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    家族中的大力士:火藥

    來源:科普中國 作者: 發布時間:2020-12-30 17:11:27 瀏覽次數: 【字體:

    隨著軍事化學技術的發展,含能材料家族逐漸擴大,各種性能各異的含能材料紛紛面世,在現代科學中,表征含能材料性能的指標通常有爆速、爆壓、爆容等參數,而根據各個參數與使用場合的不同,含能材料被大致分為火藥、炸藥、火工藥劑和煙火藥等,常見的TNT、起爆藥屬于炸藥,而槍彈發射藥、火箭彈發動機裝填的雙基藥則隸屬于火藥分類。

    與炸藥和起爆藥相比,火藥與之相似而又不同,火藥和炸藥均是一種亞穩態的物質,活化能較低,即以較小的初始刺激,如火焰、沖擊、摩擦等即可誘發高速的燃燒和爆炸反應,不同之處在于,火藥的化學反應速率較炸藥低,相比于炸藥動輒數千米每秒的推進速度,火藥的反應速度一般在數十米到數百米每秒。這也決定了炸藥是通過沖擊波迅速膨脹達到破壞效應,而火藥是通過燃燒產物快速擴散來達到驅動的效果。其作用原理可簡單表述為:火藥被火焰或火花點燃后,極短時間內在槍管或炮膛內產生大量的氣體和巨大的壓力,足以使彈頭以一定速度發射出去,將火藥組分的化學能轉換為了彈頭的動能。 

    走進含能材料大家族系列專題稿件(三)——家族中的大力士:火藥

    炮管內火藥作用過程 (圖片來自網絡)

    火藥的概念歷史悠久,四大發明之一的黑火藥即為有記載的第一種火藥。在黑火藥出現后的很長一段時間,它僅僅用來作為一種縱火的工具,約在宋朝時期,人們發現將黑火藥裝在半密閉空間中點燃產生的氣體可以有很強的推動力,并遠遠超過了當時弓箭的拋射力,黑火藥這一用途的發現,標志著人類開始了解化學能轉換為機械能的奧秘。到明朝時期,黑火藥已大規模用于軍事,明朝三大營之一的神機營即是專門使用火銃、火繩槍和火炮的部隊。

    火藥的發展經歷了較長一段時間的停滯期,縱然黑火藥有易受潮、易走火、威力小且殘渣多的許多缺點,但在十九世紀以前,黑火藥是唯一的一種火藥。直到十九世紀中葉,瑞士化學家舍恩拜無意中發現,經硝酸硝化之后,普通的棉花纖維就擁有了像黑火藥一樣的快速燃燒性,經典火藥“硝化纖維”就此誕生。經過多位科學家的改良,“單基藥”這種全新的無煙火藥逐步解決了安全性較差,不便于成型等問題,并在第一次世界大戰中取代了傳統黑火藥,成為了當時槍炮最理想的發射藥。戰爭的需求進一步推動了火藥的發展,加入硝化甘油的“雙基藥”、加入硝基胍的“三基藥”等材料的誕生,使火藥種類更加豐富,燃速、爆容等綜合性能更優異的火藥逐漸登上歷史舞臺,同時人們又通過改變發射藥的形狀和內部結構以進一步提升發射藥的燃燒性能。目前,在許多口徑的槍械和火炮中,仍以各種粒裝、管狀或片狀的硝化棉系單、雙基發射藥作為發射動力源。

    走進含能材料大家族系列專題稿件(三)——家族中的大力士:火藥

    槍彈中裝填的經過溶解和塑形處理之后的硝化纖維 (圖片來自網絡)

    火藥性能當然越優越好,但火藥威力大,意味著燃燒產生的壓力更大,對炮管的強度會帶來更大的挑戰,嚴重時會破壞膛壁。如果有一種在燃速不變的前提下,可降低發射膛壓的變燃速裝藥,將會顯著延長身管武器壽命,提高能量的利用效率。另一方面,在現代武器中,各種線膛炮、滑膛炮等壓制火炮靠調節炮彈的初速和射角來獲得不同的射程,其初速的調整就是由火藥的使用直接決定的,傳統的155毫米加榴炮的發射藥包含3~4種不同的藥包和若干個藥號組成,通過不同藥包的搭配或者增減來改變炮彈的初速。但這同時帶來了新的問題,為滿足各種作戰環境下的射程需求,往往需要攜帶足夠多的發射藥包(發射單元),給火炮部隊帶來了巨大的后勤負擔和安全隱患。

    為解決上述難題,軍工科研人員進行了長達數十年的研究。王澤山院士帶領團隊先后攻克了遠程、低膛壓發射裝藥技術和等模塊裝藥技術,有效提高了我國的火炮射程并降低了最大發射過載,為我國地面武器裝備發展追趕世界先進水平,成為火炮強國做出了卓越的貢獻,是當之無愧的中國“火藥王”。

      走進含能材料大家族系列專題稿件(三)——家族中的大力士:火藥

    某型火藥牌號及其說明 (圖片來自網絡)

    劃重點: 與炸藥相比,火藥的反應速度較慢,通過高速燃燒,短時間內產生大量的氣體和極高的壓力,但又不會發生爆轟反應,可將子彈彈頭或炮彈戰斗部以數百米每秒甚至更高的初速發射出去,是各種彈藥的核心動力源?,F代常見的槍彈和炮彈仍以各種改性處理后的粒裝、管狀或片狀的硝化棉系單、雙基發射藥作為發射動力源。

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