欧美国家钝感弹药技术概述

刘晓波张光全中国工程物理研究院化工材料研究所欧美国家钝感弹药技术概述1.引言在过去的三十年间，为了适应各种类型的作战环境和作战模式，欧美发达国家开发了一系列先进的武器弹药。新概念和新原理：超远程、超高速、软杀伤、高能效、多功能……武器弹药的发展趋势：远程化、智能化、高效化、多功能、小型和微型化……JointDirectAttackMunition常规的武器弹药——无论是投入应用的，还是正在开发的——普遍涉及安全性方面的问题，在制造、运输、储存和使用过程中，可能因各种危害刺激而发生剧烈反应，导致灾难性的事故。钝感弹药：先进武器弹药的重要研究方向之一钝感弹药的含义钝感弹药（IM）能够使意外事故的触发概率最小化，或者使意外事故的损害程度最小化。简单地说，钝感弹药能够使意外事故发生的风险最小化。钝感弹药的认证钝感弹药的认证依据：通用性的IM测试标准。美国：MIL-STD-2105标准北约：4439标准化协定和AOP-39指导文件联合国：AASTP2/U.N.标准⑴提高弹药的安全性和生存能力，降低未知因素和非对称因素的风险概率，确保弹药实现预设的功能或目标。⑵减少弹药在贮存、运输和使用等环节产生意外事故的概率，确保操作人员和平台的安全性。⑶简化弹药的操作项目，降低平台负担，提高系统效率。⑷减少弹药的贮存设施和维护项目，进而减少弹药在整个寿命周期中的后勤费用。⑸降低弹药在整个寿命周期中对于环境可能产生的不良影响。钝感弹药的意义在一定程度上，钝感弹药技术有助于实现许多先进武器弹药的概念和要求：非致命性和非破坏性技术低附带毁伤技术坚固和深埋目标的打击技术远程精确打击技术极超音速武器技术……JointSuperSonicCruiseMissile高能炸药温压炸药ES-1钢质壳体/反应性金属玻璃结构2.钝感弹药的技术途径欧美国家钝感弹药的实施策略主要包括三个方面：其一、现役库存弹药的改造，使其完全或部分满足钝感弹药标准；其二、新型钝感弹药的研制，用于取代无法实现改造的现役弹药；其三、先进钝感弹药的研制，以适应现代战争可能面临的新的条件和环境。新材料、新配方、新工艺、新设计、新试验、新标准……2.1新材料：钝感炸药TATBNQNTOHNSLLM-105FOX-7CL-20ANTATANZDNANTEX……FOX-12较多的能量基团、紧凑的分子结构、钝感的响应特性具有发展前景的领域：唑类化合物、氮杂化合物、呋咱化合物、全氮化合物……FOX-7CL-20TEXLLM-105DNAN实用化水平唑类和多氮含能离子新一代熔铸炸药流动相的候选物合成可行性高性能可以调节具有发展前景的领域：叠氮类聚合物、氧杂环丁烷类聚合物、环氧丙烷类聚合物、含氮杂环聚合物、氟化聚合物……通过交联反应使炸药组分和增塑剂组分形成坚韧的三维网络结构，提高炸药配方的能量输出，改善炸药配方的力学性质，提高其对于外界刺激作用的吸收和耗散效果，从而改进弹药的钝感性质。GAPNIMMOGLYN……BDNPA/FPVN2.1新材料：含能粘结剂含能增塑剂BDNPA/FTNEBDNEB50:50含能增塑剂R8002ONO2OONO2ONIMMOGN含能预聚物单体含能增塑剂GAP-A实用化水平2.1新材料：反应性材料通过组分之间的热化学反应实现能量输出，单位体积的能量显著高于常规含能材料，而且能量输出速率和冲击感度能够进行有效的控制，有利于改进常规战斗部的毁伤效率和钝感性质。传统铝热剂金属-金属复合体系金属-氟聚物体系金属化炸药金属化粘结剂两种或两种以上非爆炸性固态反应物组成。AA金属化粘结剂反应性材料结构性壳体反应性破片的结构和作用过程示意图反应性材料壳体或破片具有增强的爆炸作用效果……2.1新材料：智能化材料智能化材料，如形状记忆材料、低共融保护材料等，能够感知和接受外部环境的信息，如声、光、电、磁、力、酸碱度和温度等，同时根据环境变化而改变自身形态，以实现特定的驱动或控制功能。在温度作用下，一种形状记忆塑料从临时形状恢复到母相状态的过程。在电能作用下，一种形状记忆塑料从临时形状逐步恢复到母相状态的过程。2.2新配方：传统炸药配方的优化、改进开发传统熔铸、浇注和压装炸药组分的钝感替代物，在保持武器弹药性能的前提下，提高操作和使用的安全性水平。以DNAN为基的熔铸炸药配方：IMX-101、IMX-104、OSX-12……以TEX、CL-20为基的浇注炸药配方：DLE-054、DLE-055……以FOX-7为基的压装炸药配方……2.2新配方：温压炸药温压炸药配方通常包含金属燃料颗粒、氧化剂、粘结剂等成分，针对不同目标可能强调剧烈的燃烧作用效果，也可能强调增强的爆炸作用效果。温压炸药涉及大量新型含能材料的应用，例如金属间化合物、金属化粘结剂、反应性结构性材料等。这些材料不仅有助于提高爆炸的脉冲作用及其持续时间，而且有助于优化相关战斗部的钝感特性。关注点之一：可燃性金属粉提高可燃性金属粉的抗氧化和抗腐蚀能力，保证反应活性和反应能量释放。提高可燃性金属粉的反应速度和深度，使其能量释放最大程度与高能炸药的能量释放叠加，从而提高爆炸的峰值超压。传统造型粉技术聚合物包覆的金属颗粒金属-金属复合颗粒纳米材料技术金属间化合物先进材料技术关注点之二：测试和评估目前，温压炸药的测试和评估主要集中在两个方面：⑴超压-时间关系的描述，以及爆炸总冲量的计算。⑵温度-距离、温度-时间关系的描述。高能炸药（HE）温压炸药（TBE）压力/P时间/T环境压力2.3新工艺：组分的合成与处理传统工艺改进优化含能材料的规模化合成和处理提高效率、质量、安全性维持或降低工艺成本新工艺开发引进定向合成超细化分子间复合重结晶……范例一：超细硼-铝合金颗粒的制备工艺硼的燃烧热几乎是铝的两倍，但是硼的燃烧反应是在颗粒表面进行的，燃烧产物形成的粘滞氧化层对于燃烧反应的纵深发展具有阻碍作用。如果铝的燃烧温度足够高，是否可以辅助硼颗粒完全燃烧？美国的军事研究机构开发了两种超细硼–铝合金颗粒的生产方法：⑴专利高能工艺；⑵等离子体蒸发-凝固工艺。硼-铝合金颗粒具有超过传统军用铝粉的良好性能，成功应用于温压战斗部BLU-118的主炸药配方，显著地提高了战斗部的能量输出。范例二：先进簇高能流体能量磨技术制备纳米炸药进料漏斗压缩研磨气体压缩进料气体可选择置换的衬垫微粉产品出口涡流探测器研磨腔压缩研磨气体支管挤出机挤出机基层聚合物聚合物范例三：共振声频混合技术和双联共挤出包覆技术封闭容器真空（非强制性）强混合区域温度控制范例四：超临界溶液快速膨胀技术制备纳米级RDX还原性金属层金属氧化物层还原性金属层金属氧化物层还原性金属层金属氧化物层还原性金属层金属氧化物层LockheedMartin薄膜型反应性材料示意图纳米层压技术可以用于制造反应性材料。层化晶质铜和非晶质、无序的锆化铜制成纳米层压材料范例五：纳米层压技术2.3新工艺：混合炸药制备和装填先进的混合炸药制备和装填工艺需要综合、平衡质量、安全、成本等方面因素，例如：EURENCO公司大型浇注装药生产线BAESYSTEMS公司大型浇注装药生产线BAESYSTEMS公司大型熔铸装药生产线范例六：EURENCO大型浇注PBX装药生产线弹药装药综合车间外景弹药装药综合车间内景固化间的内部正在操作的遥控机器人连续双单元工艺特殊混合装置可调固化时间成本竞争优势自动化流程五人操控单元A聚合物添加剂炸药单元B固化剂增塑剂范例七：BAESYSTEMS大型浇注PBX生产线500kg的IKA混合设备传送系统和装药系统BAE浇注PBX生产线工艺流程物料的连续输送范例八：BAESYSTEMS大型熔铸装药生产线熔化/混合灌注浇铸压片包装IMX-101IMX-1042.3新工艺：部件、壳体的制造和加工近年来，美国海军开发了一种先进的热等静压工艺技术，用于制造高密度的金属-金属合成物。这类合成物不仅具有相当于钢的密度和力学性能，而且具有较高的能量密度和耐冲击性能，可以用于取代武器弹药中的惰性材料（如壳体和破片）。这项工艺技术涉及特殊的热等静压技术，具有低成本、高效率的特点，其原材料包括反应性金属、高密度金属、反应性金属粘结剂三种不同类型的粉末，成品密度约为7.8g/cm3，具有良好的强度和延展性。高密度结构性反应性材料制作的部件美国海军：用于制造装载炸药的反应性壳体，模拟了目标的毁伤试验，体现出显著提高爆炸性能。波音公司：用于制造反应性衬垫，镶嵌于战斗部的聚合物壳体内侧，壳体中装填炸药装药和起爆装药，表现出显著提高的爆炸峰值压力。美国空军：在战斧项目的反应性战斗部中应用了这种反应性材料部件，用于提高小口径弹药的毁伤性能。事实上，这种高强度结构性反应性材料可以应用于空对空、空对地、地对空等导弹，有助于改善这些导弹系统的性能。在2011年8月的演示试验中，应用反应性壳体的导弹展示了巨大的威力——爆炸能量达到常规武器弹药的五倍。2.4新设计为了满足钝感弹药标准，武器弹药的设计属于非常重要的环节。我们关注的钝感弹药的设计通常涉及加载应力的缓解结构、反应产物的排除结构、安全防护/垫层结构、装药结构等。2.4新设计——战斗部结构设计——美国联合通用炸弹钝感弹药项目成果：战斗部的壳体设计、排气仓设计、导爆管设计、壳体纵向应力诱导设计、炸药装药等，成功应用于多种型号的弹药，如BLU-117、BLU-110和BLU-111。应力集中凹槽应力集中凹槽战斗部壳体和引信壳体的应力诱导设计固定环EU材料（58%Bi，42%Sn）螺丝钉弹性环轮轴BLU-109的低共融保护环技术针对侵彻战斗部BLU-109的钝感弹药改造，技术人员应用了最新的排气设计——低共融保护环，该设计位于战斗部的尾部，材料属于锡–铋合金，能够在一定的温度下融解，使战斗部内部的反应气体及时排出。美国空军的联合远程空对地导弹（JASSM）属于常规低空巡航导弹，具有自动识别目标和自主精确导航的功能，以及高生存能力和高毁伤效果的特点。通过了所有的钝感弹药标准测试，取得了国防部的钝感弹药资格认证，成为美国空军的重要武器弹药。特殊的排气结构热反应性防护环双重模式侵彻战斗部先进制导和控制碳-碳复合材料壳体为了满足通用航弹对于钝感弹药性质、低附带毁伤、高毁伤效率的要求，法国国防部联合多家军事科研机构和生产企业，开发了新型的500磅钝感航弹。通过钝感弹药标准测试2.4新设计——战斗部装药设计——内部装药配方（含能装药）外部装药配方（还原颗粒）BIPS侵彻战斗部组合装药示意图北约的组合装药技术应用于BIPS侵彻弹，内部和外部装药分别为B2237和B2250，通过了北约钝感弹药标准的相关测试项目。这种组合装药技术能够同时满足弹药对于增强性能和钝感特性的要求，具有非常简单的形式。由于内部配方的爆速显著高于外部的钝感配方，因而外部爆炸波与金属壳体之间的相互作用存在一定的角度，从而提高了局部的压力和破片的速度。对于钝感弹药而言，组合装药技术的外部结构决定了弹药的钝感特性，特殊的装药构型能够形成有趣的爆炸波，进而促进钝感特性和爆炸性能的改善。2.5新试验随着新材料和新技术的应用，钝感弹药的发展逐渐面临新的技术挑战，其定义、测试、标准和评估都必须进行适时的修改和完善。针对正在发展的超音速/极超音速武器弹药和太空武器弹药，相关评估可能需要增加一系列新的测试项目，包括激光加热试验、光子鱼雷爆炸试验、乖离速率热稳定性试验、涡孔变形试验、反物质污染试验等。激光加热光子鱼雷爆炸乖离速率热稳定性涡孔变形反物质污染2.6新标准钝感含能材料通过IHE鉴定试验进行认证。钝感弹药通过IM标准鉴定试验进行认证。撞击感度摩擦感度火花试验隔板试验雷管起爆烤燃试验跌落试验苏珊试验枪击试验撞击试验IM评估寿命评估环境影响评估成本评估效率评估2.7其他钝感弹药的技术途径不仅仅局限于上述范围，还涉及武器弹药的诸多方面，例如：钝感雷管和引信技术先进壳体和衬垫技术钝感推进剂技术反应终止技术……3.结论我国的钝感弹药研究和应用还处于初期阶段，建议相关科研和生产单位之间建立广泛的、密切的合作关系，针对钝感弹药的