智能固體發動機概念及發展設想

葉 勛，高 波，毛成立，黃江流，樂 浩，何 快

（1.上海航天動力技術研究所，上海 201109；2.上海航天技術研究院，上海 201109）

0 引言

導彈武器是現代戰爭攻擊和防御的核心裝備。固體火箭發動機（以下簡稱固體發動機）以其結構簡單、綜合性能好、可靠性高、使用維護簡單和可長期待機值班等特點，已成為戰略投送、快速進入空間、區域拒止與精確打擊等導彈武器的最佳動力選擇。據不完全統計，目前世界有90%以上的戰略導彈、80%以上戰術導彈均采用固體發動機作為主要動力源［1］。

經過60 多年自力更生和艱苦創業，我國固體動力技術從無到有，從弱到強，為我國國防安全筑起一道牢固的安全屏障。但是不可否認，我國固體發動機技術與國外先進水平和未來發展需求仍然存在不可忽視的差距。

從技術能力上來看，當前固體發動機發展中主要存在以下問題：1）無法實現全域范圍內推力按需隨控。固體發動機目前依靠擺動噴管、姿軌控、喉栓等技術手段可以實現一定范圍內的推力調節能力，但無法實現全域范圍內（任意方向、任意大小）的精準調控。2）無法實現可控可熄。除脈沖固體發動機外，固體發動機屬一次性工作動力裝置，一旦工作不可終止，無法如液體發動機一樣實現按需啟停，導致固體發動機能量無法最優化配置。3）無法實現服役狀態自主感知。目前固體發動機不具備在服役過程中的狀態實時監測能力，設計壽命到壽后繼續服役能力評估是目前導彈武器面臨的普遍問題，批次性、個體化壽命問題頻發，對導彈武器的使役能力和威懾力造成嚴重影響。

針對上述問題，本文提出了“智能固體發動機”的概念，構建了完整的智能固體發動機技術路線和產品發展體系，為深入認知當前固體發動機工作過程涉及的核心基礎問題提供理論和技術支撐，規劃未來智能固體發動機專業技術發展路線，牽引相關學科發展和技術積累，為未來智能化裝備發展鋪平道路。

1 概念與內涵

智能固體發動機具有自主環境感知、自主使役能力評估以及自主工作狀態決策的特征，具備高適變、高效能、高矢量調控的能力，為導彈武器提供最優化能量管理和高度的安全保障。

智能固體發動機由可變固體裝藥、可感知殼體、可控點火系統、全域可調噴管機構以及智能決策系統構成，如圖1 所示。通過燃燒模式變革以及能量輸出方式革新，實現能量高效利用以及全域范圍內推力大小和方向隨控；將數字樣機、大數據和虛擬試驗等技術相融合的數字孿生技術，結合高精度原位監檢測系統，通過智能芯片實現對服役環境載荷數據的自主感知，并通過數字孿生技術進行使役能力的自主評估，通過數據網絡進行狀態反饋，并根據安全性和目標達成能力自主決策是否進入工作狀態。

圖1 智能固體發動機功能組件模塊Fig.1 Functional modules of intelligent SRM

2 發展路線

以需求牽引、技術推動為發展理念，推進智能固體發動機健康可持續創新發展。規劃了以結構力學正向設計、能量釋放動力學、數字樣機、數字孿生等技術體系為主線的技術發展路線（如圖2 所示），涵蓋了發動機設計、使用、試驗、壽命中的關鍵技術內涵，并以此為基礎，形成變推力發動機、可控可熄發動機以及高效能全域矢量調控發動機的產品發展路線，最終實現具備高適變、高效能、高矢量調控特征的智能發動機。

圖2 智能固體發動機發展路線規劃Fig.2 Development route planning of intelligent SRM

2.1 技術路線

2.1.1 結構力學正向設計

基于正向設計理念，從固體發動機各部件基礎結構出發，構建微細觀到宏觀的跨尺度計算模型和方法，揭示固體發動機中力的形成—傳遞—演化路徑和作用機制，如圖3 所示。綜合考慮固體發動機全壽命周期內經受的環境載荷（溫度、振動、重力等）、結構熱應力作用，從最底層的分子化學出發，到物理微結構，再到宏觀結構的力學響應，構建固體裝藥、界面、絕熱結構、復合殼體、噴管、點火裝置、燃氣調節機構等全系統的正向設計和跨尺度計算方法體系，形成固體發動機正向驅動的設計軟件生態系統，實現固體發動機結構力學設計透明化。

圖3 固體裝藥跨尺度計算Fig.3 Cross-scale calculation of solid charge

2.1.2 能量釋放動力學

系統開展固體推進劑的點火和燃燒特性研究，揭示固體推進劑點火和火焰傳播機理，建立固體推進劑點火準則和火焰傳播計算模型，固體推進劑燃燒過程中鋁的燃燒行為如圖4 所示。構建固體推進劑微細觀結構模型，解析新型高能物質的熱分解機理，掌握推進劑高壓燃燒化學反應動力學，解決金屬基燃料分散燃燒模擬難題，建立固體推進劑跨尺度燃燒過程數值計算方法。

圖4 固體推進劑燃燒過程中鋁的燃燒行為［2］Fig.4 Al combustion in solid propellant［2］

圍繞燃燒室內燃氣流動、傳熱和能量轉換過程，掌握發動機內凝相運動行為模式及多相流輸運規律，重點突破燃燒室內流動過程中凝相成分的形態演化、氣動力對凝相成分空間分布的影響、徹體力作用下受限空間內凝相顆粒運動及相互作用、噴管流動過程中多相燃燒產物相變動力學、多相燃燒產物在發動機內流動和演化的數值模擬等關鍵技術［1］，揭示多相燃燒產物作用下絕熱結構失效模式與破壞機理，掌握多相燃燒產物生成與輸運過程對能量轉換的影響規律，建立考慮多相燃燒產物復雜流動與熱力過程的內彈道計算方法。

2.1.3 數字樣機

數字樣機是固體發動機產品的數字化表述和工作過程數值模擬，是與固體發動機相關的所有三維數字信息構成的產品模型和算法集合?；诮Y構力學正向設計和能量釋放動力學，重點突破多材料、多結構、多學科、跨尺度數值模擬技術，解決超大規模高效計算難題，實現虛擬試車，模擬發動機產品在真實條件下的幾何特性、物理特性以及工作過程，驗證現實世界中物理樣機的功能和性能。在不進行點火試驗的情況下，實現對發動機工作特性的高精度評判、對發動機工作過程的全方位解析。突破真實試驗條件下在線測試和觀測手段的限制，實現發動機工作過程各狀態點物理量的動態輸出，解析發動機工作過程的薄弱點，進一步優化發動機設計，實現發動機產品工作過程的透明化。

2.1.4 數字孿生

構建固體發動機結構和性能表征參數體系，發展高精度試驗測試和測量技術，獲得個體化固體發動機初始真實狀態，包括原材料性能、工藝參數、結構參數的真實數據和統計規律，形成個體化初始物理模型；發展基于微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）技術的固體發動機全生命周期環境載荷監測技術；基于數字樣機，搭建物理空間和虛擬空間之間的數據傳遞與信息反饋，構建固體發動機數字孿生體，精準預示固體發動機各部件的物理、化學狀態，通過高效、精準的虛擬試車，精準評估固體發動機任意時刻的使役能力；突破融合感知-評估-決策的智能芯片設計和集成技術，實現智能芯片的隨彈應用，形成固體發動機自主感知、自主評估和自主決策能力。

2.2 產品路線

2.2.1 變推力固體發動機

變推力固體發動機是智能固體發動機第一個發展階段的代表性成果，以結構力學正向設計為基礎，同時融合能量釋放動力學部分研究成果，精確設計固體發動機各部件，重點解決固體裝藥與噴管調節機構的耦合設計，突破高溫、高壓作用下噴管調節機構的連續精準運動控制技術，在5～7 a 內實現固體發動機超高推力調節比的連續、精準調節，滿足先進導彈高機動性和強突防能力對動力系統的需求。

重點關注以下技術途徑：

1）固體裝藥增材制造技術。固體裝藥增材制造技術如圖5 所示，將增材制造技術和跨尺度設計、計算相結合，實現裝藥組成、微觀界面、復雜拓撲結構和使用性能的精確設計與精準制造，從而打破制造技術障礙，賦予裝藥跨尺度的立體結構、靈活多樣的能量控制方式、對戰場環境和目標的自適應調節能力，顯著提升裝藥能量利用率，滿足推力調節固體發動機對推進劑燃速、壓強指數、藥型等的技術要求［3］。

圖5 固體裝藥跨尺度打印技術Fig.5 Cross-scale printing of solid charge

2）被動式噴管喉徑調節技術。在發動機噴管喉部增設閥門結構的調節裝置如圖6 所示，同時匹配高壓力指數固體推進劑，在燃燒室壓力閉環控制系統作用下，伺服驅動系統根據指令牽引閥門軸向移動，迫使喉部面積在一定范圍內發生改變，實現推力的無級調節。在此過程中噴管喉部結構不發生變化，僅僅依靠閥門機構的運動實現喉部面積調節，因此，屬于被動式調節。該技術可以降低甚至消除推進劑燃速、材料燒蝕和環境溫度的影響，大大提高導彈的控制精度。但需要重點解決閥門機構的熱防護和抗燒蝕難題。

圖6 喉栓調節結構Fig.6 Throat adjustment mechanism

3）主動式噴管喉徑自適應調節技術。通過智能構件的4D 打印技術（如圖7 所示），設計和制造主動式噴管喉徑自適應調節機構，通過聲、光、電、磁和熱等信號使噴管喉徑、噴管擴散段隨著推力調控指令而發生自適應調節，同樣能夠實現發動機推力的無級連續可調，并且發動機始終處于理想膨脹狀態，實現發動機能量的最優化。主動式噴管調節機構取消了被動式噴管喉徑調節閥門機構，系統復雜度顯著降低。當前4D 打印技術方興未艾、蓬勃發展，為實現噴管喉徑的4D 打印提供了理論和技術基礎。

圖7 4D 打印構件變形、變性和變功能實例［4-6］Fig.7 Examples of deformation，degeneration，and functions of 4D printing components［4-6］

2.2.2 可控可熄固體發動機

可控可熄固體發動機是智能固體發動機第2 個發展階段的代表性成果，以結構力學正向設計、能量釋放動力學為基礎，重點突破亞穩態固體推進劑、噴管快速調節、重復點火等技術，同時融合變推力發動機中噴管喉徑調節技術，以數字樣機成果為基礎，實現虛擬試車，有效檢驗固體發動機在各種工況下的工作能力，在10～15 a 內實現固體發動機按需啟停、推力連續可調，具備與液體發動機相當的精確控制能力。重點關注以下技術途徑：

1）亞穩態固體推進劑技術。以能量釋放動力學為基礎，設計亞穩態推進劑，調控發動機熄火時推進劑自持燃燒過程的氣相、凝相間的熱反饋平衡，形成亞穩態熱平衡臨界燃燒狀態。通過噴管開度調節，控制燃燒室內壓強，實現固體燃面的穩定燃燒和熄火。當發動機需要再次啟動時，通過重復點火系統輸入能量，實現固體裝藥的再次引燃，并快速進入穩定工作狀態。點火系統的能量需隨固體裝藥的變化而適應調節。

2）電控推進劑技術。電控推進劑具有獨特的電化學特性，在外加電場作用下可以發生電解、熱解反應，實現推進劑點火燃燒，產生推力；在推進劑持續燃燒過程中，通過調節電場強度控制推進劑的燃速，實現推力大小調節［7］。斷電或調節電流低于閥值后，推進劑燃燒產生的熱量不足以維持推進劑的持續分解，推進劑主動熄火，發動機停止工作；當再次輸入合適的電流，推進劑再次發生電解、熱解、燃燒反應，如此循環往復，實現發動機的多次啟停和推力大小隨控。電控可熄發動機地面試車情況如圖8 所示。

圖8 電控可熄發動機地面試車Fig.8 Firing test of electrically controlled extinguishable engine

2.2.3 高效能全域矢量控制固體發動機

高效能全域矢量控制固體發動機是智能固體發動機的集成表現形式，是結構力學正向設計、能量釋放動力學、數字樣機和數字孿生基礎研究的綜合應用。重點突破全域噴管調節、固體裝藥按需輸送等關鍵技術，構建自主感知、自主評估和自主決策的智能化體系，研制高效智能芯片，在20～30 a 內實現固體發動機按需啟停、全域范圍內推力連續可調、智能決策。重點關注以下技術途徑：

1）全域矢量調節噴管技術。基于4D 打印智能構件技術［8］，結合新的耐高溫、耐高壓材料，發展新型噴管全域矢量噴管調節技術，在可控可熄固體發動機的基礎之上實現噴管任意方向推力的連續可調，使固體發動機具有超強的能量管理能力，滿足智能化武器裝備推力矢量精確調節需求。

2）智能感知-評估-決策技術。基于MEMS 傳感技術，發展微型化傳感網絡，對固體發動機全生命周期內的各種環境載荷進行監測［9］；結合數字樣機和數字孿生技術，對固體發動機的使役能力進行在線評估，判斷是否滿足繼續服役能力、是否能夠滿足預期投擲能力和自主決策是否繼續服役或進入工作狀態。

3）固體爆轟元推進技術。固體爆轟元推進系統由爆轟元推進劑、點火裝置以及供給、冷卻與驅動裝置組成。在供給裝置驅動下，爆轟單元被傳輸至爆震室指定位置，控制點火方式使爆轟元發生可控爆轟反應，輸出特定的推力，冷卻系統控制爆震室恢復至低溫低壓狀態。通過精準控制爆轟單元的輸送，實現發動機啟停、推力大小離散調節，結合全域矢量調節噴管技術，實現發動機推力的全域矢量調節。爆轟推進工作循環如圖9 所示。

圖9 爆轟推進工作循環Fig.9 Working cycle of detonation

3 發展設想

著眼國家發展新布局及安全形勢新變化，瞄準戰爭制勝新機理、戰略能力新要求，以智能化作為固體動力未來發展主線，統籌策劃，逐步推進智能固體發動機發展。據此，提出以下發展設想：

1）加強頂層規劃，實現體系發展。注重智能固體發動機頂層規劃，立足當前，著眼未來，明確發展目標，統籌裝備智能化發展，體系化開展研究工作。聚焦當前固體發動機存在的瓶頸問題和未來智能武器發展需求的關鍵問題，構建以原始創新為先導的智能固體發動機創新體系，努力開辟新的技術發展途徑，探索尋求新的技術增長點，推動固體動力技術可持續發展和跨越式發展。

2）加強軍民融合，實現開放發展。密切關注先進材料、高端制造、人工智能等相關技術領域發展動向，通過固體發動機技術與相關技術交叉配合，進行體系優化，綜合集成構建智能固體發動機創新發展平臺；充分引進和吸收中科院、高校、民營企業等高新技術及創新理念，建立軍民融合開放式協同創新體系，形成互動、共贏的發展格局，實現軍民技術融合交互，推動固體動力技術的跨越式發展。

3）加強以點帶面，實現示范發展。聚焦制約固體動力創新發展的關鍵問題，充分調動國內優勢力量，大力加強科技攻關，突破核心關鍵技術，分階段開展以變推力發動機、可控可熄發動機以及高效能全域矢量調控發動機為代表的先進固體發動機技術集成和驗證，以“三點”引領基礎理論、高能物質、設計生態體系的全面發展，在不同武器領域形成示范應用，推動引領性技術成果的快速轉化，搶占高性能武器裝備發展制高點。

4 結束語

本文闡明了智能固體發動機的概念與內涵，其同時兼具自主感知、自主評估、自主決策特征和高適變、高效能、高矢量調控的能力，是未來智能化裝備發展的動力保障。智能固體發動機顛覆了現有固體發動機的設計理念、工作模式和應用方式，對智能固體發動機的深入研究必將牽引材料、力學、控制、制造和信息等學科的發展，形成全鏈條的原始創新體系。當前，我國固體發動機基礎研究深入推進，新概念、新技術、新材料和新工藝等層出不窮，智能固體發動機的發展具有良好的發展環境。通過頂層規劃、軍民融合、以點帶面的協同發展，將使智能固體發動機從概念逐步變為現實，為我國智能化裝備發展提供堅強保障。