一类新型含铝炸药——联合效应炸药的研究进展

杨　雄，王晓峰，冯晓军，黄亚峰

(西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)

引　言

含铝炸药具有高爆热和高作功能力，广泛应用于对空武器弹药、对舰武器弹药、水下武器弹药及空对地武器弹药[1-2]。国内外学者对含铝炸药爆轰反应机理进行了大量研究[3-11]，目前含铝炸药爆轰反应机理可总结为：二次反应理论、惰性热稀释理论和化学热稀释理论。传统含铝炸药爆轰反应的特点是铝粉反应相对滞后，在前期爆轰反应区未被氧化，因此没有足够的能量作用于金属加速，格尼能低于常规高能炸药。常规的高能炸药如LX-14、PPXN-110、PBXW-11等[12-17]，能在爆轰反应前期(爆炸膨胀体积小于原始装药体积7倍时)释放大量能量，因此金属加速能力强，格尼能高，但缺点是总能量低于含铝炸药，不具有优良的冲击波毁伤作用。

为提高弹药多用途性和毁伤威力，21世纪初美国皮卡汀尼兵工厂陆军武器研究发展中心提出了联合效应炸药(Combined Effects Explosives)的概念，打破了传统炸药不能同时获得高格尼能与高冲击波能的局限[18]。目前美国已研制出PAX(PAX-29/30/42/49/50)系列联合效应炸药，同时不断进行配方优化[19-21]。相对于传统含铝炸药，联合效应炸药中铝粉等金属添加剂提前在爆轰反应区反应，爆炸膨胀体积小于7倍的原始装药体积时释放大量能量作用于金属驱动，在后续爆轰膨胀过程中，前期爆轰产物与空气中的氧反应，再次释放能量加强冲击波作用，因此兼具高能炸药的高金属驱动能力与含铝高爆炸药的高爆破性能，杀伤威力成倍增强[22]。将其装填于火箭弹、灵巧弹药、单兵武器及舰载和机载弹药中，在提高毁伤威力和增加打击目标种类的同时，减轻了载弹质量，为打赢局部小规模战争提供有力保障。

本文对联合效应炸药的理论模型、配方优化、能量输出特性以及应用前景展开综述，为今后研究联合效应炸药提供参考。

1　理论模型

美国相关研究机构长期使用圆筒试验模型校准炸药爆轰状态方程，其分析模型最初建立在绝热膨胀基础上，遵循C-J状态等熵线原理[23]。与常用含铝炸药相比，联合效应炸药中的铝粉在爆轰前期反应转变为氧化铝的同时释放热量，从而增强金属驱动力。传统C-J爆轰理论不能解释联合效应炸药的爆轰反应过程和爆轰状态，为此研究人员引入本征爆轰(Eigenvalue detonation)理论[24-26]，考虑了与铝粉完全反应的雨贡钮曲线上弱爆轰点相关的绝热膨胀，对原有圆筒试验模型进行补充，较合理地解释了联合效应炸药兼具高金属驱动能力和高爆炸冲击波作用。此外，在计算设计联合效应战斗部过程中也引入了本征爆轰理论。

与传统C-J爆轰或ZND爆轰模型不同，本征爆轰是一类复杂体系下的爆轰反应模型。在某种吸热或耗散性质的复杂反应系统中，定态爆轰状态可能位于产物雨贡钮曲线的C-J点下方，即其弱分支上。这类弱爆轰的速度由反应系统全部物性关系(物态方程，反应速率和输运性质等)唯一确定，是一组常微分方程值，因此称为本征爆轰。对于C-J或ZND为代表的简单爆轰模型，自持爆速由产物的雨贡钮曲线单独决定，若利用相应的驱动活塞，高于自持爆速的任何爆速都可实现，即可实现的爆速构成连续谱，简单模型的反应区终态为声速或亚声速，定态反应区的解存在。本征爆轰也自持，但其爆速大于C-J爆速，只能是孤立的本征值，即构成离散谱，其反应区终态为超声速，产物流动区稀疏波滞后于反应区，反应区末端与稀疏波头间出现一个越来越宽的均匀区。如果后边界有速度适当的活塞，流动区中还会出现一个较慢的冲击波，形成双波结构[27]。

联合效应炸药本征爆轰模型如图1所示[24]，该模型假设铝粉反应达到100%前，爆炸产物在整个反应区内以恒定爆轰速度膨胀，在铝粉未反应的雨贡钮曲线上，气态和固态C-H-N-O产物处于平衡态，在部分铝粉发生反应的雨贡钮曲线上，已反应铝粉的产物(氧化铝)与C-H-N-O产物也处于平衡态。在整个爆轰反应区内，采用标准假设，即雨贡钮曲线与瑞丽线的关系成立。未反应铝粉雨贡钮曲线位于已反应铝粉雨贡钮曲线之上，因此最小的爆轰速度和最低熵值在瑞丽线与未反应铝粉雨贡钮曲线的切点处取得，此点称为本征状态点。W点为瑞丽线与已反应铝粉雨贡钮曲线交点，即联合效应炸药本征弱爆轰点。研究人员通过建立本征爆轰模型模拟联合效应炸药爆轰性能的实况，得到JWLB和JWL状态方程，可用于编程生成本征W点爆轰状态及爆轰膨胀过程。

C. Capellos等[28]以PAX-30联合效应炸药为研究对象，通过本征爆轰理论分析计算，认为联合效应炸药在爆轰反应初期，爆轰反应区除了有机反应外还包括金属燃料的氧化反应。在爆轰的有机反应中，氧反应主要生成CO2和H2O，铝粉则主要以公式(1)和(2)两种形式在早期爆轰中进行放热反应，且生成具有更高反应焓值的CO和H2，为后期增强爆炸冲击波提供了条件。这也是目前对联合效应炸药爆轰机理较合理的解释。

2Al+3CO2→Al2O3+3CO

(1)

2Al+3H2O→Al2O3+3H2

(2)

本征爆轰理论模型能较合理地解释联合效应炸药的爆轰现象，但研究者对本征爆轰理论的认识还不够透彻，目前有关炸药中活性铝的反应如何从本征状态过渡到相应雨贡钮曲线的W点的机理尚不清楚。

2　配方优化

经过近十年的发展，在大量试验的基础上，综合考虑爆炸性能、安全性能及生产成本等问题，美国已形成3种成熟的联合效应炸药配方，分别为PAX-29、PAX-30、PAX-42，组分配比见表1。主炸药涵盖RDX、HMX和CL-20，金属燃料均为微米级铝粉(15μm)，黏结剂体系均为BDNPA/F+CAB。与普通含铝炸药配方不同之处是，联合效应炸药中铝粉粒径均为15μm，黏结剂均为含能黏结体系。

表1　PAX-29、PAX-30、PAX-42联合效应炸药的配方组成

Stiel L和 Baker E L等[23, 29]在PAX-30配方基础上添加了硼粉和硅粉，得到一种新型半金属联合效应炸药。采用JAJUR热化学状态方程和圆筒试验，研究了以硼和硅为基的新型半金属联合效应炸药配方，包括组分粒径选择、组分配比及硅和硼在炸药中的性能等。发现硅的熔点随着压力的增加而降低，氧化膜厚度小于铝氧化膜厚度，在同种粒度规格下，硅在爆轰过程中更易熔化并参与反应。

为进一步提升联合效应炸药的低感度特征，Kelley caflin等[20]研制出新型低感度联合效应炸药PAX-49和PAX-50，并表征了一系列爆炸性能与感度特性。与PAX-30相比，PAX-49、PAX-50的爆速和爆热略低于PAX-30，但感度特性明显优于PAX-30，PAX-49的撞击感度与摩擦感度远低于PAX-30。同时利用圆筒试验和大型隔板试验表征了LX-14、PAX-30、PAX-42、PAX-49、PAX-50的格尼能和冲击波感度，发现PAX-49具有与PAX-30相当的冲击波感度和格尼能，且二者冲击波感度明显低于LX-14炸药，但加速金属的能力与LX-14相当。

美国一直在积极探索联合效应炸药的优良配方，后期研究重心将是金属燃料和粘黏剂体系的选择，进一步探究综合性能更佳的联合效应炸药配方。炸药配方决定制备工艺，联合效应炸药的制备工艺是调控化学反应速率、提高金属燃料在炸药爆轰反应区中反应度的关键技术。美国最初采用立式混合法，之后又将双螺杆工艺引入到联合效应炸药的制备中。目前美国正在积极发展混合分散效果极佳的声共振混合技术[30-32]，未来将有望应用于联合效应炸药。

3　能量输出特性

3.1　能量输出结构

为适应毁伤目标多样化的作战需求，传统方法通过叠加不同性能炸药得到复合装药结构，实现能量输出结构的多样性，达到战斗部多模式、多任务的毁伤效果[33-34]。其缺点是结构复杂，成本较高。

近年来，国外发展的联合效应炸药兼顾高能炸药与高爆炸药的特点。铝粉等金属添加剂在无氧爆轰区参与反应，释放大量能量，使炸药在爆炸膨胀体积小于7倍的原始装药体积时具有优良的金属驱动作用。在后续爆轰膨胀过程中，前期爆轰产物与空气中的氧反应，再次释放能量加强冲击波作用。联合效应炸药金属加速能力接近甚至大于LX-14、PBXN-5等高能炸药，冲击波能与PAX-3、H-6等高冲击波能含铝炸药接近[35]。表2为LX-14、PAX-3以及联合效应炸药PAX-30之间格尼系数和输出能量的对比。将联合效应炸药应用于武器装备，能有效实现武器弹药的一弹多用及多用途毁伤。

表2　LX-14、PAX-3及PAX-30的格尼系数与输出能量的对比[28, 36]

3.2　能量输出结构影响因素

国外研究表明，影响联合效应炸药能量输出特性的因素主要有主炸药种类、黏结剂体系及铝粉的含量与粒度。其中黏结剂体系的类别对能量输出影响最大。

美国ATK公司[19]为研究联合效应炸药配方设计中铝粉含量对能量释放与分配的影响，分别以CL-20、HMX炸药为基，探究了铝粉质量分数从0～30%变化时炸药爆炸的金属驱动能与总能量值及其能量分配情况，结果表明，当铝粉质量分数在15%～20%时，金属驱动能和冲击波能的分配比例较佳。同时以HMX炸药为基，在炸药配方中添加质量分数15%的铝粉，采用圆筒试验研究了当Al粉粒径从130nm变至30μm时，铝粉在爆轰反应过程中的反应状况及对金属驱动能力的贡献，发现当铝粉粒径为15μm左右时，金属驱动性能最佳。研究认为，微米铝粉能克服纳米铝粉氧化层降低能量性能、与水和空气发生反应、极易老化、费用较高、工艺处理难度大等难题，更适用于联合效应炸药配方。

Leonard I. Stiel等[37]为提高铝粉燃料在炸药爆轰反应过程中的反应度，研究了铝粉和氧化铝在炸药爆轰反应中的特征熔化时间和开始反应的阈值特性，并基于本征爆轰反应模型，分析了铝粉和氧化铝的熔解特性对联合效应炸药爆轰反应区特性的影响，为联合效应炸药配方中铝粉规格和条件确定提供了依据。

Paul E等[38]研究了黏结剂种类及氧平衡对联合效应炸药爆轰反应过程中铝粉早期反应特性的影响规律，其试验研究结果见表3。研究发现氧平衡虽然能够在一定程度上提高铝粉燃料在炸药爆炸反应过程中的完全性，但对能量输出的贡献较小，并且不会影响铝粉在炸药爆轰早期的反应。而含硝基的含能黏结剂与铝粉紧密贴合，使得氧更易扩散，促进铝粉燃料在炸药爆轰前期参与化学反应，明显改善铝粉在炸药爆轰过程中的反应完全性。

表3　黏结剂类型与氧平衡对铝粉反应完全性的影响

目前，国内对联合效应炸药的研究尚处于认识阶段，仅研究了在铝粉对炸药爆炸能量输出结构的影响。冯晓军等[39]研究了铝粉含量对RDX基含铝炸药爆炸金属加速能力的影响，结果表明当铝质量分数约为15%时，金属加速能力最大；黄辉等[40]利用VISAR研究了氧化剂形态和铝粉粒度对RDX基含铝炸药加速金属能力的影响，结果表明纳米铝粉的引入能够获得更大的金属平板自由面速度；金朋刚等[41]研究了不同粒度铝粉在HMX基炸药中的能量释放特性，得出13μm铝粉反应完全性高于130μm铝粉，前者准静态压力为后者的1.24倍。

4　应用前景

解决打击目标多样化、目标特性复杂化的问题，炸药的能量输出结构呈现出多样化和精细化[42]。基于本征爆轰理论发展起来的联合效应炸药兼具优良的金属驱动性能和冲击波毁伤作用双重效应，既能实现对装甲坦克、防护工事等硬目标的高效毁伤，又能实现对破片杀伤、冲击波杀伤等面目标的软杀伤，适合于多功能弹药、机载弹药、火箭弹、灵巧型弹药、单兵武器及特种作战部队用武器装药，既可拓展弹药毁伤目标的种类，又可提高弹药的毁伤效能。应用联合效应炸药是美国应对局部战争对新型高能炸药技术发展和装备应用要求的重要途径。

美国军队弹药发展思路从数量主导转向品质主导，实现弹药的多用途毁伤或一弹多用是其近年来研究的主要方向之一。美军研制的多种大口径榴弹、迫击炮弹、火箭弹的精确制导型号和钝感型号将有望采用PAX系列新型联合效应炸药装药，目前已在30mm STAR战斗部中装填联合效应炸药进行静爆试验[35]。

此外，各种肩射式火箭弹仍是单兵作战毁伤威力最大的步兵近战武器系统，广泛应用于近些年世界上各种战场。当前国际上新型肩射火箭弹也正在向轻质量、多用途方向发展。将新型PAX联合效应炸药应用在单兵武器装备中，能增强单兵武器的突击和防御能力。

5　结束语

基于国外对联合效应炸药的研究基础和我国相关研究的前期工作，联合效应炸药的发展趋势有：

(1)联合效应炸药是一类新配方设计思想，本征爆轰理论是联合效应炸药设计的理论基础，但目前国内外对本征爆轰理论的认识还不够透彻，今后应继续深入研究，为设计联合效应炸药新配方奠定理论基础；

(2)组分是影响联合效应炸药能量输出最重要的因素，选取合适的组分及设计合适的组分配比是获得优良联合效应炸药配方的先决条件，今后的研究重心应是新型金属燃料和黏结剂体系的选择；

(3)微观结构与炸药的性能有着密切的关系，微观结构决定炸药反应动力学特性，从而影响能量输出结构，如何设计联合效应炸药微观结构对其能量输出特性意义重大，但国外关于微观结构对联合效应炸药的影响研究还未见报道；

(4)在联合效应炸药具有优良能量特性的同时，更需关注其安全性能。

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