基于TRIZ理論的空射巡航導彈增程設計研究

摘 要：通過分析美國AGM-158系列聯合防區外空地導彈的增程化改進技術路線，可知更換低耗油率發動機、增加燃油量、結構減重是增加導彈射程的主要手段。但是上述途徑難以完全適應國內現有導彈的低成本增程化改進需求，存在發動機新研周期長、技術壁壘高、通用性差，導彈改裝成本高、技術狀態變化大、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途徑，為武器裝備的性能提升、改進改型、低成本發展提供參考。

關鍵詞：TRIZ理論；空射巡航導彈；射程；低成本

一、背景及意義

（一）大國重器，制敵利劍

空射巡航導彈是指由飛機平臺發射的遠程對陸/海攻擊武器，主要執行遠程精確打擊任務，依靠氣動力和發動機推力在大氣層內飛行，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“現代戰爭中的空中利劍”[1]。巡航導彈是大國重器，其研發涉及航空動力學、制導與控制、隱身技術、材料科學、電子信息等多個領域技術的綜合集成和創新應用，體現了國防工業技術水平，是軍工科技之光。[2]

（二）大國競爭，戰略對抗

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

（三）創新驅動，引領未來

現代戰爭形態正朝著高烈度、強對抗、高消耗的持久戰趨勢演變。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導彈上萬枚。為適應未來戰爭需求，武器裝備的發展需要以提升性能、降低成本、快速研發為導向。以TRIZ創新理論為驅動，在現有成熟裝備基礎上探索低成本改進的技術途徑，在縮短研發周期的同時實現性能提升，這對未來武器裝備的高質量低成本持續發展具有重要參考價值。

二、TRIZ理論研究方法

TRIZ理論即“發明問題解決理論”，是一種解決發明問題的系統化方法學，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]本研究在調研國內外技術現狀的基礎上，分析美國巡航導彈增程化改進的技術方案，確定初步研究目標；在問題識別階段，圍繞典型巡航導彈的功能組成和工作原理，使用功能分析、系統裁剪、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、技術矛盾、物理矛盾、小人法、功能導向搜索等6種工具提出解決問題的技術途徑；最后根據研制需求進行方案整合，提出最終設計方案。

三、問題識別與解決

（一）問題描述

首先，通過調研國內外技術現狀[6]，確定初步研究目標。

以美國AGM-158B增程型聯合防區外空地導彈為例，在AGM-158導彈原型的基礎上以渦輪風扇發動機替代渦輪噴氣發動機，增加燃油量，并進行結構減重設計，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）。而且該技術路線存在發動機新研周期長、技術壁壘高、通用性差，導彈改裝成本高、技術狀態變化大等問題，難以適應武器裝備低成本、快速研發的需求。

更進一步地，通過軍事需求分析、客戶需求調研，運用產品質量先期策劃（APQP）、質量功能展開（QFD）等質量研發工具確定初步研究目標：在不更換發動機、不犧牲其他性能的基礎上，以較低成本實現導彈射程增加。

（二）問題識別

（1）巡航導彈的工作原理

以“暴風陰影”為例，典型巡航導彈的，工作流程如下：

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

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

（c）定位與導航：導彈通過衛星接收天線、氣壓傳感器、無線電高度表的天線、慣性導航裝置等獲取位置、速度、相對高度、姿態等信息，通過飛控計算機進行制導律解算，進而調節舵面偏轉角度、燃油供給速率以改變氣動力和發動機推力，實現對導彈的飛行控制。

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

（2）功能分析

根據巡航導彈的工作原理梳理技術系統的組件（表2）、分析組件間的相互作用并構建功能模型（圖1）。

根據功能模型圖分析，技術系統的主要功能為運輸炸藥。

該技術系統存在1個有害作用：氣流對導彈殼體產生阻力；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、發動機對殼體推力不足。

（3）系統裁剪

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

通過系統裁剪，得到方案1：導彈采用飛翼布局，彈翼夾層布置燃油、炸藥。

（4）因果鏈分析

結合技術系統的功能模型，針對巡航導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：導彈彈翼面積小，導致升力不足；

問題②：燃油與氧氣分子混合不充分，導致推力不足；

問題③：導彈表面天線、機彈連接件外露，產生阻力；

問題④：飛翼布局導彈，電子設備難以布置；

問題⑤：氣流產生摩擦阻力大。

（三）問題解決

（1）STC算子法

針對問題①（導彈彈翼面積小導致升力不足），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，如果導彈彈翼面積無限大，那么可以產生巨大升力，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致推力不足），建立物場模型，運用標準解S2.1.1進行優化（將物場系統的其中一個部分轉換為獨立可控的物場系統，從而形成鏈式物場系統，可以提高物場系統的效率），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、簡化技術系統、提高理想度的原則，為了不新增組件（水、噴水裝置），對方案3進行一步優化，利用導彈高速飛行產生的熱量使液態燃油轉化為燃油蒸氣以替代霧狀水，得到方案4。

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

（3）技術矛盾

針對問題③（導彈表面天線外露產生阻力），挖掘其蘊含的技術矛盾。如果天線內埋，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“力”與“能量損失”存在技術矛盾（圖6）。

針對技術矛盾，查詢阿奇舒勒矛盾矩陣，應用No.14“曲面化原理”，得到方案5：曲面外形天線；應用No.15“動態特性原理”，得到方案6：天線能夠根據氣流方向自適應地動態調整角度。

更進一步地，將“動態特性原理”與技術系統的動態性進化法則相結合進行思考。根據系統可控性提高的進化路線，得到方案7：導彈能夠根據氣流狀態，動態地對速度、姿態、高度等飛行參數進行智能化調節。根據組件柔性進化路線，得到方案8：彈翼可根據飛行速度、氣流狀態變化對形狀、角度進行柔性調節。

（4）物理矛盾

針對問題③（導彈表面機彈連接件外露產生阻力），挖掘其蘊含的物理矛盾。為了減小阻力，要求導彈外形光滑；但是，為了提高導彈掛機的易操作性，要求滑塊/吊耳等機彈連接件凸起。即導彈的形狀既要平滑又要凸起，工程參數“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：導彈巡航時，將機彈連接件、殼體、助推器等已執行完功能的組件拋棄。

針對問題④（飛翼布局導彈內的電子設備難以布置），挖掘其蘊含的物理矛盾。為了布置諸多電子設備，要求導彈殼體橫截面面積大；但是，為了減小氣動阻力，要求導彈殼體與氣流接觸面的航向投影面積小。即導彈的橫截面面積既要大又要小，工程參數“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：導彈殼體前部分扁平且尖，橫截面積?。缓蟛糠直馄角覍挘瑱M截面積大。

（5）小人法與功能導向搜索

針對問題⑤（氣流產生摩擦阻力大），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彈翼面上的固體分子。

摩擦阻力產生的原因是氣流沿翼面流動會產生分離，氣流分離越早，摩擦阻力越大。在小人模型中表現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？）進行功能導向搜索。

功能表達為：保持氣體。查詢科學效應與知識庫。

查詢到C43 康達效應（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）有較大應用前景，而且與上述思路相符合。通過調研康達效應在高爾夫球、鯊魚皮中的減阻設計運用情況[7]，判斷該設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種技術途徑。綜合考慮低成本、遠射程、易部署、快速戰備能力、隱身突防能力等客戶需求進行技術路線的整合、優化，形成最終方案：

（1）導彈采用飛翼布局。導彈殼體前部分扁平且尖；后部分扁平且寬，布置電子設備、發動機及主油箱。導彈彈翼采用夾層結構，存儲燃油蒸氣；發動機工作時，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計，與導彈殼體共曲面。

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

五、總結

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、快速研發的發展趨勢為導向，基于TRIZ創新理論，探索空射巡航導彈低成本增程化改進設計的技術途徑，為未來武器裝備的高質量低成本持續發展提供參考。

參考文獻

[1]趙倩.巡航導彈的百年進化史[N].解放軍報，2023-10-13（010）.

[2]劉麗.中美戰略競爭背景下中國東北亞地緣安全戰略研究[D].吉林：吉林大學，2023.

[3]劉新華.美國印太軍事基地體系調整的特點、動因與趨勢[J].世界經濟與政治論壇，2024，，3（3）：19-45.

[4]王永慶.固定翼艦載戰斗機關鍵技術與未來發展[J].航空學報，2021，42（8）：525859.

[5]郭菲，張超，姬志剛等基于TRIZ理論的課題式教學模式的應用研究[J].創新創業理論研究與實踐，2021（8）：107-109.

[6]劉穎，任春艷.國外空地導彈發展動態研究[J].航空兵器，2022，29（5）：11-20.

[7]張榮杰.基于仿生特征的MIRA模型氣動減阻研究[D].吉林：吉林大學， 2023.

責編 / 馬銘陽