劉 犇，肖 磊，武宗凱，王蘇煒，李 鐸，劉所恩，趙鳳起，姜 煒，宋秀鐸，郝嘎子

(1.南京理工大學 化學與化工學院，江蘇 南京 210094； 2.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065； 3.山西北方興安化學工業(yè)有限公司，山西 太原 030008)

引 言

固體推進劑是海、陸、空各類導彈和火箭完成發(fā)射和推進的含能材料[1]，固體推進劑的性能與武器的性能密切相關(guān)，對武器威力、精度和射程具有決定性作用[2-3]。固體推進劑按黏結(jié)劑的結(jié)構(gòu)特征可以分為雙基推進劑、復合推進劑以及在此兩類推進劑基礎(chǔ)上形成的改性雙基(MDB)推進劑[4]。其中改性雙基推進劑是以硝化棉(NC)和硝化甘油(NG)雙基組分為黏結(jié)劑，添加硝胺類化合物(RDX、HMX)、金屬燃料及彈道調(diào)節(jié)劑、安定劑等組分組成的一種推進劑[5]，由于引入了高能材料，改性雙基推進劑在能量水平上有明顯的優(yōu)勢[6]。改性雙基推進劑的制造工藝有單螺旋擠壓成型工藝、雙螺桿式和柱塞式擠壓成型工藝[5]。采用單螺旋擠壓成型工藝制備的改性雙基推進劑稱為螺壓改性雙基推進劑，它是通過吸收(混合)-壓延(塑化)-壓伸(成型)工序而成型的熱塑性高分子復合材料[7-9]，其優(yōu)點是能量高、可連續(xù)化、大批量生產(chǎn)、質(zhì)量一致性好、使用維護方便，常作為中小型戰(zhàn)術(shù)導彈和航空火箭自由裝填式發(fā)動機首選的推進劑品種[10-11]。在螺壓改性雙基推進劑制備過程中，壓延和壓伸工序決定了推進劑的質(zhì)量。其中，壓延是壓伸的前道工序，不僅決定了推進劑的塑化質(zhì)量，也是影響安全最為突出的工序。

在螺壓改性雙基推進劑壓延工藝過程中，NC用作黏合劑，NG作為增塑劑，RDX、鋁(Al)粉、無機氧化物等作為固體填料，通過NG對NC的溶脹溶解作用，降低NC分子運動所需的活化能，增大其回轉(zhuǎn)半徑和分子自由體積[12]，改變NC分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，從而大大降低NC的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg(約174℃[13])，改性雙基推進劑的Tg也因此降至室溫附近[7]，最終使整個物料體系在一定的溫度、壓力與剪切拉伸等作用下實現(xiàn)良好的可塑性和黏合性[13]。

然而壓延過程中，高能炸藥的引入，使得推進劑在受到強烈的撞擊、摩擦、電火花、沖擊以及過高的溫度和壓力作用下，更易發(fā)生燃燒甚至爆炸[14]。在實際生產(chǎn)過程中，螺壓改性雙基推進劑壓延工序已發(fā)生多起燃燒安全事故，一旦觸發(fā)安全警報，通常采用光電轉(zhuǎn)換雨淋系統(tǒng)直接進行撲滅[15]，其結(jié)果是整個生產(chǎn)線都將癱瘓，對經(jīng)濟造成極大的損失，甚至會造成人員的傷亡。

本文從螺壓改性雙基推進劑壓延塑化效果以及壓延過程中的安全問題兩個方面著手，分析塑化性能的評價體系以及目前采用的安全控制措施，以期為我國螺壓改性雙基推進劑壓延過程的質(zhì)量和安全控制提供參考。

1 壓延塑化質(zhì)量的影響因素

改性雙基推進劑在壓延后的塑化質(zhì)量將直接影響后續(xù)推進劑壓伸成型的質(zhì)量，因此獲得良好塑化性能的推進劑物料是壓延工序的關(guān)鍵目標。影響改性雙基推進劑壓延過程塑化性能的因素主要有：NC結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、固體添加組分以及壓延機結(jié)構(gòu)與壓延工藝條件。

1.1 NC結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響

NC自身結(jié)構(gòu)對NC的塑化有著重要的影響。與纖維素相同，NC并非是單一、均勻的物質(zhì)，而是由不同聚合度、不同硝酸酯基分布的硝化物組成的混合物，NC結(jié)構(gòu)上的非均一性，決定了NC在結(jié)構(gòu)和性能上具有多分散性的特點[16]。多分散性對NC的熱塑性影響很大，多分散性越大，NC分子鏈長度的不均勻性越大，會大幅降低其熱塑性隨溫度的變化程度，導致NC塑化過程的操作難度明顯增大。

NC的性質(zhì)主要受到聚合度、含氮量、細斷度等參數(shù)的影響，NC性質(zhì)的不同導致在推進劑中的力學性能、加工性能有明顯差異，嚴重影響壓延的塑化質(zhì)量。

NC的聚合度越大，分子質(zhì)量越大，大分子量的分子鏈自身交纏提高了高分子的內(nèi)聚能，降低了分子鏈的運動能力，宏觀上表現(xiàn)為黏度的增加。因此，聚合度越大，NC塑化越困難[17]。

不同含氮量的NC分子中，—OH和—ONO2等基團之間的比例也不盡相同，因此導致NC分子的極性不同，含氮量越大，NC分子的極性越強，其溶解度參數(shù)也越大，依據(jù)相似相容原理，NC在極性溶劑中的溶解度也相應增大[18-19]。改性雙基推進劑配方中的NC為混合棉，含氮量一般在12.7%～13.0%之間。

NC的細斷度是指一定質(zhì)量的NC在一定體積的水中，經(jīng)過一定時間沉淀的質(zhì)量分數(shù)[17]。細斷度越大，比表面積越大，即表面能也越大，溶劑分子在滲入NC的纖維腔道中所遇到的阻力也就越大，需要克服更高的能量，因此要得到良好的塑化藥料需要更多的溶劑，所需要的時間也越長。

由以上分析可以看出，推進劑組分中選擇結(jié)構(gòu)較均勻、聚合度小、含氮量低、細斷度小的NC，有利于提高壓延塑化質(zhì)量。但目前固體推進劑配方設(shè)計中都是直接選擇特定的NC，關(guān)于不同結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的NC對其塑化質(zhì)量影響的相關(guān)文獻報道較少，有待于更深入的研究。

1.2 添加組分的影響

1.2.1 高能組分及含量影響

固含量對改性雙基推進劑的壓延塑化存在很大的影響。在能量組分僅為NC和NG的雙基推進劑無法滿足能量需求的時代背景下，需要在雙基推進劑的基礎(chǔ)上加入RDX[18]、HMX[19]與CL-20[20]等中的一種或多種高能組分提高其能量水平。這些高能組分含量的增加及不同的顆粒粒度都會使物料的黏度顯著改變[21]。

楊雪芹[22]研究不同含量RDX(質(zhì)量分數(shù)為0、27%與54%)對改性雙基推進劑流變性能的影響可知，隨著RDX含量的增加，推進劑黏度顯著降低。這是因為RDX的加入導致顆粒間摩擦增大，從而導致物料黏度增大，但改性雙基推進劑配方中NG與NC的質(zhì)量比也因此增大，并且質(zhì)量比增大導致的物料黏度降低程度遠大于因RDX含量增加而導致的黏度增大程度。姚楠[23]和王江寧[24]采用動態(tài)熱機械分析(DMA)研究了不同RDX含量對改性雙基推進劑動態(tài)力學性能的影響，均得出類似的結(jié)論。

Gao[25]將納米HMX用于含RDX的改性雙基推進劑配方中。在RDX和HMX的總含量不變的情況下，用納米HMX逐步替代配方中的RDX。測試了不同納米HMX含量推進劑的力學性能，結(jié)果如表1所示。

表1 試樣拉伸強度和斷裂伸長率測試結(jié)果Table 1 The test results of tensile strength and elongation of samples

試樣的拉伸強度隨納米HMX含量的增加而提高，當納米HMX質(zhì)量分數(shù)為30%時，試樣4的斷裂伸長率最高，其力學性能整體最佳。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因可從推進劑的掃描電鏡結(jié)果進行分析，如圖1所示?？梢悦黠@看出，僅含RDX的試樣中粗RDX顆粒與推進劑黏結(jié)劑之間存在較多的孔隙、裂紋缺陷，增加質(zhì)量分數(shù)30%的納米HMX時，試樣的孔隙和裂紋缺陷明顯減少，說明一定含量的納米HMX導致固體填料的比表面積增加，納米HMX很好地與黏結(jié)劑結(jié)合，從而易于壓延塑化質(zhì)量的提升。但是如果納米HMX的質(zhì)量分數(shù)達到40%，會導致推進劑的黏度增加，進而增大了壓延塑化過程的難度，降低推進劑的可塑性，造成塑化性能的惡化。

圖1 納米HMX取代RDX前后含RDX的MDB推進劑掃描電鏡圖Fig.1 SEMs of RDX-containing MDB propellant before and after nano HMX substitution of RDX

此外，還有學者采用SiO2及滑石粉等模擬改性雙基推進劑中的高能組分，研究其對改性雙基推進劑模擬料塑化程度的影響。梁力[26]選取固體填料質(zhì)量分數(shù)為30%～50%的高固含量改性雙基推進劑模擬料(醋酸纖維素和三醋酸甘油酯作為雙基組分的代料)進行壓延塑化實驗，采用DSC法定量分析固含量對推進劑物料壓延塑化質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，模擬料的壓延塑化程度隨SiO2含量的增加而降低，當模擬料的SiO2質(zhì)量分數(shù)從30%增至50%時，模擬料的塑化度降低了30%。而將模擬料中5%的SiO2替換為Al粉，發(fā)現(xiàn)模擬料的壓延塑化程度變化不大，說明固體填料是Al粉或SiO2對模擬料塑化度的影響較小。彭昭宇[27]采用質(zhì)量分數(shù)為0～50%的滑石粉的高固含量改性雙基推進劑模擬料(醋酸纖維素和醋酸甘油酯作為雙基組分的代料)進行壓延塑化實驗，結(jié)果如圖2所示，體系的塑化程度隨滑石粉含量的增大而逐漸降低。

圖2 塑化度與固含量的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curve between plasticization degree and solid contents

1.2.2 其他成分的影響

改性雙基推進劑體系中通常添加增塑劑以及少量的催化劑、安定劑等其他固體成分。Tang[28]采用分子動力學模擬研究了不同比例三羥甲基乙烷三硝酸酯(TMETN)/NG在NC中的塑化行為。結(jié)果表明，TMETN的塑化性能劣于NG，只有當TMETN和NG的質(zhì)量比大于3∶2時，推進劑才能均勻塑化。此外，少量金屬氧化物的加入會在NC大分子間形成氧鍵等鍵橋，增加了物料的黏度，從而阻礙了NC分子的運動，間接影響了改性雙基推進劑的塑化質(zhì)量。各種金屬氧化物對NC溶液黏度的影響程度從高到低依次為：Pb>Ca>Ag>Sn>Fe>Cu及Zn[29]。

1.3 壓延裝置結(jié)構(gòu)和工藝條件的影響

除了上述各類推進劑組分的影響，壓延機本身的結(jié)構(gòu)以及壓延操作時設(shè)置的溫度、輥距及轉(zhuǎn)速比等工藝條件也是影響壓延塑化質(zhì)量的重要因素。

1.3.1 壓延裝置結(jié)構(gòu)的影響

輥筒是壓延裝置的核心構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)直接影響壓延物料的質(zhì)量[30]，主要分為平輥和開有溝槽的輥面。

平輥壓延機兩輥筒表面光滑，兩輥筒在工作時產(chǎn)生相對旋轉(zhuǎn)，物料粘在兩個輥筒上面并不斷被拉入兩輥筒的間隙，在強大的擠壓力作用下，物料完成塑化[31]。尚帆[32]采用光輥壓延工藝制備了聚乙烯醇縮丁醛(PVB)基推進劑，力學性能測試結(jié)果表明，當PVB相對分子質(zhì)量為40000，工藝助劑為醇質(zhì)量分數(shù)為5%的液體石蠟時，推進劑塑化質(zhì)量最佳。為提高生產(chǎn)效率并改善塑化質(zhì)量，在平輥壓延機的基礎(chǔ)上，將輥筒表面開鑿出不同形狀的溝槽，可分為溝槽壓延機(沿輥筒軸向開出U型或V型溝槽)與螺旋溝槽壓延機(由兩個對向旋轉(zhuǎn)的帶槽輥筒組成，即連續(xù)剪切壓延機)。溝槽間的物料除了受到熱能與擠壓作用，還受到強大的剪切作用，使得物料混合更充分，壓延塑化質(zhì)量更高。Gevgilili[2]通過在不同速度連續(xù)剪切壓延機上對代料和火炮藥進行試驗，建立了火藥連續(xù)剪切壓延的數(shù)學模型，并對其連續(xù)剪切壓延數(shù)學模型進行了闡述。結(jié)合前期研究[1]可知，不同的輥速、表面粗糙度和溫度有助于物料連續(xù)粘附在一個輥筒上，并及時粘附到另一個輥筒最終脫離成型，實現(xiàn)高效的連續(xù)剪切壓延塑化過程。王明軍等[33]研究連續(xù)螺旋溝槽剪切壓延機壓延塑化過程可知，剪切壓延機壓延塑化得到的推進劑藥料結(jié)構(gòu)清晰，排列整齊，塑化效果得到了改善。由于螺旋溝槽設(shè)計使壓延過程連續(xù)不間斷，提高了生產(chǎn)效率。目前的研究報道僅表明了溝槽設(shè)計較平輥壓延塑化的優(yōu)越性，各研究單位基本采用根據(jù)自身需求研制特定的溝槽壓延機，而不同溝槽數(shù)量、溝槽幾何尺寸等對壓延質(zhì)量的影響尚未有更加深入的研究報道。

1.3.2 壓延溫度的影響

隨著溫度的升高，分子的熱運動劇烈，更容易加速NG分子和NC分子的相互碰撞和溶解塑化，而能提高物料的可塑性，有利于壓延塑化。溫度過低時，分子的熱運動速率小，物料變硬且可塑性變小，在壓延時不易被塑化，從而導致塑化的藥粒致密性減弱，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。如圖3所示[26]，A1、A2和A3分別為固體填料質(zhì)量分數(shù)為50%、40%和30%的代料，不同組成的物料的黏度(η)隨壓延溫度的升高而降低，因而物料更容易在輥面流動與混合，有利于塑化質(zhì)量的提高。彭昭宇等[27]研究表明在壓延前期，壓延溫度還會通過影響物料中的水分間接影響塑化質(zhì)量。由于前輥溫度較高，與之接觸的物料水分蒸發(fā)更快，更先達到開始塑化的溫度，因此可觀察到與前輥接觸物料更先具備可塑性從而易于包輥。在實際的生產(chǎn)過程中，連續(xù)剪切壓延塑化工藝是在兩個輥筒之間進行，溫度太高時，會致使藥料粘在兩個輥筒上，影響塑化質(zhì)量，增加生產(chǎn)的危險性，在改性雙基推進劑的實際生產(chǎn)中連續(xù)剪切壓延機兩個工作輥筒的溫度一般在85～95℃之間。然而梁力等[26]研究表明，對于高固含量(固體填料質(zhì)量分數(shù)為30%～50%)尤其是含Al粉的推進劑中，適當降低二次壓延溫度可以提高推進劑的塑化效果。

圖3 不同溫度下連續(xù)剪切壓延試樣的流變曲線Fig.3 Rheological curves of continuous shear calendering samples under different temperatures

1.3.3 輥距(壓力)的影響

在壓延過程中，輥距(兩個輥筒之間的距離)對NC的溶解塑化有重大影響。減小輥距可賦予推進劑物料較高的擠壓壓力，增加NG分子在NC內(nèi)部的擴散速率，使物料更快地脫水而更加密實，更好地完成塑化過程，從而提高物料的塑化質(zhì)量。

Wang等[34]研究了在輥筒溫度和轉(zhuǎn)速不變的情況下，輥距(1～4mm)對壓延過程中推進劑物料黏度的影響，不同輥距模擬的復合改性雙基(CMDB)推進劑物料的黏度云圖如圖4所示。由于輥筒的強剪切作用和物料的流變特性，壁面附近推進劑物料的黏度遠低于流動區(qū)域內(nèi)部的黏度。在最佳輥距的基礎(chǔ)上，增加輥距會導致出料中心附近的剪切應力降低，無法充分粉碎表面活性高的Al粉等超細粉體產(chǎn)生的團聚顆粒，最終導致塑化質(zhì)量的降低。

圖4 不同間隙CMDB推進劑物料的黏度云圖Fig.4 Viscosity cloud charts of CMDB propellant materials with different gaps

如圖5所示，彭昭宇[35]應用POLYFLOW軟件模擬了推進劑的壓延過程，分析輥距對壓延塑化效果的影響，結(jié)果表明輥距每減小0.2mm，最大壓力可增加2～4MPa，輥距為0.4mm時，物料壓延所受壓力達到8.0MPa，剪切應力為0.274MPa，可獲得較好的塑化效果。

圖5 不同輥距-最大壓力與最大剪切速率Fig.5 The maximum pressure and the maximum shear rate under different gaps

1.3.4 轉(zhuǎn)速比的影響

在一定范圍內(nèi)，適當增加輥筒的轉(zhuǎn)速可以賦予推進劑物料很大的剪切作用，有助于提高推進劑的分散均勻性和塑化質(zhì)量。但轉(zhuǎn)速過高時，物料與輥筒的接觸時間減少，物料的受熱時間縮短，不利于物料中水分的蒸發(fā)和物料的塑化。Wang[34]通過模擬得到不同轉(zhuǎn)速(5～25r/min)下CMDB推進劑物料的黏度云圖如圖6所示。隨著轉(zhuǎn)速的增加，輥壁面附近的藍色低黏度區(qū)域逐漸向中部擴展。這主要是因為轉(zhuǎn)速的提高增強了輥筒對壁面附近推進劑物料的剪切作用，不僅可以延長回流路徑，增大推進劑物料的回流速率，還可以顯著降低黏度，增加藍色低黏度區(qū)。此外，黏度的降低也反映了流動區(qū)域內(nèi)的高剪切速率和應力，這有利于提高推進劑的壓延塑化質(zhì)量。在其他學者的研究中[35]也得到了類似的結(jié)論，其模擬結(jié)果如圖7所示，其中橫坐標(Z向坐標)指溝槽壓延機輥軸向坐標。提高輥速比可小幅增大剪切作用，但會減弱物料內(nèi)部的拉伸作用，在一定程度上提高了塑化效果。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下CMDB推進劑物料的黏度云圖Fig.6 Viscosity cloud charts of CMDB propellant materials with different rotational rates.

通過以上大量模擬結(jié)果不難看出，提高圧延溫度、減小輥距以及提高轉(zhuǎn)速比可提高推進劑壓延塑化質(zhì)量，但同時也不可避免地增加壓延過程的燃爆風險，因此在安全范圍內(nèi)選擇最佳的工藝條件一直是學者研究的重點。

圖7 不同轉(zhuǎn)速比下的面組平均剪切應力Fig.7 The average shear stress of face group under different speed ratios

1.3.5 其他影響因素

除了以上壓延裝置結(jié)構(gòu)和工藝條件之外，壓延時的物料含水率與喂料量等因素也會影響壓延塑化質(zhì)量。物料中的水分過多會影響NC與NG的溶解塑化。王明軍[33]研究了物料含水量對連續(xù)剪切壓延塑化質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，降低壓延物料水分含量可以解決粘輥較差的問題，水分質(zhì)量分數(shù)為25%的物料在連續(xù)剪切壓延過程中的粘輥塑化效果明顯優(yōu)于水分質(zhì)量分數(shù)為27.6%和33.7%的物料。在壓延塑化過程中，喂料量對物料的塑化同樣具有較大影響。若喂料過快，一些物料來不及被壓延塑化，就直接被切割成藥粒，導致物料的塑化達不到理想效果。但是，喂料速度過慢又會致使物料過塑化，嚴重影響產(chǎn)品的質(zhì)量。研究表明，適當增加喂料量可增加物料在輥筒之間受到的壓力，從而一定程度上提高物料的塑化質(zhì)量[33]。目前實際生產(chǎn)中，含水率以及喂料量的控制主要還是依靠工人經(jīng)驗判斷，針對具體物料壓延塑化最優(yōu)含水率與喂料量有待進一步研究來確定。

2 塑化性能的評價方法

壓延的主要目的之一就是塑化，物料在壓延過程中水分減少，才能使NG與NC之間溶解能力增強，分子間作用力加大，從而獲得具有一定密度和一定塑性的均勻致密物料，宏觀上物料由疏松狀態(tài)變?yōu)橹旅芙Y(jié)構(gòu)的可塑體。塑化度即是物料壓延后的塑化程度，它常作為評價物料塑化效果的主要指標，而其測試方法目前主要有目測法、溶劑浸泡法、力學性能法、流變儀法、DSC法、光譜法以及超聲波檢測法等[36]。

2.1 目測法

目測法即經(jīng)驗法，它是在多年的生產(chǎn)過程中所積累的經(jīng)驗。在壓延過程中以及壓延結(jié)束之后分別觀察物料的粘輥效果、掉渣多少、表面狀況以及顏色變化等，若物料粘輥良好、掉渣量少且表面光滑平整，則說明其塑化效果良好[27]。由于目測法不需要測試手段去評價物料塑化度，因此具有簡便快速的特點，但是該方法只能定性描述物料塑化效果的優(yōu)劣，存在一定的局限性。目測法目前廣泛應用于單基火藥塑化質(zhì)量的評判。

通過觀察樣品斷面SEM圖中微坑數(shù)量、表面粗糙狀況以及氣孔數(shù)目也可表征其塑化程度[27]，如圖8所示，隨著壓延時間的推移，樣片表面逐漸光滑、微坑和氣孔數(shù)量不斷減少，說明塑化質(zhì)量逐漸提高。

圖8 壓延不同時間取下的樣片斷面的SEM圖Fig.8 The cross-section SEM images of the sample taken at different calendering times

2.2 溶劑浸泡法

溶劑浸泡法是指將塑化藥切割成一定長度的藥柱，在乙醇或乙醚溶劑中浸泡一定時間，取出后觀察藥品表面結(jié)構(gòu)來評判塑化質(zhì)量。若表面出現(xiàn)疏松狀，溶解現(xiàn)象嚴重，則說明塑化效果較差，反之塑化效果較好[37]。然而該方法既無目測法操作簡便的優(yōu)勢，也做不到精確測量塑化藥的塑化效果，在實際應用中使用較少。

2.3 力學性能法

力學性能法是通過測試樣品的力學強度來表征物料塑化效果的方法。物料壓延之后內(nèi)部均一性的良好程度可以反映物料的塑化效果，而均一性良好的樣品力學強度也越高，因此可用力學性能間接表征物料塑化效果[27]。將壓延后的推進劑代料按塑料力學性測試標準制成標準試樣，分別測量其拉伸強度、抗彎強度、斷裂伸長率和沖擊強度，結(jié)果如圖9所示[35]。

圖9 不同固含量下試樣力學性能與塑化度的對比Fig.9 Comparison of mechanical properties and plasticization degree of samples at different solid contents

對比可知，塑化程度曲線與斷裂伸長率曲線趨勢最為接近，說明斷裂伸長率這一力學性能最能體現(xiàn)樣品的塑化質(zhì)量。值得注意的是，并非所有推進劑物料壓延后都是斷裂伸長率更能表征樣品塑化質(zhì)量，有時需要綜合考量拉伸強度與斷裂伸長率[43]。間接表征物料塑化效果僅僅是力學性能測試的一個作用，同時它直接反映了推進劑藥柱的結(jié)構(gòu)完整和可靠性，對研制出適用復雜多變環(huán)境的推進劑具有重要意義。

2.4 流變儀法

流變性是高分子材料在外力的作用下產(chǎn)生可塑性的一種行為表現(xiàn)[38]，許多學者通過流變儀測試聚合物的流變性能來研究其塑化性能，繪制塑化特性曲線，并通過曲線求出塑化時間[39]，高分子材料典型的塑化曲線見圖10。物料進入混合器時開始受熱熔融，黏度逐漸增大至A，轉(zhuǎn)矩也因此達到最大值。B點表明轉(zhuǎn)矩趨于平穩(wěn)，此時樣品已熔融，只受到溫度和剪切作用，從A點到B點反映了樣品的熔融時間，即為豫馳時間或塑化時間。從B點到C點，處于一種相對穩(wěn)定的狀態(tài)，黏度變化不大，這段時間反映樣品的耐剪切熱穩(wěn)定性。塑化時間越短，說明物料的塑化過程越容易，塑化性能越好[40]。

對于推進劑物料在壓延機輥面上的壓延過程而言，NG增塑NC與高分子材料的塑化具有較大的相似性，與物料的流變性能有關(guān)。物料黏度越高，流動所需的剪切應力越大，流動性能也就越差。梁力[26]通過流變性能測試發(fā)現(xiàn)，推進劑模擬料黏度隨溫度的降低而提高，隨物料固含量的增加而增加，提出適當降低出料端溫度可以改善塑化效果。

圖10 高分子材料混合試驗轉(zhuǎn)矩變化Fig.10 Torque change of polymer materials mixing test

2.5 DSC法

DSC法主要是利用熱流量與溫度之間關(guān)系曲線來測試推進劑樣品的塑化程度，由于推進劑樣品在加熱的情況會有熱量的變化，即ΔH。通過對曲線圖進行分析可以得知樣品在高低溫度下的焓變ΔH1和ΔH2如圖11所示，之后利用式(1)計算出塑化度ε，并規(guī)定未經(jīng)壓延塑化的物料塑化度為0，物料理想塑化狀態(tài)的塑化度為100%[41]。

范堅強從身上掏出一塊玉佩，反復打量，像打量一位久別的朋友。過了半晌，他把玉佩遞給一杭，說：“這個你認得吧？”一杭從身上掏出母親臨死前交給他的玉佩，一模一樣。這是怎么一回事呢？他期待地看著范堅強。

圖11 推進劑高低溫焓變的DSC曲線Fig.11 DSC curve of enthalpy change of propellant at high and low temperatures

(1)

彭昭宇[27]采用DSC法定量分析固體推進劑模擬料壓延后的塑化度，研究了不同固含量物料體系的塑化度。結(jié)果表明，未添加固體成分的體系塑化度達到60%，體系的塑化度隨著固含量的增大而逐漸降低。物料中固含量達到50%時，塑化度降至41%。

梁力[26]同樣采用DSC法定量分析固含量對推進劑模擬料剪切壓延塑化度的影響。結(jié)果表明，添加質(zhì)量分數(shù)30%的SiO2的樣品塑化度為51.4%，而當SiO2質(zhì)量分數(shù)增至50%時，塑化度降至36%。

由上述可見，DSC法可以定量地計算和描述推進劑的塑化度，同時從熱分析曲線上得到的熱焓差也可以反映出壓延塑化過程中物料所受到的最高溫度，因此該方法得到廣泛應用。

2.6 光譜法

紅外光譜法是指通過吸收峰的變化反映NC在NG以及熱和機械力的作用下導致其分子內(nèi)氫鍵的重新排布[42]，從而判斷塑化質(zhì)量。齊曉飛等[12]研究了NC、NG以及NC和NG共混體系的紅外光譜，發(fā)現(xiàn)NC和NG共混體系的紅外光譜圖中有三處吸收峰并非NC、NG紅外光譜的疊加，而是由于氫鍵的重新排布造成的，因此近紅外光譜可以檢測雙基推進劑的塑化行為。目前紅外光譜表征推進劑塑化的研究較少，還未形成一種標準方法。

井金兵等[43]通過分光測色儀測試含能材料代料測試樣片的顏色數(shù)據(jù)，以壓延時間34min的樣片為標準樣片，計算不同時間樣片的色差ΔE和加權(quán)因子E*可知，壓延時間在28～38min時，實驗樣片與標準樣片色差較小；壓延時間在28.5～38.5min時，E*在9.7～9.8之間變化，這與代料塑化程度最佳的時間基本一致，表明利用ΔE和E*可表征代料的塑化程度，也為在線測色技術(shù)研究含能材料壓延塑化程度提供了理論依據(jù)。此外，該方法在聚合物的塑化質(zhì)量評價中同樣具有良好的適用性[44]。孫振知[45]設(shè)計了一種光纖光譜在線檢測裝置，如圖12所示。以代料分析了物料壓延塑化前后顏色的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)顏色a值(Lab顏色空間中從綠色到紅色)隨壓延時間增加單調(diào)性更好，故選取顏色a值作為判斷塑化質(zhì)量的標準。圖13為樣片隨壓延時間增加，拉伸強度與顏色a值的變化曲線。由圖13可看出，隨著壓延時間的增加，樣片拉伸強度先增大后趨向平穩(wěn)，顏色a值基本單調(diào)減小。在43.6min拉伸強度達到最大值的95%，此時a值為-0.0253，即為塑化質(zhì)量合格的標準。進行重復實驗驗證了方法的可行性，其誤差小于9.8%。

圖12 壓延物料微型光纖光譜儀在線顏色檢測裝置示意圖Fig.12 Schematic diagram of online color detecting device for calendered materials micro-fiber spectrometer

圖13 樣片的拉伸強度與顏色a值隨壓延時間的變化Fig.13 The tensile strength and color a value change with calendering time of samples

目前，國內(nèi)外利用近紅外等光譜法結(jié)合樣品變異系數(shù)(CV)法[46]和移動窗標準差(MBSD)法[47]檢測組分混合均勻性[48]以及推進劑中RDX含量[49]已有大量研究報道，但表征推進劑塑化性能仍在探索階段。此外近紅外(NIR)光譜技術(shù)[50]和x射線技術(shù)[51]已有用于推進劑雙螺桿加工過程的在線質(zhì)量檢測報道。這些技術(shù)均可考慮用于壓延過程塑化質(zhì)量的在線監(jiān)測，隨著進一步深入研究推進劑物料顏色變化與塑化性能的關(guān)系，搭建更加科學合理的檢測裝置和分析軟件，有望實現(xiàn)塑化質(zhì)量的在線監(jiān)測。

2.7 超聲波檢測法

超聲波作為一種無損檢測方法可以探究材料內(nèi)部有無裂痕、成分是否均勻，是否存在氣孔、夾渣等缺陷[52]，而改性雙基推進劑在壓延塑化前后其形態(tài)結(jié)構(gòu)及力學性質(zhì)發(fā)生了巨大的變化，由松散的粉體變成結(jié)構(gòu)密實的材料，這些變化可以通過超聲波檢測反映出來。超聲波檢測技術(shù)主要分為穿透法和反射法，反射法在檢測推進劑涂層脫落領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)出其高效性[53]，主要包括垂直底波反射法和V型底波反射法。

孫振知等[54]基于V型底波反射法設(shè)計出一種超聲波在線檢測裝置，如圖14所示。探究了超聲波在物料中衰減隨壓延時間的變化規(guī)律并研究衰減的原因，依據(jù)樣片的拉伸強度判斷壓延塑化的質(zhì)量，最終建立超聲波幅值表征物料塑化程度的方法如圖15所示。

圖14 V型底波檢測法超聲波探頭安裝位置示意圖Fig.14 Schematic diagram of installation position of ultrasonic probe in V-type bottom wave detection method

圖15 樣品超聲波反射回波幅值隨壓延時間的變化Fig.15 Variation of ultrasonic echo amplitude with the increasing of calendering time of samples

隨著壓延時間的增加，樣片拉伸強度先增大后趨向平穩(wěn)，超聲波回波幅值單調(diào)增大。在44min拉伸強度達到最大值的95%，此時超聲波幅值為134.36，即為塑化質(zhì)量合格的標準。進行重復實驗驗證了方法的可行性，其誤差小于9.96%。但超聲波檢測物料塑化質(zhì)量也存在一些問題，例如固體推進劑物料在壓延過程中處于高彈態(tài)，會使超聲波信號發(fā)生較大的吸收衰減，其對檢測過程的影響需進行進一步探究。

3 改性雙基推進劑壓延過程安全控制

推進劑在壓延過程中對熱、摩擦、剪切、擠壓和沖擊極為敏感，然而其壓延塑化過程又必須在高溫高壓下進行，這就可能因某些安全隱患導致輥面局部溫度過高，從而造成推進劑藥料的分解，最終發(fā)生燃爆事故。

3.1 推進劑壓延過程的安全影響因素

分析推進劑壓延燃爆事故并梳理相關(guān)文獻可知，目前存在的安全問題主要體現(xiàn)在硬性雜質(zhì)、零件脫落、氣泡絕熱壓縮、溫度壓力、壓延時間以及物料特性等方面。

(1)硬性雜質(zhì)

吸收物料中混入石子、玻璃、金屬等硬性雜質(zhì)，物料在塑化過程中受到剪切和擠壓作用產(chǎn)生劇烈摩擦，機械能轉(zhuǎn)變成熱能，基體產(chǎn)生變性、黏性加熱，溫度升高[55]，在小范圍內(nèi)發(fā)生放熱反應形成局部“熱點”?；w溫度升高后，以熱傳導的方式快速傳遞到固體推進劑中的氧化劑顆粒，發(fā)生熱分解、相變、放出熱量，進一步增加反應速度，促進“熱點”的形成，最終導致藥料燃燒。

(2)零件脫落

在生產(chǎn)試驗中，壓延設(shè)備和輸料螺旋上的緊固件、連接件受持續(xù)震動，而使某些螺帽、螺絲、墊圈等金屬件脫落到藥料中，固體推進劑物料受到猛烈沖擊也可產(chǎn)生“熱點”，引起壓延藥料著火。陳廣南[56]采用熱黏彈性理論和動力有限元方法計算出固體推進劑在機械沖擊下的黏性加熱率。數(shù)值計算結(jié)果表明，受到?jīng)_擊荷載作用的圓柱表面中心溫度可達300℃，RDX顆粒在50ms內(nèi)受熱分解，形成高溫“熱點”。

(3)氣泡的絕熱壓縮

推進劑中未被去除的水分子在高溫環(huán)境下很容易起泡，引起氣泡的絕熱壓縮，從而加速局部熱點的形成[57]。李晉等[58]通過對500組生產(chǎn)試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，指出壓延入料水分(即二次驅(qū)水的藥粒水分)愈低，壓延著火頻率愈高。

(4)溫度、壓力與時間等不適當?shù)墓に嚄l件

不適當?shù)墓に嚄l件，如過高的輥溫、輥速和較小的雙輥間距，會加強輥筒對推進劑物料的剪切和擠壓作用[59]，這可能導致推進劑壓延工藝的安全隱患增加，目前螺壓改性雙基推進劑理論可承受溫度為110℃[60]。經(jīng)統(tǒng)計分析[58]，壓延著火率與壓延工作輥退水溫度的關(guān)系見圖16所示。由于藥料是附著在壓延工作輥上，所以工作輥退水溫度對藥料溫度控制起著重要作用。工作輥退水溫度愈高，壓延著火頻率愈高。Carter[61]研究發(fā)現(xiàn)，推進劑加工過程中不合理的溫度、壓力與轉(zhuǎn)速等條件會產(chǎn)生壁滑效應(物料不再附著在機器壁面)，導致物料之間摩擦生熱，這對推進劑等含能材料來說是致命的。此外，壓延時間過長，也會加劇物料的分解作用，物料中會產(chǎn)生大量的副反應，甚至可能引起火災等安全事故。

圖16 壓延著火率與工作輥退水溫度的關(guān)系Fig.16 The relation between calendering ignition rate and dewatering temperature of work roller

(5)高能組分的物料特性

Licht[62]研究表明，高能量水平的炸藥通常伴隨著較高的感度。同樣，加入高能組分可以顯著改變雙基推進劑的能量水平，但高能組分本身的物料特性，使得推進劑的熱安全特性和機械感度明顯改變，從而嚴重影響壓延塑化過程的安全水平[63]。劉所恩等[64]采用螺旋擠壓工藝制備了不同RDX含量的螺壓硝胺改性雙基推進劑，研究了該類推進劑在機械刺激下的安全性能。結(jié)果表明，RDX的加入提高了硝胺改性雙基推進劑的摩擦感度和撞擊感度，同時增加了其槍擊條件下的燃燒概率，導致安全性下降。鄭偉等[65]也研究了不同含量RDX對螺壓改性雙基推進劑撞擊感度的影響，表明隨著RDX含量的增加，推進劑藥片的撞擊感度逐漸降低。龐軍等[66]研究了3種高能材料(CL-20、DNTF以及FOX-12)對螺壓改性雙基推進劑機械感度的影響，測試結(jié)果如表2所示。CL-20的摩擦感度最高，F(xiàn)OX-12次之，DNTF的摩擦感度最低。徐司雨等[67]的研究也得到類似的結(jié)論，含CL-20的改性雙基推進劑比有相似組成的含DNTF和FOX-12的改性雙基推進劑的撞擊感度更高。說明相同添加量下，含CL-20(能量水平更高)的改性雙基推進劑物料壓延過程風險更高。

表2 不同推進劑配方下機械感度Table 2 Mechanical sensitivity of propellant formulations

3.2 推進劑壓延過程的安全控制方法

3.2.1 硬性雜質(zhì)剔除

壓延物料夾雜的硬性雜質(zhì)會導致壓延物料在兩輥之間的剪切力顯著增大，造成局部溫度過高而引發(fā)安全事故。傳統(tǒng)解決辦法主要通過人工篩選和磁吸去除。在加料前應嚴格挑選出物料中的金屬以及石子等非金屬硬性雜質(zhì)[68]，對于物料本身形成的硬性雜質(zhì)，通過搓篩機的揉搓作用破除。在壓延機輸送線上可以安裝磁性除雜器，去除磁性金屬雜質(zhì)。這類裝置已有較多應用和報道，如袁連忠等[69]發(fā)明一種帶有磁吸除雜功能的上料機，其磁性輥輪結(jié)構(gòu)如圖17所示，該結(jié)構(gòu)可有效收集膠粒原料粉碎加工過程中混有的鐵屑等金屬雜質(zhì)。

圖17 磁性輥輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.17 Schematic diagram of the structure of magnetic roller

3.2.2 零件防脫落措施

壓延裝置上脫落的零件在輥筒剪切作用下容易引起火花而導致嚴重安全問題，因此需要定期對壓延設(shè)備和輸料螺旋上的緊固件、連接件以及螺帽、螺絲及墊圈等金屬件進行檢查。

此外，設(shè)計出防脫落的零件用于壓延機可顯著降低由零件脫落導致的壓延燃爆事故的概率。徐忠等[70]設(shè)計出一種由螺栓、限位件、鎖緊件、螺母和護帽組成的防脫落型高性能緊固件，該緊固件可實現(xiàn)對螺母進行周向限位，防止螺母結(jié)構(gòu)進行轉(zhuǎn)動產(chǎn)生齒退現(xiàn)象，裝置的連接強度高，具有極高的連接穩(wěn)定性，適用于具有較大連接載荷強度的緊固部位。選取或設(shè)計出合適的防脫落緊固件、墊圈等用于壓延機上，可極大降低零件脫落至推進劑物料中的概率，從而減少壓延過程中由零件脫落帶來的安全隱患。

3.2.3 氣泡絕熱壓縮控制

推進劑中的水分子在高溫環(huán)境下很容易起泡，而氣泡的絕熱壓縮是導致壓延過程發(fā)生燃爆的重要原因之一，因此控制壓延入料的水分含量對壓延安全控制具有重要意義[71]。李晉等[58]通過對500組生產(chǎn)試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，證明合理的壓延入料水分應控制在6%～8%。而生產(chǎn)線實際的二次驅(qū)水的藥料水分為5.3%左右，壓延著火率較高。試驗發(fā)現(xiàn)，二次驅(qū)水藥粒的平均水分提高到6.6%，壓延著火率可降低50%[72]。

在壓延工作輥上方新增銅質(zhì)的劃泡刀，可高效地將受熱分解產(chǎn)生氣泡的藥料泡劃破。孫文斌等[73]發(fā)明了一種Г型壓延機劃氣泡裝置，結(jié)構(gòu)如圖18所示。在壓延機的機架上固定一帶有移動座的導軌，劃泡氣缸固定在移動座上，并在其活塞桿端部連接刀輪，導軌一側(cè)的固定架上裝配有主氣缸，主氣缸的活塞桿經(jīng)傳動件同步帶動移動座上的刀輪在導軌上往復滑動，從而割破壓延過程中產(chǎn)生的氣泡。然而目前壓延過程中絕熱氣泡的產(chǎn)生、演變，及引發(fā)著火甚至燃爆的機制尚未明確，亟待探究。

圖18 壓延機劃氣泡裝置結(jié)構(gòu)主視圖Fig.18 The front view of the calender bubble drawing device structure

3.2.4 工藝參數(shù)的優(yōu)化

影響安全的工藝參數(shù)包括：壓延溫度、壓延時間以及輥速比和輥距，探究最優(yōu)工藝參數(shù)是控制壓延過程安全的重要途徑。

(1)李晉等[58]通過對500組生產(chǎn)試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，得出合理的工作輥退水溫度為95～102℃，空轉(zhuǎn)輥退水溫度為90～95℃。為獲得螺壓改性雙基推進劑壓延塑化的最佳溫度，王江寧[74]采用DMA法研究不同RDX含量下的推進劑DMA曲線，結(jié)果表明DMA曲線在55～120℃出現(xiàn)了“波谷”，此時的物料體系發(fā)熱量最低，是高固含量螺壓改性雙基推進劑壓延的最佳工藝溫度。

(2)壓延時間是壓延塑化工序的重要參數(shù)之一。壓延時間過短，物料無法達到所要求的塑化程度，壓延時間過長，隨著物料水含量的減少，物料燃爆風險增大。孫振知等[54]為確定合理的推進劑壓延時間，采用超聲波檢測對壓延過程物料密度進行表征。結(jié)果表明，隨著壓延時間的增加，物料密度呈先增加后趨于平穩(wěn)的變化趨勢。若能實現(xiàn)超聲波的在線監(jiān)測，則可實時監(jiān)測物料在壓延過程中的塑化程度，從而減少不必要的壓延時間，將有效降低壓延過程中的安全風險。

(3)保持合理的輥速比和輥距。提高輥速比和減小輥距，雖然可以提供更強的剪切作用，有效改善塑化效果，但不可避免地增加了燃燒爆炸的風險[68]。

總體來說，目前國內(nèi)對影響壓延過程安全的工藝參數(shù)研究還不夠深入，缺乏安全邊界工藝條件的研究。英國沃爾瑟姆修道院皇家軍械公司研發(fā)中心[61]研究了溫度、壓力、速度等工藝參數(shù)對推進劑加工過程中物料流變性能的影響，設(shè)置了研究裝置以確定雙螺桿工藝所需加工條件。

3.2.5 工藝裝置的優(yōu)化

工藝裝置結(jié)構(gòu)直接決定壓延物料所受的壓力、溫度等參數(shù)，通過增設(shè)泄壓結(jié)構(gòu)、優(yōu)化壓延裝置結(jié)構(gòu)等措施可有效提高生產(chǎn)的安全性。壓延裝置結(jié)構(gòu)對物料刺激特性的影響研究尚處于起步階段，目前我國大部分改性雙基推進劑壓延生產(chǎn)制造過程仍采用前蘇聯(lián)20世紀50～60年代的壓延技術(shù)及設(shè)備，不同結(jié)構(gòu)壓延機塑化過程中物料的燃爆事故仍時有發(fā)生。因此開展壓延機輥筒結(jié)構(gòu)如U形輥筒槽寬、槽深、角度、U形槽數(shù)量及相應的V形槽結(jié)構(gòu)對推進劑物料刺激特性的影響規(guī)律和量化評價至關(guān)重要。

3.2.6 溫度和壓力在線監(jiān)測

溫度和壓力是壓延過程中最重要的兩個參數(shù)，燃爆事故的發(fā)生也主要是由于溫度或壓力的失控導致的，因此對溫度和壓力進行在線監(jiān)控并及時采取降溫、調(diào)壓措施可有效降低壓延過程的風險。李龍[15]設(shè)計出一種在線連續(xù)測壓與及時調(diào)整壓延機輥距的聯(lián)動安全裝置。在壓延機被動輥與液壓泵軸承間安裝薄膜壓力傳感器，在液壓泵的軸承上安裝應變片，間接測量出推進劑在壓延過程中的壓力變化情況。當兩輥之間藥料所受壓力過大或輥距過小時，通過液壓活塞來推動移動輥從而調(diào)節(jié)壓力，有效提高了固體推進劑壓延過程中的安全性。提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時性、準確性以及降溫措施響應速度是提高壓延過程安全性的關(guān)鍵。此外，李龍等[75]還采用遠紅外測溫與噴霧降溫技術(shù)解決固體推進劑在壓延塑化過程中溫度過高而容易引起的燃爆問題，研究表明，藥料的溫度隨著工作輥轉(zhuǎn)速、工作輥退水溫度、壓延塑化遍數(shù)以及NC含量的增加而增加，隨NG含量的增加而降低；當藥料溫度達到設(shè)定值時，噴霧降溫系統(tǒng)可以將藥料的溫度降低3～5℃，有效降低了固體推進劑壓延過程中的燃爆風險。采用噴霧系統(tǒng)只會噴出少量水分起到快速降溫作用，并不會損壞推進劑物料，也保證了壓延過程不被中斷。

3.2.7 改性雙基推進劑降感

降低推進劑物料的機械感度可顯著提高壓延過程安全水平，主要分為通過包覆等手段降低高能組分的機械感度和選用機械感度較低的高能組分代替部分機械感度較高的高能組分兩種方式。

降低高能組分機械感度的一種方法是對其使用包覆或涂層。楊雪芹等[76]分別采用鍵合劑LBA-1和熱塑性彈性體(TPE)對RDX進行表面包覆處理，并將其應用于改性雙基推進劑中。測試RDX包覆前后的摩擦感度和撞擊感度，結(jié)果表明，經(jīng)兩種材料包覆后的RDX降感效果均很明顯，LBA-1包覆的RDX降感程度更高，其摩擦感度降低了68%，對應的推進劑摩擦感度降低了37.5%。

除了對高能組分降感，選擇感度較低的高能組分也是降低推進劑感度的一種有效方法[77]。Liu等[78]采用納米RDX部分代替微米RDX應用于低固含量的改性雙基推進劑中，測試替代前后推進劑感度的變化，結(jié)果表明，與僅含微米RDX的推進劑相比，納米RDX推進劑的摩擦感度和撞擊感度分別降低了51.3%和50.4%。這是由于納米RDX的比表面積大，可以很好地負載在NC表面，這有助于改善改性雙基推進劑的組成均勻性和高度交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)體系，推進劑界面沒有層化現(xiàn)象，整體缺陷較少。劉所恩等[79]研究DNTF對改性雙基推進劑(RDX/Al/CMDB)的影響，以DNTF逐漸取代推進劑中的RDX進行感度實驗，結(jié)果表明，DNTF的引入沒有增加推進劑的摩擦感度，但撞擊感度有所降低。因此有望通過對高能組分降感或采用降感修飾后的推進劑，提高壓延過程的安全水平。

3.2.8 其他技術(shù)

以上雜質(zhì)的剔除、各種參數(shù)的控制、裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等安全控制措施歸結(jié)起來都體現(xiàn)在溫度和壓力上，最終都是由于推進劑組分分解而引發(fā)燃爆事故。推進劑燃爆事故過程可分為孕育期、引發(fā)期、發(fā)展期、爆發(fā)期和消退期，其中兩個重要的時間階段是孕育期和引發(fā)期，此時推進劑釋放分解產(chǎn)物和燃燒氣體并出現(xiàn)局部明火燃燒。因此，對壓延燃爆特征信號如分解氣體(CO、NO以及NO2)和火焰等進行檢測，有助于掌握壓延過程的危險狀態(tài)，通過控制系統(tǒng)下達指令，對熱量積聚物料進行區(qū)域性噴霧降溫，從而將危險抑制在初始狀態(tài)，實現(xiàn)壓延安全過程的可控。左明聰?shù)萚80]研究了氣體濃度檢測儀在推進劑檢測中的應用，采用量程0～20ppm，精度1ppm的肼類燃料和硝基氧化劑氣體濃度檢查儀，提高推進劑運輸、貯存、轉(zhuǎn)注和使用過程中安全水平。

然而一旦發(fā)生推進劑燃爆事故，就必須有消防滅火技術(shù)作為一道重要防線，阻止火焰的蔓延，以防造成更大的生命財產(chǎn)損失。國外對火炸藥行業(yè)的高速滅火系統(tǒng)進行了大量研究，美國陸軍防衛(wèi)彈藥后勤部研制出一套快速反應超高速噴水滅火系統(tǒng)(AFPDS)。該系統(tǒng)采用UV/IR或IR/IR二重火焰探測器將反應時間縮短至8ms，檢測到火焰信號后，控制器引爆一個10L(第一階段研究)[81]或30L(第二階段研究)[82]的球形水箱，裂開一個圓孔可在18ms內(nèi)噴射水體至火焰，同時打開后備水系統(tǒng)控制閥門。為進一步提高系統(tǒng)的可靠性，火災研究小組改進了一種新型的晶體管電路照相火焰監(jiān)測器，將檢測時間從3～5ms縮短到不足1ms，并且通過一個罩子限制檢測器的視野以減少錯誤的警報。由此誕生了一種新型滅火系統(tǒng)——爆炸點火滅火系統(tǒng)(BIDS)[83]，將從檢測到出水的時間縮短至7～8ms。目前，我國火炸藥企業(yè)應對推進劑燃爆事故，主要采用消火栓給水、自動雨淋、自動翻水斗、水幕消防等系統(tǒng)進行撲救[84]。然而，這些系統(tǒng)基本是根據(jù)民用火災情況設(shè)計的，無法滿足推進劑易燃易爆特殊性質(zhì)的要求[85]，國內(nèi)對于固體推進劑發(fā)生火災的滅火理論和技術(shù)研究也相對較少。西安機電信息研究所設(shè)計出一種適合易燃易爆和火工場所的高速噴淋自動滅火系統(tǒng)[86]，該系統(tǒng)由HW-IB紅外快速火焰探測器、雨淋滅火快速開啟閥、BTU-A型計算機智能終端和高速雨淋裝置構(gòu)成，可在5ms內(nèi)捕捉超過10m范圍的火警信號。張磊等[87]通過熱氣溶膠滅火劑抑制開放空間內(nèi)油池火的試驗研究發(fā)現(xiàn)，當滅火劑對準火焰根部噴射，施放角度45°，施放距離50cm時，滅火時間最短，僅為5.7s。可以看出，我國目前已報道的關(guān)于推進劑快速雨淋技術(shù)與美國20世紀90年代的AFPDS在響應和滅火速度水平上仍存在一定差距，超高速噴水滅火系統(tǒng)對于推進劑壓延安全意義重大，未來可通過技術(shù)引進與自身不斷深入研究把我國整體火炸藥行業(yè)的安全控制技術(shù)提升至世界一流水平。

4 結(jié)束語

壓延塑化是改性雙基推進劑制備的重要工序，而輸出物料的塑化質(zhì)量將直接影響后續(xù)壓伸成型的質(zhì)量。當前常用的目測法、溶劑浸泡法、流變儀法、力學性能法等方法只能定性評判推進劑塑化程度；DSC法、紅外光譜法以及超聲波檢測法可以定量分析推進劑的塑化度，但塑化度的數(shù)值與塑化效果優(yōu)劣的評判還沒有統(tǒng)一的標準。目前提出的壓延安全控制方法主要有剔除硬性雜質(zhì)、防止零件脫落、控制氣泡絕熱壓縮、優(yōu)化工藝參數(shù)與工藝裝置、在線監(jiān)測壓力與溫度、推進劑降感修飾以及其氣體檢測、超高速雨淋等其他技術(shù)。

塑化質(zhì)量和安全控制存在一定矛盾性，確定推進劑固體成分和NC種類后，調(diào)整壓延工序參數(shù)，例如提高壓延溫度、減小輥距以增大壓力以及提高輥速比等操作可以改善塑化效果，但也極大提高了“熱點”產(chǎn)生的概率，存在巨大的安全隱患。這就需要在安全范圍內(nèi)合理調(diào)整壓延工藝參數(shù)，權(quán)衡塑化效果與安全性能成為壓延過程的一大難點。

因此，對螺壓改性雙基推進劑壓延過程塑化質(zhì)量和安全控制措施進行全面的、統(tǒng)一的研究是必不可少的。未來還需從以下幾個方面開展重點研究：

(1)需要深入研究壓延物料的基本特性。明確壓延塑化質(zhì)量的物料硬度、均勻性、密度及含水率等典型特征參量，構(gòu)建壓延塑化質(zhì)量與典型特征參量之間的關(guān)系模型，并提出壓延塑化典型特征參量的檢測方法；探究推進劑組分及含量、輥溫、輥距、物料均勻性及流量、工藝條件等多因素耦合對壓延過程物料安全特性評價方法，明確壓延物料燃爆、破壞特性以及研究安全性的熱邊界條件，并提出壓延過程安全特性參數(shù)的檢測方法。

(2)需要建立壓延塑化質(zhì)量在線檢測和安全在線控制裝置，將硬性雜質(zhì)剔除、劃氣泡等安全控制裝置真正集成應用到生產(chǎn)線，大力發(fā)展諸如超聲波檢測、氣體成分檢測等新型技術(shù)，以期提升檢測精度和控制水平。

(3)需要建立壓延塑化質(zhì)量和壓延安全控制的數(shù)據(jù)庫，將傳統(tǒng)生產(chǎn)過程零散的人工經(jīng)驗向科學的實驗數(shù)據(jù)過渡，實現(xiàn)人工經(jīng)驗判斷向設(shè)備自動控制以及數(shù)字化精確控制發(fā)展。

(4)深入研究如超高速噴水滅火系統(tǒng)等針對推進劑危險特性的滅火技術(shù)，為壓延過程安全提供有力保障，通過理論、實驗、計算機技術(shù)等結(jié)合，真正促進我國螺壓改性雙基推進劑壓延塑化質(zhì)量和安全的在線控制及制造水平的顯著提升。