彭翠枝，范夕萍，任曉雪，張 培，王敬念，王 昕

（北方科技信息研究所，北京100089）

引 言

火炸藥技術(shù)是國防科技工業(yè)領(lǐng)域的一項關(guān)鍵技術(shù)，相關(guān)技術(shù)研發(fā)動向備受各國關(guān)注。近年來，美、法、德、印等國高度重視先進含能材料技術(shù)的開發(fā)，并致力發(fā)展能量高、感度低、綜合性能好的高性能火炸藥，以及高效、安全、環(huán)保的制造工藝和裝藥技術(shù)，大力推動火炸藥新品種、新配方在武器裝備中的應(yīng)用，力求滿足高新武器裝備發(fā)展對火炸藥技術(shù)提出的新需求。

從近期的研究動態(tài)來看，富氮化合物、高能低感度火炸藥技術(shù)、高效合成與綠色制備工藝、先進發(fā)射裝藥技術(shù)，以及火炸藥新概念與新技術(shù)是各國發(fā)展的重點和熱點。本文綜合分析了國外火炸藥技術(shù)的發(fā)展動向、研究動態(tài)和最新進展，為及時把握當(dāng)前重點方向并挖掘前瞻性技術(shù)，并推動我國火炸藥領(lǐng)域的科技創(chuàng)新提供參考。

1 二硝基茴香醚基熔鑄炸藥的裝備應(yīng)用

二硝基茴香醚（DNAN）是當(dāng)前國外研究較為活躍的一種新型熔鑄介質(zhì)，尤其是美國，已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，年產(chǎn)能約為1.1 萬噸，并推出了PAX-21、PAX-34、IMX-101、IMX-104 等一系列新配方。澳大利亞、波蘭也開展了ARX-4027、ARX-4028和ARX-4029等DNAN 基熔鑄炸藥研究［1］。這類新型熔鑄炸藥主要有以下優(yōu)點：感度低；便于去軍事化處理并可回收利用；加工時收縮量小、冷卻快、不需反復(fù)加熱，因此比傳統(tǒng)熔鑄炸藥更易于加工。在生產(chǎn)成本方面，雖然目前高于TNT，但在可接受的范圍之內(nèi)；隨著批量化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，并考慮整個壽命周期的維護成本，總成本的降低將是必然的。

IMX-101炸藥是美國霍斯頓陸軍彈藥廠最新研制的一種低成本DNAN 基不敏感熔鑄炸藥，配方為（質(zhì)量分數(shù)）：40%DNAN、40%硝基胍（NQ）和20%3-硝基-1，2，4-三唑-5-酮（NTO）。2010年，美國陸軍基于IMX-101炸藥定型試驗結(jié)果，用IMX-101炸藥替代TNT 作為1 200枚M795式155mm榴彈的主裝藥，2011年開始轉(zhuǎn)入大規(guī)模生產(chǎn)并裝備陸軍和海軍陸戰(zhàn)隊。這標(biāo)志著IMX-101炸藥成功用作大口徑榴彈的新型主裝藥，并率先在美國裝備部隊。除M795式榴彈外，美陸軍還將該炸藥用作M1式105mm 炮彈和M107式155mm 訓(xùn)練彈的新型主裝藥；同時在M1E1式105mm 炮彈、M1122式155mm 訓(xùn)練彈上加緊進行評價與定型試驗［2］。

IMX-104炸藥是美國新開發(fā)的一種DNAN 基新型熔鑄炸藥，用于替代B 炸藥，其配方為（質(zhì)量分數(shù)）：31.7%DNAN、53%NTO 和15.3%RDX。2010～2012年，美國陸軍先后完成了IMX-104 炸藥的一系列不敏感彈藥試驗并定型、81mm 迫擊炮實彈的系統(tǒng)級鑒定及60mm、120mm 迫擊炮實彈的系統(tǒng)級鑒定工作，最終將該炸藥用作美國陸軍迫擊炮彈的新型主裝藥。2012年，美國陸軍對其霍爾斯頓陸軍彈藥廠的IMX-104炸藥生產(chǎn)工藝進行了優(yōu)化，包括改進DNAN 進料方法，加快組分進料速度，縮短混合時間等，將批產(chǎn)量從590kg提高到680kg；同時對現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)施進行了現(xiàn)代化改造［3］。

美國將IMX-101和IMX-104炸藥率先應(yīng)用于裝備，開啟了二硝基茴香醚基不敏感熔鑄炸藥的應(yīng)用時代，其意義在于：（1）標(biāo)志著傳統(tǒng)熔鑄炸藥的換裝計劃正式啟動；（2）推動了不敏感彈藥的裝備進程；（3）大幅提升武器彈藥的使用安全；（4）有效降低彈藥全壽命周期的維護成本。

2 火炸藥綠色與安全工藝技術(shù)

2.1 火炸藥綠色合成與制造工藝技術(shù)

2011年，英國采用新型綠色硝化劑五氧化二氮（N2O5）與低溫連續(xù)流動硝化技術(shù)相結(jié)合的方法，推出了TNT 清潔生產(chǎn)新工藝。該工藝通過區(qū)位選擇性定向硝化，將甲苯一段硝化中的間-硝基甲苯質(zhì)量分數(shù)從4%降至1.3%～1.5%，不用亞硫酸鹽處理即可獲得軍用Ⅰ型TNT，避免了紅水的生成，而且二氯甲烷經(jīng)液氮低溫冷凝工藝可實現(xiàn)回收再利用，這項工藝使TNT 生產(chǎn)過程基本實現(xiàn)無污染，產(chǎn)品質(zhì)量也明顯提高［4］。

近年來，美國、伊朗針對綠色、高效的CL-20合成路線與工藝技術(shù)開展了大量研究。例如，美國阿連特技術(shù)系統(tǒng)公司采用以四乙?；s異伍茲烷游離二胺（TADA）為前體并經(jīng)硝化、轉(zhuǎn)晶的新工藝擴大了CL-20 的生產(chǎn)規(guī)模，批產(chǎn)量為200kg。2010～2011年，印度、伊朗相繼推出了以四乙酰基六氮雜異伍茲烷（TAIW）為原材料的CL-20綠色硝化合成新路線。其中，印度以硝／硫混酸為硝化劑，制備出粒度為150μm、純度為98%、得率為85%的CL-20；伊朗則以四氧化二氮為硝化劑，得率為97%，純度為99%［5］。2012年，伊朗以雜多酸為硝化劑和催化劑，開發(fā)出一條以TAIW 為起始原料的CL-20合成環(huán)保新工藝，并獲得最佳合成工藝參數(shù)：反應(yīng)溫度85℃，硝酸濃度98%，催化劑優(yōu)選H3PW12O40，硝酸與H3PW12O40的最佳用量比為10mL∶0.05g［6］。

CL-20合成與工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，有效解決了經(jīng)濟可承受性和大量裝備應(yīng)用的問題，對于促進火炸藥更新?lián)Q代、提高武器射程和威力、實現(xiàn)武器裝備輕型化、小型化具有關(guān)鍵作用，對電熱化學(xué)炮等新概念武器的發(fā)展也將產(chǎn)生重大影響。

2.2 微化工反應(yīng)技術(shù)應(yīng)用研究

微化工反應(yīng)技術(shù)是指以微米級結(jié)構(gòu)部件（微反應(yīng)器）為核心的反應(yīng)、混合、分離設(shè)備以及由這些設(shè)備構(gòu)建的工藝系統(tǒng)，是含能材料制備中的一種本質(zhì)安全新技術(shù)，近年來備受德國關(guān)注。2010年，德國ICT 研究院采用微化工反應(yīng)技術(shù)成功合成出新型含能增塑劑DNDA57，并開發(fā)了一種逆流微型反應(yīng)裝置，解決了反應(yīng)過程中反應(yīng)速率下降的問題［7］。2012年，該研究院對含能增塑劑DNDA57 的合成工藝進行了改進，將新開發(fā)的連續(xù)液-液相分離器與段塞流毛細管微反應(yīng)器聯(lián)合使用，實現(xiàn)了DNDA57的連續(xù)合成，并具有混合均勻有效、反應(yīng)可控、產(chǎn)品重現(xiàn)性好等優(yōu)勢［8］。與此同時，采用遠程控制的微化工反應(yīng)技術(shù)實現(xiàn)千克級含能材料的制備，建成了以玻璃制微反應(yīng)器為核心的全自動、遠程控制多用途微化工反應(yīng)車間，并實現(xiàn)了液態(tài)硝酸酯等含能材料的安全合成和后期純化，生產(chǎn)能力達到150g／min［9］。

除了用于含能材料的合成與制備之外，德國ICT 研究院還將微化工反應(yīng)技術(shù)引入含能材料的造粒工藝中，并開發(fā)了連續(xù)化的二硝酰胺銨（ADN）造粒新工藝。與傳統(tǒng)的間斷生產(chǎn)工藝相比，微反應(yīng)器造粒工藝具有安全性高、操作條件溫和、參數(shù)設(shè)置靈活、粒徑分布窄、顆粒外觀形貌可控等突出優(yōu)點。

微化工反應(yīng)技術(shù)是一種全新的過程強化技術(shù)，一旦實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，該技術(shù)將對含能材料的傳統(tǒng)生產(chǎn)形式產(chǎn)生顛覆性影響，可使許多反應(yīng)過程變得更經(jīng)濟、快速、安全和環(huán)保。

3 富氮化合物的合成

在新型富氮化合物的開發(fā)中，德國慕尼黑大學(xué)合成出5-氰基四唑鹽、2-甲基-5-硝銨四唑富氮鹽和帶有N10長鏈的1，1′-偶氮-雙（四唑）等帶有四唑環(huán)結(jié)構(gòu)的高能富氮化合物，氮長鏈上的原子數(shù)最多達到了10個，爆速最高可達9.18km／s，爆壓最高可達36.1GPa［10］。2012年，該大學(xué)又成功合成出RDX的替代物5，5′-聯(lián)四唑-1，1′-二氧化物二羥銨（代號為TKX50）。該炸藥的合成得率很高，計算的爆轟性能優(yōu)于HMX 且接近CL-20，爆速達9.698km／s；熱安定性優(yōu)異，起始分解溫度為221℃；與其他混合物的相容性好，且感度低于RDX、HMX 等常用炸藥，撞擊感度和摩擦感度分別為20J、120N［11］。

美國海軍水面作戰(zhàn)中心合成出帶有5-氨基四唑和2，4，6-三氨基-s-三唑陽離子的兩種5，5′-偶氮四唑鹽，得率為90%，這類富氮化合物具有較好的熱安定性，且撞擊感度、摩擦感度、靜電放電感度及起爆反應(yīng)性也較低［12］；美國愛達荷州大學(xué)和美國海軍研究實驗室也先后合成出一系列三唑、四唑類富氮鹽，包括含三硝基甲基的聚硝基-1，2，4-三唑鹽、5-（1-甲基肼基）四唑及其銅鹽、銀鹽絡(luò)合物，其中5-（1-甲基肼基）四唑鹽的含氮量（質(zhì)量分數(shù)）最高達73.65%。

印度高能材料實驗室從理論上探討了體系結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，并設(shè)計出一系列三硝基二唑類、四硝基三唑類、四唑類等含有五元氮雜環(huán)結(jié)構(gòu)的富氮化合物，爆速為8.54～9.41km／s，爆壓為32.22～41.5GPa［13］；2012年新設(shè)計的一系列氨基硝基咪唑類新型富氮化合物，爆速最大達9.15km／s，爆壓最高達39.41GPa［14］。

富氮化合物具有廣泛的應(yīng)用前景，應(yīng)用于炸藥配方中，可滿足武器裝備對更高威力能源的需求；應(yīng)用于推進劑配方中，可提高火箭、導(dǎo)彈的射程。新型富氮化合物的探索與研究，為高能／超高能含能材料技術(shù)發(fā)展開辟了更加廣闊的新路徑。

4 先進發(fā)射裝藥技術(shù)

4.1 低溫感系數(shù)發(fā)射藥技術(shù)

低溫感系數(shù)發(fā)射藥是當(dāng)前各國廣泛研究的一種先進發(fā)射裝藥技術(shù)，其燃速受環(huán)境溫度變化的影響不大，因而不會引起彈道性能的顯著變化，能夠大幅提高武器效率和使用安全性。由于消除發(fā)射藥的溫度敏感性能有效提高火炮性能，德國已把發(fā)展低溫感系數(shù)的高性能發(fā)射藥技術(shù)作為21世紀研究工作的重點之一。

ECL發(fā)射藥是德國-瑞士硝基化學(xué)公司最新推出的一種低溫感系數(shù)高性能發(fā)射藥，其主要組分為硝化纖維素，同時還含有一種含能組分和多種惰性組分，通過調(diào)整含能組分與惰性組分的質(zhì)量比，可使發(fā)射藥的火藥力從900J／g（火焰溫度2 400K）提高到1 080J／g（火焰溫度3 050K）。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，ECL發(fā)射藥技術(shù)已經(jīng)成熟，并用于小口徑、中口徑、迫擊炮和105mm 火炮發(fā)射彈藥，有些彈藥通過了鑒定并開始規(guī)?；a(chǎn)［15］。

2010年，韓國自主開發(fā)了一種低溫感系數(shù)發(fā)射藥，建立了擠出工藝，并成功制備出藥柱長度為13.719mm、直徑10.99mm、孔徑0.161mm 的19孔低溫感系數(shù)發(fā)射藥，藥柱密度為1.57g／cm3；通過200mL密閉爆發(fā)器試驗，完成了該低溫感系數(shù)發(fā)射藥彈道性能的驗證［16］。

4.2 泡沫發(fā)射藥技術(shù)

泡沫發(fā)射藥是由炸藥晶體和含能聚合物黏結(jié)而成的一類多孔發(fā)射藥，可通過采用不同的含能填料、含能聚合物和各種孔狀結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)能量和材料性能，在模塊／層狀發(fā)射藥、可燃藥筒／容器、無殼彈等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

德國ICT 研究院完成了泡沫發(fā)射藥的半連續(xù)化遠程控制中試線一期工程，建成了二期中試生產(chǎn)線并投產(chǎn)，并采用反應(yīng)注射成型工藝（RIM）進行了泡沫發(fā)射藥的試生產(chǎn)，完成了其產(chǎn)品質(zhì)量的綜合評價。2010年，對采用注射模壓成型工藝制備的泡沫發(fā)射藥進行了性能評價，結(jié)果顯示其力學(xué)和內(nèi)彈道性能非常穩(wěn)定。2011年，采用泡沫發(fā)射藥制作了無殼彈用可燃藥筒，實彈射擊表明，彈丸的槍口初速約為960m／s，最大膛壓約為440MPa［17］。

4.3 層狀發(fā)射藥技術(shù)

層狀發(fā)射藥是利用燃速不同但有足夠化學(xué)安定性的相鄰幾層材料制成的，是按線性燃速漸增原理設(shè)計的一種新型高漸增性高密度發(fā)射藥，其化學(xué)能利用率高，裝填密度大（通常1.3g／cm3以上），在不加劇身管燒蝕的情況下可增大炮口的動能。

美國研究人員將納米含能材料引入高能層狀發(fā)射藥中，使發(fā)射藥的平均火藥力提高到1 299J／g；法國研制出NENA 基高能層狀發(fā)射藥，其快燃速配方的燃速為74.7mm／s，慢燃速配方的燃速為37.7～53.7mm／s；荷蘭采用計算機軟件擴大層狀發(fā)射藥的同步擠出規(guī)模，并制備了無孔層狀發(fā)射藥和7孔層狀發(fā)射藥。2011年，美國和英國聯(lián)合報道了層狀發(fā)射藥的內(nèi)彈道性能研究結(jié)果，制造了145個藥柱，完成了大口徑火炮系統(tǒng)中的綜合評價且取得理想效果［18］。

5 火炸藥新概念與新技術(shù)探索研究

5.1 毀傷效應(yīng)可調(diào)炸藥裝藥新概念

毀傷效應(yīng)可調(diào)炸藥裝藥是一種適用于可調(diào)整戰(zhàn)斗部的裝藥新概念，該裝藥采用三層結(jié)構(gòu)設(shè)計，從內(nèi)到外依次是中心高能炸藥層、中間衰減層和外部含鋁炸藥層。中心高能炸藥層引爆后能產(chǎn)生劇烈沖擊波；中間衰減層為活性非爆轟材料，能發(fā)生反應(yīng)但不會爆炸，用以減弱中心高能炸藥的爆炸沖擊波，避免外部含鋁炸藥起爆；外部含鋁炸藥層能發(fā)生劇烈燃燒。中心高能炸藥層和外部含鋁炸藥層內(nèi)均可設(shè)起爆裝置，并通過選用不同的起爆方式實現(xiàn)不同的毀傷效應(yīng)。當(dāng)僅引爆中心炸藥層時，采用低附帶毀傷高準靜態(tài)壓毀傷模式；當(dāng)引爆中心炸藥層和外部含鋁炸藥層時，則采用高附帶毀傷高峰壓毀傷模式。

近年來，英國國防科學(xué)技術(shù)研究院在英國含能材料研究計劃中的創(chuàng)新研究部分設(shè)立了專門的研究項目，承研單位是英國奎奈蒂克公司。2011年，毀傷效應(yīng)可調(diào)整戰(zhàn)斗部技術(shù)獲得了世界專利（WO 20111135279 A1）和英國專利（GB 2479966）的保護；2012年，英國奎奈蒂克公司完成了毀傷效應(yīng)可調(diào)炸藥裝藥概念設(shè)計，采用三層炸藥結(jié)構(gòu)制備出4個質(zhì)量為2.6kg 的圓柱形炸藥試樣，藥柱直徑95mm、高200mm，并通過試驗驗證了無殼體毀傷效應(yīng)可調(diào)炸藥裝藥概念的可行性［19］。

毀傷效應(yīng)可調(diào)炸藥裝藥適用于大多數(shù)高能戰(zhàn)斗部，能使單一戰(zhàn)斗部具有兩種及以上的毀傷效果，可用作可調(diào)戰(zhàn)斗部的炸藥裝藥。該裝藥一旦獲得實際應(yīng)用，將實現(xiàn)彈藥終端毀傷效應(yīng)可調(diào)，并提高精確打擊下的低附帶毀傷能力。

5.2 燃燒可控固體推進劑新技術(shù)

燃燒可控固體推進劑技術(shù)是指燃燒方式可控、燃速可調(diào)的先進固體推進劑配方設(shè)計及裝藥技術(shù)，可根據(jù)實際需要完成點燃或熄滅的自主控制，當(dāng)前主要有兩類：（1）自熄火復(fù)合固體推進劑；（2）電控制的鈍感固體推進劑。其中，電控制的燃燒／熄火可控固體推進劑已在美國海軍微型推進器、直徑50.8mm 和76.2mm 發(fā)動機上得到了成功驗證［20］。

為融合多方優(yōu)勢力量推動該技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，2011年美國海軍空戰(zhàn)中心武器分部、陸軍研究發(fā)展與工程中心、IQT 風(fēng)險投資公司等機構(gòu)先后與美國數(shù)字化固體推進公司等有實力的小企業(yè)，簽訂了合作研究與開發(fā)協(xié)議及戰(zhàn)略投資協(xié)議，積極探究燃燒可控固體推進劑的反應(yīng)機理、不敏感性能等，以期在軍事領(lǐng)域拓展應(yīng)用［21］。

美國數(shù)字化固體推進公司在2011年設(shè)計出HPP高燃速推進劑配方；2012年，又發(fā)明了幾種高性能的電控制推進劑配方。美國中佛羅里達大學(xué)研究出一系列自熄火固體推進劑配方，根據(jù)需要多次點燃或熄火，可賦予固體推進系統(tǒng)精確可控的推進能力，且壽命周期內(nèi)安全性高、分解產(chǎn)物潔凈無污染，將提升動能攔截彈的機動能力以及智能武器、精確打擊彈藥等的射程和安全性［22-23］。

燃燒可控固體推進劑技術(shù)兼具推力精確可控、安全、綠色、成本低等諸多優(yōu)勢，是固體推進劑技術(shù)發(fā)展的重點方向之一。該技術(shù)可提高智能增程彈藥的靈活推進與遠程精確打擊能力，改善動能攔截器的快速機動能力進而提高攔截效率。

6 結(jié)束語

美陸軍率先將DNAN 基不敏感熔鑄炸藥投入裝備應(yīng)用，有力推進了大口徑炮彈炸藥主裝藥的全面換裝；CL-20合成與制備工藝技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，顯著提升了其生產(chǎn)能力，加快第三代炸藥的裝備應(yīng)用進程；富氮化合物合成研究接連出新，豐富了高能炸藥的品種和技術(shù)儲備；先進發(fā)射裝藥技術(shù)的日趨成熟并推向應(yīng)用，滿足了未來先進火炮提高系統(tǒng)殺傷力和生存力的迫切需求；毀傷效應(yīng)可調(diào)炸藥裝藥新概念的探索研究，將實現(xiàn)彈藥終端毀傷效應(yīng)可調(diào)，提高精確打擊下的低附帶毀傷能力；燃燒可控固體推進劑新技術(shù)的推出，賦予固體推進系統(tǒng)精確可控的推進能力，并將有效提升武器系統(tǒng)的射程、不敏感特性及機動能力。上述幾大動向反映了國外近期研究所取得的一些重大突破，也代表著當(dāng)前及未來火炸藥技術(shù)發(fā)展的重點方向。

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