美国常规钻地武器的主炸药刘晓波（中国工程物理研究院化工材料研究所，四川绵阳 621900）摘要：介绍了美国在役常规钻地武器的几种主炸药，包括 PBXN-109、AFX-757、PBXIH-135、PAX-3 和PAX-28 等塑料粘结炸药，以及固态燃料空气炸药、高温燃烧剂和高密度惰性金属炸药等新概念炸药；介绍了美国在研常规超音速 / 极超音速钻地武器，及其主炸药可能面临的问题。
关键词：钻地武器；主炸药；超音速；极超音速1 引言钻地武器主要用于打击坚固和深埋的地下目标，其战斗部在撞击和侵彻的过程中通常承受着非常高的冲击和结构载荷，因而主炸药应该具有适宜的耐受性和易损性。
一般而言，钻地武器的主炸药普遍采用低冲击感度的钝感炸药。
对于钻地武器而言，其炸药的研究和开发涉及大量性能试验、安全试验和侵彻试验，特别是全尺寸规模的侵彻试验，因而在很大程度上受制于时间和成本因素。
但是，随着数值计算和模拟技术的日趋成熟，例如热化学程序CHEETAH 的应用，新型炸药的设计迈上了一个新的台阶。
1 美国在役常规钻地武器的主炸药美国早期的常规钻地武器普遍以Tritonal 作为主炸药，主要成分包括TNT（80 wt %）和Al粉（20 wt %），后来陆续开发了PBXN-109、PBXIH-135、PBXW-125、AFX-757 、PAX-3、PAX-28等型号炸药，分别应用于各种类型的钻地武器。
1.1 PBXN-109PBXN-109 是美国海军实验室开发的一种塑料粘结炸药，MIL-E-82886（OS）军用标准对其配方和测试进行了明确规定。
PBXN-109 的主要成分包括RDX、Al 粉和HTPB 基粘结剂，其密度为1.656 ± 0.005 g.cm-3，爆速在（7500～7700）m/s 之间，具有较好的力学性能、热性能、相容性和爆炸性能，能够通过除殉爆试验以外的钝感弹药测试项目。
目前，PBXN-109 主要应用于GBU-24 和GBU-28 的钻地战斗部，包括BLU-109、BLU-113 和BLU-116等。
1.2 AFX-757AFX-757 是美国空军研究实验室开发的一种塑料粘结炸药，MIL-DTL-32103 军用标准对其配方和测试进行了明确规定。
AFX-757 的主要成分包括RDX、Al 粉、高氯酸铵和粘结剂，密度为 1.84g/cm3，爆速为6080m/s，不仅具有优于Tritonal 的爆炸能量和感度性质，使其满足钻地武器的性能要求和钝感弹药要求，而且具有较低的生产成本和后勤成本，因而得到空军的推广应用。
表1 PBXN-109 的组成Table 1 Composition of PBXN-109成分等级含量（wt %）RDX（Class 1）Type II ≥ 57RDX（Class 5）Type II ≤ 7Al 粉X-81 20端羟基聚丁二烯（HTPB）R-45HT 7.346异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）0.9465己二酸二辛酯7.346Dantocol DHE 0.26抗氧化剂Lowinox 2246 0.10三苯基铋0.02表2 AFX-757 的组成Table 2 Composition of AFX-757成分含量/wt%RDX 25Al 粉33高氯酸铵（AP）30端羟基聚丁二烯（HTPB） 4.4己二酸二辛脂 6.65添加剂0.91AFX-757 通过了钝感弹药测试项目以及危害等级评估，其特性主要表现在两个方面：a. 由于铝粉和高氯酸铵具有合适的比率，因而有利于铝粉在爆炸反应区完全燃烧；b. 配方具有降低的爆炸速度和增强的反应温度，因而保证了化学能释放的有效利用。
此外，AFX-757 的原材料成本低廉，工艺性能良好，因而能够显著降低生产成本、提高生产效率。
目前，AFX-757 主要应用于联合远程空对地导弹（JASSM）AGM-158A 和AGM-158B、联合垂直攻击弹药（JDAM）GBU-31 和GBU-32、战术导弹系统钻地弹TACMS-P，以及小直径炸弹GBU-39等。
1.3 PBXIH-135 / PBXIH-135EBPBXIH-135 是美国海军钝感弹药高能炸药项目的研究成果，属于浇注成型热压炸药，MIL-DTL-32091 军用标准对其配方和测试进行了明确的规定。
PBXIH-135 的主要成分包括HMX、Al 粉和HTPB 基粘结剂，具有良好的爆炸性能、耐受性能和低易损性，全面通过了钝感弹药测试项目。
PBXIH-135 的关键技术涉及铝粉的处理方法，使其能够在爆炸反应区发生快速、高效的燃烧反应。
为了提高PBXIH-135 的能量输出，HTPB 基粘结剂可以用PCP-TMETN 含能粘结剂代替，形成改进炸药配方PBXIH-135EB，其密度为（1.70～1.95）g/cm3，爆炸的压力和脉冲具有显著提高。
目前，PBXIH-135 / PBXIH-135EB 主要应用于BLU-118 钻地战斗部。
1.4 PAX-3PAX-3 是美国陆军研制的一种增强爆炸型炸药，组成包括HMX（64%）、Al 粉（20%）、乙酸丁酸纤维素（6.5%）和BDNPA/F（9.5%），密度为1.862g/cm3，爆速为（7600～8070）m/s，具有增强的爆炸和燃烧效果，尤其适用于封闭和狭窄空间的目标，例如大楼、掩体、洞穴、车厢和船舱等，因而主要应用于打击掩体、洞穴的侵彻武器，如火箭弹。
此外，PAX-3 具有良好的耐受性能和低易损性，通过了除慢速烤燃试验以外的钝感弹药测试项目。
PAX-3 属于压装成型炸药，其造型粉以传统的水浆工艺制备，主要工序包括：⑴水浆溶液的制备；⑵聚合物和增塑剂的溶解；⑶炸药和铝粉的包覆；⑷溶液的回收。
该生产工艺存在两个显著缺点：其一，铝粉非常容易被水氧化；其二，大型生产过程中存在若干安全隐患。
为了解决这两个问题，研究人员正致力于寻找合适的“水的代替物”。
1.5 PAX-28PAX-28 是美国陆军研制的一种高爆炸药，组成包括RDX、DNAN、Al 粉和高氯酸铵等，具有良好的金属驱动能力和爆炸作用效果，其工艺类似于传统的熔铸炸药，因而可以应用现有的熔铸设备。
PAX-28 具有良好的钝感弹药性能，全面通过了钝感弹药测试项目，主要应用打击城市掩体、地下目标的侵彻武器，如迫击炮弹。
表3 爆炸当量系数Table 3 Blast equivalence factors炸药爆炸当量系数（等重量合成B炸药）Tritonal 1.09PBXN-109 1.19AFX-757 1.39PAX-28 1.621.6 SFAESFAE 是美国海军研制的一种固态燃料空气炸药（Solid Fuel-Air Explosive），爆炸能量输出相当于PBXN-109 的两倍以上，其主要成分选自下列材料：a. 高能炸药，例如CL-20、RDX 和HMX。
b. 反应性金属，例如Al-Mg、Al-Mg-H、B-Mg、Al-B 和Ti-B等。
c. 氧化剂，例如高氯酸氨（AP）、硝酸铵（AN）、二硝酰胺（ADN）和硝酸钡等。
d. 包覆剂，聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物，例如Viton、端羟基叠氮缩水甘油醚（GAP）、硝化纤维等；丙烯酸酯聚合物，例如Zeon。
e. 粘结剂，端羟基聚丁二烯橡胶（HTPB）、端羟基聚乙酸内酯（PCP）、端羟基聚酯纤维、端羟基聚醚（HTPE）、端羟基叠氮缩水甘油醚（GAP）等。
d. 增塑剂，FEFO、TEGDN、DEGDN、TMETN、BTTN 等。
e. 燃速催化剂，三氧化二铁。
SFAE 的关键技术涉及铝粉的燃烧效率，例如改进铝粉的点火方式、提高铝粉的反应活性、应用钛-硼合金提高热量输出、应用镁-铝合金降低点火温度、应用高能炸药提高爆压和爆温。
目前，SFAE 主要应用于热压侵彻战斗部BLU-118。
1.7 HTI-J-1000高温燃烧剂（High Temperature Incendiary ，HTI）J-1000 属于美国2002 财年先进概念技术演示项目，是一种多组分的反应性化合物，即钛、硼、锂的高氯酸盐金属间化合物，该配方能够在1000 ºF 的条件下燃烧较长的时间，同时因为低超压的原因不会对外喷射形成残留。
HTI-J-1000 主要用于装备JASSM、JSOW和JDAM导弹的侵彻战斗部，目的在于全面、彻底地摧毁生化武器的生产和储存设施，同时尽量降低附带伤害。
1.8 DIME高密度惰性金属炸药（Dense Inert Metal Explosive，DIME）属于低附带毁伤概念炸药，主要成分包括高能炸药和惰性金属颗粒，例如细微的钨颗粒。
由于钨颗粒代替了炸药的部分装填容积，相应降低了爆炸的威力，从而限制战斗部的杀伤范围和杀伤效应，降低对于目标周围人员/ 建筑物的附带毁伤。
目前，DIME 主要应用于GBU-39 的侵彻战斗部。
其杀伤机理、毒性/ 致癌效应尚存在争议。
2 美国在研常规钻地武器的主炸药根据动能定理W = mv2/2，如果战斗部的质量降低20 倍，其速度相应增加201/2倍就能够保证动能的恒定。
因此，物体速度的增加更加有利于动能的增加。
对于超音速/ 极超音速撞击速度的小型钻地武器而言，其侵彻能力可以等效于普通的大型钻地武器。
例如，一个250 磅级别的超高速（1800m/s）钻地弹，其侵彻效果完全等效于GBU-28 钻地弹──重量5000 磅，撞击速度400m/s。
目前，美国正致力于超音速/ 极超音速钻地武器的研究和开发，取得了一系列成果。
2.1 联合超音速Cruise 导弹（JSSCM）JSSCM 项目是为了满足精确打击“坚固和深埋目标”的需求，例如增强的侵彻能力、精确的打击能力和致命的毁伤能力，其关键性能指标包括：⑴命中精确度小于或等于3m；⑵射程大于400 海里，超过600 海里为最佳；⑶飞行速度大于 3.5Mach，超过 4.5Mach 为最佳；⑷对于钢筋混凝土的侵彻深度大于10m，达到15m 为最佳；⑸能够有效地杀伤软目标；⑹具备快速的响应能力。
JSSCM 的长度为6m，直径为0.54m，采用M4 侵彻战斗部，主炸药为136kg 高能热压炸药，撞击速度超过4Mach，已经完成了飞行试验、耐受能力试验、侵彻能力试验和钝感弹药测试，最大侵彻深度可以达到15m。
图1 M4 热压侵彻战斗部Fig.1 M4 thermobaric penetrating warhead 2.2 时限目标远程打击创新方法（RATTLRS ）RA TTLRS 是一项涉及高新技术的、超音速导弹的飞行演示项目，目的在于研究超高速钻地武器平台，项目资助机构包括美国海军、空军和航空航天局，研究内容和进展见表4。
表4 RATTLRS 项目的进展Table 4 Process of RATTLRS 时间 内容 说明2004.3 概念论证 Lockheed Martin 、Raytheon 、Boeing 和 Orbital Sciences 四家公司同时获得美国海军研究办公室授予的概念发展合同，分别提出超音速技术的新概念及其应用前景.2005.3 设计、制造和演示 经过评估和论证，Lockheed Martin 公司最终获得 RA TTLRS 研究合同，包括设计、制造和演示等内容。