彭翠枝，范夕萍，任晓雪，张 培，王敬念，王 昕

（北方科技信息研究所，北京100089）

引 言

火炸药技术是国防科技工业领域的一项关键技术，相关技术研发动向备受各国关注。近年来，美、法、德、印等国高度重视先进含能材料技术的开发，并致力发展能量高、感度低、综合性能好的高性能火炸药，以及高效、安全、环保的制造工艺和装药技术，大力推动火炸药新品种、新配方在武器装备中的应用，力求满足高新武器装备发展对火炸药技术提出的新需求。

从近期的研究动态来看，富氮化合物、高能低感度火炸药技术、高效合成与绿色制备工艺、先进发射装药技术，以及火炸药新概念与新技术是各国发展的重点和热点。本文综合分析了国外火炸药技术的发展动向、研究动态和最新进展，为及时把握当前重点方向并挖掘前瞻性技术，并推动我国火炸药领域的科技创新提供参考。

1 二硝基茴香醚基熔铸炸药的装备应用

二硝基茴香醚（DNAN）是当前国外研究较为活跃的一种新型熔铸介质，尤其是美国，已实现工业化生产，年产能约为1.1 万吨，并推出了PAX-21、PAX-34、IMX-101、IMX-104 等一系列新配方。澳大利亚、波兰也开展了ARX-4027、ARX-4028和ARX-4029等DNAN 基熔铸炸药研究［1］。这类新型熔铸炸药主要有以下优点：感度低；便于去军事化处理并可回收利用；加工时收缩量小、冷却快、不需反复加热，因此比传统熔铸炸药更易于加工。在生产成本方面，虽然目前高于TNT，但在可接受的范围之内；随着批量化生产规模的不断扩大，并考虑整个寿命周期的维护成本，总成本的降低将是必然的。

IMX-101炸药是美国霍斯顿陆军弹药厂最新研制的一种低成本DNAN 基不敏感熔铸炸药，配方为（质量分数）：40%DNAN、40%硝基胍（NQ）和20%3-硝基-1，2，4-三唑-5-酮（NTO）。2010年，美国陆军基于IMX-101炸药定型试验结果，用IMX-101炸药替代TNT 作为1 200枚M795式155mm榴弹的主装药，2011年开始转入大规模生产并装备陆军和海军陆战队。这标志着IMX-101炸药成功用作大口径榴弹的新型主装药，并率先在美国装备部队。除M795式榴弹外，美陆军还将该炸药用作M1式105mm 炮弹和M107式155mm 训练弹的新型主装药；同时在M1E1式105mm 炮弹、M1122式155mm 训练弹上加紧进行评价与定型试验［2］。

IMX-104炸药是美国新开发的一种DNAN 基新型熔铸炸药，用于替代B 炸药，其配方为（质量分数）：31.7%DNAN、53%NTO 和15.3%RDX。2010～2012年，美国陆军先后完成了IMX-104 炸药的一系列不敏感弹药试验并定型、81mm 迫击炮实弹的系统级鉴定及60mm、120mm 迫击炮实弹的系统级鉴定工作，最终将该炸药用作美国陆军迫击炮弹的新型主装药。2012年，美国陆军对其霍尔斯顿陆军弹药厂的IMX-104炸药生产工艺进行了优化，包括改进DNAN 进料方法，加快组分进料速度，缩短混合时间等，将批产量从590kg提高到680kg；同时对现有生产设施进行了现代化改造［3］。

美国将IMX-101和IMX-104炸药率先应用于装备，开启了二硝基茴香醚基不敏感熔铸炸药的应用时代，其意义在于：（1）标志着传统熔铸炸药的换装计划正式启动；（2）推动了不敏感弹药的装备进程；（3）大幅提升武器弹药的使用安全；（4）有效降低弹药全寿命周期的维护成本。

2 火炸药绿色与安全工艺技术

2.1 火炸药绿色合成与制造工艺技术

2011年，英国采用新型绿色硝化剂五氧化二氮（N2O5）与低温连续流动硝化技术相结合的方法，推出了TNT 清洁生产新工艺。该工艺通过区位选择性定向硝化，将甲苯一段硝化中的间-硝基甲苯质量分数从4%降至1.3%～1.5%，不用亚硫酸盐处理即可获得军用Ⅰ型TNT，避免了红水的生成，而且二氯甲烷经液氮低温冷凝工艺可实现回收再利用，这项工艺使TNT 生产过程基本实现无污染，产品质量也明显提高［4］。

近年来，美国、伊朗针对绿色、高效的CL-20合成路线与工艺技术开展了大量研究。例如，美国阿连特技术系统公司采用以四乙酰基六氮杂异伍兹烷游离二胺（TADA）为前体并经硝化、转晶的新工艺扩大了CL-20 的生产规模，批产量为200kg。2010～2011年，印度、伊朗相继推出了以四乙酰基六氮杂异伍兹烷（TAIW）为原材料的CL-20绿色硝化合成新路线。其中，印度以硝／硫混酸为硝化剂，制备出粒度为150μm、纯度为98%、得率为85%的CL-20；伊朗则以四氧化二氮为硝化剂，得率为97%，纯度为99%［5］。2012年，伊朗以杂多酸为硝化剂和催化剂，开发出一条以TAIW 为起始原料的CL-20合成环保新工艺，并获得最佳合成工艺参数：反应温度85℃，硝酸浓度98%，催化剂优选H3PW12O40，硝酸与H3PW12O40的最佳用量比为10mL∶0.05g［6］。

CL-20合成与工艺技术的不断发展，有效解决了经济可承受性和大量装备应用的问题，对于促进火炸药更新换代、提高武器射程和威力、实现武器装备轻型化、小型化具有关键作用，对电热化学炮等新概念武器的发展也将产生重大影响。

2.2 微化工反应技术应用研究

微化工反应技术是指以微米级结构部件（微反应器）为核心的反应、混合、分离设备以及由这些设备构建的工艺系统，是含能材料制备中的一种本质安全新技术，近年来备受德国关注。2010年，德国ICT 研究院采用微化工反应技术成功合成出新型含能增塑剂DNDA57，并开发了一种逆流微型反应装置，解决了反应过程中反应速率下降的问题［7］。2012年，该研究院对含能增塑剂DNDA57 的合成工艺进行了改进，将新开发的连续液-液相分离器与段塞流毛细管微反应器联合使用，实现了DNDA57的连续合成，并具有混合均匀有效、反应可控、产品重现性好等优势［8］。与此同时，采用远程控制的微化工反应技术实现千克级含能材料的制备，建成了以玻璃制微反应器为核心的全自动、远程控制多用途微化工反应车间，并实现了液态硝酸酯等含能材料的安全合成和后期纯化，生产能力达到150g／min［9］。

除了用于含能材料的合成与制备之外，德国ICT 研究院还将微化工反应技术引入含能材料的造粒工艺中，并开发了连续化的二硝酰胺铵（ADN）造粒新工艺。与传统的间断生产工艺相比，微反应器造粒工艺具有安全性高、操作条件温和、参数设置灵活、粒径分布窄、颗粒外观形貌可控等突出优点。

微化工反应技术是一种全新的过程强化技术，一旦实现工业化应用，该技术将对含能材料的传统生产形式产生颠覆性影响，可使许多反应过程变得更经济、快速、安全和环保。

3 富氮化合物的合成

在新型富氮化合物的开发中，德国慕尼黑大学合成出5-氰基四唑盐、2-甲基-5-硝铵四唑富氮盐和带有N10长链的1，1′-偶氮-双（四唑）等带有四唑环结构的高能富氮化合物，氮长链上的原子数最多达到了10个，爆速最高可达9.18km／s，爆压最高可达36.1GPa［10］。2012年，该大学又成功合成出RDX的替代物5，5′-联四唑-1，1′-二氧化物二羟铵（代号为TKX50）。该炸药的合成得率很高，计算的爆轰性能优于HMX 且接近CL-20，爆速达9.698km／s；热安定性优异，起始分解温度为221℃；与其他混合物的相容性好，且感度低于RDX、HMX 等常用炸药，撞击感度和摩擦感度分别为20J、120N［11］。

美国海军水面作战中心合成出带有5-氨基四唑和2，4，6-三氨基-s-三唑阳离子的两种5，5′-偶氮四唑盐，得率为90%，这类富氮化合物具有较好的热安定性，且撞击感度、摩擦感度、静电放电感度及起爆反应性也较低［12］；美国爱达荷州大学和美国海军研究实验室也先后合成出一系列三唑、四唑类富氮盐，包括含三硝基甲基的聚硝基-1，2，4-三唑盐、5-（1-甲基肼基）四唑及其铜盐、银盐络合物，其中5-（1-甲基肼基）四唑盐的含氮量（质量分数）最高达73.65%。

印度高能材料实验室从理论上探讨了体系结构与性能的关系，并设计出一系列三硝基二唑类、四硝基三唑类、四唑类等含有五元氮杂环结构的富氮化合物，爆速为8.54～9.41km／s，爆压为32.22～41.5GPa［13］；2012年新设计的一系列氨基硝基咪唑类新型富氮化合物，爆速最大达9.15km／s，爆压最高达39.41GPa［14］。

富氮化合物具有广泛的应用前景，应用于炸药配方中，可满足武器装备对更高威力能源的需求；应用于推进剂配方中，可提高火箭、导弹的射程。新型富氮化合物的探索与研究，为高能／超高能含能材料技术发展开辟了更加广阔的新路径。

4 先进发射装药技术

4.1 低温感系数发射药技术

低温感系数发射药是当前各国广泛研究的一种先进发射装药技术，其燃速受环境温度变化的影响不大，因而不会引起弹道性能的显著变化，能够大幅提高武器效率和使用安全性。由于消除发射药的温度敏感性能有效提高火炮性能，德国已把发展低温感系数的高性能发射药技术作为21世纪研究工作的重点之一。

ECL发射药是德国-瑞士硝基化学公司最新推出的一种低温感系数高性能发射药，其主要组分为硝化纤维素，同时还含有一种含能组分和多种惰性组分，通过调整含能组分与惰性组分的质量比，可使发射药的火药力从900J／g（火焰温度2 400K）提高到1 080J／g（火焰温度3 050K）。经过近几年的发展，ECL发射药技术已经成熟，并用于小口径、中口径、迫击炮和105mm 火炮发射弹药，有些弹药通过了鉴定并开始规模化生产［15］。

2010年，韩国自主开发了一种低温感系数发射药，建立了挤出工艺，并成功制备出药柱长度为13.719mm、直径10.99mm、孔径0.161mm 的19孔低温感系数发射药，药柱密度为1.57g／cm3；通过200mL密闭爆发器试验，完成了该低温感系数发射药弹道性能的验证［16］。

4.2 泡沫发射药技术

泡沫发射药是由炸药晶体和含能聚合物黏结而成的一类多孔发射药，可通过采用不同的含能填料、含能聚合物和各种孔状结构来调节能量和材料性能，在模块／层状发射药、可燃药筒／容器、无壳弹等方面有着广泛的应用前景。

德国ICT 研究院完成了泡沫发射药的半连续化远程控制中试线一期工程，建成了二期中试生产线并投产，并采用反应注射成型工艺（RIM）进行了泡沫发射药的试生产，完成了其产品质量的综合评价。2010年，对采用注射模压成型工艺制备的泡沫发射药进行了性能评价，结果显示其力学和内弹道性能非常稳定。2011年，采用泡沫发射药制作了无壳弹用可燃药筒，实弹射击表明，弹丸的枪口初速约为960m／s，最大膛压约为440MPa［17］。

4.3 层状发射药技术

层状发射药是利用燃速不同但有足够化学安定性的相邻几层材料制成的，是按线性燃速渐增原理设计的一种新型高渐增性高密度发射药，其化学能利用率高，装填密度大（通常1.3g／cm3以上），在不加剧身管烧蚀的情况下可增大炮口的动能。

美国研究人员将纳米含能材料引入高能层状发射药中，使发射药的平均火药力提高到1 299J／g；法国研制出NENA 基高能层状发射药，其快燃速配方的燃速为74.7mm／s，慢燃速配方的燃速为37.7～53.7mm／s；荷兰采用计算机软件扩大层状发射药的同步挤出规模，并制备了无孔层状发射药和7孔层状发射药。2011年，美国和英国联合报道了层状发射药的内弹道性能研究结果，制造了145个药柱，完成了大口径火炮系统中的综合评价且取得理想效果［18］。

5 火炸药新概念与新技术探索研究

5.1 毁伤效应可调炸药装药新概念

毁伤效应可调炸药装药是一种适用于可调整战斗部的装药新概念，该装药采用三层结构设计，从内到外依次是中心高能炸药层、中间衰减层和外部含铝炸药层。中心高能炸药层引爆后能产生剧烈冲击波；中间衰减层为活性非爆轰材料，能发生反应但不会爆炸，用以减弱中心高能炸药的爆炸冲击波，避免外部含铝炸药起爆；外部含铝炸药层能发生剧烈燃烧。中心高能炸药层和外部含铝炸药层内均可设起爆装置，并通过选用不同的起爆方式实现不同的毁伤效应。当仅引爆中心炸药层时，采用低附带毁伤高准静态压毁伤模式；当引爆中心炸药层和外部含铝炸药层时，则采用高附带毁伤高峰压毁伤模式。

近年来，英国国防科学技术研究院在英国含能材料研究计划中的创新研究部分设立了专门的研究项目，承研单位是英国奎奈蒂克公司。2011年，毁伤效应可调整战斗部技术获得了世界专利（WO 20111135279 A1）和英国专利（GB 2479966）的保护；2012年，英国奎奈蒂克公司完成了毁伤效应可调炸药装药概念设计，采用三层炸药结构制备出4个质量为2.6kg 的圆柱形炸药试样，药柱直径95mm、高200mm，并通过试验验证了无壳体毁伤效应可调炸药装药概念的可行性［19］。

毁伤效应可调炸药装药适用于大多数高能战斗部，能使单一战斗部具有两种及以上的毁伤效果，可用作可调战斗部的炸药装药。该装药一旦获得实际应用，将实现弹药终端毁伤效应可调，并提高精确打击下的低附带毁伤能力。

5.2 燃烧可控固体推进剂新技术

燃烧可控固体推进剂技术是指燃烧方式可控、燃速可调的先进固体推进剂配方设计及装药技术，可根据实际需要完成点燃或熄灭的自主控制，当前主要有两类：（1）自熄火复合固体推进剂；（2）电控制的钝感固体推进剂。其中，电控制的燃烧／熄火可控固体推进剂已在美国海军微型推进器、直径50.8mm 和76.2mm 发动机上得到了成功验证［20］。

为融合多方优势力量推动该技术的持续发展，2011年美国海军空战中心武器分部、陆军研究发展与工程中心、IQT 风险投资公司等机构先后与美国数字化固体推进公司等有实力的小企业，签订了合作研究与开发协议及战略投资协议，积极探究燃烧可控固体推进剂的反应机理、不敏感性能等，以期在军事领域拓展应用［21］。

美国数字化固体推进公司在2011年设计出HPP高燃速推进剂配方；2012年，又发明了几种高性能的电控制推进剂配方。美国中佛罗里达大学研究出一系列自熄火固体推进剂配方，根据需要多次点燃或熄火，可赋予固体推进系统精确可控的推进能力，且寿命周期内安全性高、分解产物洁净无污染，将提升动能拦截弹的机动能力以及智能武器、精确打击弹药等的射程和安全性［22-23］。

燃烧可控固体推进剂技术兼具推力精确可控、安全、绿色、成本低等诸多优势，是固体推进剂技术发展的重点方向之一。该技术可提高智能增程弹药的灵活推进与远程精确打击能力，改善动能拦截器的快速机动能力进而提高拦截效率。

6 结束语

美陆军率先将DNAN 基不敏感熔铸炸药投入装备应用，有力推进了大口径炮弹炸药主装药的全面换装；CL-20合成与制备工艺技术的创新发展，显著提升了其生产能力，加快第三代炸药的装备应用进程；富氮化合物合成研究接连出新，丰富了高能炸药的品种和技术储备；先进发射装药技术的日趋成熟并推向应用，满足了未来先进火炮提高系统杀伤力和生存力的迫切需求；毁伤效应可调炸药装药新概念的探索研究，将实现弹药终端毁伤效应可调，提高精确打击下的低附带毁伤能力；燃烧可控固体推进剂新技术的推出，赋予固体推进系统精确可控的推进能力，并将有效提升武器系统的射程、不敏感特性及机动能力。上述几大动向反映了国外近期研究所取得的一些重大突破，也代表着当前及未来火炸药技术发展的重点方向。

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