中秋
燃料空氣炸彈和HAP都是常規(guī)武器。同樣作為爆破性面殺傷武器,這兩種彈的殺傷原理與爆破彈和燃燒彈均有很大區(qū)別。這兩種彈的殺傷原理和結構有很多相似之處,很容易被混淆,但從材料、結構設計和使用條件去分辨,卻可以發(fā)現(xiàn)不同應用意圖所實現(xiàn)的不同效果。
燃料空氣炸藥簡稱FAE,在起爆前需要與空氣充分混合,在較大范圍產(chǎn)生高溫高壓以殺傷目標和破壞裝備,也有云爆彈、云霧彈、窒息彈、氣浪彈、油氣彈等名稱。
燃料空氣炸藥的爆炸和殺傷原理,與面粉廠或工業(yè)打磨生產(chǎn)場地等場所粉塵爆炸,以及液化氣、汽油泄露后出現(xiàn)的爆燃相似。這類爆炸最初以工業(yè)事故的方式被認識,很早就被作為戰(zhàn)爭的手段進行研究,但在很長時間內(nèi)都沒有實現(xiàn)技術突破。膨脹的氣體和粉塵爆炸的原理看來簡單,實現(xiàn)起來卻很難,武器裝藥依靠燃料或爆炸的單作用方式,直到美國在越南戰(zhàn)場使用燃料空氣炸彈后才被打破。自從美國1966年在越南使用的 GBU55B后,F(xiàn)AE戰(zhàn)斗部到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了三代產(chǎn)品,理論綜合毀傷威力達到了TNT的10倍,面殺傷效果相當突出。
FAE通常采用的液體燃料有環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷、乙醚、甲烷、丁烷、乙烯、乙炔、丙炔丙二烯混合物、過氧化乙酰、二硼烷、無水偏二甲肼、硝基甲烷和硝酸丙酯等。這些液體燃料易燃、易爆而且沸點很低,在較低溫度時呈液態(tài),溫度稍高就極易揮發(fā)成氣態(tài),與空氣混合形成一種氣溶膠混合物。FAE裝藥中通常還按比例混合金屬粉末作為固體燃料,常用的有鎂、鋁或混合的鎂-鋁粉末。
環(huán)氧乙烷等液體燃料在未與空氣充分混合時沒有爆炸條件,裝填彈藥后的儲存安全性較好。常規(guī)炸藥自帶氧化成分,可以在密閉的空間爆炸。FAE裝藥本身并沒有氧化成分,而是要使裝藥與周圍空氣混合。液體燃料與空氣接觸后會迅速氣化并與空氣混合膨脹成氣團,爆炸后從空氣中大量吸收氧氣,形成范圍較大的無/貧氧和高一/二氧化碳區(qū)。FAE的另一個特點就是裝藥爆炸時的密度低,爆速沒有常規(guī)炸藥那么快,但形成的超壓強度比較高,超壓隨距離衰減的速度也慢。
FAE裝藥爆炸前形成的氣溶膠氣團重于空氣,可以滲入戰(zhàn)壕、山洞和其它縫隙中,起爆后的高溫與超壓能殺傷開口的山洞和戰(zhàn)壕內(nèi)人員。按照公開發(fā)表的資料,同質量TNT與FAE在無約束的空氣條件下爆炸,F(xiàn)AE爆炸產(chǎn)生的火球持續(xù)時間是TNT的近2倍,火球直徑是TNT的1倍多。FAE靠近爆心位置的壓力高于TNT,在殺傷區(qū)域邊緣的壓力則遠高于TNT。
美國在越南戰(zhàn)場上投放FAE最初是為直升機開辟起降場。正是因為這種使用思想,早期FAE對命中精度要求并不高,體積也很大,用低速運輸機投放。美軍在FAE使用過程中,發(fā)現(xiàn)這種炸藥對暴露的人體殺傷效果很強,隨后開始逐步縮小彈體,并通過降落傘減速和改善起爆方式等措施,將這種武器逐步轉型為戰(zhàn)術面殺傷武器。
在作為戰(zhàn)術武器使用FAE后,早期FAE的構成和使用方法卻限制了實戰(zhàn)效果。FAE的威力體現(xiàn)在氣溶膠爆轟后的高溫和沖擊波,而氣溶膠的形成飽和度是關鍵。要保證FAE裝藥充分與空氣混合就必須控制下落速度,還要安裝定高裝置以保證在觸地前進行一次起爆,一次起爆后到二次起爆前這個階段,裝藥膨脹混合的效果決定了最終威力。
按照正常的使用過程,F(xiàn)AE在近地高度彈體分解(爆破或拋棄),化學燃料擴散后形成氣溶膠團,經(jīng)過0.1~0.15秒延時以使氣溶膠團充分發(fā)育后起爆。FAE正常爆炸的聲、光效果非常明顯,破壞范圍大,精神壓力和物理殺傷效果都很明顯。FAE二次爆炸后的火球產(chǎn)生高溫和高壓,并在擴散的同時引燃周圍未燃燒的燃料,外圍的燃料可以作為火球擴散階段的補充,可以在較大半徑內(nèi)維持溫度和壓力,甚至在部分條件下還具有增強的條件。煙火團在達到最大范圍后,在作用范圍內(nèi)將形成近無氧的區(qū)域。爆炸煙火團在達到極限后上升并耗能,周圍空氣在壓力作用下填補低壓區(qū)之前,人員目標將承受極其劇烈的正/負壓轉換、缺氧和一氧化碳中毒的威脅。
FAE在理想條件下可以發(fā)揮效果,但在復雜地形和大風、陰雨等不利條件下,氣溶膠的形成效果就會受到很大影響。實戰(zhàn)中FAE投放后的地形和氣候特征難以保證,很多FAE實戰(zhàn)中只能利用10%左右的裝藥,有很多二次起爆不成功。蘇聯(lián)航空兵在阿富汗戰(zhàn)爭中大量投放FAE殺傷山地和坑道內(nèi)的游擊隊。FAE在多山的阿富汗戰(zhàn)場使用的效果很不穩(wěn)定,蘇聯(lián)航空兵為了保證FAE的爆炸效果,往往采用雙機組合,前機投放FAE后,跟隨的飛機向氣溶膠團處發(fā)射火箭彈,以便在FAE二次起爆不成功或裝藥起爆率不足的時候,利用火箭彈的爆炸效果引爆氣溶膠團。改進起爆方式以增加二次起爆可靠性成了FAE發(fā)展的重點。
FAE第一代產(chǎn)品有美國的GBU55、BLU72以及蘇聯(lián)的ODAB 500PM,主要是作為低速飛機使用的航空炸彈,技術水平較低。首代FAE只能用運輸機和直升機投放,戰(zhàn)術靈活性較差。第二代產(chǎn)品從70年代初期開始研制,重點是增加炸彈的投放速度,可以用噴氣式戰(zhàn)術飛機和轟炸機投放,投彈時的飛行速度可達800千米/小時,主要以美國BLU73、BLU76、BLU96和MADFAE集束彈及GBU72子母彈為代表。GBU72內(nèi)裝備3枚可獨立起爆的子彈,威力比上代同規(guī)格炸彈高4~5倍。
前兩代FAE主要裝填環(huán)氧乙烷/環(huán)氧丙烷、環(huán)氧乙烷/環(huán)氧丙烷硝酸異丙酯,或采用環(huán)氧丁烷與碳粉等凝膠劑制成的膠體作為燃料。第一、二代FAE均需實施兩次引爆,第二次引爆時的油氣團濃度、點火時的高度、點火起爆延遲時間的控制精度,油氣團擴散時的地面風速、空氣濕度及氣溶膠團與空氣混合的均勻度等,均會使爆炸能量受到影響。此外,前兩代FAE不宜在高速狀態(tài)下使用,必須用減速傘降低彈體下落速度,以便獲得燃料與空氣充分混合的時間。
美、蘇針對前兩代FAE的技術局限和使用難度,在80年代后期開始研制第三代FAE。三代FAE采用了一次引爆技術,簡化了彈藥構造,降低了制造成本和工藝難度,改善了維護條件。第三代FAE的油氣團擴散方式并沒什么變化,主要是用化學催化法或光化學等起爆方法替代了傳統(tǒng)的引信起爆。第三代FAE主要解決了二次起爆難題,但一次起爆方式對燃料膨脹分散與起爆協(xié)調性的要求更嚴格,即使對彈體材料、結構壁厚、裝填狀態(tài)等參數(shù)進行細致協(xié)調設計,彈藥投放時的外部環(huán)境仍會影響燃料混合效果,爆炸時的氣溶膠體積和形狀也會明顯影響到爆轟效果。
FAE氣溶膠的爆轟產(chǎn)生三個相互獨立的爆炸過程。首先是以微秒計,包含各種氧化還原反應的裝藥爆炸反應。其次是爆炸后的裝藥無氧燃燒反應,是最初爆炸波中沒有完全燃燒的較大燃料顆粒繼續(xù)燃燒反應的過程,這個過程將持續(xù)幾百微秒。最后是裝藥爆炸后從周圍空氣中吸收氧氣的燃燒反應,也是沖擊波與周圍空氣混合時燃料富集物的燃燒過程,反應時間以毫秒計。為了改善前兩代FAE二次點火環(huán)境適應性不好的缺點,第三代FAE普遍采用一次點火化學引爆技術,在燃料通過壓力拋撒后,引信經(jīng)過一定延遲時間自動起爆。FAE充分起爆對外部環(huán)境要求較高,燃料混合過程也需要時間,不適合作為高速武器的裝藥,目前主要用于航空炸彈或火箭掃雷等面毀傷武器的戰(zhàn)斗部。
FAE的殺傷效果與二次起爆時的高度有直接關系。FAE在地面爆炸時的威力削減很明顯,在1~1.5米高度引爆氣溶膠團的爆轟效果和毀傷半徑較理想,但形成的彈坑不大,F(xiàn)AE彈藥不具備有效的穿透性破壞能力。
FAE的起爆受混合裝藥作用原理的限制,操作過程中會遇到很多麻煩,結構比較復雜,戰(zhàn)斗部體積也不容易做的很輕便。為了能在保持FAE的殺傷效果的基礎上,增強起爆可靠性和裝藥的利用率,并使FAE效應彈型適應性更廣泛,國外在80年代開始發(fā)展固體裝藥的新彈型,就是目前廣泛應用的HAP。
HAP的毀傷原理與其名稱相同,就是利用高溫和高壓造成殺傷,也被稱為熱壓(HAP)彈。FAE的裝藥是液體燃料混合物,僅有少量傳統(tǒng)炸藥作為拋射藥,HAP則采用單一的固體裝藥,炸藥經(jīng)過專門配比設計,爆速只接近常規(guī)高猛度炸藥的一半(3 000~4 000米/秒)。裝藥內(nèi)還添加有鎂、鋇、鋁、硅、鋯這類金屬材料粉末,利用金屬粉末起爆后可長時間釋放大量熱量的作用,增強HAP的高溫殺傷效果。
理論上,F(xiàn)AE與HAP是同類彈藥,差異在于FAE是通過形成霧狀油氣云后爆炸,HAP則是直接通過爆炸時產(chǎn)生的高溫和超壓實現(xiàn)。HAP可以看成是自帶氧化劑的粉末狀炸藥,命中目標時裝藥成粉塵形式一次整體爆炸。HAP炸藥爆速較低,但基本不受外部環(huán)境影響,大風和低溫等特殊環(huán)境對爆炸效果的影響不大,實戰(zhàn)可靠性遠比FAE要高。HAP還能根據(jù)需要靈活設計彈藥規(guī)格,能適應從十余噸重超級炸彈到幾百克重手榴彈的裝藥要求。
HAP是利用新的裝藥形式,通過直接起爆形成類似FAE的毀傷機理。FAE需要相對敞開的空間以使燃料與空氣較好的混合,不適合攻擊密閉空間和掩體。常規(guī)軍用炸藥的爆速高達8 000米/秒,可在近距離產(chǎn)生較大壓力,使破裂的殼體形成很高動能的殺傷破片。HAP裝藥的爆速低,形成破片的效果差,步兵攜帶的HAP彈種(火箭、反坦克和單兵榴彈)大都采用輕質的鋁制殼體,主要靠高溫和高壓效應進行殺傷。HAP采用一次起爆方式和固體裝藥,能采用比較堅固的殼體,可作為主裝藥或隨進裝藥在掩體或山洞內(nèi)部爆炸,適合攻堅。
HAP的爆炸過程分三個階段。第一階段的無氧爆炸過程中只有部分炸藥被起爆,這部分炸藥形成高壓并決定了武器的穿透/破壞效能。第二階段的無氧燃燒時基本裝藥被起爆,形成體現(xiàn)主要破壞效果的高溫和高壓。第三階段是有氧燃燒過程,是裝藥在爆炸過程中使混合的金屬粉末開始燃燒,補強爆炸形成的壓力與熱殺傷效能。
蘇聯(lián)最先裝備HAP,并在很多彈藥平臺上采用,大量裝備HAP的反坦克導彈和火箭彈在近年的局部戰(zhàn)爭和反游擊戰(zhàn)中效果明顯。美國在阿富汗使用的 BLU118B是907千克重型炸彈,采用的BLU109鉆地戰(zhàn)斗部裝有240千克PBX? IH135溫壓炸藥。PBXIH135炸藥由奧克托今軍用炸藥和聚氨酯燃料混合構成,炸藥中還按照精確比例加入了鋁粉,封閉空間爆炸能量為TNT的7倍。
HAP的殺傷機理可以與常規(guī)炸藥互補,卻不具備替代常規(guī)炸藥的條件,只能作為特殊戰(zhàn)場條件下的特殊彈種。HAP結構設計簡單,可作為手榴彈或槍榴彈的彈頭,攜帶方便性和戰(zhàn)術靈活性較好,能與常規(guī)炸藥武器成系列裝備。
FAE和HAP爆炸時的沖擊波壓力高,維持時間長,衰減速度慢,爆炸壓力作用范圍內(nèi)基本沒有死角。能應付常規(guī)炸藥的敞開掩體和臥倒躲避,都無法防備高壓和高溫的殺傷影響。人體在承受高溫和高壓時,肌肉和皮膚受到擠壓后會產(chǎn)生壓縮、扭曲、撕裂,骨骼在壓力下容易斷裂,含氧和液體的內(nèi)臟則會在高壓下撕裂、破損,內(nèi)臟的高壓損傷甚至要比外部傷害更為致命?,F(xiàn)代步兵采用的防彈衣可以應付槍彈和破片,但半封閉的防彈衣在承受高壓沖擊波時,防彈衣與人體之間的小空隙會凝聚壓力,沖擊波的集中傷害效應甚至更嚴重。
FAE和HAP爆炸時的火焰維持時間長,溫度高,劇烈消耗爆炸點附近的氧氣,并釋放大量有毒氣體,有生目標即使沒被沖擊波殺傷也會缺氧和中毒。FAE和HAP爆炸產(chǎn)生的有毒氣體包括一氧化碳、硫化氫和一氧化二氮這些作用于細胞和體液的窒息性氣體,還有作用于呼吸道的二氧化碳和二氧化氮,形成足夠達到致命濃度的持續(xù)毒氣區(qū)域,常規(guī)炸藥則難以實現(xiàn)這種殺傷作用。
FAE和HAP依靠高溫高壓殺傷目標,在封閉空間效果更明顯。但是,常規(guī)炸藥高爆速可提供很大的動能,殼體預制破片的初速超過1 000米/秒,依靠動能殺傷距離上百米的目標,可采用更加靈活的起爆方式和組合。FAE和HAP在開敞空間的破片殺傷效果差,裝藥壓力向四面分散的利用率低,只能通過增加裝藥量來增加毀傷半徑,使大威力FAE和HAP的尺寸均很大。美國的MOAB彈重9 526千克,裝藥量8 165千克,只能采用慢速飛機運載投放,增強型 MOP的重量更是達到13.61噸。這類重型炸彈的威力雖然很大,爆炸時的溫度接近2 000℃,殺傷半徑可達到600米,堪與小型核武器相比,但巨大的尺寸始終限制了使用靈活性。
FAE最初是作為暴露空間的面殺傷手段,到目前仍然是以毀傷暴露的人員和裝備、清掃地雷和障礙為主要意圖。HAP擁有更靈活的戰(zhàn)術意圖,從開始就針對FAE的性能局限進行改進,以密閉空間的工事和掩體為主要目標,固體裝藥較好的強度還能滿足高速炮彈的裝藥條件,作為穿透型武器的裝填物,但殼體在爆炸中的破裂將消耗炸藥的效能。
炸藥的爆轟破壞和破片殺傷原理已經(jīng)非常成熟,但技術人員始終在追求更大范圍、更高效率的殺傷武器。燃燒彈是用燃料進行范圍殺傷的彈種,在二戰(zhàn)中成為了城市毀滅者,凝固汽油彈則成了燃燒彈的代表,但燃料常規(guī)燃燒的殺傷效果存在局限。FAE則是將燃料與炸藥的殺傷作用結合起來,利用爆炸的方式使燃料迅速進行燃燒反應,利用燃燒的高溫和爆炸的高壓殺傷目標,F(xiàn)AE在理論上也屬于有爆炸殺傷效果的燃燒武器。HAP則是利用混合配比后的低爆速固體裝藥,采用常規(guī)爆炸方式起爆的攻堅武器。HAP殺傷效果和機理與FAE相似,但功能和結構卻是典型的爆炸型炸藥。FAE證明了利用混合效應提高彈藥威力的效果,HAP則在炸藥不斷增加猛度,增加爆速以提高威力的同時,利用新的殺傷方式和作用方式,充分發(fā)揮了低爆速復合炸藥的效能。HAP和FAE在方法上的殊途卻在最后實現(xiàn)了目標的同歸。武器在戰(zhàn)爭中展示的是毀滅和殺戮,但了解各種武器的發(fā)展和思維的技巧,又不能不欽佩人類在準備殺戮時所展現(xiàn)出的智慧。[編輯/旭日]