楊　雄，王曉峰，馮曉軍，黃亞峰

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引　言

含鋁炸藥具有高爆熱和高作功能力，廣泛應(yīng)用于對(duì)空武器彈藥、對(duì)艦武器彈藥、水下武器彈藥及空對(duì)地武器彈藥[1-2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)含鋁炸藥爆轟反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了大量研究[3-11]，目前含鋁炸藥爆轟反應(yīng)機(jī)理可總結(jié)為：二次反應(yīng)理論、惰性熱稀釋理論和化學(xué)熱稀釋理論。傳統(tǒng)含鋁炸藥爆轟反應(yīng)的特點(diǎn)是鋁粉反應(yīng)相對(duì)滯后，在前期爆轟反應(yīng)區(qū)未被氧化，因此沒(méi)有足夠的能量作用于金屬加速，格尼能低于常規(guī)高能炸藥。常規(guī)的高能炸藥如LX-14、PPXN-110、PBXW-11等[12-17]，能在爆轟反應(yīng)前期(爆炸膨脹體積小于原始裝藥體積7倍時(shí))釋放大量能量，因此金屬加速能力強(qiáng)，格尼能高，但缺點(diǎn)是總能量低于含鋁炸藥，不具有優(yōu)良的沖擊波毀傷作用。

為提高彈藥多用途性和毀傷威力，21世紀(jì)初美國(guó)皮卡汀尼兵工廠陸軍武器研究發(fā)展中心提出了聯(lián)合效應(yīng)炸藥(Combined Effects Explosives)的概念，打破了傳統(tǒng)炸藥不能同時(shí)獲得高格尼能與高沖擊波能的局限[18]。目前美國(guó)已研制出PAX(PAX-29/30/42/49/50)系列聯(lián)合效應(yīng)炸藥，同時(shí)不斷進(jìn)行配方優(yōu)化[19-21]。相對(duì)于傳統(tǒng)含鋁炸藥，聯(lián)合效應(yīng)炸藥中鋁粉等金屬添加劑提前在爆轟反應(yīng)區(qū)反應(yīng)，爆炸膨脹體積小于7倍的原始裝藥體積時(shí)釋放大量能量作用于金屬驅(qū)動(dòng)，在后續(xù)爆轟膨脹過(guò)程中，前期爆轟產(chǎn)物與空氣中的氧反應(yīng)，再次釋放能量加強(qiáng)沖擊波作用，因此兼具高能炸藥的高金屬驅(qū)動(dòng)能力與含鋁高爆炸藥的高爆破性能，殺傷威力成倍增強(qiáng)[22]。將其裝填于火箭彈、靈巧彈藥、單兵武器及艦載和機(jī)載彈藥中，在提高毀傷威力和增加打擊目標(biāo)種類的同時(shí)，減輕了載彈質(zhì)量，為打贏局部小規(guī)模戰(zhàn)爭(zhēng)提供有力保障。

本文對(duì)聯(lián)合效應(yīng)炸藥的理論模型、配方優(yōu)化、能量輸出特性以及應(yīng)用前景展開(kāi)綜述，為今后研究聯(lián)合效應(yīng)炸藥提供參考。

1　理論模型

美國(guó)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期使用圓筒試驗(yàn)?zāi)Ｐ托?zhǔn)炸藥爆轟狀態(tài)方程，其分析模型最初建立在絕熱膨脹基礎(chǔ)上，遵循C-J狀態(tài)等熵線原理[23]。與常用含鋁炸藥相比，聯(lián)合效應(yīng)炸藥中的鋁粉在爆轟前期反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸X的同時(shí)釋放熱量，從而增強(qiáng)金屬驅(qū)動(dòng)力。傳統(tǒng)C-J爆轟理論不能解釋聯(lián)合效應(yīng)炸藥的爆轟反應(yīng)過(guò)程和爆轟狀態(tài)，為此研究人員引入本征爆轟(Eigenvalue detonation)理論[24-26]，考慮了與鋁粉完全反應(yīng)的雨貢鈕曲線上弱爆轟點(diǎn)相關(guān)的絕熱膨脹，對(duì)原有圓筒試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行補(bǔ)充，較合理地解釋了聯(lián)合效應(yīng)炸藥兼具高金屬驅(qū)動(dòng)能力和高爆炸沖擊波作用。此外，在計(jì)算設(shè)計(jì)聯(lián)合效應(yīng)戰(zhàn)斗部過(guò)程中也引入了本征爆轟理論。

與傳統(tǒng)C-J爆轟或ZND爆轟模型不同，本征爆轟是一類復(fù)雜體系下的爆轟反應(yīng)模型。在某種吸熱或耗散性質(zhì)的復(fù)雜反應(yīng)系統(tǒng)中，定態(tài)爆轟狀態(tài)可能位于產(chǎn)物雨貢鈕曲線的C-J點(diǎn)下方，即其弱分支上。這類弱爆轟的速度由反應(yīng)系統(tǒng)全部物性關(guān)系(物態(tài)方程，反應(yīng)速率和輸運(yùn)性質(zhì)等)唯一確定，是一組常微分方程值，因此稱為本征爆轟。對(duì)于C-J或ZND為代表的簡(jiǎn)單爆轟模型，自持爆速由產(chǎn)物的雨貢鈕曲線單獨(dú)決定，若利用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)活塞，高于自持爆速的任何爆速都可實(shí)現(xiàn)，即可實(shí)現(xiàn)的爆速構(gòu)成連續(xù)譜，簡(jiǎn)單模型的反應(yīng)區(qū)終態(tài)為聲速或亞聲速，定態(tài)反應(yīng)區(qū)的解存在。本征爆轟也自持，但其爆速大于C-J爆速，只能是孤立的本征值，即構(gòu)成離散譜，其反應(yīng)區(qū)終態(tài)為超聲速，產(chǎn)物流動(dòng)區(qū)稀疏波滯后于反應(yīng)區(qū)，反應(yīng)區(qū)末端與稀疏波頭間出現(xiàn)一個(gè)越來(lái)越寬的均勻區(qū)。如果后邊界有速度適當(dāng)?shù)幕钊?，流?dòng)區(qū)中還會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較慢的沖擊波，形成雙波結(jié)構(gòu)[27]。

聯(lián)合效應(yīng)炸藥本征爆轟模型如圖1所示[24]，該模型假設(shè)鋁粉反應(yīng)達(dá)到100%前，爆炸產(chǎn)物在整個(gè)反應(yīng)區(qū)內(nèi)以恒定爆轟速度膨脹，在鋁粉未反應(yīng)的雨貢鈕曲線上，氣態(tài)和固態(tài)C-H-N-O產(chǎn)物處于平衡態(tài)，在部分鋁粉發(fā)生反應(yīng)的雨貢鈕曲線上，已反應(yīng)鋁粉的產(chǎn)物(氧化鋁)與C-H-N-O產(chǎn)物也處于平衡態(tài)。在整個(gè)爆轟反應(yīng)區(qū)內(nèi)，采用標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)，即雨貢鈕曲線與瑞麗線的關(guān)系成立。未反應(yīng)鋁粉雨貢鈕曲線位于已反應(yīng)鋁粉雨貢鈕曲線之上，因此最小的爆轟速度和最低熵值在瑞麗線與未反應(yīng)鋁粉雨貢鈕曲線的切點(diǎn)處取得，此點(diǎn)稱為本征狀態(tài)點(diǎn)。W點(diǎn)為瑞麗線與已反應(yīng)鋁粉雨貢鈕曲線交點(diǎn)，即聯(lián)合效應(yīng)炸藥本征弱爆轟點(diǎn)。研究人員通過(guò)建立本征爆轟模型模擬聯(lián)合效應(yīng)炸藥爆轟性能的實(shí)況，得到JWLB和JWL狀態(tài)方程，可用于編程生成本征W點(diǎn)爆轟狀態(tài)及爆轟膨脹過(guò)程。

C. Capellos等[28]以PAX-30聯(lián)合效應(yīng)炸藥為研究對(duì)象，通過(guò)本征爆轟理論分析計(jì)算，認(rèn)為聯(lián)合效應(yīng)炸藥在爆轟反應(yīng)初期，爆轟反應(yīng)區(qū)除了有機(jī)反應(yīng)外還包括金屬燃料的氧化反應(yīng)。在爆轟的有機(jī)反應(yīng)中，氧反應(yīng)主要生成CO2和H2O，鋁粉則主要以公式(1)和(2)兩種形式在早期爆轟中進(jìn)行放熱反應(yīng)，且生成具有更高反應(yīng)焓值的CO和H2，為后期增強(qiáng)爆炸沖擊波提供了條件。這也是目前對(duì)聯(lián)合效應(yīng)炸藥爆轟機(jī)理較合理的解釋。

2Al+3CO2→Al2O3+3CO

(1)

2Al+3H2O→Al2O3+3H2

(2)

本征爆轟理論模型能較合理地解釋聯(lián)合效應(yīng)炸藥的爆轟現(xiàn)象，但研究者對(duì)本征爆轟理論的認(rèn)識(shí)還不夠透徹，目前有關(guān)炸藥中活性鋁的反應(yīng)如何從本征狀態(tài)過(guò)渡到相應(yīng)雨貢鈕曲線的W點(diǎn)的機(jī)理尚不清楚。

2　配方優(yōu)化

經(jīng)過(guò)近十年的發(fā)展，在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，綜合考慮爆炸性能、安全性能及生產(chǎn)成本等問(wèn)題，美國(guó)已形成3種成熟的聯(lián)合效應(yīng)炸藥配方，分別為PAX-29、PAX-30、PAX-42，組分配比見(jiàn)表1。主炸藥涵蓋RDX、HMX和CL-20，金屬燃料均為微米級(jí)鋁粉(15μm)，黏結(jié)劑體系均為BDNPA/F+CAB。與普通含鋁炸藥配方不同之處是，聯(lián)合效應(yīng)炸藥中鋁粉粒徑均為15μm，黏結(jié)劑均為含能黏結(jié)體系。

表1　PAX-29、PAX-30、PAX-42聯(lián)合效應(yīng)炸藥的配方組成

Stiel L和 Baker E L等[23, 29]在PAX-30配方基礎(chǔ)上添加了硼粉和硅粉，得到一種新型半金屬聯(lián)合效應(yīng)炸藥。采用JAJUR熱化學(xué)狀態(tài)方程和圓筒試驗(yàn)，研究了以硼和硅為基的新型半金屬聯(lián)合效應(yīng)炸藥配方，包括組分粒徑選擇、組分配比及硅和硼在炸藥中的性能等。發(fā)現(xiàn)硅的熔點(diǎn)隨著壓力的增加而降低，氧化膜厚度小于鋁氧化膜厚度，在同種粒度規(guī)格下，硅在爆轟過(guò)程中更易熔化并參與反應(yīng)。

為進(jìn)一步提升聯(lián)合效應(yīng)炸藥的低感度特征，Kelley caflin等[20]研制出新型低感度聯(lián)合效應(yīng)炸藥PAX-49和PAX-50，并表征了一系列爆炸性能與感度特性。與PAX-30相比，PAX-49、PAX-50的爆速和爆熱略低于PAX-30，但感度特性明顯優(yōu)于PAX-30，PAX-49的撞擊感度與摩擦感度遠(yuǎn)低于PAX-30。同時(shí)利用圓筒試驗(yàn)和大型隔板試驗(yàn)表征了LX-14、PAX-30、PAX-42、PAX-49、PAX-50的格尼能和沖擊波感度，發(fā)現(xiàn)PAX-49具有與PAX-30相當(dāng)?shù)臎_擊波感度和格尼能，且二者沖擊波感度明顯低于LX-14炸藥，但加速金屬的能力與LX-14相當(dāng)。

美國(guó)一直在積極探索聯(lián)合效應(yīng)炸藥的優(yōu)良配方，后期研究重心將是金屬燃料和粘黏劑體系的選擇，進(jìn)一步探究綜合性能更佳的聯(lián)合效應(yīng)炸藥配方。炸藥配方?jīng)Q定制備工藝，聯(lián)合效應(yīng)炸藥的制備工藝是調(diào)控化學(xué)反應(yīng)速率、提高金屬燃料在炸藥爆轟反應(yīng)區(qū)中反應(yīng)度的關(guān)鍵技術(shù)。美國(guó)最初采用立式混合法，之后又將雙螺桿工藝引入到聯(lián)合效應(yīng)炸藥的制備中。目前美國(guó)正在積極發(fā)展混合分散效果極佳的聲共振混合技術(shù)[30-32]，未來(lái)將有望應(yīng)用于聯(lián)合效應(yīng)炸藥。

3　能量輸出特性

3.1　能量輸出結(jié)構(gòu)

為適應(yīng)毀傷目標(biāo)多樣化的作戰(zhàn)需求，傳統(tǒng)方法通過(guò)疊加不同性能炸藥得到復(fù)合裝藥結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)能量輸出結(jié)構(gòu)的多樣性，達(dá)到戰(zhàn)斗部多模式、多任務(wù)的毀傷效果[33-34]。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。

近年來(lái)，國(guó)外發(fā)展的聯(lián)合效應(yīng)炸藥兼顧高能炸藥與高爆炸藥的特點(diǎn)。鋁粉等金屬添加劑在無(wú)氧爆轟區(qū)參與反應(yīng)，釋放大量能量，使炸藥在爆炸膨脹體積小于7倍的原始裝藥體積時(shí)具有優(yōu)良的金屬驅(qū)動(dòng)作用。在后續(xù)爆轟膨脹過(guò)程中，前期爆轟產(chǎn)物與空氣中的氧反應(yīng)，再次釋放能量加強(qiáng)沖擊波作用。聯(lián)合效應(yīng)炸藥金屬加速能力接近甚至大于LX-14、PBXN-5等高能炸藥，沖擊波能與PAX-3、H-6等高沖擊波能含鋁炸藥接近[35]。表2為L(zhǎng)X-14、PAX-3以及聯(lián)合效應(yīng)炸藥PAX-30之間格尼系數(shù)和輸出能量的對(duì)比。將聯(lián)合效應(yīng)炸藥應(yīng)用于武器裝備，能有效實(shí)現(xiàn)武器彈藥的一彈多用及多用途毀傷。

表2　LX-14、PAX-3及PAX-30的格尼系數(shù)與輸出能量的對(duì)比[28, 36]

3.2　能量輸出結(jié)構(gòu)影響因素

國(guó)外研究表明，影響聯(lián)合效應(yīng)炸藥能量輸出特性的因素主要有主炸藥種類、黏結(jié)劑體系及鋁粉的含量與粒度。其中黏結(jié)劑體系的類別對(duì)能量輸出影響最大。

美國(guó)ATK公司[19]為研究聯(lián)合效應(yīng)炸藥配方設(shè)計(jì)中鋁粉含量對(duì)能量釋放與分配的影響，分別以CL-20、HMX炸藥為基，探究了鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0～30%變化時(shí)炸藥爆炸的金屬驅(qū)動(dòng)能與總能量值及其能量分配情況，結(jié)果表明，當(dāng)鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)在15%～20%時(shí)，金屬驅(qū)動(dòng)能和沖擊波能的分配比例較佳。同時(shí)以HMX炸藥為基，在炸藥配方中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的鋁粉，采用圓筒試驗(yàn)研究了當(dāng)Al粉粒徑從130nm變至30μm時(shí)，鋁粉在爆轟反應(yīng)過(guò)程中的反應(yīng)狀況及對(duì)金屬驅(qū)動(dòng)能力的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋁粉粒徑為15μm左右時(shí)，金屬驅(qū)動(dòng)性能最佳。研究認(rèn)為，微米鋁粉能克服納米鋁粉氧化層降低能量性能、與水和空氣發(fā)生反應(yīng)、極易老化、費(fèi)用較高、工藝處理難度大等難題，更適用于聯(lián)合效應(yīng)炸藥配方。

Leonard I. Stiel等[37]為提高鋁粉燃料在炸藥爆轟反應(yīng)過(guò)程中的反應(yīng)度，研究了鋁粉和氧化鋁在炸藥爆轟反應(yīng)中的特征熔化時(shí)間和開(kāi)始反應(yīng)的閾值特性，并基于本征爆轟反應(yīng)模型，分析了鋁粉和氧化鋁的熔解特性對(duì)聯(lián)合效應(yīng)炸藥爆轟反應(yīng)區(qū)特性的影響，為聯(lián)合效應(yīng)炸藥配方中鋁粉規(guī)格和條件確定提供了依據(jù)。

Paul E等[38]研究了黏結(jié)劑種類及氧平衡對(duì)聯(lián)合效應(yīng)炸藥爆轟反應(yīng)過(guò)程中鋁粉早期反應(yīng)特性的影響規(guī)律，其試驗(yàn)研究結(jié)果見(jiàn)表3。研究發(fā)現(xiàn)氧平衡雖然能夠在一定程度上提高鋁粉燃料在炸藥爆炸反應(yīng)過(guò)程中的完全性，但對(duì)能量輸出的貢獻(xiàn)較小，并且不會(huì)影響鋁粉在炸藥爆轟早期的反應(yīng)。而含硝基的含能黏結(jié)劑與鋁粉緊密貼合，使得氧更易擴(kuò)散，促進(jìn)鋁粉燃料在炸藥爆轟前期參與化學(xué)反應(yīng)，明顯改善鋁粉在炸藥爆轟過(guò)程中的反應(yīng)完全性。

表3　黏結(jié)劑類型與氧平衡對(duì)鋁粉反應(yīng)完全性的影響

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)聯(lián)合效應(yīng)炸藥的研究尚處于認(rèn)識(shí)階段，僅研究了在鋁粉對(duì)炸藥爆炸能量輸出結(jié)構(gòu)的影響。馮曉軍等[39]研究了鋁粉含量對(duì)RDX基含鋁炸藥爆炸金屬加速能力的影響，結(jié)果表明當(dāng)鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為15%時(shí)，金屬加速能力最大；黃輝等[40]利用VISAR研究了氧化劑形態(tài)和鋁粉粒度對(duì)RDX基含鋁炸藥加速金屬能力的影響，結(jié)果表明納米鋁粉的引入能夠獲得更大的金屬平板自由面速度；金朋剛等[41]研究了不同粒度鋁粉在HMX基炸藥中的能量釋放特性，得出13μm鋁粉反應(yīng)完全性高于130μm鋁粉，前者準(zhǔn)靜態(tài)壓力為后者的1.24倍。

4　應(yīng)用前景

解決打擊目標(biāo)多樣化、目標(biāo)特性復(fù)雜化的問(wèn)題，炸藥的能量輸出結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出多樣化和精細(xì)化[42]?；诒菊鞅Z理論發(fā)展起來(lái)的聯(lián)合效應(yīng)炸藥兼具優(yōu)良的金屬驅(qū)動(dòng)性能和沖擊波毀傷作用雙重效應(yīng)，既能實(shí)現(xiàn)對(duì)裝甲坦克、防護(hù)工事等硬目標(biāo)的高效毀傷，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)破片殺傷、沖擊波殺傷等面目標(biāo)的軟殺傷，適合于多功能彈藥、機(jī)載彈藥、火箭彈、靈巧型彈藥、單兵武器及特種作戰(zhàn)部隊(duì)用武器裝藥，既可拓展彈藥毀傷目標(biāo)的種類，又可提高彈藥的毀傷效能。應(yīng)用聯(lián)合效應(yīng)炸藥是美國(guó)應(yīng)對(duì)局部戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)新型高能炸藥技術(shù)發(fā)展和裝備應(yīng)用要求的重要途徑。

美國(guó)軍隊(duì)彈藥發(fā)展思路從數(shù)量主導(dǎo)轉(zhuǎn)向品質(zhì)主導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)彈藥的多用途毀傷或一彈多用是其近年來(lái)研究的主要方向之一。美軍研制的多種大口徑榴彈、迫擊炮彈、火箭彈的精確制導(dǎo)型號(hào)和鈍感型號(hào)將有望采用PAX系列新型聯(lián)合效應(yīng)炸藥裝藥，目前已在30mm STAR戰(zhàn)斗部中裝填聯(lián)合效應(yīng)炸藥進(jìn)行靜爆試驗(yàn)[35]。

此外，各種肩射式火箭彈仍是單兵作戰(zhàn)毀傷威力最大的步兵近戰(zhàn)武器系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于近些年世界上各種戰(zhàn)場(chǎng)。當(dāng)前國(guó)際上新型肩射火箭彈也正在向輕質(zhì)量、多用途方向發(fā)展。將新型PAX聯(lián)合效應(yīng)炸藥應(yīng)用在單兵武器裝備中，能增強(qiáng)單兵武器的突擊和防御能力。

5　結(jié)束語(yǔ)

基于國(guó)外對(duì)聯(lián)合效應(yīng)炸藥的研究基礎(chǔ)和我國(guó)相關(guān)研究的前期工作，聯(lián)合效應(yīng)炸藥的發(fā)展趨勢(shì)有：

(1)聯(lián)合效應(yīng)炸藥是一類新配方設(shè)計(jì)思想，本征爆轟理論是聯(lián)合效應(yīng)炸藥設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)本征爆轟理論的認(rèn)識(shí)還不夠透徹，今后應(yīng)繼續(xù)深入研究，為設(shè)計(jì)聯(lián)合效應(yīng)炸藥新配方奠定理論基礎(chǔ)；

(2)組分是影響聯(lián)合效應(yīng)炸藥能量輸出最重要的因素，選取合適的組分及設(shè)計(jì)合適的組分配比是獲得優(yōu)良聯(lián)合效應(yīng)炸藥配方的先決條件，今后的研究重心應(yīng)是新型金屬燃料和黏結(jié)劑體系的選擇；

(3)微觀結(jié)構(gòu)與炸藥的性能有著密切的關(guān)系，微觀結(jié)構(gòu)決定炸藥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性，從而影響能量輸出結(jié)構(gòu)，如何設(shè)計(jì)聯(lián)合效應(yīng)炸藥微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其能量輸出特性意義重大，但國(guó)外關(guān)于微觀結(jié)構(gòu)對(duì)聯(lián)合效應(yīng)炸藥的影響研究還未見(jiàn)報(bào)道；

(4)在聯(lián)合效應(yīng)炸藥具有優(yōu)良能量特性的同時(shí)，更需關(guān)注其安全性能。

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