高能推进剂动态挤压-剪切加载下的双竞争点火机制研究及其安全预测模型构建

为解决战术导弹维护及战场环境中高能推进剂因意外跌落/冲击引发挤压-剪切复合载荷下的异常点火问题，中国航天科技集团研究人员通过可视化动态挤压-剪切实验与热-力耦合模型模拟，揭示了GRT推进剂从黏性外摩擦到黏性内摩擦的竞争性点火机制转变规律，建立了基于宏-微观视角的点火判据模型，为高能低感固体推进剂安全设计提供理论支撑。

　　

战术导弹在维护和实战中常遭遇意外跌落或冲击，其内部高能推进剂会承受挤压-剪切等复杂机械载荷，可能引发异常点火并导致严重安全事故。传统推进剂因能量密度较低而相对安全，但新一代战术导弹采用GAP/RDX/TEGDN（GRT）等高能推进剂后，其更高的能量特性与机械敏感性之间的矛盾日益突出。尽管过去研究提出了绝热剪切、塑性耗散等多种点火机制假说，但针对高能推进剂在动态挤压-剪切载荷下的具体点火机制仍不明确，缺乏定量预测方法。这一科学瓶颈直接制约着高能推进剂的安全应用。

中国航天科技集团第四研究院的研究团队在《Mechanics of Materials》发表的研究中，通过创新性实验设计与多尺度模拟，系统揭示了GRT推进剂的竞争性点火机制。研究首先采用改进的可视化落锤冲击装置，直接观测不同间隙尺寸（Φ3×23 mm至Φ1×1 mm）下GRT推进剂的变形-损伤-点火全过程；其次将热-力学耦合模型嵌入LS-DYNA子程序，定量分析局部动态响应；最终建立基于黏性内摩擦机制的宏-微观点火判据，并与经典判据进行对比验证。

材料与试样
GRT推进剂以缩水甘油叠氮聚醚（GAP）为黏合剂，黑索今（RDX）和高氯酸铵（AP）为氧化颗粒，采用浇铸工艺制备Φ10×5 mm等不同尺寸试样，其组分特性为后续机理分析奠定基础。

动态挤压-剪切点火实验
通过调整间隙尺寸发现：当间隙从Φ3×23 mm缩小至Φ1×1 mm时，断裂面将试样分为流动区与停滞区，边界形成滑移面。高速摄像显示点火机制从黏性外摩擦（间隙较大时）转变为黏性内摩擦（窄间隙时），导致黏性摩擦加热速率改变，并产生显著不同的阈值速度。

黏弹塑性模型
基于广义Maxwell模型构建的本构方程，通过N个单元描述偏应力分量、剪切模量和松弛时间的关联，结合GRT推进剂的塑性变形特征，成功模拟出挤压-剪切载荷下的局部温升过程。

点火判据模型
微观分析表明，软黏合剂（GAP）与硬颗粒（RDX/AP）的模量差异导致颗粒间产生摩擦热点。建立的判据以黏性内摩擦机制为核心，定量表征局部滑移区能量积累，其预测结果与实验数据吻合度优于传统判据（如Browning摩擦加热模型）。

讨论与结论
研究排除了气体绝热压缩等10种Field提出的潜在机制，确认黏性摩擦主导GRT推进剂点火。当间隙较宽时，试样整体流动引发黏性外摩擦加热；窄间隙下颗粒强制位移导致黏性内摩擦成为主导。该发现不仅阐明机制转变的临界条件，更推动高能推进剂安全评估从经验判断向模型预测跨越。

这项研究通过多尺度实验-模拟联动，首次揭示挤压-剪切载荷下高能推进剂点火机制的竞争规律，所建立的宏-微观判据为导弹安全设计提供量化工具，对发展"高能-低感"新型推进剂具有重要指导意义。