基于TRIZ理論的空射巡航導(dǎo)彈增程設(shè)計研究

摘 要：通過分析美國AGM-158系列聯(lián)合防區(qū)外空地導(dǎo)彈的增程化改進技術(shù)路線，可知更換低耗油率發(fā)動機、增加燃油量、結(jié)構(gòu)減重是增加導(dǎo)彈射程的主要手段。但是上述途徑難以完全適應(yīng)國內(nèi)現(xiàn)有導(dǎo)彈的低成本增程化改進需求，存在發(fā)動機新研周期長、技術(shù)壁壘高、通用性差，導(dǎo)彈改裝成本高、技術(shù)狀態(tài)變化大、有效載荷比低等問題。本文聚焦遠距離精確打擊的軍事需求，剖析典型空射巡航導(dǎo)彈的功能組成、工作原理，基于TRIZ理論挖掘低成本增程化改進的技術(shù)途徑，為武器裝備的性能提升、改進改型、低成本發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：TRIZ理論；空射巡航導(dǎo)彈；射程；低成本

一、背景及意義

（一）大國重器，制敵利劍

空射巡航導(dǎo)彈是指由飛機平臺發(fā)射的遠程對陸/海攻擊武器，主要執(zhí)行遠程精確打擊任務(wù)，依靠氣動力和發(fā)動機推力在大氣層內(nèi)飛行，打擊敵方指揮中心、兵器陣地、艦艇等高價值移動/固定目標，具有射程遠、精度高、威力大、使用靈活等特點，是“現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的空中利劍”[1]。巡航導(dǎo)彈是大國重器，其研發(fā)涉及航空動力學(xué)、制導(dǎo)與控制、隱身技術(shù)、材料科學(xué)、電子信息等多個領(lǐng)域技術(shù)的綜合集成和創(chuàng)新應(yīng)用，體現(xiàn)了國防工業(yè)技術(shù)水平，是軍工科技之光。[2]

（二）大國競爭，戰(zhàn)略對抗

近年來，美國以“反介入/區(qū)域拒止”能力為借口將我國和俄羅斯作為假想敵，陸續(xù)提出“重返亞太”“海上控制戰(zhàn)略”“印太戰(zhàn)略”“太平洋伙伴關(guān)系戰(zhàn)略”，積極發(fā)展海上力量，企圖鞏固其在全球海域的海上霸權(quán)。[3]美軍艦載機的對空攔截距離遠，以 F-18E艦載戰(zhàn)斗機為例，作戰(zhàn)半徑達1470千米，未來將具備1800千米以上的區(qū)域持續(xù)控制能力[4]，將對我方執(zhí)行驅(qū)逐任務(wù)的飛機造成威脅。因此，研制射程更遠的巡航導(dǎo)彈以實現(xiàn)對敵艦群的防區(qū)外精確打擊，對于增強我國海上防御力量具有重要意義。

（三）創(chuàng)新驅(qū)動，引領(lǐng)未來

現(xiàn)代戰(zhàn)爭形態(tài)正朝著高烈度、強對抗、高消耗的持久戰(zhàn)趨勢演變。以俄烏沖突為例，至今已歷時2年有余，俄軍已消耗精確制導(dǎo)導(dǎo)彈上萬枚。為適應(yīng)未來戰(zhàn)爭需求，武器裝備的發(fā)展需要以提升性能、降低成本、快速研發(fā)為導(dǎo)向。以TRIZ創(chuàng)新理論為驅(qū)動，在現(xiàn)有成熟裝備基礎(chǔ)上探索低成本改進的技術(shù)途徑，在縮短研發(fā)周期的同時實現(xiàn)性能提升，這對未來武器裝備的高質(zhì)量低成本持續(xù)發(fā)展具有重要參考價值。

二、TRIZ理論研究方法

TRIZ理論即“發(fā)明問題解決理論”，是一種解決發(fā)明問題的系統(tǒng)化方法學(xué)，主要通過問題識別、問題解決、概念驗證三個步驟解決工程問題。[5]本研究在調(diào)研國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析美國巡航導(dǎo)彈增程化改進的技術(shù)方案，確定初步研究目標；在問題識別階段，圍繞典型巡航導(dǎo)彈的功能組成和工作原理，使用功能分析、系統(tǒng)裁剪、因果分析三個工具確定待解決的問題；在問題解決階段使用STC算子法、物場模型、技術(shù)矛盾、物理矛盾、小人法、功能導(dǎo)向搜索等6種工具提出解決問題的技術(shù)途徑；最后根據(jù)研制需求進行方案整合，提出最終設(shè)計方案。

三、問題識別與解決

（一）問題描述

首先，通過調(diào)研國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀[6]，確定初步研究目標。

以美國AGM-158B增程型聯(lián)合防區(qū)外空地導(dǎo)彈為例，在AGM-158導(dǎo)彈原型的基礎(chǔ)上以渦輪風扇發(fā)動機替代渦輪噴氣發(fā)動機，增加燃油量，并進行結(jié)構(gòu)減重設(shè)計，使射程由380千米增加至926千米。但是，彈長增加了10.8%，重量增加了17.3%，有效載荷比降低了14.76%，成本增加了68.75%（表1）。而且該技術(shù)路線存在發(fā)動機新研周期長、技術(shù)壁壘高、通用性差，導(dǎo)彈改裝成本高、技術(shù)狀態(tài)變化大等問題，難以適應(yīng)武器裝備低成本、快速研發(fā)的需求。

更進一步地，通過軍事需求分析、客戶需求調(diào)研，運用產(chǎn)品質(zhì)量先期策劃（APQP）、質(zhì)量功能展開（QFD）等質(zhì)量研發(fā)工具確定初步研究目標：在不更換發(fā)動機、不犧牲其他性能的基礎(chǔ)上，以較低成本實現(xiàn)導(dǎo)彈射程增加。

（二）問題識別

（1）巡航導(dǎo)彈的工作原理

以“暴風陰影”為例，典型巡航導(dǎo)彈的，工作流程如下：

（a）導(dǎo)彈發(fā)射：在飛機發(fā)射架的彈射力作用下，導(dǎo)彈上的滑塊/吊耳等機彈連接件與發(fā)射架分離。

（b）自主飛行：導(dǎo)彈彈翼展開，發(fā)動機啟動。導(dǎo)彈在彈翼、舵面產(chǎn)生的氣動力和發(fā)動機推力作用下飛行。

（c）定位與導(dǎo)航：導(dǎo)彈通過衛(wèi)星接收天線、氣壓傳感器、無線電高度表的天線、慣性導(dǎo)航裝置等獲取位置、速度、相對高度、姿態(tài)等信息，通過飛控計算機進行制導(dǎo)律解算，進而調(diào)節(jié)舵面偏轉(zhuǎn)角度、燃油供給速率以改變氣動力和發(fā)動機推力，實現(xiàn)對導(dǎo)彈的飛行控制。

（d）打擊敵目標：導(dǎo)彈通過導(dǎo)引頭探測，鎖定目標，在制導(dǎo)律的控制下導(dǎo)彈飛向目標點，炸藥起爆摧毀敵目標。

（2）功能分析

根據(jù)巡航導(dǎo)彈的工作原理梳理技術(shù)系統(tǒng)的組件（表2）、分析組件間的相互作用并構(gòu)建功能模型（圖1）。

根據(jù)功能模型圖分析，技術(shù)系統(tǒng)的主要功能為運輸炸藥。

該技術(shù)系統(tǒng)存在1個有害作用：氣流對導(dǎo)彈殼體產(chǎn)生阻力；存在4個不足作用：氣流對彈翼升力不足、彈翼對殼體升力不足、氧氣與燃油混合不充分、發(fā)動機對殼體推力不足。

（3）系統(tǒng)裁剪

針對有害作用（阻力）進一步分析。因為導(dǎo)彈殼體儲存炸藥、燃油的功能可以由彈翼完成，所以可以對組件“導(dǎo)彈殼體”進行裁剪，裁剪后的功能模型如圖2所示。

通過系統(tǒng)裁剪，得到方案1：導(dǎo)彈采用飛翼布局，彈翼夾層布置燃油、炸藥。

（4）因果鏈分析

結(jié)合技術(shù)系統(tǒng)的功能模型，針對巡航導(dǎo)彈射程不足的問題追根溯源，開展因果鏈分析（圖3）。

通過因果鏈分析，共挖掘出5個待解決的問題：

問題①：導(dǎo)彈彈翼面積小，導(dǎo)致升力不足；

問題②：燃油與氧氣分子混合不充分，導(dǎo)致推力不足；

問題③：導(dǎo)彈表面天線、機彈連接件外露，產(chǎn)生阻力；

問題④：飛翼布局導(dǎo)彈，電子設(shè)備難以布置；

問題⑤：氣流產(chǎn)生摩擦阻力大。

（三）問題解決

（1）STC算子法

針對問題①（導(dǎo)彈彈翼面積小導(dǎo)致升力不足），采用STC算子法，運用極限思維分別思考時間、尺寸、成本趨近于0和趨近于無窮大的情況。例如，如果導(dǎo)彈彈翼面積無限大，那么可以產(chǎn)生巨大升力，進而得到方案2：使用（可拋棄的）大面積滑翔翼組件。

運用STC算子法得到的其他方案如表3所示。

（2）物場分析

針對問題②（燃油與氧氣分子混合不充分導(dǎo)致推力不足），建立物場模型，運用標準解S2.1.1進行優(yōu)化（將物場系統(tǒng)的其中一個部分轉(zhuǎn)換為獨立可控的物場系統(tǒng)，從而形成鏈式物場系統(tǒng)，可以提高物場系統(tǒng)的效率），如圖4所示。得到方案3：壓氣機進氣口噴出霧狀水與氧氣、燃油混合加熱。

更進一步地，基于降低成本、簡化技術(shù)系統(tǒng)、提高理想度的原則，為了不新增組件（水、噴水裝置），對方案3進行一步優(yōu)化，利用導(dǎo)彈高速飛行產(chǎn)生的熱量使液態(tài)燃油轉(zhuǎn)化為燃油蒸氣以替代霧狀水，得到方案4。

針對問題③（導(dǎo)彈表面天線外露產(chǎn)生阻力），建立物場模型，運用標準解S1.2.1進行優(yōu)化（引入第三種物質(zhì)消除有害作用），如圖5所示。得到方案4：天線外表面安裝整流罩。

（3）技術(shù)矛盾

針對問題③（導(dǎo)彈表面天線外露產(chǎn)生阻力），挖掘其蘊含的技術(shù)矛盾。如果天線內(nèi)埋，那么阻力減小，但是天線接收信號的能量損失增加。工程參數(shù)“力”與“能量損失”存在技術(shù)矛盾（圖6）。

針對技術(shù)矛盾，查詢阿奇舒勒矛盾矩陣，應(yīng)用No.14“曲面化原理”，得到方案5：曲面外形天線；應(yīng)用No.15“動態(tài)特性原理”，得到方案6：天線能夠根據(jù)氣流方向自適應(yīng)地動態(tài)調(diào)整角度。

更進一步地，將“動態(tài)特性原理”與技術(shù)系統(tǒng)的動態(tài)性進化法則相結(jié)合進行思考。根據(jù)系統(tǒng)可控性提高的進化路線，得到方案7：導(dǎo)彈能夠根據(jù)氣流狀態(tài)，動態(tài)地對速度、姿態(tài)、高度等飛行參數(shù)進行智能化調(diào)節(jié)。根據(jù)組件柔性進化路線，得到方案8：彈翼可根據(jù)飛行速度、氣流狀態(tài)變化對形狀、角度進行柔性調(diào)節(jié)。

（4）物理矛盾

針對問題③（導(dǎo)彈表面機彈連接件外露產(chǎn)生阻力），挖掘其蘊含的物理矛盾。為了減小阻力，要求導(dǎo)彈外形光滑；但是，為了提高導(dǎo)彈掛機的易操作性，要求滑塊/吊耳等機彈連接件凸起。即導(dǎo)彈的形狀既要平滑又要凸起，工程參數(shù)“形狀”存在物理矛盾（圖7）。

針對物理矛盾，運用時間分離方法，得到方案9：導(dǎo)彈巡航時，將機彈連接件、殼體、助推器等已執(zhí)行完功能的組件拋棄。

針對問題④（飛翼布局導(dǎo)彈內(nèi)的電子設(shè)備難以布置），挖掘其蘊含的物理矛盾。為了布置諸多電子設(shè)備，要求導(dǎo)彈殼體橫截面面積大；但是，為了減小氣動阻力，要求導(dǎo)彈殼體與氣流接觸面的航向投影面積小。即導(dǎo)彈的橫截面面積既要大又要小，工程參數(shù)“運動物體的面積”存在物理矛盾（圖8）。

針對物理矛盾，運用空間分離方法，得到方案10：導(dǎo)彈殼體前部分扁平且尖，橫截面積小；后部分扁平且寬，橫截面積大。

（5）小人法與功能導(dǎo)向搜索

針對問題⑤（氣流產(chǎn)生摩擦阻力大），運用小人法，從微觀層面展開分析。以運動的藍色小人代表流動的氣體分子；以有序排列、固定不動的黃色小人代表導(dǎo)彈翼面上的固體分子。

摩擦阻力產(chǎn)生的原因是氣流沿翼面流動會產(chǎn)生分離，氣流分離越早，摩擦阻力越大。在小人模型中表現(xiàn)為運動的藍色小人們逐漸“跳出”黃色小人組成的翼面水平線，如圖9所示。

借助運動的小人模型進行思考，得到初步設(shè)計思路：如果在微觀上，翼面水平線中間存在“凹坑”，藍色小人們“跳出”凹坑后又會回到翼面水平線上（圖10），或許可以達到延緩氣流分離，減小摩擦阻力的效果。那么，這個思路是否可行呢？

更進一步地，針對問題（如何保持氣流沿翼面流動，延遲分離？）進行功能導(dǎo)向搜索。

功能表達為：保持氣體。查詢科學(xué)效應(yīng)與知識庫。

查詢到C43 康達效應(yīng)（流體由偏離原本流動方向改為隨著具有一定曲率的物體表面流動的傾向）有較大應(yīng)用前景，而且與上述思路相符合。通過調(diào)研康達效應(yīng)在高爾夫球、鯊魚皮中的減阻設(shè)計運用情況[7]，判斷該設(shè)計思路存在一定的可行性。進而得到方案11：采用凹坑式翼面外形；方案12：在翼面覆蓋“鯊魚皮”外形涂層。

四、空射巡航導(dǎo)彈低成本增程方案

基于TRIZ理論分析、解決問題，得到上述12種技術(shù)途徑。綜合考慮低成本、遠射程、易部署、快速戰(zhàn)備能力、隱身突防能力等客戶需求進行技術(shù)路線的整合、優(yōu)化，形成最終方案：

（1）導(dǎo)彈采用飛翼布局。導(dǎo)彈殼體前部分扁平且尖；后部分扁平且寬，布置電子設(shè)備、發(fā)動機及主油箱。導(dǎo)彈彈翼采用夾層結(jié)構(gòu)，存儲燃油蒸氣；發(fā)動機工作時，將燃油蒸氣與氧氣混合加熱以提高燃燒效率。

（2）導(dǎo)彈的表面覆蓋“鯊魚皮”外形涂層及隱身吸波材料；天線等傳感器進行曲面化設(shè)計，與導(dǎo)彈殼體共曲面。

（3）導(dǎo)彈離機后，通過火工品控制滑翔彈翼展開、機彈連接件分離；巡航時，導(dǎo)彈對速度、姿態(tài)、高度等飛行參數(shù)進行動態(tài)調(diào)節(jié)；末制導(dǎo)段，將滑翔彈翼組件拋棄，導(dǎo)彈大落角打擊目標。

五、總結(jié)

本研究面向遠距精確打擊的軍事需求，以武器裝備提升性能、降低成本、快速研發(fā)的發(fā)展趨勢為導(dǎo)向，基于TRIZ創(chuàng)新理論，探索空射巡航導(dǎo)彈低成本增程化改進設(shè)計的技術(shù)途徑，為未來武器裝備的高質(zhì)量低成本持續(xù)發(fā)展提供參考。

參考文獻

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責編 / 馬銘陽