基于多任务学习的改性双基推进剂的综合性能预测

为满足改性双基推进剂多性能的综合预测需求,本研究提出基于多任务学习的机器学习策略,综合考虑推进剂组分、含量、压强和的粒度对目标性能的影响,首次构建了包含燃速、比冲、特征速度、摩擦感度和撞击感度在内的RDX-CMDB推进剂综合性能预测模型。通过网格寻参模式优化模型,结合十折交叉验证法比较了十种机器学习算法的建模效果。其中,极限梯度提升回归模型预测性能最优,平均R^(2)可达0.9997;在对6个外部样本的测试中,该模型对5个目标性能的预测误差均在5%以内。结果表明,本研究提出的多任务机器学习模型可在试验样本量不足的情况下,实现推进剂的多个目标性能准确预测,对推进剂的综合性能优化和配方设计具有理论指导意义。

甲基紫试验中改性双基推进剂的热分解机制研究

目的 研究甲基紫试验中含Al改性双基推进剂以及含RDX改性双基推进剂2种典型改性双基推进剂的热分解机理。方法 将这2种典型改性双基推进剂与普通双基推进剂进行对比试验,采用TG-DSC-FTIR-MS联用技术,通过对分解温度、放热量、分解产物等特征参数进行分析,明确3种推进剂的非等温热分解行为。采用微热量热法,在与甲基紫试验相同温度下对3种推进剂进行等温热分解行为研究。结果 含Al改性双基推进剂在程序升温条件下的热质量损失和热分解行为与普通双基推进剂的基本一致。含RDX改性双基推进剂中的NG较其他2种推进剂更易挥发,相应分解反应初期NG分解释放的NO_(2)较少,且在整个热分解反应历程中分2个阶段,含硝酸酯基团的NC/NG体系先分解,再引起硝铵炸药RDX的热分解。在等温条件下,3种推进剂在40 min对应的反应深度均不超过0.4%,5 h对应的反应深度均不超过3%。但在分解反应初期,含Al改性双基推进剂分解反应的速率更快。结论 对比不同推进剂甲基紫安定性试验结果,并不是甲基紫试纸完全变色时间越长的热安定越好,说明甲基紫安定性试验方法存在一定的局限性。采用分解反应深度作为量气和量热方法转换的纽带,有望采用微热量热作为甲基紫试验的替代技术实现安定性的定量评价。

改性双基推进剂压伸成型工艺安全的数值模拟

为了深入研究压伸工艺参数对改性双基推进剂成型过程安全性能的影响,对压缩熔融段、熔体输送段和口模成型段进行整体建模,对改性双基推进剂物料的密度、流变特性等物料参数进行了测定;基于Polyflow软件,对流体域网格无关性进行了验证,研究了改性双基推进剂物料在非等温条件下压伸过程的安全特性。结果表明,螺杆转速的增加会使物料温度、压力、剪切速率升高,存在燃爆风险,为保证安全性,压伸成型过程中适宜的螺杆转速为10 r/min;螺杆温度增加,剪切速率降低,物料的塑化程度会变差,温度升高易使物料分解,结合改性双基推进剂敏感物料成分特性考虑,螺杆温度为85℃时相对安全;相较于螺杆温度,套筒温度的变化对物料流场的影响较小,结合改性双基推进剂实际生产条件考虑,70℃套筒保温温度适合改性双基推进剂生产。结合模拟结果,得出在推进剂生产过程中需注意压力和温度快速变化带来的影响。

固体添加物粒径对改性双基推进剂力学性能的影响

为研究某型水下武器发射装置中的改性双基推进剂的力学性能,通过调整固体添加物粒径,对比分析不同粒度Al粉和不同粒度SiC/Al_(2)O_(3)的改性双基推进剂力学性能。结果表明,在Al/SiC推进剂中,推进剂的常温抗拉强度和常温最大伸长率随着Al粉粒径的增大呈现先降低后增大的趋势;在不同Al粉粒径下,推进剂的力学性能随SiC粒度变化趋势不同。Al粉粒径为20μm,SiC粒度为W2.5时,低温和常温抗拉强度最大,分别为37.5 MPa和6.58 MPa;Al粉粒径为140μm,SiC粒度为W1.5时,高温抗拉强度最大,为2.22 MPa;加入Al_(2)O_(3)替代SiC后,低温抗拉强度最大为38.3 MPa,比SiC作为弹道稳定剂的推进剂高2.1%,常温抗拉强度最大值高7.1%,高温抗拉强度最大值高4.3%。可见通过调整固体添加物Al粉和SiC/Al_2O_(3)粒径,可实现对改性双基推进剂的力学性能进行局部调控,为水下发射装置的推进剂配方设计提供有效手段。

改性双基推进剂RDX-CMDB的热安全性研究

为了研究含黑索金的改性双基推进剂(RDX-CMDB)的热分解和热安全特性,采用微热量热仪开展了线性升温实验,结合Kissinger法、Friedman法和热平衡方程进行动力学计算,得到了RDX-CMDB的绝热诱导期(TMRad)及自加速分解温度(SADT)。结果表明:RDX-CMDB的初始分解温度、最高分解温度、分解完成温度均随升温速率的增加向高温方向移动,平均分解热为3 463.8 J·g^(-1)。随着升温速率的增加,解耦后的初始分解温度提前,分解焓分别为468.3 J·g^(-1)和1 348.7 J·g^(-1)。动力学分析表明,RDX-CMDB在不同反应阶段中具有不同反应,当绝热诱导期为2.0、4.0、8.0、24.0 h时,对应的绝热温度分别为132.4、122.9、113.9、100.6℃。当包装质量分别取5.0、15.0、25.0、50.0、100.0 kg时,自加速分解温度分别为91.0、88.0、87.0、84.0和82.0℃,随着包装质量的增加,RDX-CMDB热分解放出的热量难以释放,安全性降低。

不饱和聚酯树脂包覆层与改性双基推进剂的化学相容性研究

利用差式扫描量热法(DSC)和真空安定性法(VST)研究了分别以氢氧化铝(ATH)、六(4-醛基苯氧基)环三磷腈(PNCHO)、六(4-羟甲基苯氧基)环三磷腈(PNOH)和六(2,4,6-三溴苯氧基)环三磷腈(PNBr)为填料的四种不饱和聚酯树脂包覆层(UP-1,UP-2、UP-3和UP-4)与改性双基推进剂主要组分硝化甘油(NG)、硝化棉(NC)、黑索今(RDX)和奥克托今(HMX)及典型改性双基推进剂的相容性。DSC测试结果表明,UP-1、UP-2、UP-3与改性双基推进剂的主要组分NC、NG、RDX和HMX均具有良好的化学相容性,而UP-4与RDX属于轻微敏感;VST测试结果表明,UP-1、UP-2和UP-3与粒铸改性双基推进剂、浇铸改性双基推进剂均具有良好的化学相容性,UP-4/粒铸改性双基推进剂混合体系和UP-4/浇铸改性双基推进剂混合体系属于中等反应等级。

纳米催化材料与超细高氯酸铵的均匀复合及对复合改性双基推进剂的增速降感研究

为了提高复合改性双基推进剂的燃速,采用超音速气流粉碎技术将纳米催化材料(纳米亚铬酸铜、纳米氧化镉)原位分散于超细高氯酸铵(AP)表面,制备出纳米催化材料/超细AP复合物,并应用于改铵铜(GATo)高燃速改性双基推进剂。采用扫描电子显微镜(SEM)、差示扫描量热测试(DSC)、机械感度测试、静电火花感度测试等方法对纳米催化材料/超细AP复合粒子进行了分析表征,对制得的含纳米催化材料/超细AP复合粒子的GATo推进剂分别进行了燃烧性能、力学性能、机械感度和安定性研究。结果表明,在超音速气流粉碎力场作用下,在实现AP超细化的同时,实现了纳米催化材料在其表面的原位均匀分散,既提高了超细AP的热分解速率,又降低了超细AP的机械感度。与空白GATo推进剂相比,含有纳米催化材料/超细AP复合粒子的GATo推进剂燃速从55mm/s提升至70.27mm/s(20℃、10MPa),增幅达27.8%,力学性能和安定性基本保持不变,摩擦感度从95%降至80%,撞击感度特性落高值从13.9cm提高到14.7cm,实现了CMDB推进剂的高燃速与低感度的有效平衡。

改性双基推进剂非线性本构模型及其数值实现

为分析改性双基(CMDB)推进剂在复杂载荷下的力学响应,建立了一种含损伤变量的CMDB推进剂非线性粘弹性本构模型。鉴于CMDB推进剂的拉压不对称性,通过单轴拉伸、单轴压缩以及对应的松弛试验获得本构模型中的关键参数。当使用含应变和应变率的双指数形式表征与应变率呈“负相关”的损伤变量时,CMDB推进剂的非线性力学行为能被准确地描述。同时,引入体积应变作为拉伸和压缩条件的判定变量,发展出基于User-Material Subroutine(UMAT)子程序的非线性本构模型数值实现方式。将该考虑拉压不对称性的本构模型及数值实现方式应用于燃气发生器药柱在点火冲击载荷作用下的力学响应分析,并与单一拉伸参数分析结果进行对比。结果表明,考虑拉压不对称性时,结构的等效应变和损伤变量与使用单一拉伸参数时的分析结果存在显著差异。因此,判断结构的拉压状态并选用正确参数具有重要意义。

改性双基推进剂粉末自着火行为实验研究

为降低推进剂意外着火带来的危害,需要对典型改性双基推进剂的自着火行为及热安全性开展研究。使用快速压缩机实验平台,结合高速成像及动态压力采集技术,发展并验证了超快热刺激方法,开展了改性双基推进剂在快速热加载环境(加热速率大于104K/s)下的响应实验,获得了含环三亚甲基三硝胺(RDX)改性双基推进剂典型自着火行为,以及含环四亚甲基四硝胺(HMX)和1,1-二氨基2,2-二硝基乙烯(FOX-7)改性双基推进剂的着火临界条件。结果表明:在1.0 MPa、901.2 K时,含HMX改性双基推进剂未发生着火,而压力升高至3.0 MPa,推进剂样品发生明显的着火现象;对于含HMX和FOX-7改性双基推进剂,其着火临界温度均随压力的增加而降低;在相同压力下,含FOX-7改性双基推进剂的临界着火温度低于含HMX改性双基推进剂的临界着火温度。

RDX含量对改性双基推进剂热安全特性的影响

为探究改性双基推进剂的热安全特性,采用差示扫描量热法(DSC)对黑索今(RDX)含量分别为0,18%,46%和54.6%的改性双基推进剂的热分解行为进行了研究,得到了升温速率2,5,10℃·min^(-1)和20℃·min^(-1)下的热分解温度。通过热反应动力学分析计算了其表观活化能、指前因子、反应速率、吉布斯自由能、活化焓及活化熵,分析了RDX含量对双基组分及表观活化能的影响规律。通过慢速烤燃和5s爆发点试验得到不同RDX含量改性双基推进剂的响应特性。结果表明,配方中RDX含量为18%时,表观活化能最大,慢速烤燃和5s爆发点响应温度和响应剧烈程度最低;随着RDX含量的增加,DSC第一分解峰温后移,表观活化能降低,双基推进剂的慢速烤燃响应温度向高温方向移动,体系热敏感性降低,但响应等级随之提升;当RDX含量在46%及以上时,响应等级为爆炸,不能通过慢速烤燃试验考核;5s爆发点温度随着RDX含量的增加向高温方向移动,且上升趋势较为明显,改性双基推进剂的热安定性有所提升。

短切碳纤维在高能高燃速螺压改性双基推进剂中的应用

根据短切碳纤维的特性,进行高能高燃速改性双基推进剂配方设计。在推进剂中加入不同规格、不同含量的碳纤维,测试推进剂的燃烧性能、力学性能、内弹道性能,研究短切碳纤维对高能高燃速推进剂性能的影响。采用吸收-压延(平辊、沟槽)-螺旋压伸的制备工艺,用靶线法、最大抗拉强度/最大延伸率法、抗压强度/压缩法和比冲推力台法,测试了推进剂性能。结果表明:碳纤维的加入能够显著地提高推进剂的燃速;随着碳纤维长度和含量增加,推进剂燃速呈递增趋势;碳纤维加入后,推进剂的抗压强度有微小幅度的改善;推进剂内弹道性能稳定,曲线平滑,平台效应依然显著。

NC/NG/AP/Al复合改性双基推进剂力学性能研究

研究了硝化棉含量、固体组分粒度级配和固化剂对NC/NG/AP/Al复合改性双基(CMDB)推进剂的力学性能的影响。结果表明,随NC含量的降低,CMDB推进剂+20℃和+50℃下的抗拉强度降低,硝化棉的质量百分含量为20%时,推进剂的伸长率出现最大值;固体组分的粒度级配对CMDB推进剂的力学性能有较大的影响,AP(96.8μm)、RDX(44.9μm)和Al(10.8μm)质量百分含量的比值为1∶1∶1时,该推进剂力学性能为最佳;硝化棉含量较少的CMDB推进剂体系,进行适度交联固化可在一定程度上提高抗拉强度,明显提高推进剂的伸长率。

RDX含量对改性双基推进剂动态力学性能的影响

利用动态热机械分析研究了一组不同RDX含量的改性双基推进剂的动态力学性能。根据"时间-温度"等效原理的WLF方程获得了该推进剂体系α松弛的粘弹系数Cg1,Cg2和主曲线叠合的垂直位移因子bT以及松弛过程的活化能Ea。结果表明,随着固体填料(RDX)含量的增加,该推进剂的储能模量下降,α松弛的损耗角正切(tanδ)的峰温逐渐降低,以tanδ为代表的力学损耗强度逐渐增大,而β转变所对应的温度不变。用自由体积理论解释了固体含量对改性双基推进剂动态力学性能的影响。

有机铅盐对高能改性双基推进剂燃烧性能和热分解的影响

研究了3种有机铅盐燃烧催化剂NTo铅（NTO-Pb）、水杨酸铅（Sa-Pb）和硬脂酸铅（St-Pb）对高能改性双基推进剂（HEMDB）不同压强下的燃烧性能和热分解的影响。结果表明，有机铅盐燃烧催化剂对HEMDB推进剂的燃烧性能和DSC特征量均有影响；NTO-Pb、Sa-Pb和St-Pb可促进HEMDB推进剂中RDX的热分解；HEMDB推进剂的燃速和DSC特征量均随压强的升高而增大，在1～10MPa压强下该类推进剂的燃速与DSC特征量线性相关。

高固含量改性双基推进剂的热分解

采用高压DSC方法研究了不同固含量(RDX含量)推进剂的热行为。结果表明,随着RDX含量的增加,GLX推进剂中双基组分的分解峰逐渐变小,峰温前移,而RDX的分解峰随含量的增加而变强;随着压力的增大,GLX推进剂中两个放热分解峰的DSC峰温均有不同程度的下降,GLX推进剂的放热量也明显提高,放热分解峰变得更加明显,两峰温下降的幅度均与试验压力存在线性关系。

铝粉粒径对改性双基推进剂燃烧性能的影响

研究了3-10MPa、10-18MPa压力下,铝粉粒径对改性双基推进剂燃速和压强指数的影响。结果表明,随着铝粉粒度的增加,推进剂的燃速增加压强指数降低,3-10MPa下,压强指数从0.92降至0.51;在10-18MPa下,压强指数从0.74降至0.13。当铝粉粒度为24μm时,在10-18MPa含铝推进剂出现了平台燃烧。

用ACP提高硝胺改性双基推进剂的燃速

通过添加快燃物ACP来提高硝胺改性双基推进剂的燃速, 得到了ACP影响推进剂燃速的一般规律:推进剂的燃速随ACP的含量和粒度的增大而增大。运用热分析、扫描电镜、燃烧火焰单幅照相、燃烧波温度分布等分析和测试手段来研究含ACP的硝胺改性双基推进剂的燃烧过程, 揭示了ACP提高推进剂燃速的机理: ACP的快速燃烧, 使得推进剂燃面增大和传热量增加, 导致推进剂燃速增加。

铅盐对高能无烟改性双基推进剂燃烧性能的影响

研究了7种铅盐(PCDS、PDS、NIP、NTO铅、2,4-二羟基苯甲酸铅、苯二甲酸铅、碳酸铅)对高能无烟改性双基推进剂燃烧性能的影响。结果表明,铅盐的燃烧催化作用可能与铅盐的分子结构有关,上述铅盐中PCDS对高能无烟改性双基推进剂的燃烧催化效果最好;铅盐和炭黑复配体系可提高推进剂燃速,并降低压强指数。

某新型改性双基推进剂的热安全性

采用热重分析仪(TG)、差示扫描量热仪(DSC)以及加速量热仪(ARC)研究了一种以高氯酸铵(AP)为氧化剂的新型改性双基推进剂GATo-3的热安全性,并将实验结果与双基发射药SF-3进行了比较。通过TG/DSC实验得到了GATo-3的热分解过程,并初步分析了AP等组分对其热稳定性的影响。DSC的测试结果显示,GATo-3的2个分解峰温分别为180.5℃和187.7℃,低于SF-3的分解峰温;ARC的测试结果显示,GATo-3在理想绝热条件下的起始分解温度为129.1℃,绝热温升为1 177.8℃,最大温升速率为58 053.5℃/min,最大压力上升速率为52.5×105Pa/min,单位质量生成气体的最大压力为112.4×105Pa/g,用速率常数法计算活化能E=116.8 k J/mol和指前因子A=5.1×1011s-1,最大反应速率达到时间为24 h时,所对应起始温度TD24=74.0℃。研究结果表明,与双基发射药SF-3相比,GATo-3的热安全性较差,爆炸性较强。

P(E-CO-T)-N100预聚物的合成、表征及其在改性双基推进剂粘合剂体系中的应用

用本体聚合法合成了含—NCO端基的P(E-CO-T)-N100预聚物体系,并对其在交联改性双基推进剂粘合剂体系中的应用进行了研究。红外数据确定P(E-CO-T)-N100体系的预聚反应时间是180 min,X-ray结果显示P(E-CO-T)-N100预聚物没有结晶峰,是无定形的。预聚物与推进剂的主要组分硝化甘油(NG)、一缩二乙二醇二硝酸酯(DEGDN)和硝化纤维素(NC)的溶度参数差均小于4×10-3J0.5m-1.5,具有良好的相溶性。P(E-CO-T)-N100预聚物的加入使粘合剂体系的交联密度由1.03×10-5mol.cm-3提高到了2.17×10-5mol.cm-3,并且随着溶棉质量比{(NG+DEGDN)与〔NC+P(E-CO-T)-N100〕的质量比}的提高,粘合剂体系的交联密度(XLD)、凝胶分数(V2)、压缩模量Ep均急剧下降,而平均相对分子质量增大,说明网络结构逐渐松散,力学性能下降。常温力学性能数据显示,P(E-CO-T)-N100预聚物上的活性—NCO与NC上的—OH进行了交联,使粘合剂体系的延伸率达到191.70%,提高了73.48%。