温压炸药爆炸反应历程包含以下3个阶段:1)配方中主体炸药的无氧爆轰;2)少量金属燃料与爆轰产物、氧化剂之间的无氧燃烧反应;3)未反应完的金属燃料及爆轰产物与周围环境中的氧湍流混合,发生的有氧燃烧反应,又叫后燃反应,是温压炸药爆炸反应的典型特征。

温压炸药相较于普通炸药具备下列特点:从配方组成设计角度来看,温压炸药配方具有更明显的负氧平衡,且燃烧热较大;从应用领域角度来看,温压炸药更适用于有限空间、复杂地形、大尺寸爆炸等环境;从其毁伤元角度来看,温压炸药具有多样性的毁伤效果和更高的毁伤威力,其基本毁伤方式包括冲击波毁伤与热毁伤,非基本毁伤方式包括窒息效应和破片毁伤等。

2 温压炸药的设计方法

根据温压炸药的释能与毁伤特点,过量金属燃料在第三阶段的有效释能并形成温压效应,是温压炸药配方设计的关键。因此,在设计温压炸药配方时,除了需要考虑一般军用混合炸药的设计要求外,还要充分考虑如何使得温压炸药爆炸反应三阶段有机衔接,如何使得金属燃料的化学潜能有效释放。要实现这一目标,需要在配方设计时,尽可能提高可燃组分的含量,并采取提高可燃组分反应完全性的措施,也就是温压炸药配方设计需要兼顾化学热力学设计与爆炸反应动力学设计,重点在于爆炸反应动力学设计。

化学热力学设计的目的是提高温压炸药配方的化学潜能,可通过提高配方中金属燃料含量实现。通常而言,温压炸药配方中金属燃料的质量分数应在30%以上;国外学者则认为设计温压炸药时,应使金属燃料过量至其后燃潜能达到爆轰能的两倍以上。

然而从温压炸药的实际应用效果来看,单纯提高金属燃料的含量,而不考虑配方化学潜能释放的有效性,往往难以达到预期的设计目标。主要原因在于金属燃料的反应活性、反应速率等特性参数难以与炸药无氧爆轰、无氧燃烧阶段形成的瞬态高温高压环境相匹配,导致后燃阶段金属燃料因反应无法自持、反应速率低等原因致使能量无法有效释放。因此,需要从燃料粒度、燃料氧化剂传质距离、燃料活化速率、环境参数等等方面,实现温压炸药爆炸能量输出结构的调控,提高后燃阶段释放能量的有效性。爆炸反应动力学调控方法包括:

(1)金属燃料粒度级配。不同粒径分布的金属燃料具有不同的反应动力学特征,爆炸过程中,粒度较小的燃料颗粒率先被点燃,释放出大量热量维持爆炸火球温度,之后粒度较大的燃料颗粒被点燃,通过逐级燃烧的形式实现后燃的维持与传播;

(2)氧化剂的使用。在温压炸药配方中添加一定含量的氧化剂,能够从两方面改善配方的爆炸反应动力学特性,其一为氧化剂通常在金属燃料后燃反应之前作用,有利于维持爆炸形成的高温高压环境;其二为生成大量氧化性产物,提高燃料周围的氧化性物质浓度;

(3)含氟材料的使用。含氟材料之于温压炸药的作用主要是改变后燃反应的演化机理,研究表明含氟材料能与绝大多数金属燃料及其金属氧化物发生表面放热反应,并生成低沸点氟化物,从而加速金属燃料表面氧化层的破碎,避免烧结现象,提高金属燃料的反应活性;

(4)高爆温高能炸药的使用。高爆温高能炸药主要指以CL-20、DNTF等为代表的第三代单质炸药,应用时能够通过高温更快活化金属燃料,有利于增强金属燃料的能量释放速率;

(5)组分界面微结构的设计。研究表明,含能组分界面微结构的精细化设计,能够改善组分在粘结基体中的分散均匀性,增强配方中各组分之间的界面结合力,能够减少氧化剂与燃料之间的传质传热距离,从而提高燃料反应速率与反应完全性。

3 温压炸药性能评价方法

温压炸药毁伤方式的多样性,导致其性能评价方法一直是行业内的难题,特别是对于温压炸药能量的评估,研究人员至今尚未形成统一认识。传统的基于炸药爆热的TNT当量法,由于完全忽略了温压炸药的第三反应阶段,因此不适用于评估温压炸药的能量与威力。某些工程标准中虽然明确了温压炸药总爆炸能量、爆轰能、燃烧能的测试方法,但没有考虑到实际应用过程中环境氧浓度对后燃效应的增强,因此也无法准确评估其能量。后续应当加强此方面的研究,提出更科学合理的温压炸药性能综合评价方法,这也是支撑高效能温压炸药配方及温压战斗部设计的重要基石。

4 温压炸药应用要求

根据温压炸药应用背景,未来温压炸药设计时需考虑以下要求:

(1)低成本。俄乌冲突表明,战争中弹药消耗量巨大,一旦进入战略相持阶段,保供将成为致胜的关键。因此,有必要开发原材料易得、生产工艺简单、作用效果良好的温压炸药配方。

(2)低易损。现代武器装备高度集成化,呈现载弹量大、单发弹药威力大、平台价值高等特点。新形势对武器装备的战场生存能力提出了更高要求。因此,必须深入开展温压炸药的低易损性研究,为人、弹、车/机/舰共存条件提供安全保障,降低后勤保障压力。

(3)高抗过载能力。有限空间可以加强温压弹药的毁伤效果,因此温压炸药特别适用于打击房屋、掩体、坑道内目标,以及深埋目标。这就需要温压炸药具有一定抗过载能力,以适应攻坚、城市反恐作战的需要,以及高效打击深层目标的能力。

(4)巨型装药应用。温压类型的巨型炸弹,可打击地面大面积目标,被认为是核武器之下最具威慑性的常规战略武器之一,可作为大国重器彰显军事强国实力。现阶段适合巨型温压弹药的温压炸药及装药技术尚有待完善,这是未来的重要研究方向之一。

5 结束语

当前,美国和俄罗斯在温压炸药及其战斗部装药领域仍走在世界前列,我国起步较晚,积累不足,需要持之以恒的系统研究以实现迎头赶超。概括以上分析,形成下列4点结论:

(1)深入认知温压炸药的爆炸历程是改善其性能的基础,应进一步精细化温压炸药的爆炸反应历程和反应模型;

(2)温压炸药爆炸反应动力学的设计是调控其能量输出结构的核心,是提高温压炸药作用效能的关键;

(3)温压炸药性能评价方法是配方科学设计与应用效果合理评估的重要依据,应尽快形成统一认识;

(4)新型温压炸药研创应紧密结合其实际应用环境需求,高能量不敏感抗过载巨型温压装药是未来研究的主旋律。

王伯良

二〇二三年十一月