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  含能材料  2016, Vol. 24 Issue (4): 315-317.  DOI: 10.11943/j.issn.1006-9941.2016.04.00X
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引用本文  

张光全, 刘晓波, 黄明. 钝感弹药技术凸显压制工艺的重要性[J]. 含能材料, 2016, 24(4): 315-317. DOI: 10.11943/j.issn.1006-9941.2016.04.00X.

作者简介

张光全e-mail: zgq677@126.com
钝感弹药技术凸显压制工艺的重要性
张光全, 刘晓波, 黄明     
中国工程物理研究院化工材料研究所
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现代武器系统的设计既要注重摧毁目标所需的爆轰能量,又要注重武器系统对意外刺激的感度要求,钝感弹药就是在这种需求下发展起来的。纵观西方国家钝感炸药的研制,他们相当多的努力是放在浇注固化聚合物粘结炸药(PBX)和钝感熔铸炸药的研究之上。

浇注固化工艺开始于20世纪80年代初,后陆续被西方国家广泛采用。浇注固化炸药配方中,粘结剂作为惰性基质包围着炸药粒子,降低了炸药对冲击和热刺激的易损性,其含量一般为10%~15%。在主用RDX和HMX炸药的时代,研制与B炸药爆速(7900 m·s-1)相当的配方较为容易。然而,在今天以3-硝基-1, 2, 4-三唑-5-酮(NTO)为主的钝感弹药时代,研制与B炸药爆速相当的浇注固化炸药配方则较为困难,如炸药配方研究最出色的欧洲含能材料公司(EURENCO)研制的B2267A(I-RDX/NTO/HTPB)和B2268A(I-RDX/NTO/AI/HTPB)两种浇注固化PBXs的爆速也分别只有7680 m·s-1和7440 m·s-1(Nouguez B, MahéB. Insensitive Munitions and Energetic Materials Technology Symposium, Munich Germany, October 11-14, 2010.);再如美国阿连特技术系统公司(ATK)2009年报道了以NTO/RDX/HTPB浇注固化的PBX DLE-C054,爆速达到了8.0 km·s-1,其小口径迫击炮可完全满足IM战术需求,但120 mm大口径迫击炮,在全规模装弹试验中IM反应没有完全达标(Robert Hatch, Paul Braithwaite, Phil Samuels, et al. Insensitive Munitions and Energetic Materials Technology Symposium, Las Vegas, NV, May 14-17, 2012.)。

21世纪以前,在一些金属加速弹头装药和聚能装药中已采用压制配方,如美军采用压制PBXW-17(94RDX/1.5Hytemp/4.5DOA)代替浇注固化PBXN-106(75RDX/18.5BDNPA/F/6.5PEG)(Newman K, Brown S. Proceedings of IM and EM Technology Symposium, NDIA, Tampa, Florida, 6-9 October 1997.),压制PBXN-10(96HMX/3.0Hytemp/1.0DOA,也称PBXW-11)已成为美国海军主要的金属加速炸药(Montesi L J, Alexander K E. IM Technology Symposium, NIMIC Meeting #655, San Diego, 18-21 March 1996.)。与浇注PBXs相比,压制PBXs的高含量(90%~95%)高能炸药固体填料和少量粘结剂(5%~10%),可显著提升配方的爆轰性能。如今,以钝感炸药NTO为主的IM时代,对高爆速配方的需求更为迫切。近来,EURENCO报道NTO和HMX组成的成本适宜的IM压制PBX配方P15636,通过了联合国极不敏感爆炸物(EIDS)试验,在此经验上他们还决定研制由NTO和RDX组成的压制PBX配方P16945(Songy C, Eck G, Chabin P, et al. 2015 Insensitive Munitions & Energetic Materials Technology Symposium, 18-21 May, 2015, Rome, Italy; Stenmark Helen; Eck Geneviève, Chabin Philippe, et al. 2015 Insensitive Munitions & Energetic Materials Technology Symposium, 18-21 May, 2015, Rome, Italy.)。通过不同RDX比例组成不同配方的一系列安全性试验、爆轰性能试验、隔板试验和力学性能试验,最终把P16945配方中的RDX、NTO和粘结剂之比(质量比)确定为20:75:5,参照STANAG 4170标准进行全方位的配方试验后,对该配方进行了90 mm口径MK8的装弹试验,发现完全能够满足动能试验要求,快速烤燃试验和子弹撞击试验都满足了IM要求,其它IM试验还在进行之中,预期能够全面满足STANAG 4439标准的IM要求。P16945配方临界直径为8 mm,爆速7920 m·s-1(1.82 g·cm-3),爆压28.5 GPa,可望替代A3压制配方(91% RDX),用于90 mm口径MK8的装药,目前已放大到600 kg·批-1(Songy C, Eck G, Chabin P, et al. 2015 Insensitive Munitions & Energetic Materials Technology Symposium, 18-21 May, 2015.)。鉴于两种NTO基压制PBX的成功经验,EURENCO打算将来推出更多压制PBX(Eck Geneviève, Chabin Philippe, et al. 2015 Insensitive Munitions & Energetic Materials Technology Symposium, 18-21 May, 2015, Rome, Italy.)。

过去,很少利用高速旋转压制进行熔铸炸药装药,近几年,可替代B炸药的IMX-104(31.7DNAN/53NTO/15.3RDX)(Coulouarn C, Aumasson R, Lamy-Bracq P, et al. 45th International Annual Conference of ICT, Karlsruhe, Germany, June 24-27, 2014, 1-1~1-13.)在美军广泛采用,为了降低加工粘度比B炸药高的这种2, 4-二硝基苯甲醚(DNAN)基熔铸炸药,美陆军在霍尔斯顿陆军弹药厂(HSAAP)尝试利用压制工艺来制造这种钝感熔铸炸药(David Price, Alberto Carrillo, Phillip Samuels, et al. Insensitive Munitions and Energetic Materials Technology Symposium, October 07-10, 2013, San Diego, USA; Alberto Carrillo. Insensitive Munitions and Energetic Materials Technology Symposium, Las Vegas, NV, May 14-17, 2012.)。他们采用与水性能相近的氟化烃部分或全部替代水,制备了IMX-104造型粉颗粒,压制加工得到质量均匀的IMX-104,避免了传统熔铸炸药中粘度对装药质量的影响;最近添加一种微晶蜡(Indramic wax)得到的粒状IMX-104通过高速旋转压制装药,可用作155mm口径M795炮弹的钝感传爆药(Keyur Patel, Philip Samuels, Erik Wrobel, et al. 2015 Insensitive Munitions & Energetic Materials Technology Symposium, 18-21 May, 2015, Rome, Italy.)。目前,HSAAP已具有125磅/批的中试生产线,生成了超千磅粒状IMX-104。无独有偶,EURENCO将低成本TNT基钝感熔铸炸药Ontalite炸药(NTO/TNT/RDX)采用了P16945相同的造粒工艺,制备出了粒状的Ontalite炸药,交付用户压制装药(Eck Geneviève, Chabin Philippe, et al. 2015 Insensitive Munitions & Energetic Materials Technology Symposium, 18-21 May, 2015, Rome, Italy.)。

压制炸药的关键在于造粒。IM所用的炸药有别于以前TNT、RDX或HMX为主的炸药,主要以NTO、DNAN或TNT为主,由于NTO在水中有一定的溶解性,因此不能采用传统的造粒方法。EURENCO针对NTO为主的压制炸药开发出一种水下包覆法(Under-water Coating Process),避免了传统包覆NTO方法出现的包覆隆峰不均匀,既可用于压制PBX的造粒,也可用于熔铸炸药的造粒,图 1为采用该工艺制备的粒状Ontalite炸药(Eck Geneviève, Chabin Philippe, et al. 2015 Insensitive Munitions & Energetic Materials Technology Symposium, 18-21 May, 2015, Rome, Italy.)。为了降低所包覆炸药的感度,除粘结剂外,他们还引入聚乙烯蜡,提高流动性,降低炸药的感度,此方法得到聚乙烯蜡包覆的HMX撞击感度为74.1cm(Stenmark Helen, Eck Geneviève, Chabin Philippe, et al. 2015 Insensitive Munitions & Energetic Materials Technology Symposium, 18-21 May, 2015, Rome, Italy.),而传统蜡包覆HMX的撞击感度则为39.1cm。美国的HSAAP针对NTO和DNAN为主的IMX-104熔铸炸药开发出了代用流淤浆包覆法(Alternate Fluid Slurry Coating Process)(David Price, Alberto Carrillo, Phillip Samuels, et al. Insensitive Munitions and Energetic Materials Technology Symposium, October 07-10, 2013, San Diego, USA; Alberto Carrillo. Insensitive Munitions and Energetic Materials Technology Symposium, Las Vegas, NV, May 14-17, 2012.),他们在现有含铝PBX的制备工艺的基础上,选择了平均分子量为521、熔点为128 ℃、密度1.82 g·cm-3的氟化烃全部或部分替代淤浆包覆法中的水,同时添加了一种微晶蜡来降低DNAN的脆性,制备出IMX-104造型粉颗粒(见图 2)。

图 1 EURENCO制备的NTO/TNT/RDX造型粉颗粒
图 2 HSAAP制备含微晶蜡(Indramic wax)IMX-104造型粉颗粒

高速旋转压制可使炸药粒子破裂,产生热点,提高炸药的感度,特别是冲击波感度,但由于现在IM炸药配方中,增加了NTO的含量,降低了硝胺炸药含量,添加了降感剂,因此,感度的提升在可接受的范围之内。与此相反,压制PBX配方粘结剂含量低和压制熔铸炸药得到的高密度装药,一定程度上还能够弥补NTO取代大部分硝胺炸药造成的能量损失。因此随着压制PBX配方和压制熔铸炸药的应用,压制工艺的重要性就渐渐凸显。如今低感度炸药FOX-7和LLM-105的成本正逐渐降低(Eck Geneviève, Chabin Philippe, Christelle Songy, et al. 2015 Insensitive Munitions & Energetic Materials Technology Symposium, 18-21 May, 2015, Rome, Italy; Dave am Ende, Phil Pagoria, Stephen Anderson, et al. 2015 Insensitive Munitions & Energetic Materials Technology Symposium, 18-21 May, 2015, Rome, Italy.),替代硝胺炸药的可能性渐增,压制配方或许会成为一种主流,压制工艺就理所当然地会成为炸药加工的主流工艺。