界面热阻主导分段复合推进剂双中心热爆炸行为：实验与数值联合研究

《Case Studies in Thermal Engineering》：Interfacial thermal barriers dictate the dual-center thermal explosion of segmented composite propellants: A combined experimental and numerical investigation

　　

摘要专业翻译 分段推进剂装药的热安全性评估具有挑战性，因为传统整体模型中常忽略界面热阻。本研究结合热分析、双尺度等温实验以及耦合多步动力学的三维传热模拟，研究了HMX/AP/Al/HTPB复合推进剂的热爆炸行为。热分析揭示了AP与HMX之间强烈的协同效应，所得动力学参数被用于预测自加速分解温度（SADT）。针对Seg-A（Φ40 mm×80 mm）和Seg-B（Φ50 mm×200 mm）的等温实验，采用最长保温时间10 h，结果表明临界热爆炸温度随药柱尺寸增大从459.15 K降至453.15 K，与SADT预测值的偏差小于1.5%。实验中观察到独特的双中心点火和体积膨胀行为。数值结果表明，界面空气间隙作为热屏障，改变了传热路径，导致点火发生在各分段中心附近。此外，将界面间隙厚度从0.5 mm变化至1.0 mm对预测的热爆炸行为影响可忽略，且不改变点火位置。Frank–Kamenetskii模型与McGuire–Tarver模型的对比表明，后者能更好地再现实验临界温度，对Seg-A和Seg-B的误差分别为+2 K和+4 K。上述发现阐明了药柱尺寸、界面热阻和反应动力学对热爆炸的耦合效应，为分段推进剂装药的热安全性评估提供了更可靠的基础。

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一、研究背景与意义

分段复合推进剂装药在固体火箭发动机和武器系统中应用广泛，其热安全性直接关系到储存、运输和使用过程中的安全可靠性。然而，分段装药由多个独立药柱通过界面组装而成，界面处不可避免地存在空气间隙或接触热阻，这在传统的整体（monolithic）热爆炸模型中往往被忽略。传统模型将分段装药视为单一连续体，无法反映界面热阻对热量传递路径的重新分配作用，从而可能导致临界温度预测偏差和点火位置判断错误。因此，开展考虑界面热阻的分段装药热爆炸行为研究，对于提高热安全性评估的准确性具有重要的工程价值和学术意义。

二、研究目的与主要内容

本研究旨在系统探究界面热阻对HMX/AP/Al/HTPB复合推进剂分段装药热爆炸行为的影响机制。研究人员综合运用热分析实验、双尺度等温实验和三维传热数值模拟，结合多步反应动力学模型，从实验和理论两个层面揭示了分段装药热爆炸的独特规律。研究重点包括：确定AP与HMX之间的协同分解效应及其动力学参数；通过不同尺寸药柱的等温实验测定临界热爆炸温度；揭示分段装药中双中心点火和体积膨胀现象的物理机制；评估界面间隙厚度对热爆炸行为的影响；对比不同热爆炸理论模型的预测精度。

三、关键技术与方法

研究人员采用了以下主要技术方法：利用差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TG）开展热分析实验，获取复合推进剂各组分的分解特征和动力学参数；采用双尺度等温实验方法，对Seg-A（Φ40 mm×80 mm）和Seg-B（Φ50 mm×200 mm）两种尺寸的分段药柱进行最长10 h的恒温加热实验，测定临界热爆炸温度；构建耦合多步反应动力学的三维传热数值模型，模拟分段装药在热环境下的温度场演化和点火行为；对比Frank–Kamenetskii（F–K）模型与McGuire–Tarver（M–T）模型对实验临界温度的预测能力。

四、研究结果

AP与HMX的协同分解效应。 热分析结果表明，AP与HMX之间存在强烈的协同分解效应，两者共存时分解行为不同于单一组分，这一效应显著影响复合推进剂的整体反应动力学特性。基于热分析数据获得的动力学参数被用于预测自加速分解温度（SADT），为后续等温实验设计提供了理论依据。

临界热爆炸温度的尺寸依赖性。 等温实验表明，Seg-A的临界热爆炸温度为459.15 K，Seg-B的临界热爆炸温度为453.15 K，即临界温度随药柱尺寸增大而降低，与SADT预测值的偏差小于1.5%，验证了动力学模型预测的可靠性。

双中心点火与体积膨胀现象。 实验中观察到分段装药呈现出独特的双中心点火行为，即点火首先发生在各分段内部的中心区域，而非传统整体模型所预测的几何中心位置。同时伴随明显的体积膨胀现象，反映了热分解产物的积累和内部压力的发展。

界面热阻对传热路径的重定向作用。 数值模拟结果表明，分段之间的界面空气间隙充当热屏障，阻碍了热量在分段间的直接传递，迫使热量沿药柱径向传递并在各分段内部积累，从而导致点火发生在各分段中心附近。这一机制解释了实验中观察到的双中心点火现象。

界面间隙厚度的影响。 参数研究表明，将界面间隙厚度从0.5 mm变化至1.0 mm，对预测的热爆炸行为影响可忽略，且不改变点火位置，表明界面热阻的存在本身是决定性因素，而间隙厚度的具体数值在考察范围内影响有限。

模型对比与预测精度。 Frank–Kamenetskii（F–K）模型与McGuire–Tarver（M–T）模型的对比表明，后者能更好地再现实验临界温度，对Seg-A和Seg-B的预测误差分别为+2 K和+4 K，而F–K模型偏差较大，说明M–T模型更适合描述分段装药的热爆炸行为。

五、讨论与结论

研究结论表明，分段装药的热爆炸行为受药柱尺寸、界面热阻和反应动力学的耦合控制。界面空气间隙作为热屏障，从根本上改变了热量传递路径，导致双中心点火这一有别于整体装药的特征行为。传统整体模型因忽略界面热阻而无法准确预测分段装药的临界温度和点火位置，M–T模型则能够较好地再现实验观测结果。上述发现为分段推进剂装药的热安全性评估提供了更可靠的理论基础和工程指导，有助于提高弹药和推进系统在热刺激下的安全性预测精度。