固體推進劑老化性能研究進展

羅濤　陳芳　宋文

摘 要：對固體推進劑的老化性能進行深入研究和分析，對固體推進劑的安全儲存壽命進行預(yù)測，有助于彈藥的安全儲存。本文首先對固體推進劑老化性能進行研究，然后闡述了固體推進劑研究對計算機模擬方法的運用，具有重要意義。

關(guān)鍵詞：固體推進劑；老化性能；研究進展

1 固體推進劑儲存壽命的有效預(yù)測

到目前為止，在對推進劑的儲存壽命進行預(yù)估時，國內(nèi)外大多數(shù)專家均選用半經(jīng)驗公式，將Arrhenius方程作為主要工具，將溫度、時間和固體推進劑之間的關(guān)系作為主要依據(jù)，對一種較為合適的性能評定參數(shù)進行選取，如凝膠百分?jǐn)?shù)、強度、延伸率、模量等，以對固體推進劑的儲存壽命預(yù)估模型進行構(gòu)建，對固體推進劑的儲存壽命進行預(yù)估，最后可靠性分析固體推進劑預(yù)估的儲存壽命。隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，眾多科研人員的不斷努力，到目前為止，我國已經(jīng)出現(xiàn)不少新型固體推進劑儲存壽命的預(yù)估模型，對預(yù)估精度進行了有效提高，具有越來越高的使用價值。例如，華路等人通過有效結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法，構(gòu)建出遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以對固體推進劑的力學(xué)性能進行有效預(yù)估，通過對這種模型進行運用，對某一種固體推進在各種不同的時間、濕度、溫度下的彈性模量、抗拉強度、延伸率進行預(yù)測，同時和試驗結(jié)果進行對比，研究結(jié)果為這種新模型能夠較為準(zhǔn)確預(yù)估固體推進劑的儲存壽命，具有較強的泛化能力，實驗結(jié)果和計算機仿真結(jié)果能夠是比較一致的，這對研究固體火箭發(fā)動機結(jié)構(gòu)的完整性課題來說是非常有用的。針對環(huán)境條件和固體推進劑力學(xué)性能之間存在的復(fù)雜關(guān)系，通過運用新型預(yù)估模型能夠?qū)ζ溥M行有效模擬，這種模型的預(yù)估精度比較高，無需進行大量試樣，適用規(guī)模大，研究周期時間比較短，有助于固體火箭發(fā)動機可靠性的進一步研究。

2 固體推進劑老化性能的研究

2.1 固體推進劑的老化機理

固體推進的老化機理，包括兩種類型，即化學(xué)老化、物理老化。其中，化學(xué)老化，就是指在固體推進進進行儲存過程中，推進劑內(nèi)部組分自動出現(xiàn)一些化學(xué)反應(yīng)和變化，包括黏合劑的氧化交聯(lián)、后固化、熱分解、水解等；物理老化，就是指在固體推進劑在儲存過程中發(fā)生物理性質(zhì)變化的規(guī)律，包括增塑劑的遷移、晶組分的晶析、襯層和推進劑之間的脫黏等。固體劑在發(fā)生老化現(xiàn)象以后，自身的化學(xué)安定性和能量會出現(xiàn)下降現(xiàn)象，進而不能夠滿足使用要求，不再具備使用價值，在發(fā)動機工作過程中，如果運用老化的藥柱，常常會發(fā)生安全事故。通過深入研究在最近幾年關(guān)于固體推進劑老化機理的研究結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)，固體推進劑因受多種不同因素的影響，包括應(yīng)力狀態(tài)、儲存環(huán)境等，隨著時間的推移，固體推進劑的個組分便會發(fā)生化學(xué)老化或者物理老化反映，導(dǎo)致固體推進劑的結(jié)構(gòu)合組分發(fā)生變化，降低化學(xué)安定性，無法滿足使用指標(biāo)要求。

2.2 固體推進老化性能的影響因素

固體推進劑老化性能的內(nèi)部影響因素主要取決于固體推進自身的力學(xué)性能、組成、結(jié)構(gòu)。劉雪等人通過選用減量法，通過進行不同溫度下的熱老化試驗，對4種不同配方HTPB推進劑的熱安定性的變化規(guī)律進行了深入研究，研究表明，不同配方的HTPB推進劑，其熱安定性規(guī)律、特征分解規(guī)律都是比較類似的，這對HTPB推進劑庫房儲存性能的預(yù)估來說，具有非常高的參考價值和利用價值。

固體推進劑老化性能的外部影響因素，包括環(huán)境濕度、環(huán)境溫度等。朱慧等人將某一種固體推進劑加速老化性能的實驗結(jié)果作為主要依據(jù)，對傳統(tǒng)兩步回歸、整體預(yù)測法等方法進行選用，對分別在15℃和20℃下的推進劑儲存壽命進行有效預(yù)測，研究結(jié)果表明，固體推進劑的儲存壽命在環(huán)境溫度的小規(guī)模變化情況下受到的影響是非常顯著的。

3 固體推進劑研究對計算機模擬方法的運用

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，利用有關(guān)基本原理所構(gòu)建出來的一套數(shù)學(xué)模型和算法，以能夠?qū)侠淼姆肿有袨椤⒎肿咏Y(jié)構(gòu)進行計算的方法，極為計算機模擬。對于分子模擬，它不但能夠?qū)Ψ肿芋w系的動態(tài)行為進行有效模擬，而且能夠?qū)Ψ肿拥撵o態(tài)結(jié)構(gòu)進行有效模擬。隨著我國計算機技術(shù)水平的不斷提高，在其他相關(guān)領(lǐng)域中，也廣泛使用了分子模擬技術(shù)，包括高分子材料學(xué)、無機材料的研發(fā)等。在最近幾年中，人們在深入研究后固體推進的微觀方面相關(guān)內(nèi)容時，越來越青睞于計算機模擬技術(shù)，他們希望能夠通過利用計算機模擬技術(shù)，以對固體推進劑老化行為進行有效解釋和說明。姚軍等人將化學(xué)方法理論作為主要依據(jù)，對半經(jīng)驗算法進行有效結(jié)合，深入計算了氣相狀態(tài)的硝酸異丙酷分別在堿性條件和熱分解條件中的水解路徑和反應(yīng)機理，同時和實驗值進行了比較，研究后發(fā)現(xiàn)，通過利用量化方法，可以對推進劑的分解路徑進行有效預(yù)測和計算。針對固體推進劑在存儲過程產(chǎn)生的老化現(xiàn)象，通過運用計算機模擬技術(shù)，人們能夠從微觀層面對其進行詳細(xì)解釋，進而能夠有效聯(lián)系固體推進進的微觀現(xiàn)象和宏觀化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象。通過利用計算機模擬技術(shù)，能夠?qū)ξ⒂^反應(yīng)路徑進行有效構(gòu)建，對反映中間過程進行有效推演，能夠更為深入研究固體推進進行發(fā)生的多種反映現(xiàn)象，對未知反應(yīng)進行有效預(yù)測。

參考文獻：

[1]任寧莉，趙新強，鄧凱，余志剛.HTPB固體推進劑老化性能檢測新方法[J].推進技術(shù)，2016（05）.

[2]楊萬均，魏小琴，黃文明，余淑華.HTPB類推進劑熱安定性的共性規(guī)律研究[J].裝備環(huán)境工程，2017（03）.

[3]李進賢，莫文賓，唐金蘭.固體推進劑力學(xué)性能預(yù)估研究[J].計算機仿真，2016（01）.