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技术派|一甲子写就火药传奇,浅谈王泽山院士火炸药领域贡献

澎湃新闻特约撰稿 俞硕

2018-01-09 14:50  来源:澎湃新闻

1月8日,国家科学技术奖励大会在京举行,中国工程院院士王泽山获得了2017年度国家最高科学技术奖。
作为我国火炸药及含能材料领域的老专家,王泽山院士长期致力于我国火炮发射药领域的研究,为我国地面武器装备发展追赶世界先进水平做出了卓越的贡献。目前,已经82岁高龄的王泽山院士仍然身先士卒,活跃于科研及试验的第一线。
与那些担负重大武器装备型号总师的专家不同,王泽山院士所从事的工作隐于幕后。在过去的几十年里,王院士的科研成果曾多次获得国家重要奖项,但外界对于王院士科研成果价值的评价比较少。本文根据公开资料浅谈王泽山院士火炸药领域的一些贡献,致敬这位在火炸药领域默默耕耘了几十年的院士。
火炮的性能的优劣与发射药的技术水平息息相关,王泽山院士为我国地面武器装备发展追赶世界先进水平做出了卓越的贡献。图为解放军正在进行火炮发射训练。 中国军网 图
他让中国火炮发射药达到国际先进水平
1月8日,在一些媒体关于王院士获得国家最高科学技术奖的新闻报道中,可以看到这样一段不严谨的表述:“我国火炮在应用王泽山院士的等模块装药和远程、低膛压发射装药技术之后,性能大大提高,其射程提高20%或最大发射过载有效降低25%以上;应用此项技术使弹道性能全面超过其他国家的同类火炮。这项提升我军主战武器火炮性能的核心技术目前已广泛应用于我国多种武器装备和型号的研制……”。甚至还有一些媒体根据之上射程提高20%的字眼引申出“中国155毫米自行加榴炮射程惊人,应用某一技术射程可达70公里”这样骇人听闻的新闻标题来博取眼球。
在这段话中,等模块发射药和远程、低膛压发射技术是两项不同的科研成果,其应用场景截然不同。应用此两项技术的效果也只是科研数据,并不能与实际型号性能指标相对应。
用简单的一句话来简单形容王泽山院士所从事的工作就是将不同的火药混在一起,或者在火药里掺和各种物质以获得所需的性能。含能材料与火炸药研究是一项具有很大危险性并且艰苦的试验科学。其不仅要与各种危险的火炸药为伍并受到有毒的火药蒸汽的毒害,还要在条件艰苦远离人烟的野外长时间的进行试验。在王泽山院士科研生涯的前半段基本是与各类火炸药为伍,其对各种火炸药的性能烂熟于心。也正因此王泽山院士在上世纪80年代首创了火炸药资源化系列再利用技术,为消除废弃含能材料公害提供了技术支撑,是我国火炸药领域军民融合道路的开拓者。
王泽山院士的科研生涯大部分时间都致力于火炮发射药的装药设计研究。火药装药是弹药中发射药以及装药辅助原件的总称。火药装药为武器提供发射能量,是决定武器威力的关键因素之一,火药装药应满足武器的战技要求,尤其是威力要求,为武器的发射储备和提供必要的能量并在发射的瞬间完成能量的转换。武器装药的研究内容主要有:提供足够的炮口动能并保证足够的弹道稳定性;提高火炮在发射时的安全性和可靠性;改善火炮弹药的勤务处理环境。王泽山院士大部分的科研成果都与上述三点有关。
从外形上看,发射药并不起眼,但世界上能研制先进发射药的国家屈指可数。
上世纪90年代初,我国三代坦克研制的关键时期。其中解决三代坦克所使用的高膛坦克炮在低温环境下出现的威力下降问题是摆在我国坦克炮及弹药相关科研人员面前的重要课题。
众所周知,炮弹的初速与发射药的燃烧速度有关。当发射药所出的环境温度降低时,其燃烧速度随之降低。在零下20度或者更低的温度下,普通坦克穿甲弹的发射药只能提供正常温度下(20度左右)90%左右的弹丸初速,而初速的降低会显著影响到穿甲弹的穿甲威力和射击精度。我国幅员辽阔气象环境多遍,如果不考虑穿甲弹的低温性能就会出现平原地区正常使用,高原或者冬季穿甲弹打不穿靶版的情况。除此之外,当环境温度升高时,发射药的燃烧速度会急剧升高。40摄氏度左右的环境下,普通坦克穿甲弹在发射时的初速会增加5%以上,膛压会增加20%甚至更多。现代坦克炮和穿甲弹的设计本已接近极限,如果穿甲弹因温度身高而导致的初速和膛压变化的话势必会对穿甲弹使用的安全性造成影响,或因此限制威力的发挥。
放眼国际,德国人在DM53型120毫米穿甲弹的研制过程就是因为没有考虑到温度对于发射药的影响,在其试验过程中出现了高温膛压异常升高,低温打靶打不穿的问题。最后DM53被严格限制只在L44型120炮上使用,L55型120炮直到采用了发射药低温包覆技术的DM63的出现才有了堪用的穿甲弹。
面对于此问题,王泽山院士运用发射药燃面和燃速的调控技术,研制出在不同温度下燃气产生速度恒定的发射药,并在上世纪90年代末成功应用于我国105/125毫米坦克穿甲弹之上。该类型的发射药我们通常将其称之为低温感系数发射药,其性能与西方采用了低温包覆技术的SCDB型发射药相当。低温感系数发射药不仅减轻了环境温度对于发射药的影响,还提高了炮弹发射时的初速。
除了运用于坦克穿甲弹,低温感系数发射药的另外一项应用是为我国引进生产双35高炮炮弹发射药提供技术支持。瑞典厄利孔的双35高炮具有非常优异的射击精度,其更大程度得益于使用了零梯度发射药,所谓的零梯度从原理上讲其实就是低温感系数。王泽山院士在该领域的贡献使其获得了1996年获得国家技术发明一等奖,并于1999年当选中国工程院院士。
德国DM53型120毫米穿甲弹,其研制过程中遇到过低温打靶打不穿的问题。
模块化发射药是火炮强国必须掌握的技术
面对荣誉,王泽山院士并没有满足,依然砥砺前行。上世纪90年代末,随着我国新一代自行火炮的研发,为我国自行火炮研制与之相配用的模块化发射药成为了王泽山院士科研生涯攀登的另一座技术高山。
与直射火炮不同,压制火炮需要实现一个从最小射程到最大射程的无缝覆盖。例如传统的加农炮与榴弹炮不仅有弹道曲直之分,更大的区别在于其射程覆盖度的区别。根据公开资料,59式130毫米加农炮的最小/最大射程分别为9.8公里/27公里(普通弹),这使得其在使用上不得不与最小射程为4.8公里的66式152毫米加榴炮相搭配才能满足火力压制的需要。155毫米加榴炮之所以可以取代加农炮和榴弹炮的一个很重要的原因在于其射程的覆盖程度可以达到5公里~30公里,而诸如PZH-2000之类的先进155加榴炮的最小射程更是达到了2.5公里,这为后世的155加榴统一身管压制火炮提供了可能。
压制火炮射程的改变是通过增减发射药的药量赋予炮弹不同的初速和调节火炮的射角共同来实现的。通常传统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。为了应付可能的作战需求,155加榴炮需要携带尽可能全的药包组合。然而作战中又不是每种药包都能恰巧的用完或者刚好够用,出于安全性的考虑战斗结束后多余的药包要丢弃或者集中销毁,又造成了浪费。因此,在进入上世纪90年代后,科研人员开始研究模块化发射药。
模块化发射药旨在用尽可能少的发射药模块和药号组合来实现尽可能大的射程覆盖量。最早美国人发明了有四种模块的发射药,之后美国、欧洲和南非都先后投入力量进行全等发射药的研究,可以说,先进的模块化发射药是火炮强国必须掌握的技术。全等模块发射药的研制难点在于头尾不能同时兼顾。如果满足加榴炮的最小射程,那么对于加榴炮的最大射程就不能良好兼顾,如果兼顾最大射程,就必须舍弃掉一部分最小射程。例如南非的双模块发射药的最小射程有13公里,只能选择了G6-52火炮就得再搭配一种105毫米炮来弥补其射程覆盖的不足;以色列的全等装药模块在由39倍155进行发射时最小射程4.5公里、发射底排弹的最大射程却只有21.5公里。在全等发射药的研制遇到瓶颈之后,大部分国家纷纷转向了双模块发射药的研究。
美国研制的155毫米火炮的发射药,通过不同发射药组合,实现不同射程的目的。
以往大口径榴弹炮的发射药往往都是软布药包,只能由人工进行装填,软布药包成为了限制大口径榴弹炮射速提高的瓶颈,诸如西方155炮的持续射速只有两发/分。出于提高射速和便于自动装填的需要,模块发射药被要求具有一定的机械强度便于实现自动装填。要是模块化发射药具有一定的机械强度就得使用额外的添加剂,而很多时候这些额外的添加剂在使用过程中燃烧不充分,发射残留严重,每发射一定数量的炮弹之后就必须进行清膛。
王泽山院士的研究团队从上世纪90年代末开始涉足模块化发射药的研发,在国外对我们进行技术封锁的情况下,先后进行了全等模块发射药、双模块发射药的研究,并且攻克了模块发射药燃烧残留严重的技术难题。虽然目前我国155毫米加榴炮没有采用模块化发射药,但我国模块发射药的性能已经达到世界同类顶尖水平,全等模块及单发射药的射程覆盖度指标达到同类产品的最优。
在模块发射药的研究之后,王泽山院士又在低过载/低膛压发射药继续进行着探索。低过载/低膛压发射药顾名思义,就是在保证射程或者初速的前提下,尽量降低发射瞬间的膛压或者加速度。通俗的解释就是当发射药点火,膛内压力达到最大值后,通过多层变燃速装药尽可能的延长膛压的平台效应,提高能量的利用效率。目前该项成果已经在各种炮射导弹/制导炮弹的发射和火炮轻量化领域得到了应用。
当然王泽山院士的成果不仅限于以上部分,其他诸如先进发射药点火技术,液体发射药技术、高能发射药技术、电化学炮装药等领域的成果就不在这里进行一一枚举。总而言之,时至今日这位已经82岁的老人仍然在我国含能材料及火炸药领域贡献着自己的光和热,其研究成果广泛应用于我国武器装备的各个领域,是当之无愧的“中国含能材料及火炸药泰斗”!
【作者注:本文参考了王泽山院士发表的一些论文和专著及其指导的学生论文,都是公开资料。
1、《火药装药设计原理与技术》,王泽山等编著
2、《远射程发射药与模块化装药》作者:王泽山,南京理工大学学报2003年第27卷第5期
3、《模块装药总体结构及装药弹道性能研究》作者:周瑶,论文指导教师:王泽山等
4、《高能发射药的力学特性和刚性模块装药研究》作者:赵毅,论文指导教师:王泽山】
责任编辑:谢瑞强 澎湃新闻,未经授权不得转载。新闻报料:4009-20-4009
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