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长缨在手 敢缚苍龙

 
 
 
 
 

日志

 
 

北理工“CL-20”问鼎世界炸药“最高峰”   

2016-05-02 08:39:05|  分类: 铸剑春秋 |  标签: |举报 |字号 订阅

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北理工的爆轰速度 中国力量的可靠基石
——问鼎世界炸药“最高峰”的北理工“CL-20”

  环伺世界,在人类追求和平与发展的过程中,战争与冲突的阴霾始终未能散尽,中国的国家安全始终面临严峻挑战,实现中华民族的伟大复兴,必须用强而有力的武器装备构筑属于我们的“中国力量”
  当我们惊叹于99A坦克、远程火箭炮、东风导弹时,你可曾想到过,从枪炮子弹到火箭导弹、从身管发射到触发爆轰以及火箭发动机的推进效能,武器装备的性能最终必须体现在对敌人的有效杀伤上,而实现这一切的重要基础——火炸药,默默无闻中却成为中国力量无可替代的基石。
  “高能炸药几乎在所有的战略、战术武器系统中都不可或缺,其性能发生哪怕微小的改进提升,都将会深刻影响到武器系统的发展,并有效提升传统兵器到尖端武器的战斗效能,是军工科研中当之无愧的核心领域。”
  2016年初,由北京理工大学牵头的“新一代含能材料研究及其工程化”荣获2015年度国防科技进步特等奖。

  大树参天,方可捧下璀璨明珠

  北京理工大学这所孕育中国火炸药“国家队”的高等学府,自延安创校时期为抗战研制TNT炸药,到1952年整合东北兵工专门学校(中国第一个火炸药专业)的办学力量,成为新中国第一个规范培养火炸药人才的基地,在七十余年的办学实践中,北理工火炸药学科也逐渐从火炸药教育教学发展为火炸药科技研究并成为科研领域领军者,孕育了一批璀璨的成果,为中国单质炸药、混合炸药和固体推进剂领域作出了卓越贡献。
  卓越贡献源自多年积淀和承继,北理工不断攀登火炸药研究领域的座座高峰。2016年初,2015年度国防科技进步特等奖的荣誉授予北京理工大学,继2001年凭借重大原始理论创新荣获得国防科工委科学技术一等奖的“CL-20”,时隔十四年再次出现在公众的视野中。CL-20炸药学名六硝基六氮杂异伍兹烷,是目前已知能够实际应用的能量最高、威力最强大的非核单质炸药,爆轰速度高达9500米/秒,被称为第四代炸药,也被誉为“突破性含能材料”,是一种划时代的全新高爆军用炸药,在世界火炸药学界闻名遐迩。该型炸药的诞生,也为包括导弹、核装置等一批武器装备的效能提升、小型化带来了新的发展契机。
  矢志三十余年的CL-20项目再获殊荣,标志着北京理工大学从理论创新到工程实践,将这座世界炸药的“最高峰”彻底征服,这是对几代北理工火炸药科研工作者的最高致敬,对中国国防建设的意义深远,功不可没。

  瞄准一流毅然攀登,厚积薄发为国立功

  纵观火炸药的历史,经过了四个阶段。中国是最早发现火炸药的国家,也就是古代四大发明中的黑火药。目前按照国际通行的说法,以炸药爆炸时爆轰波的传播速度将炸药分为四代。
  第一代炸药是由诺贝尔发现的“硝化甘油”。但是纯硝化甘油化学性质极不稳定、感度太高。诺贝尔在极为偶然的条件下发现通过海藻土吸收后,它的稳定性就能立即提升。稳定性的提升使得其应用迅速推开,改变了整个世界的面貌。
  从第二次世界大战开始,战争全面进入热兵器时代。第二代炸药梯恩梯(“三硝基甲苯”代号TNT)就在二战中发挥了极大作用。TNT是通过人工有机合成的烈性炸药,其爆炸能力足够强,性质稳定,可用于机关火炮的密集火力射击,使得战争残酷性大为提高,直到现在仍大量使用。
  二战之后,产生了第三代炸药——黑索金(“环三亚甲基三硝胺”代号为RDX),爆轰速度达到8500到8600米/秒,用于多管火箭重炮的规模压制打击,能大规模提高武器的威力和射程。其次是奥克托金(“环四次甲基四硝胺”代号为HMX),爆轰速度达到9000米/秒,撞击感度比TNT略高,容易起爆,安定性较好,综合性能高,在海湾战争中,用于远程火箭导弹的非接触不对称作战。
  上世纪70年代末,由于始终未能有新的炸药能够撼动奥克托金作为世界高能炸药“王牌”的领先地位,国际国内对新型高能炸药的探索颇感渺茫,高能炸药的合成也陷入低谷。曾经为“两弹一星”工程作出重要贡献的炸药专家于永忠教授也面临同样的困惑,在反复思索中,他抛弃传统研究思路,将目光聚焦于单质炸药材料本身,聚焦于材料的分子结构,大胆地提出将炸药材料分子结构由平面环状结构改变为笼型结构,将多硝基笼形化合物作为新的研究方向。这一“二维”到“三维”创新理论,为单质炸药研究带来飞跃性提升。于永忠于1979年在国际上首先合成出具有笼形结构的单质炸药797#,验证了笼形高密度材料理论的可行性,并提出把797#的4个氧原子转化为4个N-NO2,即为后来国际通行的代号CL-20。
  1984年,于永忠在花甲之年来到北京工业学院(现北京理工大学)担任博士生导师,在这个中国火炸药研究的顶级群体中,在国家自然科学基金项目《多面体烷类及其衍生物合成的研究》及国家高技术研究发展计划支持下开始深入探索及实践笼型高密度材料理论构想。
  1994年,于永忠成功在实验室实现了CL-20的样品合成。样品在国内代号曾为C-12,在相当长一段时间内国内刊物及内部文件发表相关论文时均使用C-12。“CL-20是三维立体的笼状结构,其制作工艺难度可想而知。由于我们北理工在含能材料领域的长期积淀,我们硬是自己做出来了。”回忆这段历史,材料学院谭惠民教授给予了高度评价。
  不谋而合,美国学者也开展了笼形高密度材料及CL-20的研究,并于1996年在德国ICT年会上发表了CL-20的合成文章,但在文中他们声称已于1987年合成了CL-20。由于美国学者的论文用英语在国际会议发表,因此CL-20迅速成为六硝基六氮杂异伍兹烷的通用代号,C-12在国内也逐渐不再使用。但客观来说,中美在相互保密的情况下各自独立地完成了CL-20合成,所用技术路线也不相同。
  然而验证理论仅仅开启了学校CL-20研制事业的第一步,鉴于国内外合成的CL-20成本很高,影响其广泛应用,更大的挑战是如何寻找到最佳的合成方法。前路艰辛,在国家的支持下,学校组织优势力量成立项目组,欧育湘、赵信岐等一批专家开始了对CL-20合成工艺的积极探索。功夫不负有心人,经过潜心研究,开发出了多条具备实用价值的CL-20合成工艺路线,其中TAIW基等CL-20合成路线属国际首创,并实现了CL-20材料1公斤级的合成能力。从微量样本到公斤级合成,度过了5个春秋,这一突破使北理工成为全国研究单位CL-20材料的“供应商”。

北理工“CL-20”问鼎世界炸药“最高峰” - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
图:CL-20立体结构式

  三十二载不辱使命,问鼎世界炸药“最高峰”

  问鼎高峰并不是一朝一夕,也绝不是单打独斗,“CL-20”项目最终能够鼎力国防,是依靠几代人、多个火炸药研究群体共同探索实践,传承接力,才得以实现。
  取得了阶段性成果后,老一辈火炸药专家也因为年事已高逐渐退出了科研一线,然而CL-20的研究事业并没有停顿。CL-20作为世界能量水平最高的高密度含能材料,其重要的战略价值必须通过武器装备中的应用才能得以体现,对于拱卫国家安全来说,不需要走不出实验室的“半路”成果。
  以庞思平教授为代表的新一代火炸药人继续发扬矢志军工的精神,扛起了沉甸甸的责任。庞思平教授自学生时代即参加CL-20的研究工作,2002年博士毕业后留校任教,继续从事CL-20及相关研究。他有着敏锐的洞察力以及严谨的工作作风,很快成为了含能材料研究骨干。庞思平曾经对学生说过,要把高能材料做好,首先要把自己变成高能材料。
  为了最大程度提高炸药的能量水平,将高能炸药的能量密度、爆速、猛度、热稳定性和化学稳定性等各类指标提升到一个全新的高度,庞思平及其团队注重原始创新,潜心攻关基础研究,在CL-20的原理、机理、结构、方法等方面取得一系列突破。他们对笼形结构,多氮杂结构的合成方法及储能原理深入研究,提出了笼形高能量密度材料新概念及原理,突破了传统平面高能材料能量难以提高的瓶颈,研究成果发表在《Angew》《Chem》等国际著名期刊上,受到国际学术同行的高度评价。2013年chemistryword专题报道了庞思平团队的研究成果“含能材料发展面临高能量与低感度的矛盾,中国的科学家通过设计并合成具有刚性的三维立体骨架结构的含能材料成功解决了这一挑战”;英国皇家科学院院士、德国自然科学院院士、美国科学促进会院士Stoddart评价笼形原理论文“三维笼型高能量密度材料的研究注定将影响下一代炸药的发展,推动传统含能材料的进步”;美国国家科学奖章获得者Shreeve评价说“三维笼型含能材料的概念为发展新一代高性能炸药的发展提供新的思路。”
  技术层面,他们着力突破了提高合成效率,放大工艺本质安全等技术,为了掌握工程化放大第一手资料,他们长期奋战在工厂,风里来,雨里去,亲自动手,收集数据、整理数据、分析数据,与一线工人建立了亲密的友谊和合作关系。
  当21世纪进入了第二个十年,CL-20在生产领域的问题被逐一解决,自此CL-20项目在经过三十二年的研究之后,终于由理论创新,化作对中国国防力量提升实实在在的贡献。从微量样本到公斤级合成,再到工业化生产,每一步都异常艰辛,每一步都是一代人的心血结晶,更是北理工火炸药学科半个多世纪迎难而上,刻苦钻研,不懈探索的结果。CL-20的成功合成显示出北理工火炸药团队世界一流的研发能力,CL-20的工程化则彰显了北理工世界前列的军工装备实力,将理论的原始创新和重大工程实际应用的紧密结合,进一步奠定了北理工在含能材料领域的引领地位。
  北理工火炸药人终不辱使命,以三十余载的潜心之力、积淀之功成就了漂亮的北理工爆轰速度,实现了“做中国自己的炸药,做世界最棒的炸药”的理想!
  默默潜心中,无数个不眠之夜化作鬓角的白发,青春年华从身边悄然度过,虽然在漫长的岁月中,依然要保持沉默,心中的豪情无从与人分享,巨大的贡献也许今生不为人知,但比获奖更为重要的是北理工人用自己的无私奉献、矢志不渝诠释了“军工魂”和“国防情”,在不断壮大的“中国力量”上写下了自己沉默而有力的一笔!

  (北京理工大学党委宣传部供稿)

来源:光明网
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