2020年固體推進動力領域發(fā)展綜述

《固體火箭技術》編輯部

0 引言

在精確制導高超聲速武器領域，經(jīng)歷2～3年的發(fā)展之后，俄羅斯已經(jīng)成功超過其他國外國家。目前,俄羅斯主要采用助推滑翔式飛行器和巡航式飛行器兩條技術路線。相比而言，美國高超聲速武器經(jīng)過反復論證后，終于在去年確定以空射快速響應武器(ARRW)為其主要發(fā)展方向。但隨著美國國防部將高超聲速武器技術從第一優(yōu)先等級下調到微電子技術和5G技術之后，鑒于今年美國高超聲速武器研究經(jīng)費不足的現(xiàn)狀，美國在與俄羅斯第一輪高超聲速武器的競爭中落敗已成事實。因此，美國已經(jīng)將戰(zhàn)略重心轉移至陸基戰(zhàn)略威懾(GBSD)項目對民兵3導彈的更新?lián)Q代與退出《中導條約》后美國的陸基中程武器打擊能力的恢復上。在GBSD方面，諾思羅普·格魯曼公司在波音公司退出后成功獲得了工程研制階段的授權，計劃擴展團隊并投資必要的人員和設施以做好計劃這一階段的準備。在陸基中程武器打擊能力建設方面，作為去年DARPA“作戰(zhàn)火力”(OpFires)計劃的延續(xù)，第三階段合同的3200萬美元被授予洛克希德·馬丁公司。同時，其他各家公司也紛紛完成了自家的第二級節(jié)流可調火箭發(fā)動機方案的最終驗證試驗。精確打擊導彈項目是遠程精確打擊火力(LRPF)項目的一部分，美國認為過去由于中導條約的存在，極大地削弱了美國陸軍的戰(zhàn)役戰(zhàn)術打擊能力，這導致美國過于依賴海空火力支援，現(xiàn)役的陸軍戰(zhàn)術導彈系統(tǒng)(ATACMS)完全不能滿足未來對抗的需求。

總的來看，在今后幾年內的高超聲速武器領域，俄羅斯都會占據(jù)領先地位。在固體推進動力領域，電控推進劑、3D打印、納米、含能材料等技術依然是研究的熱點和趨勢。

1 2020年固體火箭發(fā)動機關鍵技術進展情況

1.1 美國航天局空間發(fā)射系統(tǒng)(SLS)完成重要里程碑

SLS[1]火箭是美國航空航天局(NASA)研制的新一代超重型運載火箭，用于支持月球和火星等深空探測任務。它對現(xiàn)有推進系統(tǒng)進行了進化改進，其雙固體火箭助推器在現(xiàn)有四段式航天飛機發(fā)動機的基礎改為了五段式的發(fā)動機，它的4臺RS-25主發(fā)動機將以高于航天飛機計劃中的推力水平運行。SLS的主要作用是為NASA的阿爾忒彌斯計劃提供運載能力，計劃第一階段運載工具的芯級上面級發(fā)動機與助推器已經(jīng)從生產地點運至肯尼迪航天中心，并完成了綠色點火測試[2-4]。2020年12月在國家航天委員會會議上，NASA表示，已經(jīng)完成了SLS超重型火箭芯級的研制工作，即將在斯坦尼斯航天中心進行試驗。同月，波音公司和美國宇航局成功完成了SLS空間發(fā)射系統(tǒng)使用的探測上面級EUS的關鍵設計評審，從而可以繼續(xù)開發(fā)，并將其過渡至硬件建造環(huán)節(jié)，波音公司已經(jīng)開始了相關研制工作，他們將在美國航天局的米丘德裝配廠建造首個EUS。SLS火箭的使用曾遭遇多次推遲，項目起初計劃于2019年首次發(fā)射，之后推遲到2020年6月，根據(jù)最新時間表，“阿爾忒彌斯”第一階段任務框架內使用SLS的“獵戶座”飛船的首次無人駕駛飛行將于2021年11月進行。

1.2 NASA持續(xù)推進火星上升器動力相關研究

2019年11月，NASA針對火星上升器(MAV)的單級固液混合推進系統(tǒng)和兩級固體推進系統(tǒng)進行了初步架構評估(PAA)[5]，其中單級固液混合推進系統(tǒng)主要由噴氣推進實驗室(JPL)、馬歇爾太空飛行中心(MSFC)、白沙試驗基地(WSTF)、艾姆斯研究中心(ARC)、蘭利研究中心、惠廷希爾航空航天公司、空間推進集團(SPG)、普渡大學和賓州州立大學等單位參與研究[6-10]；兩級固體推進系統(tǒng)的研制任務則主要由馬歇爾太空飛行中心與噴氣推進實驗室兩家單位承擔[11]。最終的評估結果表明，雖然固液混合方案具有單級、耐低溫、高比沖、可操作性強等優(yōu)點，但是目前多次點火以及噴管燒蝕等關鍵技術問題仍未得到有效解決。鑒于存在2026年前完成發(fā)射的時間周期限制，最終NASA決定采用結構簡單且技術成熟度(TRL)更高的兩級固體推進火箭作為MAV的動力系統(tǒng)。該型兩級固體推進火箭具體將由諾思羅普·格魯曼公司在Star17/Star12GV型發(fā)動機基礎上進行研制開發(fā)。但這也不代表NASA會完全放棄針對固液混合方案的研究，畢竟在過去5年的不斷努力下固液混合技術已被從零基礎狀態(tài)發(fā)展為成熟度5以上的關鍵技術[12-15]，后續(xù)其在工程技術方面的突破值得進一步關注。

1.3 固體火箭發(fā)動機級間連接機構獲得改進

不管是用于軍事領域，還是空間發(fā)射領域的固體火箭發(fā)動機都被殼體和兩端封閉，一端帶有用于點燃固體推進劑的點火裝置，而另一端則支撐噴管以排出由推進劑在殼體內燃燒而產生的燃氣。不論是將推進劑澆注在殼體內，還是將噴管或點火裝置連接到發(fā)動機殼體上，通常都是在遠離發(fā)射平臺的專用廠所內進行的。在存放、運輸過程或整個發(fā)射過程中，外部原因(如溫度升高，撞擊或靜電)都可能導致固體燃料突發(fā)不可控燃燒，造成巨大的人員財產損失。為降低風險，通常的做法是將具有預定斷裂點的臨時連接元件連接到殼體，如果發(fā)生自燃，該斷裂點由于殼體內部氣體壓力作用而破裂，致使燃氣向外流出，從而降低了發(fā)動機燃燒室內部的壓力和燃燒產生的推力。當在發(fā)射平臺上完成所有發(fā)射準備工作后，就會將臨時連接元件移除，并用永久性結構元件代替并實現(xiàn)飛行。但上述方法在處理多級固體火箭串聯(lián)問題時，卻變得異常復雜且危險。為此，意大利Avio公司提出一種針對連接機構的發(fā)明專利[16]，對傳統(tǒng)封頭卡環(huán)進行了改進，成功解決了上述問題。此外，NASA[17]針對SLS火箭中載人艙與火箭的連接段，提出了基于輕質復合材料的粘結技術，并通過材料屈曲與失效實驗，驗證了該粘結技術的有效性。

1.4 固體藥柱芯模與老化監(jiān)測新技術

2020年4月，為了減少高性能固體火箭發(fā)動機推進劑藥柱制造時的爆炸危險，印度防務研究與開發(fā)機構提出了可拆卸芯模技術[18]和相應的推進劑藥柱制造技術[19]，涉及可拆卸的芯模組件設計和具有深翅片腔的固體推進劑藥柱制備。芯模組件包括基礎芯模、可插入基礎芯模的芯心軸以及環(huán)繞發(fā)動機軸線連接到基礎芯模的翅片。在推進劑澆鑄前和固化后，以特定順序分別組裝和拆卸芯模部件，使用較少的零件和關鍵接頭，有效減少甚至免除了后固化和拔模時發(fā)動機前端的機械操作，可避免固體推進劑藥漿造成裂紋引起的爆炸危險。

2020年10月，針對發(fā)動機老化問題，美國古德里奇公司分別提出了基于氣囊、氣體壓力和液囊的固體火箭發(fā)動機推進劑藥柱力學性能在線檢測方法[20-22]。其工作原理是利用氣體或者液體向固體火箭發(fā)動機推進劑藥柱表面施加力，在其表面形成變形，并基于變形計算藥柱的力學性能，從而獲得推進劑藥柱力學性能隨老化時間的變化情況。

1.5 激光點火技術得到更多發(fā)展

日本IHI公司[23-24]經(jīng)過長期研究，成功發(fā)明了可實現(xiàn)自檢完整性的固體火箭發(fā)動機激光點火裝置，并申請了專利。該點火裝置，通過激光點燃微量的點火藥劑，點火藥劑再點燃固體點火藥盒，點火藥盒最終實現(xiàn)固體發(fā)動機的點火。該激光點火裝置由激光器、激光合并單元、光纖、透射/反射單元、點火藥劑/點火藥盒組成。其中，激光器采用波長分別為450 nm和850 nm的半導體激光器，分別對應兩路光路，450 nm激光用于點火，另一路850 nm用于檢驗激光器光路的完整性；激光合并單元主要是將450 nm的激光和850 nm的激光合并，使其合并進入光纖，其中850 nm光路配有分光片和能量檢測單元，用于探測返回的激光能量；光纖用于傳輸450 nm激光到用于點火的微量點火藥劑表面，并將850 nm激光傳輸?shù)焦饫w后部的透射/反射單元，同時將經(jīng)過反射的850 nm激光傳輸回光纖前端；透射/反射單元將點火激光傳輸?shù)近c火藥表面，并將用于自檢的激光反射回光纖前部的能量監(jiān)測單元，完成點火器的結構完整性自檢。

2 2020年固體火箭發(fā)動機前沿技術突破情況

2.1 美國實驗室研發(fā)出首個可重復啟動固體火箭發(fā)動機

洛斯阿拉莫斯(LANL)國家實驗室最近研發(fā)出一種更安全的固體推進系統(tǒng)，其固體燃料和氧化劑是單獨分裝的。為了滿足發(fā)動機多次點火任務需求，LANL實驗室將傳統(tǒng)點火藥柱替換成水并設計出一種可重復使用的點火系統(tǒng)。在點火之前，首先通過電解裝置將水電離成氫氣和氧氣。之后，氫氣和氧氣被迅速注入到燃燒室內并被火花塞引燃。最后，高溫火焰在燃燒室內傳播，點燃固體推進劑并實現(xiàn)穩(wěn)定推力輸出。為了快速熄滅燃燒室火焰、實現(xiàn)發(fā)動機駐停，LANL實驗室還設計了一種新型節(jié)流式塞式噴管。當推進劑的燃燒速率達到一定數(shù)值，阻塞區(qū)就會被打開來降低燃燒室壓力，從而導致推進劑燃燒火焰熄滅。在發(fā)動機下次點火之前，阻塞區(qū)會自動恢復到初始位置。目前，LANL實驗室已經(jīng)完成了單級固體火箭發(fā)動機的多次點火啟停試驗，下一步將進行發(fā)動機的在軌驗證。

2.2 機器學習及人工神經(jīng)網(wǎng)絡獲得新應用

固體火箭發(fā)動機的燃燒特性對于了解固體燃料動力系統(tǒng)的基本性能至關重要。由于發(fā)動機殼體內部的高壓和惡劣的化學條件以及羽流環(huán)境的影響，獲取固體推進劑燃燒相關數(shù)據(jù)顯得異常困難。針對特定環(huán)境下，設計具有所需燃速的推進劑配方，目前主要是基于經(jīng)驗和嘗試的方法，這種方法嚴重影響了研制新型固體推進劑的進度。針對上述兩個正反問題，機器學習和人工神經(jīng)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)科學方法提出了一種新概念和策略。

關于第一個正問題，即關于燃燒性能預測方法，印度-俄羅斯聯(lián)合研究小組提出[25-27]，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)，基于已有燃燒試驗數(shù)據(jù)，也可訓練出多因素燃燒計算模型，從而可用來預測不同壓力和初始溫度范圍內各種推進劑混合物的燃燒速率和熱力學參數(shù)。研究人員已經(jīng)就AP-HTPB復合推進劑的燃燒問題，通過機器學習的方法，建立了關于丁羥復合推進劑的燃燒模型，并通過該模型預測出許多新的實驗數(shù)據(jù)。同時，借助該燃速模型，開展了雙推力固體火箭發(fā)動機燃燒室流場的CFD數(shù)值仿真，為高速瞬態(tài)固體推進劑火箭發(fā)動機的彈道預測做出可信的決策。另外，佐治亞理工學院的研究人員提出[28]，通過已有獲得的測量數(shù)據(jù)作為輸入，借助機器學習的方法，也可訓練出有效的“虛擬傳感器”。通過該模型，可獲得固體助推器在燃燒室或羽流中無法獲得的關鍵信息，進而為異常檢測和沖擊檢測等提供更好的指導方向。

關于第二個反問題，通過高能材料基因組方法，進一步深入理解多因素計算模型所建立的燃燒和爆燃過程中多參量之間關系的內在機理，加速新型固體推進劑的發(fā)現(xiàn)，為各種航天應用帶來令人滿意的性能。在2018年，綿陽中科院化學材料所[29]通過機器學習和高能材料基因組(EMG)方法，給出了如何通過識別“遺傳”特征，快速進行分子設計和篩選來加速高能低敏感度材料的研制過程，并發(fā)現(xiàn)一種具有奧克托今(HMX)高能量和低敏感性的鈍感烈性炸藥，為開發(fā)新的高能量密度材料開辟了一條新的途徑。印度-俄羅斯聯(lián)合研究小組[30]也使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡的方法，訓練出多因素計算模型，從而獲得一組滿足預定性能和結構特性的新型推進劑配方。另外，該方法也被用于國際空間站中固體推進劑的發(fā)展[31]，利用訓練有素的人工神經(jīng)網(wǎng)絡，通過混合適當?shù)奶砑觿?催化劑/粘合劑，找到現(xiàn)有空間碎片粉末的最佳組合，以滿足國際空間站平臺特定條件下所需的燃燒速率。

2.3 對推進劑的改良與基礎燃燒機理的研究仍是行業(yè)發(fā)展熱點之一

傳統(tǒng)固體推進劑中最常用的氧化劑是高氯酸銨(AP)，在使用AP的常見推進劑配方中，多達98%的可用氯離子可能會轉化為氯化氫(HCl)。HCl會污染環(huán)境、破壞臭氧層、腐蝕現(xiàn)場設備。此外，HCl氣體容易與空氣中水蒸汽結合成液滴，形成二次煙霧，使火箭或導彈更容易被發(fā)現(xiàn)，不利于隱藏發(fā)射陣地。普渡大學研究基金會年初公布的一項專利顯示了其對含AP推進劑的改良技術[32]。為了減少燃燒產物中氯化氫含量，制備時，將嗜鹽金屬(Li)與嗜氧金屬(Al)結合以形成合金，將上述Al-Li合金與氧化劑和粘合劑結合以形成復合推進劑，進行燃燒。為了不降低推進劑的比沖和密度，改進的推進劑中，Al-Li合金的質量百分含量在5%～40%，氧化劑的質量百分含量在55%～79%，粘合劑的質量百分含量在5%～25%。其中，Al-Li合金中，金屬鋰與金屬鋁的質量比在約14%～34%之間。在復合推進劑中，增加Al-Li合金，一方面可消除尾氣中的HCl氣體，另一方面可減小固體推進劑燃燒產物中的熔融液滴尺寸和數(shù)量。

同樣是對金屬Li的應用，圣路易斯大學的研究人員在年初公布的專利[33]中，發(fā)明了用于燃燒應用的高能nMx納米復合材料，具有足夠高的能量密度(體積和重量)，可用作液體推進劑、固體推進劑、炸藥和煙火劑的添加劑。該納米復合材料是一種均質混合物，包含兩種不同的金屬，第一種是Li3A1H6納米顆粒，第二種是納米鋁顆粒。兩者都與一定量的Ti金屬締合，且被納米級有機層鈍化，可在空氣中穩(wěn)定存在。含nMx的固體推進劑安全且受控，具有獨特的燃燒性能，不會產生副產物或發(fā)生相變過程，從而保證nMx高的能量輸出。

高氯酸銨[34](AP)/端羥基聚丁二烯(HTPB)層壓推進劑是復合推進劑的簡化二維結構，可用于研究基本燃燒現(xiàn)象，尤其是在氧化劑/粘合劑界面處。德克薩斯AM大學[35]使用普通HTPB、微米和納米鋁顆粒的燃料薄層制備了層壓推進劑樣品，以模擬實際的含金屬推進劑配方(71%AP、18%鋁和11%粘合劑)。燃料層厚度保持恒定，約150 μm，所有樣品均在515 psia(3.55 MPa)的壓力下燃燒。微量鋁的加入降低了前鋒火焰之間的距離和擴散火焰高度，并用納米鋁替代微米鋁進一步降低了這兩個參數(shù)。此外，與微米鋁化樣品相比，納米鋁化樣品從燃燒推進劑表面噴射的顆粒平均尺寸顯著降低。與未鋁化層壓的樣品相比，含微米鋁顆粒和納米鋁顆粒的樣品燃燒速度分別慢約20%和65%。結果表明，用納米鋁部分替代微米鋁可以顯著減少金屬團聚，并有可能提高推進劑性能。

環(huán)三亞甲基三硝胺(RDX)廣泛用于鋁化固體推進劑中，以增加比沖。基于熱重-差示掃描量熱法，激光點火，燃燒診斷和新型的自制固相燃燒產物(CCPs)收集裝置，研究人員對RDX含量對推進劑燃燒和團聚的影響進行了實驗研究[36]。結果表明，RDX抑制了AP的分解，增加了含鋁推進劑的點火延遲和自持燃燒時間。燃燒強度隨RDX含量的增加而降低，添加RDX可降低6～10 MPa內的燃燒速率。與基準推進劑相比，RDX明顯加劇推進劑燃燒表面燃燒產物的團聚。相對于不含RDX的推進劑，含6%和12%RDX推進劑的燃燒產物中，平均顆粒尺寸從46.3 μm增加到86.7、96.6 μm。當RDX含量從0增加到12%時，推進劑中鋁的燃燒效率降低了15%。總體而言，RDX綜合影響含鋁推進劑的點火、燃燒和團聚特性。這項研究的成果可指導RDX在含鋁推進劑中的應用和研制。

2.4 電控推進劑研究不斷強化

為了滿足對固體火箭發(fā)動機和固體沖壓發(fā)動機的推力控制需求，研究人員進行了高壓電場對橫向來流條件下聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)燃燒特性影響的數(shù)值模擬[37]，分析了電場對PMMA的燃速和燃氣質量流率的影響機理。當受到正電壓作用時，PMMA燃氣質量流量可增加約54%。在不同強度的負電壓作用下，PMMA燃氣質量流量可能增加約5.5%，也可能減少約14%。電場對PMMA燃速的影響主要歸因于電場引起的體積力變化，這將引起離子風效應，改變組分分布的同時還影響了反應熱，最終改變了對固相的熱反饋。

2020年2月18日，雷神公司公布了其將電控推進劑用于固體火箭發(fā)動機推力管理的新專利[38]，通過在固體火箭發(fā)動機主裝藥以外附加電控推進劑的方式，實現(xiàn)對發(fā)動機工作推力的管理。電控推進劑燃燒產生的燃氣可在噴管之前注入，用來提高質量流量和燃燒室壓強；也可在噴管喉部處注入，通過減小有效喉部面積來增加燃燒室壓力；也可在喉部下游注入以進行推力矢量控制；還可對上述方案進行組合。對于某些類型的電控推進劑，只要燃燒壓力不超過其自持燃燒的閾值，就能夠進行電控開啟和關閉，而不需要任何物理控制閥。

除了將電控推進劑作為傳統(tǒng)推進劑推力控制的一部分，電控推進劑還可直接作為微小衛(wèi)星姿軌控的動力來源，雷神公司在1月公開的專利[39]表明，電控推進劑可應用于諸如質量不超過1.33 kg、體積約1 L的立方星等微小衛(wèi)星上。推進器可作為衛(wèi)星框架的組成部分固定在框架上，包括電控推進劑和激活電控推進劑的電極兩部分，整個推進器和衛(wèi)星框架均可以單獨制造或者一體成型。另外，推進器可帶有噴管來排出燃燒氣體，可位于框架的拐角處或沿邊緣布置，用于完成衛(wèi)星的各種機動。

去年8月，為了追求固體火箭發(fā)動機的推力優(yōu)化，雷神公司開發(fā)了一種電控固體推進劑技術，該技術適用于多脈沖發(fā)動機和連續(xù)可變推力器[40]。這種被稱為鳳凰推進劑(PhoenixTM ePropellant)的新型推進劑是惰性的，點火燃燒時需要對其施加超過閾值的電功率。經(jīng)過安全測試，該推進劑被排除在美國運輸部I類物品之外，不需要按特殊爆炸物處理。在多脈沖發(fā)動機中，只需要在脈沖裝藥間采用一薄層該推進劑，就既可使前一級裝藥燃燒停止，又可用于點燃下一級裝藥，該方法已被證明可在單個發(fā)動機中實現(xiàn)3次或以上的脈沖工作。在小型推力器應用中，已經(jīng)證明可實現(xiàn)數(shù)百次脈沖，且每個脈沖大小可由供電功率大小來進行調節(jié)。

2.5 固體火箭發(fā)動機推進劑3D打印技術進一步深化發(fā)展

2020年5月13日，美國太空技術初創(chuàng)公司Rocket Crafters Inc(RCI)完成了其彗星系列固液混合動力3D 打印火箭發(fā)動機的測試。測試是在肯尼迪航天中心以南約 20英里處的佛羅里達州科考亞公司的設施中進行的，火箭使用了 5000 磅的全推力發(fā)動機，這是迄今為止最大的固液混合發(fā)動機。

USASMDC公司[41]針對采用軸向噴射、端燃燒裝藥的固液混合火箭發(fā)動機，研究了3種不同材料的性能和適用性。這3種材料分別是Stratasys公司的Somos WaterClear，Shapeways公司的Visijet和Formlabs公司的Castable Wax。燃料裝藥的燃速范圍在0.07～7.11 mm/s之間。與以前的研究相比，本研究采用了更大的燃料裝藥尺寸；另外，與以前使用的ABS塑料相比，這3種材料的燃燒速率和燃料流量較低，但裝藥的結構完整性更好。日本九州理工學院[42]采用3D打印了燃料裝藥，并在裝藥中布置了梯形電阻。在固液混合發(fā)動機中，通過光學測量燃面的方法和測量電阻的方法，獲得了燃料裝藥的實時電阻，從而比較了兩種實時測量燃速方法的精度和誤差。太空推進實驗室[43]利用3D打印創(chuàng)建具有良好機械性能和內彈道性能的新型石蠟基燃料：鋼化裝藥(Armored Grain)。這種裝藥采用3D打印獲得了4種不同的增強結構，并用大尺度晶粒的石蠟包裹增強結構，從而形成了增強結構加固的石蠟裝藥。實驗結果表明，鋼化裝藥不僅增加了原始石蠟的屈服應力和應變能，也不會降低純石蠟的內彈道性能。

雷神公司對固體火箭發(fā)動機藥柱3D打印過程進行了改進，獲得了新型混合器的專利[44]。在打印之前，部分固化推進劑混合物，以使打印的推進劑材料以部分固化的狀態(tài)沉積在元件上，通過將材料加熱到其固化溫度或更高的固化溫度，以使其在完全冷卻之前完成固化。此外，雷神公司還使用3D打印技術對電控推進劑進行了進一步的改進，在新專利[45]中，加熱噴嘴到100～210 ℃，使噴嘴處于高于溶劑的沸點且低于推進劑材料的分解溫度，將包含溶劑的推進劑材料通過加熱的噴嘴擠出，以形成固體推進劑裝藥。

2.6 碳納米管工程在航天領域得到越來越重要的應用

碳納米管具有優(yōu)良的物理和力學特性，這使得碳納米管在航空航天領域有著廣闊應用前景，如柔性傳感器、柔性電極等用于航天服中航天員生命健康監(jiān)測設備，還有可作為航天熱防護材料等[46-48]。排列的碳納米管(A-CNT)的優(yōu)勢在于其質量比特性，以及容易致密化為均勻的高體積分數(shù)(Vf)架構，從而可用作航空復合材料和塊狀納米結構材料的致密增強材料[49]。由于調整A-CNT陣列的堆積密度對于改善整個長度尺度上的聚合物納米復合材料(PNC)性能至關重要，為了解航空級的納米，中尺度和微米尺度結構復合基質(如熱固性聚合物)受高水平的A-CNT約束力(即CNT之間的納米間距為nm量級)的影響，并證明可在相對較高的Vf下，對這些PNC進行加工。麻省理工大學的研究人員制造了毫米級的機械致密化A-CNT增強材料的多壁A-CNT航空級環(huán)氧樹脂和雙馬來酰亞胺(BMI)基質PNC，并通過掃描電子顯微鏡分析了它們與Vf的函數(shù)關系。顯微結構檢測(SEM)、拉曼光譜和X射線衍射(XRD)顯示了CNT在濃度為1%～30%的稠密陣列中的連接如何影響聚合物的滲透，潤濕，結構演變和CNT矩陣形態(tài)。 SEM和XRD結果表明，在兩種聚合物的所有加工步驟中，基質中的CNT排列均保持不變，而斷層掃描顯示出CNT基質拉出的跡象。拉曼光譜表明，在更高的CNT填充分數(shù)下，原子級缺陷密度似乎降低，且在Vf增大時觀察到拉曼D和G帶的上移。最后，由于碳納米管的濃度較高，因此與X射線衍射圖相似，相比于高Vf的非晶態(tài)聚合物基體，碳納米管對拉曼光譜的貢獻更大。

2.7 熱防護材料(TPS)檢測技術進一步深化發(fā)展

熱保護系統(tǒng)(TPS)材料在航空航天工業(yè)中發(fā)揮著至關重要的作用，被廣泛用于保護高超聲速飛行器、彈道導彈、火箭發(fā)動機噴管、燃燒室殼體和導彈發(fā)射系統(tǒng)免受極端高溫環(huán)境的侵害[50-55]。TPS材料通常包括多種材料，如陶瓷基復合材料(CMC)、難熔金屬和燒蝕材料。德克薩斯大學奧斯汀分校的研究人員對近期發(fā)表的文獻進行了回顧[56-57]，綜述了用于燒蝕材料的空氣熱測試方法。空氣熱測試方法將緊密結合激光的開發(fā)利用而展開，包括利用硬化材料評估實驗室(LHMEL)、電感耦合等離子體(ICP)和JAXA的電弧噴射測試方法等，其目的是測試和表征燒蝕特性。LHMEL設備已針對氣熱測試進行了全面開發(fā)，其主要由兩個激光器組成，可評估多種測試方法，并輸出多個變量以進行數(shù)據(jù)采集和燒蝕潛力評估。來自LHMEL的數(shù)據(jù)和測試診斷的多樣性是對作為潛在TPS材料的燒蝕特性進行深入分析的關鍵。ICP設施經(jīng)過精心開發(fā)，可用于空氣熱測試。與美國和歐洲通常用于空氣熱測試的電弧噴射設備不同，ICP設備不表現(xiàn)出催化性銅污染，從而得到更精確的燒蝕模擬。ICP所提供的清潔環(huán)境以及高的熱通量和穩(wěn)定的流量是準確評估TPS材料的關鍵。

3 結束語

通過對2020年固體推進領域的重大進展進行跟蹤研究后，注意到：精確制導武器固體推進領域今年的熱點依然圍繞在高超音速攻防，無人機、火箭彈攻防方面；在《中導條約》結束后，美國對建立中程精確打擊能力的追求和對洲際彈道導彈的換代也值得引起注意；與此同時，美國透露出無意陷入高超聲速武器軍備競賽的信號，相應的技術開發(fā)層級也進行了下調，節(jié)省經(jīng)費、轉換發(fā)展思路、揚長避短也不失為一種新的競爭思路；納米技術、3D打印技術、太空任務相關的空間技術、基礎級含金屬推進劑、混合動力、新概念推進依然是未來固體推進技術研究的重點，固體推進劑的可控性則是新的發(fā)展方向。

致謝：感謝西安航天信息研究所航天動力智庫有關研究人員提供的翔實資料及分析結果，也特別感謝北京理工大學多位老師百忙中傾力開展的認真評判研修工作！