固體動力智能化發展技術展望①

田維平，雷曉龍，唐 敏，楊玉新，王 偉

(1.中國航天科技集團有限公司第四研究院，西安 710025；2.中國航天科技集團有限公司第四研究院四十一所，西安 710025)

0 引言

近年來，隨著人工智能技術快速發展和作戰空間向一體化、聯合化、全維化、實時化、透明化方向發展，軍用人工智能成為改變軍事革命和未來戰爭的顛覆性技術，逐漸深入武器裝備發展領域。國外軍事強國紛紛布局人工智能國防戰略,不斷升級人工智能軍事作戰應用,實現了武器裝備、作戰應用系統、作戰力量等方面的顯著提升[1-3]。

在導彈武器領域，科技工作者力求應用和發展智能化技術以實現導彈智能化，占領未來武器裝備發展制高點。導彈總體的智能化需求和日益完善的技術途徑，對固體動力產生了變革性影響。一方面，固體發動機要滿足導彈智能化對動力系統的需求，具備推力可調、燃燒可控、跨域工作等復雜功能；另一方面，又要實現對外部環境和內在質量的自感知和自適應智能化趨勢，這就極大地豐富了固體動力的技術研發內涵，擴展了固體動力的應用工程功能。

本文研究了幾種智能導彈武器動力系統及作戰概念特征與發展路線，提出了對多模態跨介質組合發動機技術、固體火箭超燃沖壓發動機技術和固體發動機工作過程及性能調控技術等智能化固體動力技術的發展建議。

1 多模態跨介質組合發動機技術

1.1 研究進展

傳統武器裝備難以滿足未來信息化、一體化、覆蓋海陸空天的“多維化”作戰需求，針對多棲作戰裝備的迫切需求提出一種空水跨介質發動機。這類新型固體組合動力是針對未來智能化武器裝備跨域、跨介質作戰需求而創新發展的一種多模態跨介質組合發動機。該動力以高性能特種固體推進劑作為燃料，同時具有空氣沖壓和水沖壓兩種工作模態且模態間可智能轉換，具備靈活的推力調節能力和多次啟動的能力，可滿足武器裝備空中高超聲速巡航、水下超高速航行的動力需求。

近年來，國內相繼開展了固體火箭沖壓發動機及水沖壓發動機原理探索和技術研發工作，研制了高熱值、高密度的固體燃料基礎配方，可初步滿足空水跨介質組合發動機的應用需求；突破了流量調節技術，實現了推力動態調節，滿足智能武器推力調節需求；完成了金屬燃料水沖壓發動機地面集成及湖態航行試驗，驗證了水沖壓發動機工作原理，為空水跨介質組合發動機技術的發展奠定了較好的技術基礎[4-9]。圖1為美國固體粉末沖壓發動機原理圖，美國金屬燃料水沖壓發動機魚雷見圖2。

圖1 美國固體粉末沖壓發動機原理圖[10]

圖2 美國金屬燃料水沖壓發動機魚雷[11]

1.2 性能特點與優勢

空水跨介質組合動力具有以下六項顯著特點：

(1)比沖和能量密度高。空水跨介質組合動力主要以沖壓模態工作，利用飛行/航行介質作為氧化劑，發動機的比沖可達常規火箭動力的2～3倍；同時，推進劑密度很高，可達到1.6 kg/dm3以上，可大幅減小動力系統的體積。

(2)推力輸出調控靈活性高。推力調節比可達到15∶1以上，同時具備多次開關機的能力，可大幅提高飛行彈道設計的靈活性。

(3)飛行/航行速度高。可實現Ma=6以上速度高超聲速飛行，水下航速可達200節以上，可大幅提高導彈的突防能力和毀傷效果。

(4)實戰化性能高。具有更高的安全性和可靠性，更強的環境適應性和貯存性。

(5)一體化程度高。采用一體化設計方案，一型動力可同時滿足上天、下海的動力需求，可大幅降低導彈的消極質量和體積。

(6)制造和使用成本低。固體燃料原材料制備工藝成熟，成本低；無需復雜的裝藥絕熱工藝過程，工藝周期短，工藝成本低[12-15]。

1.3 主要關鍵技術

針對多模態跨介質組合發動機技術的發展需求及現狀，需從以下六個方向開展關鍵技術攻關：

(1)固體燃料空水跨介質組合動力總體設計技術。通過總體結構布局和設計參數的優化論證，建立結構、防熱及性能一體化設計方法及高精度的全包線性能預示模型，形成高性能彈用空水跨介質組合動力技術方案。

(2)高熱值、高密度固體推進劑配方技術。針對空水跨介質組合動力的應用需求，發展能夠同時兼顧超燃、水沖壓模態的高熱值、高密度、易于輸送和流化的高性能固體推進劑配方，并通過地面試驗進行考核驗證。

(3)高精度流量調節技術。揭示高速稠密兩相流條件下流量調節控制機理，發展高效流量調節方案，建立高精度的流量調節與控制模型，滿足空水跨介質發動機多次啟動及多模態下推力調節的需求。

(4)不同氧化劑環境下固體燃料的高效燃燒組織技術。針對跨介質發動機兩個模態工作的特點，深入揭示固體燃料在超音速空氣和水的氧化劑環境下的點火燃燒機理，建立高精度的固體推進劑摻混燃燒數值仿真模型，并系統研究不同氧化劑環境下影響摻混燃燒性能的關鍵因素及規律。在此基礎上，完成高效燃燒跨介質組合動力燃燒室的優化設計及驗證。

(5)空水跨介質組合動力長時間熱防護技術。深入研究固體跨介質組合動力在不同模態下的熱力載荷條件，并充分考慮不同模態下環境介質的冷卻能力，發展主被動相結合的熱量管理和熱防護技術方案，并通過地面單項和集成驗證試驗進行考核驗證。

(6)空水跨介質組合動力模態轉換技術。針對不同模態轉換的需求，形成介質涵道、推進劑輸送系統、燃燒室及尾噴管的調節及控制方案，并通過單項和集成試驗進行考驗驗證。

2 固體火箭超燃沖壓發動機技術

2.1 研究進展

固體超燃沖壓發動機是針對未來高超聲速導彈智能化、實戰化發展需求，創新發展的一種高推進效率、長時間工作、推力寬范圍靈活調節的新型固體組合動力。固體火箭超燃沖壓發動機以貧氧推進劑為燃料，推進劑經過一次燃燒后產生高溫、高壓多相富燃燃氣射流，富燃燃氣射流與由進氣道捕獲的空氣在超音速燃燒室中進行超音速燃燒釋放能量并產生推力。工作過程中可通過流量調節裝置實時進行推力調節，以滿足導彈寬域工作和機動飛行的需求。

國內發展了彈機高度一體化的固體火箭超燃沖壓發動機技術方案，并充分驗證了發動機原理及關鍵技術解決方案的可行性。形成了適用于固體火箭超燃沖壓發動機的高性能硼基燃料貧氧推進劑配方；研究了影響固體火箭超燃沖壓發動機燃燒性能的關鍵因素及規律，實現了固體火箭超燃沖壓發動機的穩定燃燒；發展了基于C/SiC超高溫陶瓷材料的固體火箭超燃沖壓發動機被動式熱防護設計方案，并成功通過長時間地面直連集成驗證試驗；突破了適用于固體火箭超燃沖壓發動機的固體燃氣流量調節與控制技術，完成了地面單項及集成試驗考核；開展了進發匹配設計技術研究，完成了自由射流試驗發動機設計。圖3為固體超燃沖壓發動機原理圖，固體超燃沖壓發動機自由射流試驗見圖4。

圖3 固體超燃沖壓發動機原理圖

2.2 性能特點與優勢

固體火箭超燃沖壓發動機具有以下顯著特點：

(1)比沖和能量密度高。發動機比沖可達到常規火箭動力的3倍以上，同時推進劑能量密度是液體超燃沖壓發動機的1.6倍以上。

(2)工作包線寬、加速能力強。燃氣發生器一次燃燒產生的高溫燃氣可起到點火、火焰穩定和燃燒促進的作用，不存在熄火的問題；貧氧推進劑中由于自帶一部分氧化劑，因此在相同的進氣道捕獲面積條件下，發動機的推力可達到液體超燃沖壓發動機的1.7倍。

(3)巡航速度高、推進效率高。巡航速度可達到Ma=6～8，可大幅提高導彈的突防能力和毀傷效果。

(4)實戰化性能高。固體火箭超燃沖壓發動機兼具結構簡單、長期儲存、強環境適應、高安全、高可靠等優點，可滿足導彈實戰化需求。

圖4 固體超燃沖壓發動機自由射流試驗

2.3 主要關鍵技術

針對固體火箭超燃沖壓發動機技術的發展需求及現狀，需從以下五個方向開展關鍵技術攻關：

(1)固體火箭超燃沖壓發動機總體設計技術。通過彈機一體化論證，確定高性能彈用固體火箭超燃沖壓發動機的結構布局和進氣道布局形式，建立結構、防熱及總體參數優化設計方法及性能預示模型。

(2)高性能硼基燃料貧氧推進劑配方技術。依據固體火箭超燃沖壓發動機燃燒的特點，研發高熱值、高燃燒效率、高壓力指數、低沉積的硼基貧氧推進劑配方，并通過一次燃燒和二次燃燒試驗進行考核驗證。

(3)固體火箭超燃沖壓發動機高效燃燒組織技術。通過數值仿真和地面試驗系統，研究不同因素對摻混燃燒性能影響的關鍵因素及規律，建立固體火箭超燃沖壓發動機優化設計方法。

(4)固體火箭超燃沖壓發動機長時間熱防護技術。深入研究固體火箭超燃沖壓發動機燃燒室的內外熱力載荷特性，并以此為輸入，發展被動式和主被動相結合的熱防護設計技術方案，滿足固體火箭超燃沖壓發動機長時間工作的需求。

(5)固體火箭超燃沖壓發動機進發匹配設計技術。通過數值仿真和試驗相結合的方式，系統研究進氣道、燃燒室、尾噴管的耦合工作特性，建立適用于固體超燃沖壓發動機的一體化內流道優化設計方法。

3 固體發動機工作過程及性能調控技術

3.1 研究進展

為滿足未來智能導彈的發展需求，動力系統的工作過程要與導彈的任務實時匹配，實現推力的動態調控，同時還要具備在全壽命周期的自身狀態智慧管理。為實現上述目標，均需依賴先進推進劑技術和先進的測試判斷手段的發展。目前，國內外均已開展具有智能化雛形的固體推進劑技術探索，新型固體推進劑及其先進制造技術的創新進展也為實現這種探索提供了可行的制造基礎，尤其是美、印等國已開展了固體推進劑藥柱打印成型技術研究，初步驗證了復雜藥型成型、藥柱梯度成型等關鍵技術[16-17]。本文提出了基于“可逆變推進劑+陣列式微傳感器”或“仿生智慧推進劑”等兩種構想的固體發動機工作過程及性能調控技術，可為固體動力的智能化發展提供思路。

3.1.1 可逆變推進劑+陣列式微傳感器

為實現對發動機燃燒過程的調控、自身質量狀態的管理，亟需解決發動機內部反饋機制缺失和藥柱狀態不可變的問題。一種可能方案是通過將陣列式微傳感器內嵌(打印或澆注)到藥柱中，以此實現對發動機內部狀態的實時監測，同時以監測到的狀態信息作為發動機調控的輸入，以此建立起發動機內部的反饋機制。將具有狀態可逆變的推進劑作為固體裝藥，根據傳感器反饋的發動機狀態參數，通過發動機智能決策發出對裝藥的調節和修復指令，在外加場的作用下，對預置傳感器產生特定激勵，實現對發動機的調節與缺陷修復，從而使得發動機具有自適應、自感知、自修復的功能。例如，當陣列式微傳感器監測到藥柱內部出現微裂紋等缺陷時，便可將此信息反饋至發動機處理中心，發動機據此信號作出反應，利用可逆變推進劑的特性，在外部激勵(電、磁、熱等)作用下，對特定位置的傳感器產生加熱作用，使推進劑自發愈合缺陷，實現自我修復。基于可逆變推進劑和陣列式微傳感器的自適應固體推進劑原理見圖5。

圖5 可自適應固體推進劑原理圖

3.1.2 仿生智慧推進劑

如果推進劑自身具備類似陣列式微傳感器的信號反饋機制，那么就可實現只通過裝藥便實現發動機的性能調控，無需外部傳感器的植入。以新一代場控型推進劑為基礎，再加上仿生學的類神經網絡結構，即可實現上述“智慧”推進劑的構想。具體來說，為實現推進劑的“智慧”行為，可通過研制特種含能材料結合打印技術制造類神經網絡結構(如絲瓜瓤結構)，在這些結構內部打印具有神經末梢功能的含能單元，通過類神經網絡結構將這些信號傳遞給發動機。發動機通過綜合狀態分析，在導彈任務變化的情況下，通過一定的電、磁或其他能源的特定激勵，實現對場控推進劑的結構或性能的管理，真正實現發動機智能隨控功能。基于仿生結構的智能固體推進劑原理見圖6。

圖6 基于仿生結構的智能固體推進劑原理圖

3.2 性能特點與優勢

固體發動機工作過程及性能調控技術具有以下兩項顯著特點：

(1)固體裝藥可以自感知、自修復。通過對裝藥及其界面的實時監控掌握自身質量狀態，在外部激勵下實現自修復。

(2)可實現燃燒控制。通過外加場對內置傳感器或推進劑中的網絡結構進行作用，改變推進劑的燃燒狀態。

3.3 主要關鍵技術

針對固體發動機工作過程及性能調控技術發展需求及現狀，需從以下三個方向開展關鍵技術攻關：

(1)可逆變固體推進劑技術。通過可逆變固體推進劑配方設計與調試，研究推進劑的燃燒性能、力學性能、缺陷敏感性及外加場作用下推進劑變形特性和燃燒特性。

(2)微小型智能傳感器技術。發展先進的傳感器材料、新型傳感器原理方法、微小型傳感器制造工藝，使得傳感器可被預置入固體裝藥之中，可感知推進劑的狀態變化，同時可作為外部場激勵的接收終端，實現對推進劑的狀態改變。

(3)仿生智慧推進劑技術。通過神經網絡結構設計制造、新型含能神經單元設計與合成、外加場下神經網絡結構與單元響應規律等研究，發展智慧固體推進劑。

4 結束語

圍繞智能固體動力的技術需求，前期國內已開展了水沖壓技術、超燃沖壓技術、流量調節技術、電控推進劑技術、推進劑打印制造技術等先期研究，取得了階段成果。本文對基于固體燃料的空水跨介質組合動力、固體火箭超燃沖壓發動機、固體發動機工作過程及性能調控等技術進行了綜合分析，提出了幾種智能動力的工作方案。下一步，需要圍繞固體動力推力調控、跨介質工作、工作過程主動控制等重點方向開展深入研究，驗證主要技術途徑，推動智能導彈的技術發展。