爆炸！僅次於核武器的巨型炸彈首次實戰

小火箭出品

本文作者：邢強博士

本文原題目：爆炸！僅次於核武器的巨型炸彈首次實戰

2017年4月13日，美國國防部承認，當天向阿富汗境內投放了有「炸彈之母」之稱的GBU-43炸彈。這是美軍首次在戰鬥中使用這種炸彈。該炸彈的投放與爆炸，刷新了人類戰爭史上用於實戰的常規武器的爆炸當量紀錄（11噸TNT）。

小火箭在本文將要和大家共同探討以下4個問題：

有著炸彈之母之稱的GBU-43炸彈的總體設計；

GBU-43炸彈的獨特之處（其核心技術）；

GBU-43可否被歸為溫壓彈；

小火箭對GBU-43炸彈的氣動分析。

總體

炸彈之母的美軍編號為GBU-43/B，其英文全名為MassiveOrdnanceAirBlast

bomb（巨型空爆炸彈），這個英文全名的前4個單詞的首字母連起來是MOAB，恰好也是（MotherOfAllBombs）的首字母，因此得名炸彈之母。

要展開敘述炸彈之母的總體設計特點，首先得明白美軍為什麼要設計這樣的一款炸彈。在彈道導彈、小而靈巧的精確制導炸彈等武器開始大行其道的今天，這種空投炸彈為何還能誕生？

炸彈之母是美國科研人員自2000年之後開始正式啟動研發的，於2003年開始正式入役。可以說，這是一枚21世紀的炸彈。而促使工程師們下定決心研發這款炸彈的動力，在於一款名叫BLU-82的炸彈。

信奉巨艦大炮主義的人，對於炮彈或者炸彈的當量和大小自然是抱有一致性的原則：越大越好。

BLU-82炸彈就是在這樣的指導思想下研發出來的。6.8噸重的炸彈內部，裝填了5.7噸的炸藥。

BLU-82炸彈的炸藥由硝酸銨、聚苯乙烯和鋁粉組成。讀過小火箭之前的系列文章的工程師，或許還有印象，這種組分與固體火箭發動機有些許類似，詳見小火箭的公號文章《聊聊固體火箭發動機的推進劑》。

BLU-82炸彈太重了，一般的戰鬥機是無法掛載的。因此，其投放任務就交給了運輸機。上圖為一架運輸機（應該是一架MC-130E）正在投放BLU-82炸彈。

這是BLU-82炸彈正在爆炸的瞬間。（這張照片被很多媒體誤認作是炸彈之母爆炸時的場景，實際上不同的裝葯成分，其爆炸的樣子是很不同的。）

BLU-82炸彈的設計有不少越戰思維的影響。該炸彈在叢林上方爆炸後，會在林子里形成一個比較比較規則的圓形的平坦地區，方便直升機在此起降。

但是，BLU-82炸彈是有缺陷的：過度追求爆炸溫度，而在爆炸速度方面有太大讓步。這使得該炸彈用於掃雷、清路或者轟炸無防護、簡易防護目標的時候，還有一定的作戰效能，而對於堅固工事就有些力不從心了。另外，BLU-82炸彈沒有制導，其落點精度不佳。為了能夠炸准目標，運輸機需要低空慢速飛行，這對於前線應用來說，可不算太妙。

GBU-43項目應運而生。該炸彈的總體設計，簡直是處處針對BLU-82炸彈老前輩。自2002年5月研發項目正式啟動，到2003年，GBU-43炸彈之母入役，用了不到1年的時間。

炸彈之母共生產了17枚。炸彈長9.17米，直徑1.029米，重9.806噸。

這麼重的炸彈，戰鬥機和攻擊機是不用想了，太難帶了。運輸和投放任務還是交給C-130運輸機吧。

獨特

炸彈之母在總體設計方面，有2個特徵非常明顯，成了她獨特的地方。總結起來，就是：狠和准。

9.17米長，9.806噸重的炸彈之母內，裝填了足足有9.5噸的炸藥。

而且，這些炸藥本身也有其獨特之處。

之前的那些燃料空氣彈，為了提升爆溫（個別變態型號已將爆溫提升為2000℃，太陽表面溫度的三分之一），大幅犧牲了爆速，其爆速僅為4千米/秒。爆速的損失讓之前炸起來很熱鬧的炸彈的打擊力度大打折扣。而炸彈之母的炸藥摒棄了聚苯乙烯、硝酸銨，也沒有打環氧乙烷、苯乙烯等成分的主意，而是直接用了猛炸藥。

當然，為了延續小火箭的風格，現將炸彈之母所用炸藥的詳細組分情況公布如下：

43.5%的黑索金+29.3%的TNT+20.6%的鋁粉+4.89%石蠟+其他

（略去部分組分，不具備非專業人士製備條件，請勿在家嘗試）

鋁粉提高發動機比沖的效果十分明顯，因此很多推進劑添加了大量的鋁粉（如三叉戟I型導彈的第一級發動機中摻有19%的鋁粉）。這樣的推進劑產生的煙霧中會有大量三氧化二鋁顆粒存在，形成特有的金屬煙塵。鋁粉的燃燒能加快推進劑的燃燒速度，增加發動機的比沖，還能使燃燒變得更加穩定。鋁粉顆粒的直徑只有幾微米，燃燒時間極短，溫度很高，人們對其燃燒機理還沒有研究透徹。

環三亞甲基三硝胺（RDX，俗稱黑索金）、環四亞甲基四硝胺（HMX，俗稱奧克托金）是兩種出名的猛炸藥。5千克重的鎚子分別從28厘米和33厘米高度落下的衝擊力即可分別引爆黑索金和奧克托金，可見這兩種炸藥的性格有多麼暴烈。在此，小火箭向奮鬥在導彈戰鬥部研發與測試第一線的工程師致敬。

有些人喜歡把黑索金稱作黑索今。小火箭個人更傾向於黑索金這個譯名，當然硬叫她的原名環三亞甲基三硝胺，或者cyclotrimethylenetrinitramine也是可以的。純凈的黑索金是無色的，但是很多黑索金結晶是上圖那個樣子的。因此，名字里的金還是有意義的。

RDX和HMX的加入抹平了推進劑和炸藥的區別。在燃燒過程中，猛炸藥提供了更多的熱量，提高了推進劑的比沖。炸彈中的4.89%的石蠟就是為了鈍化猛炸藥的敏感度，有助於提高武器裝備貯存和使用過程中的安全性。

上述內容在小火箭的經典導彈與火箭系列文章中有所提及，在此不再贅述。

炸彈之母採用了上述組分的炸藥後，其理論爆速達到了驚人的7.3千米/秒（是除狙擊步槍之外的普通子彈出膛速度的7倍以上，快趕上第一宇宙速度了）。這種以爆炸的形式產自作戰效能的武器裝備，其效能對爆速的依賴程度很高。效能公式里大量有關爆速1次項和平方項的因子，在此不展開。總之，相較於之前的空氣燃燒彈的4千米/秒的爆速，炸彈之母的作戰效能大幅提高。

理論爆速7.3千米/秒，實測結果如何呢？見上表，實測爆速在7.147千米/秒到7.355千米/秒之間。由此可見，7.3千米/秒這個數據對於某些情況來說，甚至說得有些保守。（莫深究數據來源，如果有關於氣動計算、彈道計算的項目，歡迎與小火箭合作。）

為什麼要這麼麻煩，全部裝填TNT不就可以了？

答：不是的。這種「麻煩」的組分能夠在爆溫和爆速之間尋求到一個良好的平衡點。同時，藉助鋁粉的作用，讓燃燒（爆炸）的過程更順利。總體上來說，這種配比的效能是相同質量的TNT裝葯的1.35倍。

也就是說，9.806噸重的炸彈之母內，裝填的9.5噸的炸藥，相當於12.825噸TNT。即使考慮到鈍感之後的損失，也至少相當於11噸TNT。這是非核武器的裝備中，少有的爆炸當量大於裝備總質量的武器了。

介紹完炸彈之母的狠，小火箭再來說說炸彈之母的准。

炸彈之母是有制導控制的，屬於精確制導武器，其打擊精度並非之前的非制導炸彈可以比擬的。炸彈之母的尾部，有4片柵格翼/舵，用來控制炸彈的落點。

美國從1985年開始對柵格翼進行了大量風洞試驗。不過，率先在導彈上進行應用的是蘇聯。上圖為蘇聯大名鼎鼎的R-77空對空導彈。注意其尾部秀氣的可摺疊柵格翼。

柵格翼在空空導彈、炸彈以及可回收火箭第一級的頸部得到了應用。而在中程射程以上的彈道導彈（或者能力相當的運載火箭）的上升段的控制中，實際應用柵格翼的大國的代表則是蘇聯和中國。

蘇聯SS-20彈道導彈，是一款射程為5500公里，能夠攜帶多枚核彈頭的彈道導彈。該彈的尾部採用了柵格翼。（當然，上面這張圖把導彈藏在發射筒里了，詳見下圖吧。）

這就是遍布SS-20彈道導彈尾部的柵格翼。

中國也掌握了在該量級的飛行器上採用柵格翼的技術，而且使用得比較精巧。上圖為中國航天科工集團研製的快舟系列公路機動、快速反應、固體運載火箭。

朝鮮的火星-10（媒體通常將其稱作 舞水端）彈道導彈的尾部也採用了柵格翼。

小火箭計算的獵鷹-9號可回收火箭的柵格翼的氣動。

炸彈之母的柵格翼，一眼看去就是美國Dynetics的流派。該公司多年來致力於柵格翼/舵的研發。

這是該公司給出的類似在炸彈之母上應用的柵格翼的流場計算結果。

上圖是黑白的，而且終究也是沒有給出更為詳細的數據。小火箭乾脆自己算了一下。畢竟，作為對某一款武器裝備進行詳細分析並且要和相關的工程師共同探討的文章，還是不要直接引用別人的數據為好。

在需要產生同等大小控制力矩的需求下，柵格翼相較於常規舵面，其需要的鉸鏈力矩較小，因此，特別適合於作動器功率相對不足的情況。反過來說，柵格翼的緊湊、可摺疊、需求功率小的特徵使其能夠在對結構要求特殊、對機動性要求較高的多種飛行器上得到應用。（點擊上圖查看大圖，才能看到細節）

通過計算可知，炸彈之母的柵格翼/舵設計較為合理，與彈體的配置情況較為優化，能夠以較小的鉸鏈力矩來有效控制炸彈的落點。

結合小火箭手中相關作動器的延遲係數、彈體常數和美軍GPS的定位精度，可以認為，炸彈之母的落點誤差在15米以內。

考慮到炸彈之母的爆炸衝擊波能夠對堅固工事產生破壞作用的半徑為137.61米，毀傷建築超壓半徑為1公里，殺傷無防護人員的超壓半徑為2.7公里，15米的誤差對其作戰效能的影響是很小的。

那麼，炸彈之母是燃料空氣彈么？

小火箭認為，嚴格意義上講，炸彈之母並不是燃料空氣彈。但是，從之前小火箭給出的炸彈之母的組分可以看出，炸彈之母的確也帶有一定的燃料空氣彈的效能。通過組分和裝藥量，可以算出，在爆炸時（設定起爆高度為1.8米），炸彈之母能夠將以爆點為中心，以471米為半徑的範圍內的氧氣消耗掉30.2%以上。雖然其影響沒有燃料空氣彈、溫壓彈那樣巨大，但的確擁有類似的效果。

嚴格意義上的或者說傳統的燃料空氣彈，其爆炸過程通常分為2個階段：初次爆炸，用不依賴空氣中氧氣的炸藥產生氣溶膠，擴散可燃裝葯；氣溶膠爆炸，大量消耗氧氣，產出強烈的高溫和劇烈的壓力梯度變化。

這是經典的燃料空氣彈爆炸的樣子，可以看出有明顯的兩次爆炸現象。

小火箭（隱去數值）畫出了常規炸彈（藍實線）、燃料空氣炸彈（紅色實線）和炸彈之母（黑色實線）爆炸時的壓力-時間曲線示意圖。

由上圖可見，普通炸彈的爆速較高，一開始超壓形成迅速，但是來得快，去得也快，很快就會又形成一個壓強低於大氣壓的負壓區，然後壓力再次返回，最後趨於平靜。而燃料空氣彈，超壓較小，但是持續時間長（這段時間之差足夠產生讓受打擊的一方難熬的高溫高壓），之後的負壓持續時間也較長，這會大量殺傷躲藏在地下工事中的有生力量。

炸彈之母的高爆速與大超壓以及快速消褪的超壓，非常類似傳統的炸彈。但是，鋁粉大量消耗了空氣中的氧氣，也就形成了類似燃料空氣彈的負壓區。（所謂的負壓區，是指壓強小於當地的標準大氣壓強的區域）。

或者簡單來說，炸彈之母是典型的「大力出奇蹟」。管他正壓負壓，管他爆速爆溫的，在6噸半的黑索金+TNT裝葯和1.6噸的鋁粉面前，想要的性能終究還是出來了。

這一點就很像核彈了。

上面這個動圖展示了衝擊波的樣子

這張動圖則是小火箭用來說明，大當量的武器爆炸的時候，會出現先有超壓，後有負壓的情況。上圖的爆炸源在樹木的右側，因此樹先向左跑，然後負壓到來，樹的頂端快速向右移動。這一正一負很要命。

炸彈之母全彈氣動計算。注意炸彈尾部的綠色部分不是噴流，而是小火箭給出的兩層等壓面。

整體來說，炸彈之母的氣動設計較為優化，對於一枚從4000米到6500米的高度空投，在1.0至2.0米高度爆炸的炸彈來說，是比較合適的。

炸彈之母爆炸前百分之一秒的抓拍畫面

感謝大家對小火箭的支持！

本文原題目：爆炸！僅次於核武器的巨型炸彈首次實戰

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本文已由邢強博士獨家授權小火箭刊發，禁止非授權轉載，歡迎朋友圈轉發。

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炸彈之母測試的實拍畫面：

小火箭視頻：GBU-43測試

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