通讯单位：上海交通大学

通讯作者：江治

论文DOI：https://doi.org/10.1073/pnas.2508143122

本研究通过自主开发的原位诊断方法，突破了固体火箭推进剂极端热条件下物质结构演化观测瓶颈，捕捉到其在高速升温、点火至燃尽过程中的物质结构非平衡态演化现象，揭示了非平衡态热梯度主导的传质—反应作用机制，并建立了点火行为与介观结构重组的定量联系，为高性能固体推进剂的精准设计提供了介观尺度结构动力学支撑和定量研究方法学框架。

背景介绍

固体火箭发动机是现代航天与国防领域的核心动力之一，其性能提升依赖于对其“心脏”固体推进剂燃烧机理的深入认知。真实发动机工作中，推进剂承受瞬时极端高温、高速升温及复杂应力，处于强烈非平衡态，其内部微米至毫米尺度介观结构（如氧化剂颗粒、金属燃料、孔隙网络）的动态演化，直接决定发动机点火、燃烧性能及稳定性。但由于极端条件下原位观测手段缺失，这一过程长期处于“黑箱”状态，导致先进推进剂研发仍多依赖平衡态假设模型，难以实现精准设计与性能预测，进而制约了配方优化和性能及可靠性的精准预测。针对上述难题，我们团队与合作者取得了进展，相关结果发表于PNAS（国家科学院院刊）。

本文亮点

针对极端热环境下推进剂内部介观演化难以观测的难题，团队依托X射线层析成像技术，自主设计构建了原位动态诊断系统，集成梯度加热与高速升温功能，结合自主开发的高精度4D图像重建与定量分析算法，解决了极端热环境加载、振动干扰及X射线兼容性等关键难题，构建了原位动态X射线表征方法学框架。这相当于给固体推进剂装上了一台"高速CT摄像机"，能够实时看清其在极端工作条件下的内部结构演变，推动燃烧诊断进入四维介观动力学维度。基于上述方法，团队首次实现固体推进剂从受热、热解、点火到燃尽全过程，内部三维介观结构动态演化的原位、实时精准捕捉，并结合无量纲数模型分析，实现了定量描绘介观结构演化的动态全景。

图文解析

基于上述技术体系，实现了跨越微秒—毫秒—秒三个时间尺度的动态观测，进而定量描绘了推进剂介观尺度组分结构在受控热梯度下，从热解、点火到燃尽的完整演化全景。围绕孔隙结构演变动力学，研究发现孔隙结构演化特征并非仅由温度所决定，而是更依赖于高速升温过程中的非平衡态热梯度。基于实验和模拟数据的第二达姆科勒数分析表明，其内在控制机理是分解气体产生速率和气体传输速率相互竞争的过程。

研究还首次精细刻画了该复杂非均质体系中的氧化剂颗粒（AP）从分解到燃尽的完整动力学过程，提供了升温速率在介观尺度上重塑分解路径的直接结构证据。研究发现，在非平衡态的快速升温条件下，AP低温分解路径被显著抑制，且在（高达500℃）点火前还始终保持着较致密的结构完整性，其最终燃烧表现为由颗粒碎裂和分层剥离主导的固相分解机制，这一现象同样由反应动力学与传热传质的非平衡态竞争所决定。

此外，通过定量刻画（由非平衡态驱动的）AP迁移和铝颗粒集群碎裂/团聚的“动力学模式”，研究建立了内部介观结构重组与非平衡态点火之间的定量物理联系，即推进剂的点火燃烧性能并非仅由均质的表面化学反应所决定，而是依赖于一个由非平衡态条件驱动的内部介观结构重组过程，为点火机理与初始燃烧阶段行为的定量预测提供了介观尺度的物理依据。

总结与展望

上述研究表明，模拟真实、快速的热解/燃烧过程时，需修正基于准平衡态数据的工程模型，将非平衡态条件主导的介观物理过程纳入描述框架，以更准确地刻画介观结构演化与多物理场的动态耦合过程，从而为高性能推进系统的精准设计提供更符合真实物理图像的理论依据。本研究构建并验证的原位动态表征方法学框架，可进一步应用于相关建模与机理研究，为同类极端条件下物质演化观测提供参考。

上述研究以“Heating rate gradient drives mesostructural dynamics in solid propellant under nonequilibrium conditions”为题，发表于《国家科学院院刊》(PNAS, 22, 2508143122 (2025)，DOI: https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2508143122）  该研究工作融合工程热物理、凝聚态物理、化学物理等学科，与精密仪器技术、计算机科学等领域深度交叉，最终应用于航天动力工程。此前，团队已在包括Combustion and Flame等期刊发表该方向多篇相关论文，并牵头制定了该方向宇航学会团体标准，逐步形成了从基础科学发现、到技术突破、再到标准引领的研究体系。