军事爱好者的圈子里面有个特别有意思的事情,就是人均初中毕业。各种自媒体博主总是试图用初中知识来给大家解释武器装备的原理。
例如今天上午上厕所的时候就看到了一个【发明天才的人真是一个铝热剂】这样的段子就是这样的一个例子。
赶上W君今天有空,咱们就来讲讲铝热反应在弹药上的用途吧。
首先,我们要说的是铝热反应,铝热反应的实质是一种氧化还原反应。在这个过程中,铝作为强还原剂,与氧化剂中的氧元素发生剧烈的化学反应。核心的机制是铝具有很高的亲氧性,它与氧化物中的氧结合,发生氧化还原反应,释放出大量的热量。
这个氧化还原的反应和一块碳在空气中燃烧并没有什么差别。都是还原剂被氧化生成氧化物的过程。但这里面有一个关键点——铝的氧化反应具有很高的放热特性。铝的氧化是一个极为剧烈的反应,其标准摩尔焓变化为-1675.7 kJ/mol。正是这种剧烈的能量释放使得铝热反应在会产生极高的足以熔化其他金属的温度。
如果把一小块被加热到炽热的铝放入纯氧中,铝是可以直接在氧气中燃烧放出大量的热量的。
这个热量并所消耗的同等质量的铝所发出的热量并不会比焊接铁轨的铝热反应低。
但似乎我们又觉得没有焊接铁轨的铝热反应剧烈。这是因为即便是一小罐子纯氧气,其中可以氧化铝的氧气的绝对质量也不高,毕竟这是气体。然而在利用铝热反应焊接铁轨中用的氧化铁(三氧化二铁,Fe2 O3 )中含有大量的氧元素,如果按照质量分数来计算氧化铁中的氧含量高达30%,因此在焊接铁轨的铝热反应中,炽热的铝有着比在纯氧气中更高的氧元素来源。
不信?咱们计算一下,动图里面一升容量的量筒如果充满氧气那么氧气的质量只有1.429克。而能提供1.429克氧的氧化铁只需要4.76克,所占用的空间也只有不到1毫升的容量——三氧化二铁密度为5.24克/立方厘米。其实,这个概念大家还不是特别的明晰,再说一个事实:一立方厘米的三氧化二铁中的含氧量为1.57克对吧(5.24* 30%= 1.57),一毫升的液氧中的氧含量是1.141克。氧化铁比液氧都有效 !
所以明白了这个概念的时候,大家也就应该知道为什么焊铁轨的铝热反应这么壮观了吧?
这也就是为什么大家津津乐道铝热反应的原因,当然了,这是属于初中二年级化学范畴。
但这个反应并不是军事科技。
最入门的铝炸弹叫做硝糖铝(ANSU)炸药,这是一种改进版的硝糖炸药。具体配方咱们就不说了吧,咱们要说的是硝糖炸药的缺点。硝糖炸药实际上是最简单的高能材料之一。很多人用硝酸的钾盐和糖混合后去熬煮固体火箭燃料。
在开放空间内硝糖炸药的燃烧就是一种推进剂,而在封闭空间内硝糖炸药的爆炸,就是一种爆炸物了。
不过大家无论是从硝糖火箭的发射场景还是看到硝糖炸药的爆炸场景中我们都会发现,这是一种爆炸温度不高、爆炸威力不强的含能材料。
含能材料在爆炸的过程中能量输出的方式只有两种,第一是反应所释放出的热能,第二是反应所产生的气体的内能——反应中迅速产生的气体膨胀。
硝糖炸药的问题就在于在爆炸的时候温度不高达约1000摄氏度,因此无论是热能还是最后气体产生转化出的动能都不高。这也就是一种不具备什么威力的炸药了。
而在硝糖炸药中添加铝粉则可以显著的提高爆炸时的温度,爆炸的温度可以一下子飙升到2000-2300度。
这样一来,爆炸的威力就可以显著的提高。
硝糖铝炸药是这样的效果,加铝可以显著的提升爆炸威力。其实不仅仅是硝糖炸药可以加铝。TNT炸药中同样可以加入铝粉。例如Tritonal,这是80%TNT炸药混合了20%铝粉所制作的配方炸药。我们都知道每公斤TNT爆炸可以产生4兆焦的能量,而仅仅添加了20%的铝粉,每公斤的Tritonal爆炸就可以产生9兆焦的能量。就单体弹药填充爆炸威力来说可以提高弹药17.8%的爆炸威力。
当然了,凡事有利就一定有弊端。铝粉在爆炸过程中属于二次反应,需要依赖于炸药爆炸时候产生的高温,同时又会不加选择的吸取炸药中的氧元素。这就导致了爆炸材料的爆轰速度降低。
注意上面动图,这是高速摄影机拍下的爆轰过程的慢镜头,我们可以看到参铝炸药先被炸开后再次起爆点「两段式」爆炸。同时,我们也可以看到冲击波的分层。这样的爆炸对于轰击坚固的掩体、碉堡、建筑都更加有效,但是对于轰击人员这样的软目标效果就不是特别的好了。因此掺有铝粉的弹药通常用作BLU-116这样的专门针对于掩体设施所使用的弹药。
而非以单纯的人员杀伤为目的的常规弹药,例如MK82
再有一种用途就是多少都加点……其实从二战以来各个国家的弹药中都或多或少的加那么一点点铝粉。这是为了改善弹药爆炸的稳定性。这主要是因为很多军用炸药中都包含了一些诸如石蜡一类的减敏剂,会降低爆炸威力以及对爆炸的效果产生影响,适量的加入一些铝粉,可以平衡减敏剂带来的负面影响。
这里我们就会看到铝粉在炸药里面的比例对炸药的性能是有影响的。多加或者少加都会对炸药的性能产生显著的影响。
而再多加一些呢?例如「配方H-6」里面装入了将近25%的铝粉,这时候弹药就不是传统炸弹了,而是「温压弹」。
大量铝粉的添加更大幅度的延长了爆轰破的产生时间,有原来的几毫秒延长到几十毫秒。这时候弹药的爆轰特性就有新的改变了。
温压弹是一种特殊类型的武器,依赖于大规模燃烧的二次爆炸效应,并通过产生超高温、高压的气体来摧毁目标。温压弹的特点是持续的爆炸压力,而不是瞬时冲击波。
温压弹通过气体爆炸和持续的高温摧毁目标,尤其是封闭空间和地下设施。由于铝粉在其中扮演了重要角色,它在爆炸后提供了充足的热量来维持二次爆炸,并延长了爆炸时间。这种设计使得温压弹比传统炸药更能摧毁坚固掩体、地下工事等目标。
温压弹是一个大类武器,世界各国都有,所以也就别谴责谁用谁不用了,类似于Tos-1这样的「村庄毁灭者」实际上使用的都是铝热温压弹。
例如我们的自己的,大家经常看远景:
但其实近景站在敌人的视角是这样的:
再加大铝含量就不仅仅是二次爆炸了,这时候就转化为燃烧弹了。
例如这个东西,很多人说是白磷弹,其实这就是铝热燃烧弹。白磷弹下落会有很明显的烟雾痕迹的,而铝热弹通常不带痕迹。
这是一种内烧型的铝热弹,通常由冰雹火箭炮系统进行发射,铝铸造的小六面柱体会安放在火箭弹的弹舱内。
这种弹药有点类似于焊铁轨了,不过,里面放的不是二氧化铁而是一种双酚A型环氧树脂的高分子化合物,可以在空中燃烧的时候不断的给铝镁合金供应充足的氧气含量。
基本上落地的时候大约3500度高温,烧坦克和切豆腐一样。
最近战场上也还真有用传统的氧化铁铝热剂的,前阵子乌克兰开发了一种叫做「龙无人机」的武器。
其本质就是一个大型的无人机,下面挂了一个铝热反应箱子,飞到对方的战壕上面,点燃铝热剂沿着战壕向下泼铁水。
但这个方法对单一的士兵是比较有效且恐怖的,对于装甲车辆的威胁就并不那么严重了。