國外二硝基茴香醚基炸藥發(fā)展現(xiàn)狀

彭翠枝，李 彤，毛長勇，范夕萍，凌 劍，秦 澗

(1. 北方科技信息研究所，北京 100089；2.瀘州北方化學(xué)工業(yè)有限公司，四川 瀘州 646005)

引 言

二硝基茴香醚(DNAN)是當(dāng)前備受關(guān)注的一種不敏感新型熔鑄介質(zhì)，可用于替代TNT，在不敏感彈藥中具有廣泛的應(yīng)用前景。與TNT、B炸藥等傳統(tǒng)熔鑄炸藥相比，DNAN基熔鑄炸藥具有以下優(yōu)勢：感度低，使用更加安全；便于去軍事化處理并可回收利用，更加綠色環(huán)保；加工時(shí)收縮量小、冷卻快、不需反復(fù)加熱，更易于加工。近些年來，美國率先實(shí)現(xiàn)DNAN軍用工業(yè)化生產(chǎn)，成功開發(fā)出多種DNAN基炸藥配方并已大量裝備不敏感彈藥。澳大利亞、波蘭和加拿大等國也積極跟進(jìn)研究，業(yè)已取得一些新進(jìn)展。

目前，我國DNAN炸藥正處于配方設(shè)計(jì)研發(fā)階段，其規(guī)?；苽浼皯?yīng)用關(guān)鍵技術(shù)亟待攻克。從配方、制備、應(yīng)用和環(huán)境健康等方面綜合闡述DNAN基熔鑄炸藥的國外主要研發(fā)動(dòng)態(tài)和最新進(jìn)展，了解把握當(dāng)前技術(shù)現(xiàn)狀和應(yīng)用方向，對于推動(dòng)我國DNAN基炸藥技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展具有重要的參考意義。

1 DNAN基熔鑄炸藥配方研發(fā)現(xiàn)狀

當(dāng)前，國外DNAN基熔鑄炸藥研發(fā)較為活躍，美國、澳大利亞、挪威和波蘭等國研究人員已完成多項(xiàng)研究，形成PAX、IMX、ARX、MCX等系列DNAN基炸藥配方，有些配方已達(dá)到實(shí)用化水平。

1.1 美國推出兩大系列DNAN基熔鑄炸藥配方

進(jìn)入21世紀(jì)以來，美國先后設(shè)計(jì)出PAX系列DNAN基炸藥配方[1]，包括PAX-21、PAX-24、PAX-25、PAX-26、PAX-28、PAX-34、PAX-40、PAX-41和PAX-48(即OSX-8)等，配方組成及用途見表1[1]。

表1 美國PAX系列DNAN基炸藥配方組成及用途

PAX系列配方的不敏感性能明顯優(yōu)于TNT和B炸藥，能量相當(dāng)甚至更優(yōu)，其中PAX-26的能量高達(dá)B炸藥的1.62倍。迄今，PAX-21、PAX-34和PAX-48炸藥已在美國霍爾斯頓陸軍彈藥廠實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，批產(chǎn)能為544.8kg。

自2005年以來，美陸軍啟動(dòng)“通用低成本不敏感炸藥”項(xiàng)目[2-8]，最終設(shè)計(jì)并開發(fā)出符合要求的IMX-101和IMX-104兩種DNAN基熔鑄炸藥，且分別以M795式155mm榴彈和120mm迫擊炮彈作為試點(diǎn)完成了性能表征及定型試驗(yàn)、不敏感彈藥試驗(yàn)[9]和實(shí)彈中的起爆試驗(yàn)[10]。表2列出了美國幾種典型DNAN基炸藥配方的主要性能參數(shù)[11-13]。

表2 美國幾種DNAN基炸藥配方的主要性能

美國通用動(dòng)力公司武器與戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)公司[14]研制出一種DNAN基含鋁熔鑄炸藥配方OSX-12并進(jìn)行工藝研究，其配方組分包括DNAN、NTO、RDX和Al，可替代PAX-28炸藥用作殺爆戰(zhàn)斗部的主裝藥。2012年，該公司加拿大分公司[15]完成了OSX-12配方的性能表征、黏度測試和沉降試驗(yàn)，其爆轟性能測試結(jié)果見表3[16-17]。

表3 OSX-12和IMX-104的爆轟性能(相對于B炸藥的百分比)

美國阿聯(lián)特技術(shù)系統(tǒng)(ATK)公司Doll等也發(fā)明了幾種DNAN基低感度熔鑄炸藥；其中一種配方組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：34%DNAN、0.25%MNA、30%AP(400μm)、5%RDX(100μm)和30.75% RDX(2μm)[18]；另一種配方組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：59.75%DNAN、0.25%MNA和40%AP[19]。該炸藥的爆炸性能與B炸藥相當(dāng)，但撞擊感度和沖擊波低，毒性更小，可替代B炸藥用作迫擊炮彈、手榴彈、炮彈、戰(zhàn)斗部和反人員地雷的炸藥主裝藥。

此外，考慮到DNAN基炸藥的使用安全性，2014年美國陸軍武器研發(fā)與工程中心[20]開展了含能材料在熔融DNAN中的溶解性研究，確定了幾種含能材料的溶解度為：RDX為14g/100g，HMX為3g/100g，硝基胍、NTO和高氯酸銨的溶解性非常小，如高氯酸銨的溶解度僅為0.08g/100g。

1.2 澳大利亞獲得ARX系列DNAN基熔鑄炸藥

2011年，澳大利亞國防科技局(DSTO)采用DNAN為熔鑄介質(zhì)制得3種低感度新型熔鑄炸藥——ARX-4027、ARX-4028和ARX-4029。其中，ARX-4027配方組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：60%RDX、39.75%DNAN和0.25% N-甲基對硝基苯胺(MNA)；ARX-4028配方組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：70%NTO、29.75%DNAN和0.25%(MNA)；ARX-4029配方組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：65%NTO、5%RDX、29.75%DNAN和0.25%(MNA)，主要性能見表4[21]。

表4 澳大利亞3種DNAN基炸藥配方及其主要性能

這類炸藥具有沖擊感度低、安全性能好、爆速和爆壓高、爆轟可靠性好、成本低等諸多優(yōu)勢，可用來替代TNT、B、Tritonal、奧梯炸藥、黑梯炸藥等現(xiàn)有的傳統(tǒng)熔鑄炸藥。

1.3 挪威推出MCX系列DNAN基熔鑄炸藥配方

2015年，挪威納莫·勞福斯公司披露了一項(xiàng)研究成果，即設(shè)計(jì)出MCX 6100和MCX 8100兩種含DNAN的熔鑄炸藥配方，主要性能見表5[22]。

表5 挪威兩種DNAN基熔鑄炸藥配方的主要性能

其中，MCX 6100配方組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：53%NTO、32%DNAN和15%RDX；MCX 8100配方組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：53%NTO、35%DNAN和12%HMX。通過性能表征和不敏感試驗(yàn)，最終選定MCX 6100作為155mm不敏感炮彈的炸藥主裝藥。

1.4 波蘭研制DNAN基熔鑄炸藥配方

2012～2014年，波蘭軍事技術(shù)大學(xué)[23]制備了一種DNAN基熔鑄炸藥配方并完成熱、感度和爆轟等性能的表征。該炸藥配方組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：40%DNAN、20%RDX、40%NTO，其中NTO使用了125～160μm和250～300μm兩種粒徑。

研究結(jié)果顯示，該熔鑄炸藥密度為1.635g/cm3；實(shí)測爆速為7200±200m/s，計(jì)算爆速為7143m/s；凹痕深度為6.64mm；實(shí)測爆壓為22.0GPa，計(jì)算爆壓為19.92GPa；撞擊感度為25J[23]。研究發(fā)現(xiàn)，炸藥試樣的爆炸威力與密度、爆速成正比，雖然爆速低于相應(yīng)的TNT基配方，導(dǎo)致其金屬加速能力比TNT降低了25%左右，但其撞擊感度則更優(yōu)。

2 DNAN基熔鑄炸藥制備工藝研發(fā)現(xiàn)狀

近年來，美國IMX熔鑄炸藥制備工藝技術(shù)研發(fā)穩(wěn)步推進(jìn)，其工業(yè)化規(guī)模和能力代表了當(dāng)前最高水平。2018～2020年，美陸軍啟動(dòng)“IMX炸藥生產(chǎn)建筑設(shè)計(jì)”項(xiàng)目，用以在霍爾斯頓陸軍彈藥廠B區(qū)設(shè)計(jì)第二條IMX炸藥生產(chǎn)線，使該廠IMX炸藥年產(chǎn)能從300萬磅提高到800萬磅[24-25]。

2.1 IMX-101炸藥的工業(yè)化制備技術(shù)

近年來，IMX-101炸藥制備技術(shù)研發(fā)進(jìn)展快速，美國已率先突破工業(yè)化制備技術(shù)。2006年，美國霍爾斯頓陸軍彈藥廠獲得IMX-101炸藥1200磅批產(chǎn)規(guī)模的基準(zhǔn)參數(shù)；2009年，該廠實(shí)現(xiàn)IMX-101工業(yè)化生產(chǎn)并建成一條連續(xù)化裝藥新生產(chǎn)線，批產(chǎn)量約546kg[26]，這條生產(chǎn)線還可生產(chǎn)DNAN基PAX炸藥；2011～2012年，該廠對IMX-101現(xiàn)有工藝和生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化與現(xiàn)代化改造，提高了生產(chǎn)效率、改善了產(chǎn)品的一致性并縮短了加工周期[27]，即：熔融釜周轉(zhuǎn)時(shí)間從近7h縮短到5h，日產(chǎn)能從3/4批提高到6/7批，批產(chǎn)量從約546kg提高到656kg。同時(shí)，美陸軍通過了IMX-101炸藥的MIL-DTL-32357國防部標(biāo)準(zhǔn)，明確了IMX-101的制備和驗(yàn)收要求及可采用的試驗(yàn)。

2016～2017年，美陸軍啟動(dòng)“在500磅級炸彈中裝填含鋁IMX-101(AlIMX-101)炸藥”項(xiàng)目[28]，開發(fā)并確定了AlIMX-101炸藥裝藥的工藝參數(shù)和澆鑄參數(shù)，該裝填工藝具有安全、高效等優(yōu)勢，適用于BLU-111系列500磅級通用炸彈，項(xiàng)目完成后將轉(zhuǎn)讓給麥克阿萊斯特陸軍彈藥廠建線。

2.2 IMX-104炸藥的工業(yè)化制備技術(shù)

IMX-104炸藥可用于替代B炸藥，其制備技術(shù)在美國得到快速發(fā)展。迄今，美國霍爾斯頓陸軍彈藥廠已實(shí)現(xiàn)片狀I(lǐng)MX-104炸藥的工業(yè)化生產(chǎn)，批產(chǎn)量為590kg，工藝流程涉及DNAN熔化、加料、混合、澆鑄、制片等工序[29]。2011年，美國陸軍武器研究發(fā)展與工程中心啟動(dòng)了IMX-104炸藥制造技術(shù)計(jì)劃[30]，一方面是優(yōu)化霍爾斯頓陸軍彈藥廠的IMX-104工藝，另一方面對該廠現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行改造，旨在提高產(chǎn)品質(zhì)量，保證不敏感彈藥性能的同時(shí)，降低生產(chǎn)成本。改造后，該廠片狀I(lǐng)MX-104生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力得到大幅提高，最大批產(chǎn)能從590kg提高至680kg，年產(chǎn)能提高1.5倍而達(dá)到1770噸，成本降低20%[31]。2013年，美陸軍編制了IMX-104炸藥的MIL-DTL-32425國防部標(biāo)準(zhǔn)，明確了該炸藥的制備和驗(yàn)收要求及可采用的試驗(yàn)。

同時(shí)，粒狀I(lǐng)MX-104炸藥在美國霍爾斯頓陸軍彈藥廠業(yè)已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。2013年，英國BAE系統(tǒng)公司與美國霍爾斯頓陸軍彈藥廠聯(lián)合完成了粒狀I(lǐng)MX-104炸藥的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模、中等規(guī)模、大規(guī)模制備研究[32]，采用氟化碳?xì)浠衔锎嫠晒χ频昧钫ㄋ帲a(chǎn)能從實(shí)驗(yàn)室級放大到22.68kg級中試規(guī)模再到226.8kg級工業(yè)化規(guī)模，其產(chǎn)品形態(tài)較好，熔點(diǎn)約為90.4℃，起始分解溫度為206℃，堆積密度為1.02g/cm3，撞擊感度大于200cm，摩擦感度為254.6N，濕度為0.03%，真空安定性為0.07mL/g，上述性能均符合IMX-104炸藥規(guī)范要求。2012年，美陸軍啟動(dòng)“改進(jìn)粒狀I(lǐng)MX-104炸藥制備工藝”項(xiàng)目研究[33],旨在開發(fā)并優(yōu)化粒狀I(lǐng)MX-104炸藥的大規(guī)模淤漿包覆生產(chǎn)工藝，在確保炸藥性能不變的同時(shí)，降低生產(chǎn)成本。2015年，美陸軍開發(fā)出適于壓裝的粒狀I(lǐng)MX-104炸藥的制備新工藝，批產(chǎn)量為56.7kg級[34]；2016年，美陸軍完成粒狀I(lǐng)MX-104炸藥制備工藝改進(jìn)項(xiàng)目，開發(fā)并優(yōu)化了粒狀I(lǐng)MX-104炸藥的大規(guī)模淤漿包覆生產(chǎn)工藝，在確保炸藥性能不變的同時(shí)，降低生產(chǎn)成本[35]。該工藝首先用氟化烴基淤漿包覆體系對NTO進(jìn)行包覆處理，從而解決了NTO極易溶于水的問題；通過調(diào)整攪拌速度，可獲得不同粒徑的IMX-104炸藥。同年，美國霍爾斯頓陸軍彈藥廠采用該新工藝制得226.8kg(500lb)粒狀I(lǐng)MX-104炸藥，用以進(jìn)行能量及在M795式155mm不敏感榴彈上的鑒定。結(jié)果表明，該新工藝用于制備粒狀I(lǐng)MX-104炸藥是可行的，且重復(fù)性好。

2.3 DNAN基炸藥環(huán)境健康評估及進(jìn)展

2013年，美國戰(zhàn)略環(huán)境研究發(fā)展計(jì)劃啟動(dòng)了IMX-101和IMX-104等DNAN基不敏感炸藥環(huán)境健康標(biāo)準(zhǔn)研究，旨在獲取完整的相關(guān)毒性數(shù)據(jù)用以確定環(huán)境導(dǎo)則的基準(zhǔn)值，以便制定更加準(zhǔn)確、適時(shí)的毒性數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[36]。2014年，美國西弗吉尼亞大學(xué)披露IMX-101炸藥各組分的生物降解性研究結(jié)果[37]，發(fā)現(xiàn)DNAN、NTO和NQ 3種組分可發(fā)生同步有氧降解，而且其降解產(chǎn)物可用作氮肥原料。2016年，美國環(huán)境系統(tǒng)中心開展了IMX炸藥配方中的DNAN和NTO在Fe-Cu雙金屬體系下還原降解的特性和產(chǎn)物研究，觀測到DNAN降解過程中的氨基中間體、氨基硝基茴香醚等降解產(chǎn)物[38]。2017年，美國陸軍公共健康中心與阿伯丁試驗(yàn)場聯(lián)合完成了IMX-101炸藥毒性研究，結(jié)果顯示，DNAN的毒性小于TNT，每日大劑量口服NTO會(huì)影響動(dòng)物的繁殖力，硝基胍毒性較低[39]。2018年，英國克蘭費(fèi)爾德(Cranfield)大學(xué)研究了IMX-101炸藥組分在土壤中的環(huán)保特性，觀測到DNAN和NTO在土壤中發(fā)生快速降解，而且DNAN、NTO和NQ彼此間也未發(fā)生任何有害反應(yīng)[40]。2013年，加拿大國防研究與發(fā)展局開展了DNAN的生態(tài)毒理性評估，結(jié)果表明，DNAN對蚯蚓和植物的毒性均小于TNT[41]。上述研究成果有助于評估IMX-101炸藥及其組分持續(xù)生產(chǎn)與應(yīng)用所涉及的整體環(huán)境影響、安全及職業(yè)健康。

3 DNAN基熔鑄炸藥裝備應(yīng)用現(xiàn)況

有了DNAN及其炸藥配方的工業(yè)化制備技術(shù)與能力的保障，美國率先把DNAN基新型不敏感熔鑄炸藥推向裝備應(yīng)用。2010年，美陸軍采用IMX-101炸藥替代TNT作為1200枚M795式炮彈的主裝藥，開啟了DNAN基炸藥應(yīng)用新時(shí)代。2013年，美陸軍IMX-104不敏感熔鑄炸藥技術(shù)規(guī)范也正式出爐，表明替代B炸藥的DNAN基非梯熔鑄炸藥全面進(jìn)入大規(guī)模推廣應(yīng)用階段。迄今，美國有多種配方已進(jìn)入裝備應(yīng)用，包括PAX-21[42]、PAX-41和PAX-48[43]以及IMX-101和IMX-104[44]等，其中IMX炸藥的應(yīng)用最為廣泛。

3.1 IMX-101炸藥的應(yīng)用現(xiàn)狀

自2010年以來，美國陸軍和海軍就開始大量裝備IMX-101炸藥，采購量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表6[24-25,45-48]。

表6 美國陸軍和海軍IMX-101炸藥采購量統(tǒng)計(jì)

從表6可以看出，美國陸軍和海軍對IMX-101炸藥的采購量逐年增大，而海軍采購量明顯高于陸軍，這表明美國海軍彈藥已大規(guī)模裝備IMX-101炸藥以提高航母、艦艇等大型海上作戰(zhàn)平臺的安全性。

當(dāng)前，IMX-101炸藥主要用于裝填美陸軍M1式105mm榴彈、M1122式155mm訓(xùn)練彈、M795式155mm榴彈和海軍的155mm DA54榴彈[49-54]。美國海軍稱，雖然在換裝IMX-101不敏感炸藥后，155mm榴彈單價(jià)較之前提高了50%，但不敏感性能提高帶來的訓(xùn)練、使用、運(yùn)輸和儲存安全性方面的改善更為明顯，是確保海軍有效執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的關(guān)鍵。

3.2 IMX-104炸藥的推廣應(yīng)用

2010年，美陸軍武器研究發(fā)展與工程中心炸藥研發(fā)部完成了IMX-104炸藥的一系列不敏感彈藥試驗(yàn)并定型，并在美國霍爾斯頓陸軍彈藥廠實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模生產(chǎn)[55]；2011年，完成了該炸藥在81mm迫擊炮實(shí)彈上的系統(tǒng)級鑒定；2012年，完成了在60、120mm迫擊炮實(shí)彈上的系統(tǒng)級鑒定。鑒于IMX-104炸藥具有理想的不敏感性能，美陸軍啟動(dòng)用作60～120mm迫擊炮彈和M2A4聚能裝藥主裝藥的評價(jià)研究。目前，美軍正加緊在各類迫擊炮彈藥上推廣應(yīng)用IMX-104炸藥以替代B炸藥。

當(dāng)前，IMX-104炸藥主要用于裝填美陸軍M720A1式60mm迫擊炮彈、M889A2和M821式81mm炮彈的炸藥主裝藥，M795式155mm不敏感榴彈的導(dǎo)爆藥，以及美海軍C868和C869式81mm炮彈的炸藥主裝藥。2018和2019財(cái)年，美陸軍的IMX-104炸藥采購量分別為143.4噸和176.8噸；海軍在2018財(cái)年暫停采購后的2019財(cái)年的采購量為50.1噸，主要用作迫擊炮彈的炸藥主裝藥。

4 結(jié)束語

DNAN基熔鑄炸藥具有不敏感、能量高、成本低、工藝簡單、易于加工等優(yōu)勢，可用作替代TNT、B炸藥的一種通用低成本不敏感炸藥而成為不敏感彈藥的新型主裝藥。美國DNAN基熔鑄炸藥技術(shù)發(fā)展最為迅速，多種配方研制成功并已裝備部隊(duì)，同時(shí)不斷優(yōu)化制備工藝并建成多條工業(yè)化生產(chǎn)線，率先實(shí)現(xiàn)大口徑炮彈主裝藥的全面換裝，大幅提升了常規(guī)彈藥的使用安全性，并降低了彈藥的全壽命周期成本。澳大利亞、挪威、波蘭等國也在大力發(fā)展DNAN基炸藥并取得諸多進(jìn)展。密切跟蹤國外研發(fā)動(dòng)向并挖掘先進(jìn)技術(shù)途徑，對于我國加快發(fā)展DNAN基熔鑄炸藥技術(shù)具有重要的借鑒和啟發(fā)意義。

建議應(yīng)加強(qiáng)以下幾方面研究：(1)DNAN基炸藥技術(shù)的研發(fā)是一項(xiàng)復(fù)雜工程，宜從配方設(shè)計(jì)、工業(yè)化制備、性能測試、鑒定試驗(yàn)和裝備應(yīng)用等多個(gè)方面系統(tǒng)推進(jìn)，同時(shí)兼顧環(huán)境健康評估；(2)制備工藝技術(shù)直接影響DNAN基炸藥產(chǎn)品的品質(zhì)，采用氟化碳?xì)浠衔锎嫠脑炝９に噷⑹橇領(lǐng)MX-104炸藥的一種理想工藝而應(yīng)得到大力發(fā)展；(3)DNAN基熔鑄炸藥在大口徑榴彈和迫擊炮彈中的良好應(yīng)用效果，已顯現(xiàn)出它作為一種高性能炸藥所具有的廣闊發(fā)展前景，宜加快推進(jìn)DNAN基熔鑄炸藥應(yīng)用技術(shù)研發(fā)；(4)DNAN基炸藥配方設(shè)計(jì)是各國最活躍的研究方向，可替代TNT和B炸藥的DNAN基不敏感混合炸藥已達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用水平，對于推動(dòng)安全彈藥發(fā)展、提升作戰(zhàn)平臺和武器系統(tǒng)的使用安全性以及作戰(zhàn)人員的戰(zhàn)場生存力都具有積極的意義，宜進(jìn)一步加強(qiáng)DNAN基炸藥配方設(shè)計(jì)工作。