固體動(dòng)力設(shè)計(jì)中的幾個(gè)主要關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題①

何景軒，任全彬，董新剛，任 萍，顏 勇

(1.中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司四院四十一所，西安 710025；2.中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司第四研究院，西安 710025)

0 引言

固體動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展有力支撐了導(dǎo)彈武器及運(yùn)載火箭技術(shù)的發(fā)展。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，我國(guó)固體動(dòng)力已在一些單項(xiàng)和整機(jī)技術(shù)方面接近或達(dá)到國(guó)際水平。但總體而言，與國(guó)際水平還是有一定差距，特別是在遇到問(wèn)題時(shí)，就暴露出基礎(chǔ)研究相對(duì)薄弱，還有一些關(guān)鍵技術(shù)尚未突破；同時(shí)，隨著導(dǎo)彈武器和運(yùn)載火箭性能不斷提高，彈箭總體對(duì)固體動(dòng)力不斷創(chuàng)新發(fā)展的要求也越來(lái)越高，這些都需要對(duì)固體動(dòng)力面臨的一些重大關(guān)鍵技術(shù)和前沿基礎(chǔ)性問(wèn)題開(kāi)展研究，以提升固體動(dòng)力綜合性能。為此，本文提出了當(dāng)前以至未來(lái)固體動(dòng)力設(shè)計(jì)中需關(guān)注的一些主要關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題，以期引導(dǎo)推動(dòng)該領(lǐng)域更深入的研究。

1 纖維纏繞復(fù)合材料殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與失效判據(jù)問(wèn)題

復(fù)合材料殼體的性能水平主要以特征系數(shù)()來(lái)表征，以期以更輕的質(zhì)量獲得更大的容積，并承受更高的壓強(qiáng)。目前，高性能發(fā)動(dòng)機(jī)殼體基本上采用芳綸纖維、PBO纖維、碳纖維等，經(jīng)過(guò)纏繞與固化成型后經(jīng)水壓檢驗(yàn)，工作時(shí)主要承受內(nèi)壓與拉壓彎剪以及熱載荷等作用，其在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度及失效判據(jù)方面，主要涉及樹(shù)脂開(kāi)裂、纖維與樹(shù)脂界面脫粘、分層、損傷、非線性本構(gòu)以及破壞判據(jù)等問(wèn)題，而這些均與纖維與樹(shù)脂、設(shè)計(jì)狀態(tài)、成型工藝以及使用載荷等密切相關(guān)，涉及的關(guān)鍵基礎(chǔ)性問(wèn)題主要有如下七方面。

(1)纖維與樹(shù)脂及其界面的匹配性

纖維相的優(yōu)異性能和基體相的匹配性對(duì)于結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳遞和分散、損傷的傳播和抑制、復(fù)合材料性能的提升至關(guān)重要。纖維的成型方法主要有濕法紡絲、熔體紡絲及干法紡絲，表征纖維的品質(zhì)指標(biāo)主要有線密度、斷裂強(qiáng)力(包含斷裂長(zhǎng)度、相對(duì)強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、初始模量、斷裂功和斷裂比功等)。對(duì)于界面問(wèn)題，首先是纖維材料表面的上漿劑或者處理劑非常復(fù)雜，一般包括稀釋的樹(shù)脂、固化劑、潤(rùn)滑劑、酸堿調(diào)節(jié)劑、抗靜電劑等，多為多層涂覆以提高其綜合性能。因此，需對(duì)纖維的表面物理結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)特性進(jìn)行研究，分析上漿劑成分、表面能、表面極性、化學(xué)基團(tuán)及反應(yīng)活性和上漿劑厚度及擴(kuò)散性等對(duì)界面性能的影響。其次是高性能樹(shù)脂的浸潤(rùn)性能、粘接性能、固化性能、凝膠期等在提高整個(gè)性能方面都發(fā)揮非常重要的作用，因此需從樹(shù)脂配方體系和分子結(jié)構(gòu)等方面研究纖維與樹(shù)脂的物理化學(xué)作用機(jī)制。再次是復(fù)合材料破壞通常源自界面開(kāi)裂，而纖維與樹(shù)脂的界面具有特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且復(fù)合材料的纖維被成束應(yīng)用，成束纖維的表面與單根纖維的處理不同。因此，需研究界面微結(jié)構(gòu)的形態(tài)與性能，探索擴(kuò)散作用、化學(xué)鍵等影響纖維與樹(shù)脂完全浸潤(rùn)與良好粘接的機(jī)理，并建立測(cè)試界面開(kāi)裂的方法。

(2)纏繞張力及其梯度對(duì)殼體性能的影響機(jī)制

在一定纏繞張力范圍內(nèi)，隨著纏繞張力的增加，纖維強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換率、復(fù)合材料殼體的爆破壓強(qiáng)及特征系數(shù)均有所增加；但纏繞張力太大又有可能造成纖維磨損嚴(yán)重，內(nèi)層含膠量偏低，也有可能造成在纏繞外層對(duì)已纏繞內(nèi)層張力的松弛效應(yīng)，使得內(nèi)層纖維局部折皺或屈曲，從而造成總體性能的降低。在復(fù)合材料殼體纏繞中，如何確定每層纖維的纏繞張力，以獲得設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力，并保證各層纖維處于等張力狀態(tài)，即如何科學(xué)制定纖維纏繞張力以及梯度分布，這是提高復(fù)合材料殼體特征系數(shù)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。因此，有必要開(kāi)展不同纏繞張力、纏繞張力梯度和縱環(huán)向纏繞層數(shù)對(duì)纏繞層內(nèi)剩余應(yīng)力的分布規(guī)律的影響研究，分析張力制度與復(fù)合材料殼體特征系數(shù)的構(gòu)效關(guān)系，優(yōu)化纏繞張力的控制算法。

(3)封頭補(bǔ)強(qiáng)與殼體破壞模式的相關(guān)性

纖維纏繞復(fù)合材料殼體一般因在接頭處形成堆高，而引起纏繞層在開(kāi)口處的架空問(wèn)題。為此，需將某些縱向纏繞層從接頭外緣處進(jìn)行一定的退移，而這又會(huì)導(dǎo)致接頭附近總的纖維數(shù)減少、殼體強(qiáng)度下降。為保證接頭與復(fù)合材料殼體封頭在內(nèi)壓作用下不發(fā)生異常破壞，雖然退移可控制封頭上纖維的堆積，但接頭上總的纖維數(shù)是一個(gè)必須控制的重要參數(shù)，即須考慮通過(guò)接頭附近的纖維數(shù)應(yīng)有一個(gè)極小值。同時(shí)，還要考慮復(fù)合材料殼體圓筒段向封頭的拐點(diǎn)區(qū)域的彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力最大處易產(chǎn)生應(yīng)力薄弱區(qū)域的情況，特別是對(duì)于碳纖維殼體，因其剛度更大，更要考慮對(duì)封頭區(qū)域應(yīng)力的不連續(xù)更加敏感的問(wèn)題。因此，需研究封頭的補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，依據(jù)殼體的縱環(huán)鋪層和封頭型面，研究補(bǔ)強(qiáng)材料與織物結(jié)構(gòu)、鋪設(shè)方式對(duì)殼體破壞模式的影響。

(4) 固化反應(yīng)對(duì)殼體殘余應(yīng)力的影響

復(fù)合材料固化過(guò)程中樹(shù)脂材料從流體變?yōu)楣腆w，期間伴隨著的交聯(lián)反應(yīng)的化學(xué)收縮和熱膨脹/收縮的不匹配性是造成殘余應(yīng)力的主要原因。復(fù)合材料殼體用熱固性樹(shù)脂通常在交聯(lián)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生體積收縮，固化后所有纖維都受到殘余應(yīng)力的作用，甚至有時(shí)在不施加負(fù)載的情況下，結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力就可使基體開(kāi)裂以致纖維受損。因此，如何控制或減少殘余應(yīng)力，科學(xué)設(shè)計(jì)固化制度并對(duì)固化過(guò)程中結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力進(jìn)行預(yù)測(cè)尤為關(guān)鍵。

(5)復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析技術(shù)

復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)裙是一種輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)形式，具有高比強(qiáng)度和比剛度、結(jié)構(gòu)效率高及可設(shè)計(jì)性好等特點(diǎn)，可使復(fù)合材料殼體裙以及具有導(dǎo)彈級(jí)間段功能的殼體加長(zhǎng)裙的消極質(zhì)量明顯降低。但復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)的間斷性，力的傳遞路徑非常復(fù)雜，因此為充分發(fā)揮其承載效率，需研究有效調(diào)控格柵結(jié)構(gòu)各向力學(xué)特性的問(wèn)題，具體涉及復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的開(kāi)孔和補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)問(wèn)題；格柵結(jié)構(gòu)和其他結(jié)構(gòu)間的連接匹配性問(wèn)題；如何設(shè)計(jì)趨于零膨脹基體的格柵結(jié)構(gòu)以解決溫度變化導(dǎo)致格柵結(jié)構(gòu)翹曲問(wèn)題;多向肋骨的結(jié)點(diǎn)交叉問(wèn)題；格柵結(jié)構(gòu)的損傷容限標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題；建立能夠適應(yīng)多工況和多約束條件下的復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法問(wèn)題。

(6)復(fù)合材料殼體損傷演化及非線性本構(gòu)模型

復(fù)合材料殼體在固化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定殘余應(yīng)力和損傷，在殼體水壓試驗(yàn)時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)樹(shù)脂開(kāi)裂和纖維損傷，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)殼體需承受各種載荷的作用，復(fù)合材料殼體呈現(xiàn)出多重?fù)p傷形式并存、損傷進(jìn)程之間相互耦合的特點(diǎn)。因此，需利用微細(xì)觀損傷力學(xué)和宏觀損傷力學(xué)，從微觀、細(xì)觀和宏觀層面對(duì)復(fù)合材料殼體損傷的萌生、損傷演化、損傷擴(kuò)展直至失效進(jìn)行研究。

碳纖維等復(fù)合材料由于軸向和橫向拉伸直到破壞基本表現(xiàn)為線性，往往被視為脆性材料，同時(shí)由于復(fù)合材料的正交各向異性，存在面內(nèi)和層間不同性質(zhì)的損傷，導(dǎo)致其剪切非線性變形十分顯著，特別是在界面開(kāi)裂后纖維與基體之間的相對(duì)滑移對(duì)剪切非線性變形貢獻(xiàn)最大。因此，需要考慮結(jié)構(gòu)的損傷演化，建立非線性耦合漸進(jìn)失效本構(gòu)模型。

(7)復(fù)合材料的失效及破壞判據(jù)

材料破壞準(zhǔn)則主要有最大應(yīng)力準(zhǔn)則、最大應(yīng)變準(zhǔn)則、Tsai-Hill準(zhǔn)則、Tsai-Wu準(zhǔn)則、Hoffman準(zhǔn)則，對(duì)于復(fù)合材料，常用的還有Hashin準(zhǔn)則、Puck準(zhǔn)則、LaRC05準(zhǔn)則等。其中，Hashin準(zhǔn)則將纖維控制和基體控制的失效模式進(jìn)一步細(xì)化為拉伸或者壓縮模式，而失效模式是否能夠分解的問(wèn)題一直是該領(lǐng)域的核心問(wèn)題。Hashin認(rèn)為，即便最完整的單層板數(shù)據(jù)，都不足以預(yù)報(bào)由這些單層板所構(gòu)成的層合板的破壞。這充分說(shuō)明復(fù)合材料的破壞和強(qiáng)度分析依然是固體力學(xué)面臨的最大挑戰(zhàn)。

同樣重要的問(wèn)題是尺度本身，爭(zhēng)論的焦點(diǎn)是哪一個(gè)尺度表征失效行為。一般認(rèn)為，復(fù)合材料的破壞和強(qiáng)度分析深層次問(wèn)題只能借助于細(xì)觀力學(xué)求出纖維和基體中的均值應(yīng)力后，再轉(zhuǎn)換成真實(shí)應(yīng)力，關(guān)鍵基礎(chǔ)性問(wèn)題仍在于求出基體的真實(shí)應(yīng)力。

2 固體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室藥柱燃燒機(jī)理及凝聚相多尺度表征問(wèn)題

固體推進(jìn)劑及燃燒室藥柱燃燒特性是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的首要關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題，其燃燒機(jī)理有著它本身特有的特點(diǎn)，涉及氧化劑的分解機(jī)理、粘合劑的熱解過(guò)程、金屬顆粒的熔融分解與凝聚機(jī)理、界面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)、多功能組分構(gòu)成的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)燃燒、火焰脈動(dòng)的隨機(jī)性、氣-固-液多相耦合等互相影響的多種因素，蘊(yùn)含復(fù)雜的物理化學(xué)現(xiàn)象。同時(shí)，由于燃燒室在工作狀態(tài)處于高溫高壓狀態(tài)，其燃?xì)獾臏囟取⒄扯取釋?dǎo)率、擴(kuò)散系數(shù)、比熱容比以及凝聚相燃燒產(chǎn)品的粒徑及其散布等參數(shù)是進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有比較準(zhǔn)確的參數(shù)，就難以確保設(shè)計(jì)的正確性，特別是燃燒過(guò)程中鋁粉團(tuán)聚以及鋁粉不完全燃燒會(huì)造成比沖損失，而凝聚相燃燒產(chǎn)物在燃燒室內(nèi)沉積還會(huì)增加消極質(zhì)量、加劇燃燒室內(nèi)絕熱結(jié)構(gòu)和喉襯的燒蝕以及噴管兩相流損失等，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能的降低。因此，需開(kāi)展燃燒機(jī)理研究。其涉及到的關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題有：

(1)固體推進(jìn)劑燃燒凝聚相燃燒產(chǎn)物的多尺度表征技術(shù)

固體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工作過(guò)程的診斷與多尺度表征技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn)，由于缺乏有效的診斷與表征手段，對(duì)燃燒實(shí)際過(guò)程中多相燃燒產(chǎn)物的輸運(yùn)性質(zhì)和熱物理化學(xué)性質(zhì)、凝聚相燃燒產(chǎn)物顆粒粒徑及其分布、鋁以及氧化鋁相對(duì)含量等難以觀察與檢測(cè)，導(dǎo)致對(duì)推進(jìn)劑的燃燒機(jī)理認(rèn)識(shí)不清，燃燒效率難以評(píng)估，屬“千年暗室”問(wèn)題。因此，需要探索非接觸在線實(shí)時(shí)觀測(cè)技術(shù)，對(duì)推進(jìn)劑以及顆粒的點(diǎn)火和燃燒特性進(jìn)行研究，同時(shí)以統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)為基礎(chǔ)，從分子作用力層面和解配分函數(shù)方面探索計(jì)算平衡物性和輸運(yùn)物性方法，求出具有相互作用力的分子所組成的燃燒產(chǎn)物的熱力學(xué)性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)“一燈即明”。

(2)固體推進(jìn)劑燃燒機(jī)理和團(tuán)聚模型

固體推進(jìn)劑中含有粘合劑、氧化劑、金屬燃料以及各種功能組分等，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒中會(huì)經(jīng)歷一系列復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，通常包括幾十種化學(xué)組分和幾百個(gè)基元反應(yīng)，燃燒的化學(xué)動(dòng)力學(xué)過(guò)程又和多相流動(dòng)之間存在強(qiáng)耦合，含鋁推進(jìn)劑在燃燒過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生不同尺度的凝聚相燃燒產(chǎn)物，且燃燒流動(dòng)時(shí)間尺度和化學(xué)反應(yīng)時(shí)間尺度之比的達(dá)姆克勒(Damk?hler)數(shù)的差異極大，燃燒的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制可謂極其復(fù)雜。因此，需開(kāi)展推進(jìn)劑微觀結(jié)構(gòu)的化學(xué)和物理特性對(duì)推進(jìn)劑燃燒性能影響的機(jī)理研究；推進(jìn)劑燃燒表面上鋁粉團(tuán)聚機(jī)理及其凝聚相顆粒的演化機(jī)制與模型；建立推進(jìn)劑燃燒效率模型及鋁粉燃燒改性的途徑與方法。

(3)多相燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與輸運(yùn)過(guò)程對(duì)能量轉(zhuǎn)換的影響機(jī)制

在燃燒過(guò)程中，鋁顆粒及其凝聚相產(chǎn)物集群在燃燒室處于湍流的環(huán)境中，受到湍流速度脈動(dòng)和標(biāo)量脈動(dòng)的影響，這對(duì)固相和液相與氣相之間的作用力以及傳熱傳質(zhì)速率有較大影響。因此，不同體系推進(jìn)劑所具有的特殊氧化性環(huán)境將影響鋁燃燒能量的釋放。鋁粉的燃燒特性主要受粒度及其分布、表面氧化物、粘合劑和燃燒波等因素的影響，此外鋁顆粒在燃燒室空間的分布以及時(shí)間尺度決定了其燃燒效率。因此，需研究發(fā)動(dòng)機(jī)多相燃燒產(chǎn)物生成、凝相運(yùn)動(dòng)行為模式及多相流輸運(yùn)規(guī)律與輸運(yùn)過(guò)程對(duì)能量轉(zhuǎn)換的影響機(jī)制。

3 固體發(fā)動(dòng)機(jī)非線性不穩(wěn)定燃燒機(jī)理問(wèn)題

在各種擾動(dòng)作用下，燃燒室藥柱的燃燒及其燃燒產(chǎn)物的流動(dòng)會(huì)做出相應(yīng)的響應(yīng)，雖然擾動(dòng)形式多樣，但最終一般表現(xiàn)為渦波、聲波和熵波，其中聲波是不穩(wěn)定燃燒的主要誘發(fā)因素。盡管目前從不穩(wěn)定的激勵(lì)機(jī)制和阻尼機(jī)制兩方面有了一些控制措施，但尚未從機(jī)理上予以實(shí)質(zhì)性解釋。不穩(wěn)定燃燒是一個(gè)涉及廣泛應(yīng)用的主題，已成為一個(gè)世界性的難題，其解決依賴于對(duì)機(jī)理的基礎(chǔ)認(rèn)知，而這種基礎(chǔ)認(rèn)知在很大程度上是缺失的，固體發(fā)動(dòng)機(jī)不穩(wěn)定燃燒涉及的關(guān)鍵基礎(chǔ)性問(wèn)題有：

(1)非線性燃燒不穩(wěn)定的觸發(fā)和演化機(jī)制

不穩(wěn)定燃燒按照數(shù)理模型可分為線性不穩(wěn)定和非線性不穩(wěn)定燃燒。固體發(fā)動(dòng)機(jī)大部分不穩(wěn)定燃燒實(shí)際都是壓強(qiáng)幅值突增并穩(wěn)定在有限振幅范圍內(nèi)的非線性不穩(wěn)定燃燒。為此，需開(kāi)展固體推進(jìn)劑的非線性壓強(qiáng)耦合響應(yīng)函數(shù)的特性研究，獲得推進(jìn)劑組分特性對(duì)壓強(qiáng)耦合響應(yīng)函數(shù)的影響規(guī)律，建立考慮壓強(qiáng)及溫度等因素耦合作用下的壓強(qiáng)耦合響應(yīng)函數(shù)模型。

同時(shí)，固體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室可近似為一個(gè)聲腔體系，推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的能量是如何輸入到發(fā)動(dòng)機(jī)的聲振系統(tǒng)中的，推進(jìn)劑燃燒釋熱與發(fā)動(dòng)機(jī)的聲振系統(tǒng)是如何耦合的，非線性聲振蕩模態(tài)之間的能量傳遞機(jī)理及其關(guān)鍵因素，渦的觸發(fā)條件以及旋渦脫落與發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)聲渦耦合機(jī)制等基礎(chǔ)問(wèn)題，均有待深入研究。

(2)多相湍流相間耦合問(wèn)題

多相流各相之間的質(zhì)量、動(dòng)量及能量的耦合是多相流動(dòng)的基本物理過(guò)程，其流場(chǎng)的湍流特性支配著顆粒相的凝并、化學(xué)凝結(jié)或者異質(zhì)性凝結(jié)；而顆粒對(duì)湍流的影響與柯?tīng)柲缏宸?Kolmogorov)尺度、斯托克斯數(shù)、雷諾數(shù)和顆粒的質(zhì)量濃度等密切相關(guān)。顆粒可以增強(qiáng)或抑制不同尺度的湍流，而顆粒對(duì)湍流影響的最終效果取決于不同機(jī)制的相對(duì)強(qiáng)度。此外，多相湍流不僅涉及同相介質(zhì)大小尺度間耦合問(wèn)題，還涉及不同相之間多物理過(guò)程的耦合問(wèn)題。同時(shí)，當(dāng)大渦模擬方法應(yīng)用于多相湍流時(shí)，其面臨的主要問(wèn)題涉及由多尺度耦合產(chǎn)生的亞格子模型問(wèn)題和由多相耦合產(chǎn)生的界面問(wèn)題。

(3)彈體振動(dòng)、高速飛行聲學(xué)激勵(lì)與過(guò)載對(duì)不穩(wěn)定燃燒的激勵(lì)機(jī)制

固體發(fā)動(dòng)機(jī)在使用條件下的工作穩(wěn)定性及其激勵(lì)機(jī)制是非常重大的關(guān)鍵性問(wèn)題，而這一基礎(chǔ)性問(wèn)題卻長(zhǎng)期缺乏深入研究。在彈體長(zhǎng)徑比較大且剛度較弱時(shí)，飛行中的彈體會(huì)發(fā)生較大變形和出現(xiàn)彈性振動(dòng)，而這種彈體的彈性振動(dòng)若不能得到衰減，甚至出現(xiàn)等幅振蕩甚至發(fā)散，該振動(dòng)就會(huì)影響推進(jìn)劑的燃燒特性，特別是工作后期藥柱肉厚較薄時(shí)，更需關(guān)注振動(dòng)與燃燒耦合機(jī)制。另外，導(dǎo)彈在大氣層中高速超高速飛行時(shí)，由于彈體與空氣的激烈摩擦形成的湍流邊界層會(huì)對(duì)彈體產(chǎn)生非常強(qiáng)的隨機(jī)聲學(xué)激勵(lì)，其氣動(dòng)噪聲主要由來(lái)流和邊界層的湍流特性、繞流分離特性和激波振蕩特性產(chǎn)生，這些噪聲通過(guò)彈體并透過(guò)彈體產(chǎn)生結(jié)構(gòu)聲振耦合，使得推進(jìn)劑燃燒受到激勵(lì)。在過(guò)載尤其是橫向過(guò)載及振動(dòng)的作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室凝聚相粒子會(huì)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的阻尼特性，并對(duì)噴管的喉部流動(dòng)造成擾動(dòng)。

針對(duì)上述三種情況，需研究聲振對(duì)推進(jìn)劑燃燒特性的影響機(jī)制及凝聚相粒子分布對(duì)穩(wěn)定性的影響機(jī)理。

4 固體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室藥柱及其界面損傷演化和失效判據(jù)問(wèn)題

研究燃燒室藥柱結(jié)構(gòu)完整性問(wèn)題，首先是分析其全壽命周期內(nèi)所承受的各種載荷，然后是建立其本構(gòu)模型和破壞判據(jù)，通過(guò)計(jì)算分析評(píng)估藥柱及界面的結(jié)構(gòu)完整性，最后還是需通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)對(duì)完整性評(píng)估結(jié)果加以檢驗(yàn)。載荷方面主要包括熱載荷、壓強(qiáng)載荷、加速度載荷、振動(dòng)沖擊載荷、長(zhǎng)期低周疲勞載荷、飛行和綜合載荷等。由于推進(jìn)劑的力學(xué)特性是與溫度、載荷及其加載頻率、時(shí)間歷程等密切相關(guān)，且燃燒室界面還存在一些組分的游離擴(kuò)散等傳質(zhì)狀態(tài)，在各種載荷的作用下推進(jìn)劑及燃燒室界面會(huì)產(chǎn)生不可逆的損傷，特別是綜合載荷作用要比多個(gè)單項(xiàng)載荷分別作用對(duì)藥柱及其界面承載能力的考驗(yàn)更苛刻，因此準(zhǔn)確評(píng)估藥柱使用期內(nèi)的結(jié)構(gòu)完整性問(wèn)題尤為關(guān)鍵。其涉及的關(guān)鍵基礎(chǔ)性問(wèn)題有：

(1)燃燒室藥柱及其界面性能損傷演化機(jī)理

燃燒室藥柱及其界面性能隨著時(shí)間推移發(fā)生演化，演化機(jī)理涉及化學(xué)反應(yīng)、組分遷移、載荷及累積損傷的影響，主要機(jī)理包括氧化交聯(lián)與高聚物的斷鏈、化學(xué)組分遷移及其相互作用引起推進(jìn)劑化學(xué)狀態(tài)變化，化學(xué)狀態(tài)的變化又引起推進(jìn)劑力學(xué)性能的改變，持續(xù)熱力加載和循環(huán)加載條件造成累積損傷等，使得藥柱及其界面性能的演化成為影響藥柱完整性的關(guān)鍵問(wèn)題。

由于固體推進(jìn)劑、襯層、絕熱層及其相互之間的界面相均是由多種功能組分材料構(gòu)成，因此需要在分子尺度上，將分子尺度的化學(xué)作用關(guān)聯(lián)到細(xì)觀尺度的組分性能中，構(gòu)建固體推進(jìn)劑微細(xì)觀損傷演化模型，研究固體推進(jìn)劑宏觀性能演變的細(xì)觀損傷機(jī)理，揭示推進(jìn)劑及其界面性能演化的本質(zhì)特征。

(2) 基于細(xì)觀脫濕損傷的固體推進(jìn)劑非線性粘彈性本構(gòu)模型

考慮在各種載荷條件下固體推進(jìn)劑細(xì)觀層次粘合劑損傷、粘合劑與顆粒之間的脫濕等損傷演化，以及推進(jìn)劑內(nèi)部及粘接界面微觀層次分子鏈間纏結(jié)鏈段的取向、解纏和斷鏈等損傷產(chǎn)生、演化對(duì)其力學(xué)性能的影響，建立以化學(xué)交聯(lián)與硫化為固化基礎(chǔ)的固體推進(jìn)劑藥柱在溫度載荷、動(dòng)靜載荷時(shí)間歷程下的非線性粘彈性本構(gòu)模型。

(3)適應(yīng)藥柱大變形及界面性能檢測(cè)的柔性傳感器技術(shù)

目前，固體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室藥柱結(jié)構(gòu)及其界面的應(yīng)力應(yīng)變大小基本上依靠數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果而缺乏相應(yīng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其原因除測(cè)試中安全性要求外，主要還是推進(jìn)劑藥柱作為一種含粘合劑組分的含能低彈性模量材料，在各種載荷作用下會(huì)發(fā)生較大的變形，而燃燒室藥柱與絕熱層之間通過(guò)較薄的襯層發(fā)生固化交聯(lián)反應(yīng)粘接形成的界面，由于殼體、絕熱層、藥柱幾種被粘材料的熱膨脹系數(shù)不同，以及該粘接界面層附近因組分遷移、化學(xué)反應(yīng)、應(yīng)力損傷等帶來(lái)的粘接性能變化，為滿足對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱及界面應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的需求，急需相應(yīng)的能夠適應(yīng)藥柱結(jié)構(gòu)的大變形、同時(shí)又不影響界面粘接性能且能適應(yīng)藥柱固化降溫的柔性傳感器技術(shù)。為此，需開(kāi)展適應(yīng)推進(jìn)劑粘合劑體系和界面體系的柔性大應(yīng)變、微納型、實(shí)時(shí)精準(zhǔn)檢測(cè)技術(shù)研究，對(duì)柔性傳感器基體材料、力敏材料等基礎(chǔ)材料的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、柔韌性、延展性、回彈性、安全導(dǎo)電性以及與絕熱層/襯層/推進(jìn)劑界面的匹配性等基礎(chǔ)問(wèn)題進(jìn)行研究，滿足藥柱結(jié)構(gòu)完整性上述測(cè)試需求。

(4)載荷作用下燃燒室藥柱和粘接界面失效判據(jù)研究

燃燒室藥柱在固化降溫、貯存蠕變、點(diǎn)火升壓、飛行過(guò)載等載荷作用下，其結(jié)構(gòu)失效涉及多應(yīng)力狀態(tài)、加載歷史、多應(yīng)變速率、寬使用溫度等多重因素，而以單軸拉伸或者雙軸拉伸以及圍壓加載試驗(yàn)結(jié)果作為燃燒室藥柱和粘接界面的失效判據(jù)，沒(méi)有一個(gè)非線性理論作支撐，再加上藥柱及界面的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺乏，導(dǎo)致對(duì)失效判據(jù)的可靠性無(wú)法得到有效驗(yàn)證。因此，仍需建立科學(xué)有效的燃燒室藥柱和粘接界面的失效判據(jù)。

5 推力矢量噴管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱結(jié)構(gòu)燒蝕機(jī)理與能量轉(zhuǎn)換機(jī)制問(wèn)題

噴管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要以沖質(zhì)比來(lái)表征其性能水平，一般期望獲得更高的能量轉(zhuǎn)化效率、更加輕質(zhì)化的熱結(jié)構(gòu)，并滿足擺動(dòng)噴管必要要求。其中，C/C喉襯的熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其燒蝕機(jī)理、C/C擴(kuò)張段結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理、噴管能量轉(zhuǎn)換機(jī)制、球窩噴管和柔性噴管等推力矢量噴管設(shè)計(jì)、可延伸噴管設(shè)計(jì)等技術(shù)問(wèn)題，對(duì)提高噴管性能水平尤為關(guān)鍵。

(1)C/C喉襯材料宏觀-細(xì)觀-微觀結(jié)構(gòu)對(duì)材料力學(xué)性能和燒蝕性能的影響機(jī)制

首先，預(yù)制體中纖維性能、缺陷、微晶尺寸等的差異都會(huì)使纖維在熱處理過(guò)程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力分布不均，在應(yīng)力較集中的區(qū)域易產(chǎn)生界面裂紋，預(yù)制體中碳棒由碳纖維樹(shù)脂拉擠成型，由樹(shù)脂在后續(xù)的高溫處理中形成樹(shù)脂碳，因而對(duì)纖維與基體的界面可能產(chǎn)生不同程度的影響，導(dǎo)致在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中剝蝕加速，材料的整體抗燒蝕性能降低。

其次，預(yù)制體主要有纏繞、氈基、噴射、編織、穿刺等成型工藝，其網(wǎng)目結(jié)構(gòu)、各向異性程度、纖維取向和各向纖維體積含量的影響，都會(huì)影響C/C復(fù)合材料的抗熱震性能和抗燒蝕性能。

最后，在熱處理炭化和石墨化過(guò)程中，由于C/C復(fù)合材料中含有不同微觀組成的碳，如纖維碳、熱解碳、瀝青碳或者樹(shù)脂碳等，這些相碳的石墨化程度并不一致，從而影響到局部燒蝕性能和抗熱震能力。

由于C/C喉襯生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，因此需對(duì)該材料從纖維到預(yù)制體，從先驅(qū)體、熱解碳、瀝青碳、樹(shù)脂碳到炭化石墨化工藝過(guò)程的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)到宏觀結(jié)構(gòu)，對(duì)材料的力學(xué)和燒蝕性能的影響機(jī)制開(kāi)展研究。

(2)C/C喉襯熱結(jié)構(gòu)完整性及其燒蝕機(jī)理

喉襯的熱結(jié)構(gòu)以及喉徑部位的燒蝕對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能具有重大影響。高溫條件下喉襯材料具有明顯的非線性特性，而宏觀唯象層面以及常溫或者稍高溫度條件下的本構(gòu)又無(wú)法準(zhǔn)確表征高溫?fù)p傷演化對(duì)本構(gòu)行為的影響。因此，需對(duì)高溫條件下C/C材料力學(xué)性質(zhì)的測(cè)試技術(shù)進(jìn)行研究，以建立高溫條件下材料本構(gòu)模型和強(qiáng)度準(zhǔn)則。

喉襯的燒蝕是氣動(dòng)環(huán)境與材料和結(jié)構(gòu)之間的復(fù)雜作用結(jié)果，主要包括高速燃?xì)猱a(chǎn)物中氧化性物質(zhì)引起的熱化學(xué)燒蝕和高溫燃?xì)鈨上嗔鲗?duì)喉襯型面的機(jī)械剝蝕與侵蝕。由于喉襯表面狀態(tài)的改變以及高溫下材料本身特性的變化，又會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)狀態(tài)以及燒蝕和剝蝕的變化，因此需在微觀細(xì)觀層面上，研究表面形態(tài)對(duì)傳熱傳質(zhì)傳動(dòng)量和流場(chǎng)特性的影響，建立噴管輻射傳輸與換熱的高效精確計(jì)算模型及測(cè)試方法，研究喉襯的熱/流/固耦合作用機(jī)制及噴管中兩相流燃?xì)饬鲌?chǎng)、溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的一體化求解技術(shù)。

(3)C/C擴(kuò)張段破壞機(jī)理

C/C擴(kuò)張段屬脆性薄壁結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于連接結(jié)構(gòu)的匹配性以及材料的性能。對(duì)于C/C擴(kuò)張段，不同預(yù)制體結(jié)構(gòu)及其熱處理溫度、擴(kuò)張段結(jié)構(gòu)及其與相鄰結(jié)構(gòu)的匹配性和使用載荷對(duì)其結(jié)構(gòu)完整性有重要影響。因此，需要對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行Griffith-Irwin斷裂力學(xué)、斷裂動(dòng)力學(xué)研究，甚至用更深入更基礎(chǔ)的原子或者分子尺度斷裂理論來(lái)研究解決其破壞機(jī)理問(wèn)題。

(4)推力矢量噴管中柔性接頭疲勞損傷機(jī)理與球窩結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)

噴管柔性接頭為多界面粘接結(jié)構(gòu)，受到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)外界環(huán)境溫度、氣體組分、濕度等的影響，其中柔性接頭彈性件所用的橡膠材料性能和界面性能又會(huì)隨環(huán)境溫度、載荷及其使用頻率以及貯存時(shí)間而變化，屬疲勞損傷結(jié)構(gòu)。因此，需建立使用環(huán)境條件下非金屬材料和粘接劑材料的本征特性表征模型，對(duì)粘接界面力學(xué)行為表征、真實(shí)載荷條件下柔性接頭的擺動(dòng)性能及粘接界面的疲勞失效機(jī)理進(jìn)行研究。

對(duì)于球窩結(jié)構(gòu)，為了大幅減小摩擦，需開(kāi)展超滑技術(shù)研究，球窩間的摩擦磨損與潤(rùn)滑性能必須在微觀尺度上從原子、分子的相互作用來(lái)分析，研究納米尺度上接觸界面的摩擦行為和潤(rùn)滑機(jī)理，建立材料微觀尺度和宏觀特性之間的關(guān)系。

(5)延伸噴管展開(kāi)過(guò)程流固耦合仿真技術(shù)

變幾何結(jié)構(gòu)的高度補(bǔ)償噴管目前主要以延伸噴管為主。帶延伸噴管的固體發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，主要涉及延伸噴管展開(kāi)過(guò)程與級(jí)間熱分離瞬態(tài)流場(chǎng)的耦合作用問(wèn)題。這一問(wèn)題是由于級(jí)間分離時(shí)湍流流場(chǎng)中包括激波、附面層分離等復(fù)雜波系結(jié)構(gòu)，其中渦旋流動(dòng)和湍流脈動(dòng)產(chǎn)生的氣動(dòng)載荷和展開(kāi)過(guò)程中的沖擊載荷都會(huì)對(duì)延伸噴管產(chǎn)生強(qiáng)烈的非穩(wěn)定的沖擊，導(dǎo)致對(duì)其結(jié)構(gòu)完整性造成影響。因此，需對(duì)延伸噴管展開(kāi)過(guò)程進(jìn)行流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)的仿真和試驗(yàn)。

(6)噴管能量轉(zhuǎn)換機(jī)制與擴(kuò)張段優(yōu)化設(shè)計(jì)

噴管在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，由于燃燒產(chǎn)物存在多組分化學(xué)非平衡過(guò)程引起的化學(xué)動(dòng)力學(xué)損失，燃?xì)獾恼承砸约皟?nèi)壁面燒蝕的影響而引起的邊界層損失，燃燒產(chǎn)物中小液滴和固體顆粒與燃?xì)庵g的傳熱傳質(zhì)以及運(yùn)動(dòng)速度的差異引起的兩相流損失，燃?xì)庵写罅康牧Ｗ幼矒舯诿嬖斐蓴U(kuò)張段內(nèi)型面變化而引起的燒蝕，再加上擴(kuò)張損失等因素之間的相互影響，使得噴管的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制非常復(fù)雜。因此，基于以上噴管能量轉(zhuǎn)換機(jī)制的分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)主要解決噴管內(nèi)型面的優(yōu)化問(wèn)題，要求在限定的結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量等約束條件下，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境及噴管內(nèi)燃?xì)獾妮斶\(yùn)特性、粒徑及其分布來(lái)優(yōu)化擴(kuò)張比、延伸比(或伸長(zhǎng)比，定義為喉徑到噴管出口端的距離與噴管出口直徑之比)及擴(kuò)張段內(nèi)型面來(lái)減小各種損失，充分提高推進(jìn)劑的能量轉(zhuǎn)換效率。

6 固體超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)摻混燃燒機(jī)理與熱防護(hù)協(xié)同燒蝕機(jī)理和系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題

固體亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、固體超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、跨介質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)等均屬于固體組合動(dòng)力類型。其中，跨介質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)涉及粉末推進(jìn)劑的燃燒理論以及粉末輸送與控制技術(shù)，還涉及跨介質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)涵道匹配性問(wèn)題以及流量調(diào)節(jié)、燃燒組織、模式轉(zhuǎn)換等一系列問(wèn)題，目前尚屬于探索階段。因此，這里主要論述超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)研究問(wèn)題。

固體超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在超聲速燃燒流場(chǎng)中充滿激波、混合、湍流、邊界層以及它們與化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的相互作用，因此超聲速燃燒的理論問(wèn)題非常復(fù)雜，但與之相比，利用超燃能量獲得推力所遇到的實(shí)際問(wèn)題則更具有挑戰(zhàn)性，本質(zhì)上是火箭推力與飛行阻力的較量問(wèn)題。固體超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)涉及的主要關(guān)鍵基礎(chǔ)性問(wèn)題有：

(1)固體超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)技術(shù)

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)技術(shù)主要包括彈機(jī)一體化系統(tǒng)總體性能優(yōu)化、推進(jìn)劑燃料供應(yīng)系統(tǒng)控制、熱防護(hù)結(jié)構(gòu)方案等，主要是為了協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)與飛行器總體的關(guān)系，需要研究進(jìn)氣道進(jìn)口附近出現(xiàn)強(qiáng)激波系而導(dǎo)致的進(jìn)氣道不啟動(dòng)問(wèn)題，還需要解決燃燒釋熱不穩(wěn)定性和流動(dòng)分離不穩(wěn)定性而造成燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)可能伴隨的突變和滯環(huán)問(wèn)題，通過(guò)約束發(fā)動(dòng)機(jī)各部件的性能指標(biāo)，來(lái)實(shí)現(xiàn)在更寬的馬赫數(shù)工作范圍內(nèi)具有良好性能，成為總體技術(shù)需要解決的首要關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題。

(2)貧氧推進(jìn)劑點(diǎn)火機(jī)理和能量釋放特性

由于貧氧推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物在固體火箭超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中駐留的時(shí)間非常短，選擇的推進(jìn)劑需盡可能快地燃燒釋熱，因此需研發(fā)高熱值、高燃燒釋熱及燃燒效率、高壓強(qiáng)指數(shù)、低沉積的貧氧推進(jìn)劑，并開(kāi)展該類推進(jìn)劑一次燃燒機(jī)理研究，探究氧化過(guò)程中的基元反應(yīng)路徑和質(zhì)能擴(kuò)散遷移規(guī)律以及燃燒產(chǎn)物和凝聚相產(chǎn)物的特性與能量釋放特性。

(3)高效燃燒組織和大渦模擬技術(shù)

固體超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程是具有湍流特性的多相混合燃燒過(guò)程，在燃燒組織中涉及氣相湍流燃燒、顆粒的點(diǎn)火燃燒過(guò)程以及流動(dòng)與化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的強(qiáng)耦合，在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流道內(nèi)則存在激波與湍流相互作用、激波與邊界層相互作用、壁面流動(dòng)分離、流動(dòng)與燃燒相互耦合等特別復(fù)雜的摻混燃燒動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，致使超聲速燃燒的基礎(chǔ)理論問(wèn)題極其復(fù)雜。因此，需對(duì)燃?xì)馍淞髋c超音速空氣流的摻混燃燒機(jī)理和燃燒理論開(kāi)展研究，建立基于熱力循環(huán)的超音速燃燒室的構(gòu)型設(shè)計(jì)方法、湍流摻混度的表征方法、湍流燃燒的大渦模擬研究方法，解決化學(xué)反應(yīng)求解對(duì)于化學(xué)非平衡流方程引入的剛性問(wèn)題，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率。

(4)固體超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)熱防護(hù)氧化燒蝕機(jī)理及協(xié)同燒蝕機(jī)理

固體火箭超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)不具備再生主動(dòng)冷卻的條件，其外部氣動(dòng)加熱帶來(lái)了很高的熱負(fù)荷，而內(nèi)部氣流減速燃燒后形成高溫環(huán)境以及凝聚相粒子的沖刷，使得熱防護(hù)成為超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。此研究涉及以下三方面：一是開(kāi)展材料發(fā)生氧化反應(yīng)的機(jī)理研究，提高熔化或升華或熱解溫度以及較高的化學(xué)潛熱，使得材料具有較強(qiáng)的固態(tài)化學(xué)共價(jià)鍵；二是探索不同材料組合搭配，開(kāi)展陶瓷基多組分熱防護(hù)材料的協(xié)同燒蝕機(jī)理和燒蝕模型研究，提高材料的使用溫度上限，拓寬材料使用溫度范圍；三是研發(fā)基于漸進(jìn)損傷分析的虛擬試驗(yàn)技術(shù)，開(kāi)展熱防護(hù)材料的高溫非線性本構(gòu)模型以及高溫力學(xué)行為與損傷失效機(jī)理研究。

7 結(jié)束語(yǔ)

固體發(fā)動(dòng)機(jī)或者固體組合動(dòng)力的總體方案是塊七巧板，外表是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的方塊，內(nèi)在卻是各個(gè)專業(yè)咬合在一起，互相彌補(bǔ)不足，閉合所有的縫隙，又囊括了所有專業(yè)的長(zhǎng)處。因此，總體需站在各專業(yè)之上，找出關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題之間的契合點(diǎn)，創(chuàng)造性地找到各設(shè)計(jì)方案互補(bǔ)的角度，尋求最大的包絡(luò)空間，而其關(guān)鍵在于對(duì)固體動(dòng)力中的關(guān)鍵性基礎(chǔ)性問(wèn)題予以深入研究，在技術(shù)方法的源頭創(chuàng)新上有所突破，提供技術(shù)發(fā)展的解決基礎(chǔ)，以滿足固體動(dòng)力的使用要求。