国外二硝基茴香醚基炸药发展现状

彭翠枝，李 彤，毛长勇，范夕萍，凌 剑，秦 涧

(1. 北方科技信息研究所，北京 100089；2.泸州北方化学工业有限公司，四川 泸州 646005)

引 言

二硝基茴香醚(DNAN)是当前备受关注的一种不敏感新型熔铸介质，可用于替代TNT，在不敏感弹药中具有广泛的应用前景。与TNT、B炸药等传统熔铸炸药相比，DNAN基熔铸炸药具有以下优势：感度低，使用更加安全；便于去军事化处理并可回收利用，更加绿色环保；加工时收缩量小、冷却快、不需反复加热，更易于加工。近些年来，美国率先实现DNAN军用工业化生产，成功开发出多种DNAN基炸药配方并已大量装备不敏感弹药。澳大利亚、波兰和加拿大等国也积极跟进研究，业已取得一些新进展。

目前，我国DNAN炸药正处于配方设计研发阶段，其规模化制备及应用关键技术亟待攻克。从配方、制备、应用和环境健康等方面综合阐述DNAN基熔铸炸药的国外主要研发动态和最新进展，了解把握当前技术现状和应用方向，对于推动我国DNAN基炸药技术创新发展具有重要的参考意义。

1 DNAN基熔铸炸药配方研发现状

当前，国外DNAN基熔铸炸药研发较为活跃，美国、澳大利亚、挪威和波兰等国研究人员已完成多项研究，形成PAX、IMX、ARX、MCX等系列DNAN基炸药配方，有些配方已达到实用化水平。

1.1 美国推出两大系列DNAN基熔铸炸药配方

进入21世纪以来，美国先后设计出PAX系列DNAN基炸药配方[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，配方组成及用途见表1[1]。

表1 美国PAX系列DNAN基炸药配方组成及用途

PAX系列配方的不敏感性能明显优于TNT和B炸药，能量相当甚至更优，其中PAX-26的能量高达B炸药的1.62倍。迄今，PAX-21、PAX-34和PAX-48炸药已在美国霍尔斯顿陆军弹药厂实现批量化生产，批产能为544.8kg。

自2005年以来，美陆军启动“通用低成本不敏感炸药”项目[2-8]，最终设计并开发出符合要求的IMX-101和IMX-104两种DNAN基熔铸炸药，且分别以M795式155mm榴弹和120mm迫击炮弹作为试点完成了性能表征及定型试验、不敏感弹药试验[9]和实弹中的起爆试验[10]。表2列出了美国几种典型DNAN基炸药配方的主要性能参数[11-13]。

表2 美国几种DNAN基炸药配方的主要性能

美国通用动力公司武器与战术系统公司[14]研制出一种DNAN基含铝熔铸炸药配方OSX-12并进行工艺研究，其配方组分包括DNAN、NTO、RDX和Al，可替代PAX-28炸药用作杀爆战斗部的主装药。2012年，该公司加拿大分公司[15]完成了OSX-12配方的性能表征、黏度测试和沉降试验，其爆轰性能测试结果见表3[16-17]。

表3 OSX-12和IMX-104的爆轰性能(相对于B炸药的百分比)

美国阿联特技术系统(ATK)公司Doll等也发明了几种DNAN基低感度熔铸炸药；其中一种配方组成(质量分数)为：34%DNAN、0.25%MNA、30%AP(400μm)、5%RDX(100μm)和30.75% RDX(2μm)[18]；另一种配方组成(质量分数)为：59.75%DNAN、0.25%MNA和40%AP[19]。该炸药的爆炸性能与B炸药相当，但撞击感度和冲击波低，毒性更小，可替代B炸药用作迫击炮弹、手榴弹、炮弹、战斗部和反人员地雷的炸药主装药。

此外，考虑到DNAN基炸药的使用安全性，2014年美国陆军武器研发与工程中心[20]开展了含能材料在熔融DNAN中的溶解性研究，确定了几种含能材料的溶解度为：RDX为14g/100g，HMX为3g/100g，硝基胍、NTO和高氯酸铵的溶解性非常小，如高氯酸铵的溶解度仅为0.08g/100g。

1.2 澳大利亚获得ARX系列DNAN基熔铸炸药

2011年，澳大利亚国防科技局(DSTO)采用DNAN为熔铸介质制得3种低感度新型熔铸炸药——ARX-4027、ARX-4028和ARX-4029。其中，ARX-4027配方组成(质量分数)为：60%RDX、39.75%DNAN和0.25% N-甲基对硝基苯胺(MNA)；ARX-4028配方组成(质量分数)为：70%NTO、29.75%DNAN和0.25%(MNA)；ARX-4029配方组成(质量分数)为：65%NTO、5%RDX、29.75%DNAN和0.25%(MNA)，主要性能见表4[21]。

表4 澳大利亚3种DNAN基炸药配方及其主要性能

这类炸药具有冲击感度低、安全性能好、爆速和爆压高、爆轰可靠性好、成本低等诸多优势，可用来替代TNT、B、Tritonal、奥梯炸药、黑梯炸药等现有的传统熔铸炸药。

1.3 挪威推出MCX系列DNAN基熔铸炸药配方

2015年，挪威纳莫·劳福斯公司披露了一项研究成果，即设计出MCX 6100和MCX 8100两种含DNAN的熔铸炸药配方，主要性能见表5[22]。

表5 挪威两种DNAN基熔铸炸药配方的主要性能

其中，MCX 6100配方组成(质量分数)为：53%NTO、32%DNAN和15%RDX；MCX 8100配方组成(质量分数)为：53%NTO、35%DNAN和12%HMX。通过性能表征和不敏感试验，最终选定MCX 6100作为155mm不敏感炮弹的炸药主装药。

1.4 波兰研制DNAN基熔铸炸药配方

2012～2014年，波兰军事技术大学[23]制备了一种DNAN基熔铸炸药配方并完成热、感度和爆轰等性能的表征。该炸药配方组成(质量分数)为：40%DNAN、20%RDX、40%NTO，其中NTO使用了125～160μm和250～300μm两种粒径。

研究结果显示，该熔铸炸药密度为1.635g/cm3；实测爆速为7200±200m/s，计算爆速为7143m/s；凹痕深度为6.64mm；实测爆压为22.0GPa，计算爆压为19.92GPa；撞击感度为25J[23]。研究发现，炸药试样的爆炸威力与密度、爆速成正比，虽然爆速低于相应的TNT基配方，导致其金属加速能力比TNT降低了25%左右，但其撞击感度则更优。

2 DNAN基熔铸炸药制备工艺研发现状

近年来，美国IMX熔铸炸药制备工艺技术研发稳步推进，其工业化规模和能力代表了当前最高水平。2018～2020年，美陆军启动“IMX炸药生产建筑设计”项目，用以在霍尔斯顿陆军弹药厂B区设计第二条IMX炸药生产线，使该厂IMX炸药年产能从300万磅提高到800万磅[24-25]。

2.1 IMX-101炸药的工业化制备技术

近年来，IMX-101炸药制备技术研发进展快速，美国已率先突破工业化制备技术。2006年，美国霍尔斯顿陆军弹药厂获得IMX-101炸药1200磅批产规模的基准参数；2009年，该厂实现IMX-101工业化生产并建成一条连续化装药新生产线，批产量约546kg[26]，这条生产线还可生产DNAN基PAX炸药；2011～2012年，该厂对IMX-101现有工艺和生产线进行优化与现代化改造，提高了生产效率、改善了产品的一致性并缩短了加工周期[27]，即：熔融釜周转时间从近7h缩短到5h，日产能从3/4批提高到6/7批，批产量从约546kg提高到656kg。同时，美陆军通过了IMX-101炸药的MIL-DTL-32357国防部标准，明确了IMX-101的制备和验收要求及可采用的试验。

2016～2017年，美陆军启动“在500磅级炸弹中装填含铝IMX-101(AlIMX-101)炸药”项目[28]，开发并确定了AlIMX-101炸药装药的工艺参数和浇铸参数，该装填工艺具有安全、高效等优势，适用于BLU-111系列500磅级通用炸弹，项目完成后将转让给麦克阿莱斯特陆军弹药厂建线。

2.2 IMX-104炸药的工业化制备技术

IMX-104炸药可用于替代B炸药，其制备技术在美国得到快速发展。迄今，美国霍尔斯顿陆军弹药厂已实现片状IMX-104炸药的工业化生产，批产量为590kg，工艺流程涉及DNAN熔化、加料、混合、浇铸、制片等工序[29]。2011年，美国陆军武器研究发展与工程中心启动了IMX-104炸药制造技术计划[30]，一方面是优化霍尔斯顿陆军弹药厂的IMX-104工艺，另一方面对该厂现有生产设施进行改造，旨在提高产品质量，保证不敏感弹药性能的同时，降低生产成本。改造后，该厂片状IMX-104生产线的生产能力得到大幅提高，最大批产能从590kg提高至680kg，年产能提高1.5倍而达到1770吨，成本降低20%[31]。2013年，美陆军编制了IMX-104炸药的MIL-DTL-32425国防部标准，明确了该炸药的制备和验收要求及可采用的试验。

同时，粒状IMX-104炸药在美国霍尔斯顿陆军弹药厂业已实现大规模生产。2013年，英国BAE系统公司与美国霍尔斯顿陆军弹药厂联合完成了粒状IMX-104炸药的实验室规模、中等规模、大规模制备研究[32]，采用氟化碳氢化合物代替水成功制得粒状炸药，批产能从实验室级放大到22.68kg级中试规模再到226.8kg级工业化规模，其产品形态较好，熔点约为90.4℃，起始分解温度为206℃，堆积密度为1.02g/cm3，撞击感度大于200cm，摩擦感度为254.6N，湿度为0.03%，真空安定性为0.07mL/g，上述性能均符合IMX-104炸药规范要求。2012年，美陆军启动“改进粒状IMX-104炸药制备工艺”项目研究[33],旨在开发并优化粒状IMX-104炸药的大规模淤浆包覆生产工艺，在确保炸药性能不变的同时，降低生产成本。2015年，美陆军开发出适于压装的粒状IMX-104炸药的制备新工艺，批产量为56.7kg级[34]；2016年，美陆军完成粒状IMX-104炸药制备工艺改进项目，开发并优化了粒状IMX-104炸药的大规模淤浆包覆生产工艺，在确保炸药性能不变的同时，降低生产成本[35]。该工艺首先用氟化烃基淤浆包覆体系对NTO进行包覆处理，从而解决了NTO极易溶于水的问题；通过调整搅拌速度，可获得不同粒径的IMX-104炸药。同年，美国霍尔斯顿陆军弹药厂采用该新工艺制得226.8kg(500lb)粒状IMX-104炸药，用以进行能量及在M795式155mm不敏感榴弹上的鉴定。结果表明，该新工艺用于制备粒状IMX-104炸药是可行的，且重复性好。

2.3 DNAN基炸药环境健康评估及进展

2013年，美国战略环境研究发展计划启动了IMX-101和IMX-104等DNAN基不敏感炸药环境健康标准研究，旨在获取完整的相关毒性数据用以确定环境导则的基准值，以便制定更加准确、适时的毒性数据标准[36]。2014年，美国西弗吉尼亚大学披露IMX-101炸药各组分的生物降解性研究结果[37]，发现DNAN、NTO和NQ 3种组分可发生同步有氧降解，而且其降解产物可用作氮肥原料。2016年，美国环境系统中心开展了IMX炸药配方中的DNAN和NTO在Fe-Cu双金属体系下还原降解的特性和产物研究，观测到DNAN降解过程中的氨基中间体、氨基硝基茴香醚等降解产物[38]。2017年，美国陆军公共健康中心与阿伯丁试验场联合完成了IMX-101炸药毒性研究，结果显示，DNAN的毒性小于TNT，每日大剂量口服NTO会影响动物的繁殖力，硝基胍毒性较低[39]。2018年，英国克兰费尔德(Cranfield)大学研究了IMX-101炸药组分在土壤中的环保特性，观测到DNAN和NTO在土壤中发生快速降解，而且DNAN、NTO和NQ彼此间也未发生任何有害反应[40]。2013年，加拿大国防研究与发展局开展了DNAN的生态毒理性评估，结果表明，DNAN对蚯蚓和植物的毒性均小于TNT[41]。上述研究成果有助于评估IMX-101炸药及其组分持续生产与应用所涉及的整体环境影响、安全及职业健康。

3 DNAN基熔铸炸药装备应用现况

有了DNAN及其炸药配方的工业化制备技术与能力的保障，美国率先把DNAN基新型不敏感熔铸炸药推向装备应用。2010年，美陆军采用IMX-101炸药替代TNT作为1200枚M795式炮弹的主装药，开启了DNAN基炸药应用新时代。2013年，美陆军IMX-104不敏感熔铸炸药技术规范也正式出炉，表明替代B炸药的DNAN基非梯熔铸炸药全面进入大规模推广应用阶段。迄今，美国有多种配方已进入装备应用，包括PAX-21[42]、PAX-41和PAX-48[43]以及IMX-101和IMX-104[44]等，其中IMX炸药的应用最为广泛。

3.1 IMX-101炸药的应用现状

自2010年以来，美国陆军和海军就开始大量装备IMX-101炸药，采购量统计数据见表6[24-25,45-48]。

表6 美国陆军和海军IMX-101炸药采购量统计

从表6可以看出，美国陆军和海军对IMX-101炸药的采购量逐年增大，而海军采购量明显高于陆军，这表明美国海军弹药已大规模装备IMX-101炸药以提高航母、舰艇等大型海上作战平台的安全性。

当前，IMX-101炸药主要用于装填美陆军M1式105mm榴弹、M1122式155mm训练弹、M795式155mm榴弹和海军的155mm DA54榴弹[49-54]。美国海军称，虽然在换装IMX-101不敏感炸药后，155mm榴弹单价较之前提高了50%，但不敏感性能提高带来的训练、使用、运输和储存安全性方面的改善更为明显，是确保海军有效执行作战任务的关键。

3.2 IMX-104炸药的推广应用

2010年，美陆军武器研究发展与工程中心炸药研发部完成了IMX-104炸药的一系列不敏感弹药试验并定型，并在美国霍尔斯顿陆军弹药厂实现了大规模生产[55]；2011年，完成了该炸药在81mm迫击炮实弹上的系统级鉴定；2012年，完成了在60、120mm迫击炮实弹上的系统级鉴定。鉴于IMX-104炸药具有理想的不敏感性能，美陆军启动用作60～120mm迫击炮弹和M2A4聚能装药主装药的评价研究。目前，美军正加紧在各类迫击炮弹药上推广应用IMX-104炸药以替代B炸药。

当前，IMX-104炸药主要用于装填美陆军M720A1式60mm迫击炮弹、M889A2和M821式81mm炮弹的炸药主装药，M795式155mm不敏感榴弹的导爆药，以及美海军C868和C869式81mm炮弹的炸药主装药。2018和2019财年，美陆军的IMX-104炸药采购量分别为143.4吨和176.8吨；海军在2018财年暂停采购后的2019财年的采购量为50.1吨，主要用作迫击炮弹的炸药主装药。

4 结束语

DNAN基熔铸炸药具有不敏感、能量高、成本低、工艺简单、易于加工等优势，可用作替代TNT、B炸药的一种通用低成本不敏感炸药而成为不敏感弹药的新型主装药。美国DNAN基熔铸炸药技术发展最为迅速，多种配方研制成功并已装备部队，同时不断优化制备工艺并建成多条工业化生产线，率先实现大口径炮弹主装药的全面换装，大幅提升了常规弹药的使用安全性，并降低了弹药的全寿命周期成本。澳大利亚、挪威、波兰等国也在大力发展DNAN基炸药并取得诸多进展。密切跟踪国外研发动向并挖掘先进技术途径，对于我国加快发展DNAN基熔铸炸药技术具有重要的借鉴和启发意义。

建议应加强以下几方面研究：(1)DNAN基炸药技术的研发是一项复杂工程，宜从配方设计、工业化制备、性能测试、鉴定试验和装备应用等多个方面系统推进，同时兼顾环境健康评估；(2)制备工艺技术直接影响DNAN基炸药产品的品质，采用氟化碳氢化合物代替水的造粒工艺将是粒状IMX-104炸药的一种理想工艺而应得到大力发展；(3)DNAN基熔铸炸药在大口径榴弹和迫击炮弹中的良好应用效果，已显现出它作为一种高性能炸药所具有的广阔发展前景，宜加快推进DNAN基熔铸炸药应用技术研发；(4)DNAN基炸药配方设计是各国最活跃的研究方向，可替代TNT和B炸药的DNAN基不敏感混合炸药已达到大规模应用水平，对于推动安全弹药发展、提升作战平台和武器系统的使用安全性以及作战人员的战场生存力都具有积极的意义，宜进一步加强DNAN基炸药配方设计工作。