戰術導彈中小型固體發動機技術的發展

毛成立，王 繼，陳曉龍，何 快，樂 浩

（上海航天動力技術研究所，上海 201109）

0 引言

固體發動機是戰術導彈飛行的動力裝置，同時也是導彈彈體的主要組成部分[1]，占到導彈質量和尺寸的50%～80%，是導彈武器實現中、遠程防空反導和精確打擊的關鍵技術基礎，其性能直接關系到導彈武器作戰效能和威懾力。防空反導、遠程精打、未來智能導彈的發展對固體發動機的推進劑能量、質量比和調控能力等方面的要求越來越高，而發動機服役環境卻越來越嚴酷，對固體發動機低易損性和環境適應性的需求日趨迫切，這都給固體發動機的研制提出了更高要求[2]。本文從高能化、輕質化、可控化和低易損4 個方面，綜述了固體發動機國內外的研究和發展現狀，對涉及的關鍵技術和難點進行了分析，以期能夠為國內戰術導彈中小型固體發動機的后續發展提供參考。

1 研究現狀

1.1 高能化

固體推進劑作為固體發動機的能量來源，國內外均將提高固體推進劑比沖和實現發動機高壓強作為研究重點。我國經過多年的發展，形成了發展路線明晰的三代高能固體推進劑體系[3]。黏合劑采用硝酸酯增塑[4]、GAP（聚疊氮縮水甘油醚）[5]，氧化劑引入CL-20（六硝基六氮雜異伍茲烷）[5-6]，金屬燃料引入儲氫材料AlH3[7]，推進劑標準比沖從255 s 提高到265 s，這些對提高武器性能發揮了重要作用。

在固體推進劑中，氧化劑和燃料具有較高的密度，是主要的能源材料。而黏合劑能量較低，密度較小，是提高固體推進劑能量密度的關鍵限制因素[8-9]。近年來，幾乎沒有出現能量密度全面超CL-20 的高能量密度材料，導致我國高能固體推進劑的發展遇到瓶頸。

高活性納米鋁粉、納米復合含能顆粒等新型納米材料是提升裝藥燃燒性能的有效途徑[10]。但納米材料的比表面積大導致浸潤性差，難以均勻混合和澆注成型，無法形成結構完整的裝藥。固含量的增加能夠顯著提升推進劑能量密度，但是同時帶來了裝藥成型困難。為了保證裝藥流平性的工藝要求，目前必須加入較多的低能量低密度黏合劑體系，固含量無法有效提高，通常為70%～90%，導致固體裝藥能量提升遇到“天花板”效應。

我國戰術導彈固體發動機工作壓強一般低于22 MPa，穩定工作階段壓力更低。國外目前戰術導彈發動機工作壓強在7～30 MPa 之間[2]。根據相關資料顯示，未來20 年內如能突破推進劑、噴管、密封等技術，固體發動機的壓強可以提高到35～42 MPa。高壓強發動機技術發展主要存在以下3 個方面的問題：①固體推進劑適應高壓工作能力不足，壓強越高燃溫越高，燃燒動態壓力穩定性問題越嚴重；②噴管喉襯的抗燒蝕和抗沖擊能力不足，高壓工作會導致噴管喉襯結構破壞和喉襯燒蝕嚴重；③密封問題亟待解決，現有的密封材料和密封結構形式難以滿足30 MPa 以上穩定工作。目前，這幾方面研究進展緩慢。

1.2 輕質化

固體發動機輕質化主要是通過采用輕質高性能金屬殼體或纖維纏繞復合材料殼體[11-12]，以及提高絕熱層結構性能等技術手段[13]，降低消極結構質量。同時，隨著發動機工作壓強的不斷提高，復合殼體的比強度優勢較目前主流的鋼質殼體也更為明顯。

在過去的25 年中，各國進行了多種戰術級火箭發動機復合材料殼體的開發和驗證工作，已在戰術導彈領域獲得了廣泛的應用，殼體直徑70～510 mm不等。各種戰術級火箭發動機復合材料殼體計劃見表1［11-12，14]。

表1 復合材料殼體計劃Tab.1 The programs of composite case

國內針對復合材料殼體的研制也取得了一些進展，相關單位陸續開展了直徑Ф150～480 mm 的多種碳纖維發動機殼體，且纖維強度轉化率及特性系數均達到的較高的技術水平[11]。

1.3 可控化

為了有效改善導彈武器的控制性能，提高其生存能力及增加其動力航程，固體發動機推力和能量可控發揮了巨大作用，也一直是一個重要的發展方向[15]。目前主要技術途徑包括脈沖發動機、變推力發動機、固體姿軌控發動機[16]、擺動噴管及燃氣二次噴射技術。

雙脈沖固體火箭發動機是一種利用隔艙將推進劑隔離成兩個燃燒室，實現二次啟動，間歇提供推力的動力裝置。英、德、美、意等國研制了多種類型的脈沖發動機，主要應用于戰術防空導彈。國內相關單位均開展了不同形式的固體多脈沖發動機技術方面的研究[15]，目前已有多型脈沖發動機應用于研制型號。但脈沖發動機屬于預設式的能量管理方式，能量釋放的規律已經預先設定，而能量隨控的固體發動機仍在發展之中，例如基于電控[17]、磁控[18]固體推進劑的固體發動機。

固體火箭發動機變推力的形式眾多，目前國內外主要采用喉栓推力調節技術，通過改變喉部面積的大小進而改變發動機推力的大小[19]。在該研究領域，美國的Aerojet 公司和ATK 公司是主要的參與者，均取得了重要的成績。2003 年，Aerojet 公司針對HAWK 導彈和“網火”系統精確攻擊導彈PAM，開展變推力發動機研究，前者通過了地面20 s 的考核試驗，后者完成了近2 min 的飛行試驗，發動機工作50 s，后續又開展了多次分析試驗，精確命中了無人駕駛汽車和坦克等高速移動目標[20]。國內相關單位也啟動了研究工作，目前均處于原理樣機的研究階段，仍需結合導彈總體的彈道需求，在推力開環控制、閉環控制方面仍處在攻關階段。

固體姿軌控發動機以其控制靈活、結構輕巧、維護方便、反應迅速等特點成為導彈武器提高機動性的首選。精確打擊的極致就是導彈與目標直接碰撞，這是實現動能殺傷的必要條件。目前多數動能殺傷武器都采用了固體姿軌控發動機技術，其應用分為大氣層內和大氣層外兩類。大氣層內的應用包括低空近程高速動能彈和反TBM 導彈等：前者如美國的“LOSAT”高速動能反坦克彈[21]，其低空飛行速度高達1 600 m/s，全程飛行時間只有幾秒鐘，常規的氣動力控制響應太慢，利用固體姿軌控發動機進行姿態保持和彈道校正；后者如美國“愛國者-3”導彈[20]和俄羅斯的9M96E、9M96E2，在導彈自動導引的末段，需要在極短時間內消除脫靶，此時導彈的主發動機通常已經工作完畢，無法用推力矢量的方式提供控制力（矩），較高的高度也使舵面的氣動效率下降，利用固體姿軌控發動機可以在導彈飛行末段提供較大的機動能力。大氣層外的應用主要包括大氣層外反導和空間攻防，例如美國的“SM-3”導彈上的動能攔截器，從Block Ⅰ到Block ⅡB，其固體姿軌控發動機從開關式的射流閥技術發展為了喉栓式的調節閥技術，提高了動能攔截器的過載能力[20]。固體姿軌控發動機從單次動作閥門（如俄羅斯的9M96E 導彈）向多次動作的比例調節燃氣閥（如法國的Aster-30 導彈）的方向發展，推力可連續調節，靈活性更強，代表了固體姿軌控發動機的技術發展方向。

1.4 低易損

低易損性已成為戰術導彈固體發動機設計的主要指標之一。美國海軍在1984 年率先實施了先進鈍感彈藥發展計劃（IMAD）。1988 年美海陸空三軍達成聯合協議，要求1993 年10 月以后武器系統的首件裝備以及1995 年10 月以后生產的武器彈藥均應符合低易損性彈藥標準[22]。北約建立了彈藥安全信息分析中心（MSIAC），提供數據和分析服務[23-25]。國外已經建立健全了彈藥安全性評估體系，國內在標準體系方面仍是空白。

在發動機的低易損性驗證方面：美國海麻雀導彈發動機已經通過了美軍標MIL-STD-2105B[26]規定的4 項考核中的3 項；國內相關單位已經完成了發動機級的部分低易損性考核試驗[27]，試驗表明，發動機的低易損特性與推進劑低易損特性并不完全等同，應加強對發動機整機的低易損性研究[28]。

在低易損推進劑方面，目前國外主要有美國的HTPE 推進劑、鈍感NEPE 推進劑，以及法國的鈍感低特征信號XLDB 推進劑[29]，其性能已與在戰術導彈中的常規推進劑相當，并且已經裝備了部分導彈型號。國內對低易損性推進劑HTPE、GAP、PBT等開展了大量研究，部分推進劑已通過了6 項低易損性試驗[30]，燃燒穩定性、力學性能、能量水平與HTPB 推進劑相當，已具備工程應用的基本條件，但距離大規模使用和裝藥生產尚有一定距離。

在低易損結構方面，殼體的復合材料化是對低易損性有重大貢獻的技術，可以降低外部子彈或破片襲擊后推進劑的著火概率，同時對熱刺激也有防護作用[22，31-32]。采用復合殼體、裝填HTPE 推進劑的美國海麻雀導彈，通過了美軍標2105B 的3 種主要測試項目，而相應的HTPB 推進劑裝藥僅能通過快速烤燃測試。Vetter[22]提出了鋼質發動機殼體采取隔熱涂層加局部易破實現低易損性方案，能在易著火的范圍內安全使用。國內相關單位通過在燃燒室殼體表面安置切割索，在快速烤燃、慢速烤燃以及子彈沖擊3 個方面驗證了該項技術的有效性。

此外，安全點火裝置、激光點火器也是提高發動機低易損性的有效手段，在美國多型武器中得到了應用。

1.5 小結

傳統固體發動機的發展已陷入瓶頸期，戰術導彈中小型固體發動機要實現質的跨越，必須進一步提高性能和安全性，這就要求其必須往高能化、輕質化、可控化和低易損方面發展。與西方國家相比，我們無論是技術，還是材料、工藝等方面都落后，有關這方面的技術資料，西方也對我們一直保持高度封鎖的狀態，能查閱到有用、有效的資料文獻都比較少，這就要求我們必須自力更生，加大研發投入。

根據前文綜述梳理，從目前國內外發展趨勢來看，固體發動機的高能化主要從提高固體推進劑中黏合劑的密度和提高發動機燃燒室工作壓強兩條技術途徑來開展；輕質化可以從采用輕質高性能金屬殼體、纖維纏繞復合材料殼體以及提高絕熱層結構性能3 條技術途徑實施；可控化主要往多脈沖固體發動機、推力可調可控固體發動機以及固體姿軌控發動機3 個方向發展；而作為提升固體發動機安全性的低易損，則是固體發動機未來必須面對的，這方面主要可以從鈍感固體推進劑、主動擴穩（發動機自分解、自毀、主動泄壓等方式）、防護材料（殼體材料、外部涂層、絕熱層）等途徑開展工作[33-35]。

戰術導彈中小型固體發動機技術發展必定是多元而又統一的，高能化、輕質化、可控化和低易損將在相對獨立的研究過程中走向整合，實現中小型固體發動機質的跨越和發展。

2 發展趨勢

為進一步提高導彈的性能，美國海軍提出“奪取空中優勢/未來海軍能力”計劃。該計劃的內容便是研發先進技術，增大導彈射程，減小截擊目標的時間，提高末端機動能力，以及改善火箭發動機對鈍感彈藥刺激的響應。因此，從前文對戰術導彈固體推進技術國內外研究現狀來看，隨著高性能戰術導彈的需求牽引、對安全性的重視，高能量、質量輕、靈活的能量管理，以及機動性、低易損性已經成為中小型固體發動機的未來重要發展方向。

以新型含能黏合劑、增塑劑和氧化劑的合成研究為基礎，發展高能量、高燃速、高強度和低感度的推進劑，是未來戰術導彈武器的要求之一。依托于邊緣學科及新興專業，提出的新概念、新原理、新方法而發展的高新技術，通過挖掘現有材料的潛力以提高推進劑的綜合性能[36]。

采用復合材料構件可以大幅降低發動機的結構質量，同時為使得發動機實現更高的性能，這需要發展先進的復合材料。歐洲P80FW 整體式碳纖維復合材料固體發動機，是以整體結構復合材料殼體與裙的應用為代表，采用了一系列先進的復合材料技術，具有更低的成本和更好的性能；采用了極低密度的橡膠絕熱層、高性能碳纖維預浸漬帶成型、復合材料柔性接頭、分段復合材料殼體等多項新材料和新技術的Zefiro 40 發動機，也具有很高的質量比。

可控化向著多脈沖發動機、變推力發動機、固體姿軌控系統等具有高效能量管理技術的方向發展，使得固體發動機的性能和使用范圍都得到大幅提升，進而確保戰術導彈的作戰和防御區域得以擴大，機動性增強，在防空反導領域深受重視。美國洛馬公司的“PAC-3”通過采用雙脈沖發動機后，射程提高1 倍；美國“SM-3”采用固體姿軌控系統后，通過控制燃燒室壓強調節推力，使得姿態控制更為靈活。

低易損是導彈武器裝備發展的重點方向之一，盡管國內研制的低易損推進劑已經通過了美軍標2105D 中規定的所有6 項考核，但我們依舊不能認為裝備了低易損推進劑的發動機就是低易損發動機，還必須從發動機整體出發開展研究。同時，低易損技術的發展也必須由被動式向主動式，或者主被動結合的方式發展，在不對現有體系、結構進行大改動的情況下，提升發動機的低易損性。

3 研究建議

從前文所述的中小型固體發動機技術發展創新規律來看，可以給出的研究建議如下：

1）固體發動機能量水平仍需進一步提高。①在未來相當一段時間內，固體推進劑的高能化仍然是一條發展主線，新型高能或超高能物質的不斷涌現，將使固體推進劑的標準理論比沖突破300 s。在新型含能材料無法短期突破的情況下，創新成型工藝，提高推進劑固含量，引入納米含能材料將是提高固體推進劑能量密度和能量利用率的有效途徑。②依托新研制成功的高比強度殼體材料和耐燒蝕噴管材料，繼續深入開展高壓強發動機技術研究，使得固體發動機獲得更高的比沖和更大的推力，推動發動機能量向更高水平邁進。③建立固體發動機高壓強下的性能計算模型，通過優化和改進裝藥結構，為高壓強固體發動機的方案設計提供理論基礎。

2）基于輕質高效的能量管理能力依舊是固體發動機發展的重點方向。①開展發動機燃燒室與封頭或噴管一體化設計研究，優化結構，降低消極質量，同時提升制造成型技術。②在纏繞殼體方面，針對固體發動機開展帶裝藥纏繞一體化關鍵技術攻關，進一步降低發動機消極質量。③突破高強碳纖維的工程化應用和新型殼體材料的開發，促使固體發動機的復合材料殼體技術更新換代。④對于多脈沖固體發動機，繼續深入開展柔性脈沖隔離裝置（軟隔艙）研制，減小發動機體積，降低發動機質量。

3）固體發動機可控化的發展正在從開環控制向閉環控制，從開關式向連續可調式方向發展，能量管理方式也從預設式到隨控式方向發展，向著高精度、快響應的方向發展。①針對高功率密度驅動裝置和高精度控制算法等方面開展技術攻關，尋求新的突破，支撐可控固體發動機技術的發展。②開展可多次啟停固體發動機研究，在可熄火固體推進劑、發動機燃燒室降壓或泄壓裝置、重復點火技術等方面有所突破。③通過裝藥結構優化設計、喉部調節裝置研制、高壓力指數固體推進劑研制等，繼續深入開展推力可調固體發動機研制，實現傳統固體發動機工作模式的顛覆和功能拓展。④結合柔性脈沖隔離裝置（軟隔艙）等更先進的隔離方式、高效的多次點火技術，將脈沖發動機從雙脈沖往更多的脈沖工作發展，進一步實現固體發動機能量分配管理的優化。

4）固體發動機低易損技術從組件級往整機級發展。①有效集成鈍感固體推進劑和復合材料殼體等組件級低易損性實施途徑，開展固體發動機整機級低易損性研究，根據具體使用環境有針對性地提出低易損技術方案。②開展固體裝藥的尺寸效應和發動機組件間的相互影響研究，弄清固體裝藥、發動機結構等對發動機安全性的關鍵影響因素和方式。③以數值仿真和試驗結合的手段，在發動機整機層面開展失穩機理研究，并開展擴穩技術的攻關工作。④通過環境危險實時感知與主動擴穩相結合等技術，研制主動安全的固體發動機，以全面通過低易損性試驗考核，實現低易損技術的工程化。

此外，固體發動機的智能化也是未來的重要發展方向。為了支撐戰術導彈實現智能化，固體發動機需要在智能可控、彈道最優、高安全性、能量自裝配、狀態感知、智能制造、免維護等方面深入發展。

4 結束語

高能化和輕質化是固體發動機永恒的追求，而可控化和低易損則是中小型固體發動機具備顛覆性的發展方向。俄羅斯、美國等已經在可控化和低易損方面實現了戰術導彈武器裝備的服役，走在了中小型固體發動機發展的前列。盡管國內相關技術也日益成熟，但較之俄、美仍存在一定的差距，需要逐個突破推進劑和熱防護原材料、新型裝藥工藝、可調燃氣閥門、壓力閉環控制、有效擴穩等關鍵技術，加速工程化進程，為我國戰術導彈的跨越式發展提供技術支撐。