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高能粒铸EMCDB推进剂的制备原理与性能调控研究

一、引言

（一）研究背景与技术价值

在航天与国防领域，固体推进剂作为火箭发动机与导弹武器的核心能源材料，其性能优劣直接关乎系统的作战效能与任务成败。随着航天探索向深空拓展，以及国防装备对高机动性、突防能力和精确打击的需求不断攀升，对固体推进剂的性能要求也日益严苛，特别是高能量密度与宽温域适应性成为关键指标。传统的双基推进剂，虽具有工艺成熟、成本较低等优点，但其能量密度和力学性能在面对现代复杂任务需求时，逐渐显露出瓶颈，难以满足新一代飞行器对更远射程、更高速度和更强机动性的追求。

粒铸工艺的出现，为固体推进剂性能提升开辟了新路径。它巧妙地将压伸工艺与浇铸工艺的优势融合，在制备过程中，先将部分推进剂制成具有特定形状和尺寸的粒子，再通过浇铸的方式将这些粒子填充于模具中，并注入粘结剂等其他组分，经固化成型得到最终产品。这种独特工艺使得高能组分能够更均匀地分散在推进剂体系中，有效提升了能量密度。同时，相较于传统的配浆浇铸工艺，粒铸工艺在改善推进剂燃烧性能与力学性能方面表现卓越，能够赋予推进剂更稳定、高效的燃烧特性，以及更好的结构稳定性，以应对复杂的工作环境。

改性双基弹性体（EMCDB）推进剂，作为双基推进剂的改性升级版本，通过引入新型添加剂和改进配方设计，进一步优化了能量释放效率和力学性能。当粒铸工艺与EMCDB推进剂相结合，便诞生了粒铸EMCDB推进剂，它不仅继承了两者的优点，还展现出独特的性能优势。在能量性能上，通过精准调控粒铸工艺参数，可实现高能组分如黑索金（RDX）等的均匀分布，大幅提高比冲，为飞行器提供更强劲的动力，使其在相同燃料携带量下，能够实现更远的航程或更高的轨道高度。在力学性能方面，粒铸工艺有助于构建更稳定的微观结构，增强推进剂的抗冲击和抗疲劳能力，使其在宽温域环境下仍能保持良好的物理性能，确保发动机在极端条件下稳定工作。此外，该推进剂还具备良好的工艺适应性，可根据不同的应用场景和设计需求，灵活调整配方和制备工艺，生产出各种形状和尺寸的药柱，满足多样化的工程需求。

正是由于粒铸EMCDB推进剂在性能上的显著优势，其在战术导弹与空间推进领域展现出广阔的应用前景。在战术导弹方面，能够助力导弹实现更快的飞行速度、更高的机动性和更强的突防能力，提升武器系统的作战效能和生存能力；在空间推进领域，可应用于卫星发射、深空探测等任务，为航天器提供可靠、高效的动力支持，推动人类对宇宙的探索迈向更深层次。

（二）研究目标与核心问题

针对传统双基推进剂能量密度与力学性能的瓶颈，本研究聚焦于粒铸EMCDB推进剂，旨在深入探究其制备原理与性能优化方法，为该推进剂的工程化应用奠定坚实的理论基础。

从制备原理层面来看，关键在于解析粒铸工艺中各组分的分散机制。在粒铸过程中，推进剂粒子与粘结剂、添加剂等的混合分散并非简单的物理混合，而是涉及复杂的物理化学相互作用。例如，粒子表面的物理性质（如粗糙度、润湿性）和化学组成会影响其与粘结剂的粘结强度，进而影响整体的力学性能；不同粒径分布的粒子在混合体系中的堆积方式，会对推进剂的密度、孔隙率产生影响，从而关联到能量释放的均匀性和燃烧性能。因此，深入研究这些因素对组分分散的影响规律，是揭示制备原理的关键环节。

交联固化过程也是制备原理研究的重点。交联反应的程度和速率直接决定了推进剂的固化质量和最终性能。固化剂的种类和用量、反应温度和时间等因素，均会对交联反应产生显著影响。如反应活性较高的固化剂虽能加快交联速度，但可能导致反应过于剧烈，产生内应力，影响推进剂的力学性能；而反应活性较低的固化剂则可能使固化时间过长，生产效率降低。因此，需要系统研究这些因素对交联固化反应的影响，以确定最佳的固化工艺参数，实现对推进剂微观结构和性能的有效调控。

在性能优化方面，燃烧特性的研究至关重要。燃烧速度和压力指数是衡量推进剂燃烧性能的关键指标，它们直接影响发动机的推力输出和工作稳定性。粒铸工艺中，粒子的形状、尺寸以及分布状态，会改变燃烧过程中的传热传质特性，从而影响燃烧速度和压力指数。此外，燃烧催化剂的种类和添加量也会对燃烧特性产生重要影响，通过选择合适的燃烧催化剂并优化其用量，可有效改善推进剂的燃烧性能，实现更稳定、高效的燃烧。

基于上述分析，本研究的核心问题在于建立制备工艺-微观结构-综合性能的精准调控机制。通过系统研究制备工艺参数（如粒铸粒子的制备条件、混合方式、固化工艺等）对推进剂微观结构（包括粒子分布、交联网络结构等）的影响规律，以及微观结构与综合性能（能量性能、力学性能、燃烧性能等）之间的内在联系，构建起完整的调控模型。这一模型将为粒铸EMCDB推进剂的配方设计、工艺优化和性能预测提供科学依据，助力其在航天与国防领域的广泛应用和工程化发展