2017年1月9日，在2016年度国家科学技术奖励大会上，中国工程院院士王泽山凭借在火炸药领域的杰出贡献，获得了2016年度国家技术发明一等奖。这也是他在1996年摘得国家技术发明奖一等奖之后，再次获得这项国家科技大奖，加上1993年他获得的国家技术进步奖一等奖，这位81岁的院士，成为国内为数不多摘得国家级科技大奖桂冠的“三冠王”。从王泽山院士获得的奖项看，其成果贡献一目了然，但在其事迹报道中频繁出现的“含能材料”“低温感含能技术”“模块装药”“全等式模块装药”等专业名词，却令许多非专业读者不明就里。为此，本刊特邀学习过相关专业知识的作者，结合公开资料为您撰文分析，以解开这些专有名词背后的科学价值。
含能材料再利用：变废为宝
“含能材料”，通俗地说，就是我们耳熟能详的“火炸药”，即能独立进行快速化学反应并输出能量的化合物或混和物，主要包括炸药、发射药、推进剂、火工药剂和烟火剂等。以一发普通的火炮榴弹为例，其药筒里装的是发射药，弹丸里面装着的是炸药，引信里是火工药剂和传爆药，这些都是火炸药，都是含能材料。
回顾王泽山院士的获奖情况，早在1993年，他便第一次获得了国家科技进步一等奖，获奖理由是率先攻克了废弃含能材料再利用的多项关键技术。可能有读者会疑惑，火炸药这么普通的东西，实现再利用有什么难的，能难过研制战机、导弹吗？怎么会摘得如此之高的奖项呢？
作为弹药必不可少的原材料，每年都会有大量火炸药被废弃。由于其性质特殊，这些废弃的火炸药处理不当很容易酿成重大安全事故。此前，处理这些废弃火炸药的办法，无外乎向深土掩埋、露天焚烧、炉中焚烧和露天爆破等几种。显而易见，这些传统的处理方法，必然存在着污染环境、消耗能源、处理成本高、危险系数大等缺点。事实上，换一种思路考虑的话，废弃的火炸药也是一种“能源”，如果能合理地利用起来，不仅能避免处理过程中的诸多缺点，还能产生额外的效益。王泽山院士的科研成果便是，研究如何将废弃的火炸药再高效利用起来。由于废弃的火炸药一般都在弹药内部，与金属或非金属部件组合在一起，分离起来并不容易，且存在着一定的危险性，而对火炸药进行再利用也需要非常复杂的工艺方法。目前，已知的废弃火炸药再利用方式，是以废弃发射药为主要成分制成工业炸药，或将火炸药再分离、精制，转为其他工业用原材料，从而创造一定的经济效益，还可以通过改变废弃火炸药的组成成分和物料状态，使其具备某种新的性质，这种改变性质的废弃火炸药，完全可以再用到其他武器上。当然，即使不改变废弃火炸药的组成成分，只改变其物料状态，也可以实现废弃火炸药的再利用，例如将迫击炮弹的片状或带状装药制成粒状装药，再用于其他弹药上。
低温感含能材料：弹药不再“水土不服”
1996年， 61岁的王泽山凭借着低温感含能技术，摘得了国家技术发明一等奖的桂冠。那么，这项技术又有什么独特之处呢？
新闻报道中提到的低温感含能材料，笔者推测指的是发射药。作为含能材料（火炸药）的一种，发射药通常指装在枪炮弹膛内用以发射弹丸的火药，衡量其效能的一个重要指标就是其燃烧速度。通常情况下，在膛压允许的范围内，发射药燃烧速度越快，弹丸初速越高、弹道性能越好，反之则会导致弹丸初速变慢、弹道性能也会受到一定影响。而对发射药来说，除自身性能外，外界温度对其燃烧速度也有一定影响。一般来说，温度升高了，炮弹发射药受此影响燃速加大，而在低温环境下，发射药燃速又会减小。正因为存在这种规律，所以火炮等身管武器的炮口初速、弹道性能都会受温度影响而产生一定变化。
以追求高膛压、高炮口初速的坦克炮为例，如果受到非常大的温度影响，那么炮口初速会出现剧烈变化，在高温或低温状态下，炮口初速的差距甚至会达到100米/秒以上。打个比方，一门125毫米坦克炮，在30℃的高温或20℃的常温下，可以在有效距离内击穿的装甲目标，到了-20℃、-30℃的时候，就很可能穿不透目标。显然，温度对发射药的影响是非常严重的。
因此，研制低温感发射药（低温感含能技术）尤为必要，甚至可以说，这是保证坦克炮、榴弹炮等身管武器性能稳定的前提之一。具体到我军而言，由于我国地域广阔，地理条件复杂，南北温差较大，气候变化对武器性能的影响非差大，因此，温度影响武器性能的难题必须要攻破。
那么，王泽山院士是如何研制出低温感发射药的呢？其实，解决思路有多种，现在看来，最成熟可靠、简单经济的解决方案就是，对发射药进行包裹处理——“发射药包覆”。参阅公开文献可以发现，王泽山院士首先提出了低温感包覆火药混合装药的概念，以及破孔增燃补偿与使用同材质包覆层的理论，在“八五”“九五”期间，他研究出了独具特色的低温感装药技术，并在多种型号的火炮上进行了初步的应用研究。当时的实验结果表明，火炮初速可以提高2%至8%，某低温感包覆发射药在某125毫米坦克炮上的应用非常成功，达到了预定的弹道指标。
这种低温感包覆发射药，是在制式多孔发射药的表面涂上了“低温感包覆火药”，在低温环境下，这个包覆火药强度低、脆性大，很快就会破碎破孔，与制式发射药一块参与到燃烧过程中，等于直接增加了参与燃烧的火药量和燃烧面，进而增大了膛压；在高温的情况下，这个包覆火药又会体现出强度高、韧性好的特点，高温下仍能包裹着发射药，延缓了发射药的破孔。
也可以这样理解，即这个包覆火药就像个神奇的控制阀，低温时，发射药燃速低了，就通过增加参与燃烧的发射药量来增大膛压；高温时，发射药燃速高了，包覆火药就通过减少参与燃烧的发射药量来降低膛压，保证无论是低温还是高温，火炮膛压都能保持稳定。低温感包覆发射药，正是通过这个“发射药燃烧的补偿”（低温增，高温减）达到高温、常温、低温下火炮膛压和初速基本一致，从而减小甚至基本消除了温度对身管武器弹道性能的影响。
全等式模块装药：解决世界性难题
在关于王泽山院士诸多事迹报道中，有一段话比较引人注意——1996年后，王泽山院士另辟蹊径创立装药新技术和相应的弹道理论，研发出了具有普遍适用性的全等式模块装药技术，可在不改变火炮的总体结构、不增加膛压的前提下，通过有效提高火药能量的利用效率来提升火炮的射程。其炮口动能和射击参数，全面超越当时世界上最先进的南非高膛压火炮，其发射威力达到了同型号更新一代的火炮威力。通过实际验证，我国火炮在应用王泽山的技术发明后，其射程能提高20%以上，或最大发射过载有效降低25%以上，弹道性能全面超过其他国家的同类火炮。
仔细分析这段报道不难发现，报道中的技术要点就是“模块装药”和“全等式模块装药技术”。采用模块装药，是现代先进履带式自行榴弹炮的基本技术指标之一。相对于过去的药包装药和刚性药筒装药，模块装药的技术优势非常明显。模块装药的发射药是规整的圆柱药块，装填速度快，便于使用弹药自动装填系统，射速也因此得以大幅提升，单炮效能更高，勤务性也更好。此外，模块装药的发射药膛内燃烧也更科学，可减少对炮膛的烧蚀，火炮的寿命会更长。
说白了，模块装药就是以不同数量的装药模块灵活组合，以满足火炮的射程要求，可以理解为药包装药的直接升级版。如果火炮要打最远射程，那么就会选择五或六个装药模块的全号装药，如果要打最小射程，那么就只用一个装药模块，中间的射程范围则是两个、三个、四个装药模块的灵活组合。
模块装药主要分为不等式模块装药（双模块装药）和全等式模块装药两种。从理论上说，装药模块最好都是完全一样的，即全等式装药模块，这样用一个装药模块打最小射程，火炮装上五或六个装药模块就是最大射程了。然而，试验表明，如果一个装药模块满足了最小号装药的弹道指标，那么使用五或六个最大号装药模块射击时，就会造成膛压偏高。反之，如果先保证最大号装药符合射程、弹道指标等要求，那么只用一个装药模块打最小射程时，膛压又会偏低，这枚炮弹很可能打不出去，直接留在炮膛里。
上世纪80年代后期，美国、英国、法国、德国和意大利五国，为155毫米口径火炮签署了弹道谅解备忘录，决定研制统一标准的全等式模块装药。然而，由于无法解决全等式模块装药最大号、最小号装药之间的矛盾，到了上世纪90年代中期，这几个国家不得不退而求其次选择发展不等式模块装药，即小号模块装药（1至2号装药）和大号模块装药（3至6号装药）组成的双模块系统，以两种模块装药和六个装药号来完成从最小射程到最大射程的全弹道覆盖，并保证各个装药号的弹道性都能满足要求。
尽管这种不等式模块装药在技术上已非常成熟、可靠，弹道性能完全符合要求标，应用也非常广泛，但综合来看，最理想的还是全等式模块装药，其较不等式模块装药在机械化、射速、弹药基数、简化系统结构、寿命等多方面有着明显的优势。因此，目前包括我国在内，各军事强国都没有放弃发展全等式模块装药的努力，试图攻破这一技术难题，以全面提升火炮的各型性能。
王泽山院士究竟是如何解决了全等式模块装药这个国际军械领域难题的，我们不得而知，但从公开资料看，解决的办法可能与上文提到的“低温感含能技术”有异曲同工之处，即采用发射药和包覆火药的混合装药来调控最小号装药和最大号装药发射时的膛压。与“低温感”所面对的低温和高温情况类似，在小号装药膛压不足时，通过包覆火药增加参与燃烧的发射药量，便可增大膛压；在最大号装药膛压过大时，减少参与燃烧的发射药量，可有效降低膛压。这就实现了新闻报道中描述的那种效果：“火炮只需用一种操作模块即可覆盖全射程，从而大幅度提升了远程火力的打击能力。”当然，上述分析只是笔者结合自身知识和公开资料的推测，并不代表权威结论。但是，一个不争的事实是，凭借王泽山院士在全等式模块装药领域的研究成果，我国在火炮勤务水平和自动化程度上必将实现大幅跃升。
本文经《世界军事》授权转载
（编辑：张淋清）
