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家族中的大力士:火药

来源:科普中国 作者: 发布时间:2020-12-30 17:11:27 浏览次数: 【字体:

随着军事化学技术的发展,含能材料家族逐渐扩大,各种性能各异的含能材料纷纷面世,在现代科学中,表征含能材料性能的指标通常有爆速、爆压、爆容等参数,而根据各个参数与使用场合的不同,含能材料被大致分为火药、炸药、火工药剂和烟火药等,常见的TNT、起爆药属于炸药,而枪弹发射药、火箭弹发动机装填的双基药则隶属于火药分类。

与炸药和起爆药相比,火药与之相似而又不同,火药和炸药均是一种亚稳态的物质,活化能较低,即以较小的初始刺激,如火焰、冲击、摩擦等即可诱发高速的燃烧和爆炸反应,不同之处在于,火药的化学反应速率较炸药低,相比于炸药动辄数千米每秒的推进速度,火药的反应速度一般在数十米到数百米每秒。这也决定了炸药是通过冲击波迅速膨胀达到破坏效应,而火药是通过燃烧产物快速扩散来达到驱动的效果。其作用原理可简单表述为:火药被火焰或火花点燃后,极短时间内在枪管或炮膛内产生大量的气体和巨大的压力,足以使弹头以一定速度发射出去,将火药组分的化学能转换为了弹头的动能。 

走进含能材料大家族系列专题稿件(三)——家族中的大力士:火药

炮管内火药作用过程 (图片来自网络)

火药的概念历史悠久,四大发明之一的黑火药即为有记载的第一种火药。在黑火药出现后的很长一段时间,它仅仅用来作为一种纵火的工具,约在宋朝时期,人们发现将黑火药装在半密闭空间中点燃产生的气体可以有很强的推动力,并远远超过了当时弓箭的抛射力,黑火药这一用途的发现,标志着人类开始了解化学能转换为机械能的奥秘。到明朝时期,黑火药已大规模用于军事,明朝三大营之一的神机营即是专门使用火铳、火绳枪和火炮的部队。

火药的发展经历了较长一段时间的停滞期,纵然黑火药有易受潮、易走火、威力小且残渣多的许多缺点,但在十九世纪以前,黑火药是唯一的一种火药。直到十九世纪中叶,瑞士化学家舍恩拜无意中发现,经硝酸硝化之后,普通的棉花纤维就拥有了像黑火药一样的快速燃烧性,经典火药“硝化纤维”就此诞生。经过多位科学家的改良,“单基药”这种全新的无烟火药逐步解决了安全性较差,不便于成型等问题,并在第一次世界大战中取代了传统黑火药,成为了当时枪炮最理想的发射药。战争的需求进一步推动了火药的发展,加入硝化甘油的“双基药”、加入硝基胍的“三基药”等材料的诞生,使火药种类更加丰富,燃速、爆容等综合性能更优异的火药逐渐登上历史舞台,同时人们又通过改变发射药的形状和内部结构以进一步提升发射药的燃烧性能。目前,在许多口径的枪械和火炮中,仍以各种粒装、管状或片状的硝化棉系单、双基发射药作为发射动力源。

走进含能材料大家族系列专题稿件(三)——家族中的大力士:火药

枪弹中装填的经过溶解和塑形处理之后的硝化纤维 (图片来自网络)

火药性能当然越优越好,但火药威力大,意味着燃烧产生的压力更大,对炮管的强度会带来更大的挑战,严重时会破坏膛壁。如果有一种在燃速不变的前提下,可降低发射膛压的变燃速装药,将会显著延长身管武器寿命,提高能量的利用效率。另一方面,在现代武器中,各种线膛炮、滑膛炮等压制火炮靠调节炮弹的初速和射角来获得不同的射程,其初速的调整就是由火药的使用直接决定的,传统的155毫米加榴炮的发射药包含3~4种不同的药包和若干个药号组成,通过不同药包的搭配或者增减来改变炮弹的初速。但这同时带来了新的问题,为满足各种作战环境下的射程需求,往往需要携带足够多的发射药包(发射单元),给火炮部队带来了巨大的后勤负担和安全隐患。

为解决上述难题,军工科研人员进行了长达数十年的研究。王泽山院士带领团队先后攻克了远程、低膛压发射装药技术和等模块装药技术,有效提高了我国的火炮射程并降低了最大发射过载,为我国地面武器装备发展追赶世界先进水平,成为火炮强国做出了卓越的贡献,是当之无愧的中国“火药王”。

  走进含能材料大家族系列专题稿件(三)——家族中的大力士:火药

某型火药牌号及其说明 (图片来自网络)

划重点: 与炸药相比,火药的反应速度较慢,通过高速燃烧,短时间内产生大量的气体和极高的压力,但又不会发生爆轰反应,可将子弹弹头或炮弹战斗部以数百米每秒甚至更高的初速发射出去,是各种弹药的核心动力源。现代常见的枪弹和炮弹仍以各种改性处理后的粒装、管状或片状的硝化棉系单、双基发射药作为发射动力源。

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