初慶釗,付小龍,鄭學(xué)明,劉金龍,陳東平

(1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;2.西安近代化學(xué)研究所,陜西 西安 710065;3.黑龍江北方工具有限公司,黑龍江 牡丹江 157013)

引 言

HTPB推進(jìn)劑是武器的重要?jiǎng)恿碓?其不僅具有較寬的燃速調(diào)節(jié)范圍且力學(xué)性能好,制造工藝簡單,在國內(nèi)外多種火箭發(fā)動(dòng)機(jī)型號中得到應(yīng)用[1,2]。HTPB推進(jìn)劑成分包含不同級配的AP、RDX、Al顆粒物以及HTPB黏合劑等物質(zhì),是一種非均質(zhì)復(fù)合含能材料。

為了研究HTPB推進(jìn)劑的燃燒理論模型,Beckstead等[3,4]提出了BDP多火焰模型,將HTPB推進(jìn)劑燃燒分為3個(gè)階段,使用簡化反應(yīng)機(jī)理描述AP/HTPB的反應(yīng)過程。顏密[5]采用BDP 微尺度燃燒模型對AP/HTPB復(fù)合推進(jìn)劑進(jìn)行模擬,并進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算和燃速驗(yàn)證,研究了工作壓強(qiáng)、AP 濃度和 AP 粒徑這3個(gè)參數(shù)對組分?jǐn)U散特性、氣相溫度分布以及火焰位置的影響,為推進(jìn)劑壓力耦合響應(yīng)函數(shù)的數(shù)值計(jì)算提供理論基礎(chǔ)。張晏榕等[6]提出了一套氣固耦合的三維空間求解數(shù)值框架,使用兩套不同網(wǎng)格描述氣相和固相演化,實(shí)現(xiàn)了三維非均質(zhì)推進(jìn)劑的燃燒模擬。目前的燃燒模擬研究大多關(guān)注AP/HTPB兩種組分,對于HTPB/Al/AP/RDX四組元推進(jìn)劑,其界面存在復(fù)雜的相互作用機(jī)制,相關(guān)基礎(chǔ)研究缺失,導(dǎo)致難以開展燃燒模擬研究。

推進(jìn)劑配方直接影響推進(jìn)劑的物理化學(xué)性質(zhì),不同組分之間的界面上存在著復(fù)雜的相互作用,導(dǎo)致其燃燒、爆炸、安全性能等發(fā)生本質(zhì)改變。國內(nèi)外學(xué)者針對四組元HTPB推進(jìn)劑的燃燒特性開展了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究。黃蒙等[7]對HTPB/Al/AP/RDX推進(jìn)劑組分之間的相互作用開展研究,通過熱分解動(dòng)力學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)在熱分解階段,組分HTPB、AP和RDX之間存在明顯的相互作用。其中, AP會強(qiáng)烈加速HTPB和RDX的分解;反之,HTPB和RDX也會促進(jìn)AP分解。吳迎春等[8]采用全息技術(shù)對HTPB/Al/AP推進(jìn)劑燃燒過程中的顆粒行為進(jìn)行可視化分析,發(fā)現(xiàn)鋁顆粒燃燒過程中經(jīng)歷了剝落、微爆、燃燒等過程。盡管前人針對HTPB推進(jìn)劑已開展了系列實(shí)驗(yàn)研究,對于推進(jìn)劑組分間影響規(guī)律有一定的認(rèn)識,然而推進(jìn)劑組分間的相互作用往往發(fā)生于微納米尺度,受限于實(shí)驗(yàn)手段和設(shè)備,尚未有合理的實(shí)驗(yàn)方法可直接測試其微觀反應(yīng)機(jī)制,這導(dǎo)致HTPB推進(jìn)劑微觀反應(yīng)機(jī)制缺失,限制了其性能的優(yōu)化提升。

分子動(dòng)力學(xué)模擬可以深入探究微觀物理化學(xué)機(jī)制,是研究復(fù)雜燃燒過程的重要工具,在復(fù)雜體系反應(yīng)模擬中得到了廣泛的應(yīng)用[9-13]。其往往依賴于力場或勢函數(shù)模型,目前含能材料領(lǐng)域中最著名的力場是van Duin 和Goddard提出的ReaxFF可反應(yīng)力場[14],該方法通過考慮原子間鍵級來描述化學(xué)反應(yīng)過程,已被應(yīng)用于研究鋁粉[11]、高能炸藥[15]的燃燒與爆炸機(jī)理。在HTPB推進(jìn)劑中,AP是重要的氧化劑組分。但是,目前還未有適用于AP反應(yīng)體系的ReaxFF力場參數(shù),這限制了AP熱解與燃燒反應(yīng)機(jī)理的研究。近期,本課題組針對AP單質(zhì)開發(fā)了機(jī)器學(xué)習(xí)勢函數(shù)[16],研究了AP熱分解過程中的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理,觀察到了AP受熱過程中相態(tài)演化、吸/放熱過程以及最終的氣相產(chǎn)物。雖然,在過去20年間分子動(dòng)力學(xué)力場在含能材料領(lǐng)域中取得了重大的成功,但是目前已公開的勢函數(shù)模型通常僅能描述推進(jìn)劑中1～2種組分,這無法滿足推進(jìn)劑全配方分子模擬的現(xiàn)實(shí)需求。推進(jìn)劑全配方分子模擬一直是世界性的難題,不僅需要描述推進(jìn)劑單質(zhì)組分,還需要考慮組分間復(fù)雜的相互作用,目前國際上未有成功先例。如若能建立推進(jìn)劑全配方的勢函數(shù)模型,有望開展真實(shí)推進(jìn)劑配方燃燒、力學(xué)等物理化學(xué)過程的全原子模擬,實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑的理性設(shè)計(jì)。

基于以上分析,本研究針對HTPB/Al/AP/RDX等推進(jìn)劑關(guān)鍵組分開發(fā)了一個(gè)通用勢函數(shù)。該勢函數(shù)基于第一性原理計(jì)算的數(shù)據(jù)集,使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行開發(fā)。針對推進(jìn)劑組分的能量、受力開展了測試驗(yàn)證。隨后,建立了HTPB四組元推進(jìn)劑燃面模型,并進(jìn)行了大規(guī)模的分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算。在模擬計(jì)算中,成功觀察到了推進(jìn)劑燃燒的相變、熱解、傳熱、傳質(zhì)等微觀過程。在世界范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了HTPB四組元推進(jìn)劑的燃燒微觀模擬,揭示了其中的界面作用機(jī)制,為固體推進(jìn)劑的理論建模提供了新的思路。

1 模擬方法

1.1 勢函數(shù)開發(fā)

分子動(dòng)力學(xué)模擬的核心是反應(yīng)勢函數(shù)模型,本研究采用深度勢能框架(DeepMD)中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來擬合勢函數(shù)參數(shù)[17]。圖1為機(jī)器學(xué)習(xí)勢函數(shù)開發(fā)流程。

圖1 機(jī)器學(xué)習(xí)勢函數(shù)開發(fā)流程Fig.1 Development process of machine learning potential function

在圖1中,訓(xùn)練數(shù)據(jù)集由第一性原理MD模擬的軌跡組成。然后,建立了一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢函數(shù)(NNP)模型,該模型將原子配位(R)解釋為原子間力(F)和能量(E),從而實(shí)現(xiàn)了在大空間和時(shí)間尺度上具有第一性原理精度的MD模擬。模型中每個(gè)結(jié)構(gòu)的能量由結(jié)構(gòu)內(nèi)每個(gè)原子能量之和表征:

E=∑Ei

(1)

式中:E為結(jié)構(gòu)能量;Ei為原子i的能量,采用公式(2)計(jì)算:

Ei=Ewɑi(Ri)

(2)

式中:αi表示原子i的化學(xué)元素;wαi表示原子i的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù);Ri為原子的環(huán)境矩陣。

(3)

式中:rij表示原子i、j間的笛卡爾坐標(biāo)距離。

隨后建立深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對結(jié)構(gòu)的能量與受力進(jìn)行預(yù)測。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)三層(25、50、100節(jié)點(diǎn)/層)的濾波(嵌入)網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)三層(240節(jié)點(diǎn)/層)的擬合網(wǎng)絡(luò)。與經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相似,DeepMD方案通過使用反向傳播算法計(jì)算損失函數(shù)的梯度來訓(xùn)練模型。NNP訓(xùn)練共經(jīng)過4.0×106次迭代,學(xué)習(xí)率從1.0×10-3到5.0×10-8呈指數(shù)衰減。訓(xùn)練過程中的損失函數(shù)L為:

訓(xùn)練集包括HTPB/Al/AP/RDX等組分的單質(zhì)以及任意兩兩組分間的界面結(jié)構(gòu)。在300、1000、2000、3000和4000K的溫度下,進(jìn)行了一組1ps的第一性原理MD模擬,以獲得NVT系綜下的運(yùn)動(dòng)軌跡。第一性原理MD模擬使用CP2K[18]直接計(jì)算,計(jì)算方法采用Goedecker-Teter-Hutter (GTH)贗勢和Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)廣義梯度近似方法處理核心電子,基組考慮了雙ζ高斯基函數(shù)加極化(DZVP-MOLOPT)。其他詳細(xì)的設(shè)置請參考本課題組關(guān)于NNP開發(fā)的相應(yīng)工作[19-21]。

1.2 四組元推進(jìn)劑模型

圖2為構(gòu)建的HTPB/Al/AP/RDX四組元推進(jìn)劑裝填模型。

圖2 HTPB/Al/AP/RDX四組元推進(jìn)劑裝填模型(圖中的 C/H/N/O/Al/Cl 分別使用灰/白/藍(lán)/紅/銀/綠色表示)Fig.2 HTPB/Al/AP/RDX four-component propellant model (The C/H/N/O/Al/Cl in the diagram are represented in gray/white/blue/red/silver/green respectively)

其中鋁粉、AP、RDX均為顆粒物,它們之間使用HTPB進(jìn)行填充。鋁粉直徑5nm,包含1nm厚度的氧化層;AP直徑為20nm,RDX顆粒直徑為5nm,兩者均通過切割晶體結(jié)構(gòu)獲得。計(jì)算域大小為2nm×25nm×100nm,共計(jì)126165個(gè)原子。計(jì)算域的x和y方向設(shè)為周期性邊界,z方向上設(shè)為反射邊界。此外,推進(jìn)劑模型下方5?內(nèi)原子均被固定住。為了模擬推進(jìn)劑表面的燃燒過程,對模型的上表面區(qū)域(z>23.5nm)施加4000K高溫?zé)嵩〉恼齽t系綜,采用Nose-Hoover恒溫器,阻尼因子設(shè)為20fs。其他區(qū)域采用微正則系綜(NVE),初始溫度設(shè)為500K,采用速度Verlet法對運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行積分。分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算使用LAMMPS軟件[22],時(shí)間步長為0.2fs,共模擬40ps,在NVIDIA V100 GPU上運(yùn)行約24h。

2 結(jié)果與討論

2.1 機(jī)器學(xué)習(xí)勢函數(shù)驗(yàn)證

用推進(jìn)劑組分的第一性原理計(jì)算數(shù)據(jù)庫對勢函數(shù)進(jìn)行測試,以評價(jià)勢函數(shù)的準(zhǔn)確性,結(jié)果見圖3和表1。

數(shù)據(jù)庫中的分子結(jié)構(gòu)包括HTPB四組元推進(jìn)劑(Al/RDX/AP/HTPB)的各個(gè)單質(zhì)與兩兩界面構(gòu)型。所有模型均使用CP2K在300～4000K下進(jìn)行采樣,每個(gè)溫度區(qū)間各有1000個(gè)構(gòu)型。

如圖3所示,最終的四組元模型對于推進(jìn)劑單質(zhì)組分預(yù)測精度很高,對于不同組分組成的界面結(jié)構(gòu),誤差略高于單質(zhì)體系。表1中展示了每個(gè)體系的能量與受力誤差。總體上,所有組分的MAE(平均絕對誤差)均小于40meV,受力誤差小于0.5eV/?,這表明四組元?jiǎng)莺瘮?shù)可較好地描述推進(jìn)劑單質(zhì)組分和界面上的化學(xué)反應(yīng)過程。

圖3 單組分和兩兩界面的機(jī)器學(xué)習(xí)勢函數(shù)的能量與受力精度測試Fig.3 Energy and force accuracy testing of machine learning potential for single-component and interfaces

表1 機(jī)器學(xué)習(xí)勢函數(shù)對推進(jìn)劑單質(zhì)和界面組分的能量與受力精度Table 1 Prediction accuracy of the machine learning potential function for energies and forces on single and interfacial components of solid propellants

2.2 推進(jìn)劑復(fù)合模型燃燒結(jié)構(gòu)演化

采用新開發(fā)的勢函數(shù)模型對HTPB推進(jìn)劑的燃燒過程進(jìn)行全配方分子動(dòng)力學(xué)模擬。對推進(jìn)劑表面1.5nm區(qū)域內(nèi)的原子施加4000K高溫,其余部分溫度為500K,以模擬推進(jìn)劑燃面燃燒模型,燃燒過程如圖4所示,初始時(shí)刻(t=2ps)推進(jìn)劑表面的HTPB與RDX先發(fā)生分解反應(yīng),釋放出氣體小分子。隨后在t=14ps時(shí),HTPB進(jìn)一步分解,氣體小分子產(chǎn)物向燃面上方擴(kuò)散,AP顆粒上方部分也發(fā)生分解。而鋁粉反應(yīng)較弱,在HTPB分解氣體的推動(dòng)下逐漸脫離燃面。在t=22ps時(shí),AP上方形成錐形分解產(chǎn)物區(qū),同時(shí)AP/HTPB界面上也觀察到明顯的分層現(xiàn)象。當(dāng)t=34ps時(shí),推進(jìn)劑整體上密度顯著降低,完全擴(kuò)散至計(jì)算域中,生成氣體分解產(chǎn)物。

圖4 推進(jìn)劑燃燒過程中結(jié)構(gòu)演化Fig.4 Structural evolution during propellant combustion

進(jìn)一步分析分子動(dòng)力學(xué)模擬軌跡,可發(fā)現(xiàn)推進(jìn)劑上方形成了擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)。推進(jìn)劑擴(kuò)散火焰的局部放大圖如圖5所示,通過觀察原子軌跡觀察到此時(shí)RDX在高溫區(qū)加速的條件下發(fā)生了快速分解,生成了大量NO2、H2O、N2O等產(chǎn)物。而AP顆粒則分解產(chǎn)生NO、HCl、O2等氧化性氣體組分,這些組分可作為氧化劑與HTPB分解產(chǎn)生的碳?xì)湫》肿舆M(jìn)行燃燒反應(yīng),主要反應(yīng)區(qū)位于AP與HTPB的交界面處。鋁粉雖然同樣暴露在高溫區(qū),但是此時(shí)并沒有直接參與燃燒反應(yīng),而是隨著AP和HTPB分解產(chǎn)生的小分子氣流向上運(yùn)動(dòng)。通過分子動(dòng)力學(xué)模擬,可定量地對整個(gè)推進(jìn)劑模型進(jìn)行時(shí)間分辨的三維重建,進(jìn)而獲得推進(jìn)劑燃燒的微觀機(jī)理。

圖5 推進(jìn)劑擴(kuò)散火焰微結(jié)構(gòu)局部放大圖(t=34ps)Fig.5 Local magnification of diffusion flame microstructure (t=34ps)

2.3 溫度演化

此外,推進(jìn)劑燃燒過程中的溫度演化過程也可被完整地從分子模擬中重建出來。圖6展示了不同時(shí)刻推進(jìn)劑溫度演化過程。

圖6 推進(jìn)劑燃燒過程中溫度演化Fig.6 Temperature evolution during propellant combustion

初始時(shí)刻表面為4000K高溫,其余部分為500K。隨著熱量的傳遞,推進(jìn)劑上方溫度快速升高。當(dāng)t=2ps時(shí),推進(jìn)劑上方維持3000K左右的高溫,RDX和AP顆粒由于快速分解反應(yīng)的吸熱效應(yīng),其所在區(qū)域溫度顯著降低。在AP周圍與HTPB交界處,也觀察到了顯著的高溫區(qū),表明兩者在界面上發(fā)生了小分子產(chǎn)物之間的放熱反應(yīng)。隨著整體燃燒過程的推進(jìn),高溫區(qū)逐漸從AP/HTPB交界處向兩側(cè)擴(kuò)散,對AP/HTPB進(jìn)行加熱,促進(jìn)兩者的熱分解過程。由于鋁顆粒具有較好的熱導(dǎo)率,其溫度通過熱傳導(dǎo),一直保持在較高的溫度(約3000K)與擴(kuò)散火焰中的溫度基本保持一致。相對應(yīng)的,AP顆粒內(nèi)部的溫度在模擬過程中緩慢的從約500K升高至約1000K。

2.4 推進(jìn)劑燃燒中組分演化

由圖7可知,除去部分熱點(diǎn)區(qū)域,HClO4生成的位置均勻分布在整個(gè)AP顆粒內(nèi)部,而并非是從AP/HTPB界面處向顆粒內(nèi)部擴(kuò)散。從時(shí)間演化上看,在初始時(shí)刻HClO4濃度較高(約1.5～2mol/cm3),隨著反應(yīng)的進(jìn)行,HClO4濃度逐漸降至約0.5mol/cm3。這說明HClO4是整個(gè)燃燒過程中的一種中間產(chǎn)物,在后續(xù)反應(yīng)中被快速消耗。

AP經(jīng)過初始分解后,通過進(jìn)一步的演化最終產(chǎn)生O2和Cl2,見圖8,它們將作為四組元HTPB推進(jìn)劑中最重要的兩種氧化劑參與推進(jìn)劑的燃燒過程。

圖8 O2/Cl2組分演化(圖中濃度為兩組分總濃度)Fig.8 Evolution of O2/Cl2 components(The concentration in the figure represents the total concentration of two components)

如圖8所示,和HClO4相比,O2/Cl2的生成具有顯著的空間依賴性,在AP/HTPB交界面處濃度較高,說明界面處AP與HTPB間的相互作用實(shí)際促進(jìn)了O2/Cl2產(chǎn)生。這也為實(shí)驗(yàn)中觀察到的HTPB對AP分解的促進(jìn)作用提供了理論解釋[7]。在14ps時(shí),AP/HTPB界面處氧化劑濃度進(jìn)一步升高,同時(shí)在推進(jìn)劑上方產(chǎn)生了微弱的尖錐狀氣相產(chǎn)物區(qū)域,該部分O2和Cl2的濃度要比推進(jìn)劑下方區(qū)域的濃度低2～3倍。這主要由于尖錐狀區(qū)域的溫度顯著高于推進(jìn)劑下方區(qū)域(圖6),導(dǎo)致HTPB分解產(chǎn)物和O2/Cl2在該區(qū)域發(fā)生了快速的氧化反應(yīng),釋放出了大量的能量。同時(shí),這一尖錐狀區(qū)域與圖5所示的推進(jìn)劑擴(kuò)散火焰微結(jié)構(gòu)一致,說明擴(kuò)散火焰中主要發(fā)生的是HTPB分解的小分子碳?xì)浠衔锱cO2/Cl2之間的氣相反應(yīng)。

在推進(jìn)劑中也添加了少量的RDX顆粒。在此前研究中發(fā)現(xiàn)RDX熱解的主要途徑是通過N—N鍵均裂發(fā)生的,產(chǎn)生NO2和RDR分子[21]。隨后NO2可通過進(jìn)一步反應(yīng)轉(zhuǎn)化為NO。圖9展示了NO/NO2的空間分布,可觀察到在2ps時(shí)RDX的位置產(chǎn)生了大量的NO/NO2分子,同時(shí)在AP顆粒周圍也有較少的分布。在推進(jìn)劑組分的DSC實(shí)驗(yàn)中,前人觀察到RDX的DSC峰溫為242.7℃,低于AP的峰溫296.7℃,這表明RDX更容易發(fā)生分解,與本研究的模擬結(jié)果一致。從濃度分布上看,RDX分解產(chǎn)生的NO/NO2分子濃度較高(大于0.4mol/cm3),而AP分解產(chǎn)生的NO/NO2分子濃度相對較低(小于0.15mol/cm3)。這些NO/NO2分子都將作為氧化劑與HTPB分解產(chǎn)物發(fā)生燃燒反應(yīng),最終轉(zhuǎn)化為N2和H2O等物質(zhì)。

圖9 分解產(chǎn)物 NO/NO2分子的時(shí)空演化(圖中濃度為兩組分總濃度)Fig.9 The spatiotemporal evolution of NO/NO2 molecules(The concentration in the figure represents the total concentration of two components)

推進(jìn)劑燃燒過程中,HTPB可分解產(chǎn)生一系列碳?xì)湫》肿?這些小分子可與AP分解產(chǎn)物形成擴(kuò)散火焰,生成CO、CO2、H2O等燃燒產(chǎn)物。因?yàn)锳P中不含C元素,所以通過CO/CO2的空間分布可具體確定擴(kuò)散火焰發(fā)展的過程和具體形貌。圖10展示了CO/CO2的時(shí)空演化過程,初始時(shí)刻(2ps)CO/CO2分子主要分布在AP/HTPB交界處,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,在推進(jìn)劑AP顆粒上方逐漸形成了錐形的燃燒產(chǎn)物區(qū)。產(chǎn)物不斷向上擴(kuò)散,最終充滿整個(gè)計(jì)算域。然而,在這個(gè)過程中,RDX顆粒附近并沒有看到較多CO/CO2。如果比較RDX顆粒的空間位置(圖9),能更清楚地發(fā)現(xiàn)RDX分解產(chǎn)物中沒有CO/CO2。前期關(guān)于RDX的熱分解過程研究發(fā)現(xiàn)RDX中CO/CO2的產(chǎn)生存在一定的滯后[21]。在2500K下觀察到RDX先分解產(chǎn)生NO、NO2、HNO2等物質(zhì),在10ps左右后才觀察到CO/CO2的生成。在推進(jìn)劑燃燒中,推進(jìn)劑表面的RDX先產(chǎn)生氮氧化物,RDX生成CO/CO2主要發(fā)生在氣相反應(yīng)區(qū)。

圖10 CO/CO2組分演化(圖中濃度為兩組分總濃度)Fig.10 Evolution of CO/CO2 components(The concentration in the figure represents the total concentration of two components)

圖11 H2O組分演化Fig.11 Evolution of H2O components

相對于HTPB/AP/RDX,鋁粉與各個(gè)組分之間的反應(yīng)相對較慢(圖12)。隨著燃燒的進(jìn)行,可觀察到鋁粉顆?？焖傧蜻h(yuǎn)離燃面的方向運(yùn)動(dòng),但是反應(yīng)程度有限。從組分分布來看,鋁顆粒周圍是3000K高溫的H2O/CO2/O2/Cl2等氧化性氣體,但是在本工作中,未發(fā)現(xiàn)這些氧化性氣體與鋁粉之間的反應(yīng)。另外,從顆粒溫度來看(圖6),鋁顆粒由于良好的熱傳導(dǎo)能力,在燃燒初期就已經(jīng)達(dá)到了較高的溫度,但是由于外層的氧化層存在,其反應(yīng)活性被嚴(yán)重制約。即使本工作中為了加速潛在的鋁粉與高溫氣體之間的反應(yīng),使用了1nm的超薄氧化層,仍然未發(fā)現(xiàn)鋁粉參與反應(yīng)的過程。在推進(jìn)劑燃燒過程中,AP、HTPB等組分反應(yīng)產(chǎn)生了大量氣體,局部壓力升高,推動(dòng)鋁顆粒離開推進(jìn)劑表面,這一現(xiàn)象也在近期的推進(jìn)劑燃燒實(shí)驗(yàn)的全息測量中得到了證實(shí)[8]。

圖12 Al組分演化過程Fig.12 Evolution of Al components

3 結(jié) 論

(1)基于第一性原理計(jì)算的訓(xùn)練集,開發(fā)了一個(gè)通用勢函數(shù),可以開展HTPB/Al/AP/RDX推進(jìn)劑關(guān)鍵組分的大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬,以研究推進(jìn)劑的熱解和燃燒。

(2)建立了HTPB四組元推進(jìn)劑燃面模型,并開展分子動(dòng)力學(xué)模擬研究推進(jìn)劑的燃燒過程,實(shí)現(xiàn)了對溫度、組分等信息的統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)了AP/HTPB間相互作用機(jī)制,AP分解產(chǎn)生的氧化劑在界面處與HTPB反應(yīng)放熱,進(jìn)而促進(jìn)了AP的分解過程。

(3)觀察到了推進(jìn)劑燃燒過程中鋁粉的剝離過程,推進(jìn)劑燃燒過程中產(chǎn)生大量氣體,推動(dòng)鋁粉離開推進(jìn)劑表面,而鋁粉本身反應(yīng)比較微弱。

(4)證明了分子動(dòng)力學(xué)模擬能夠在原子尺度上實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨的三維重建,進(jìn)而獲得推進(jìn)劑燃燒的微觀機(jī)理,為固體推進(jìn)劑的理論研究提供了新的工具。