智能固體發(fā)動機概念及發(fā)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(xiàn)代戰(zhàn)爭攻擊和防御的核心裝備。固體火箭發(fā)動機（以下簡稱固體發(fā)動機）以其結(jié)構(gòu)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(zhàn)略投送、快速進入空間、區(qū)域拒止與精確打擊等導彈武器的最佳動力選擇。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前世界有90%以上的戰(zhàn)略導彈、80%以上戰(zhàn)術導彈均采用固體發(fā)動機作為主要動力源［1］。

經(jīng)過60 多年自力更生和艱苦創(chuàng)業(yè)，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(fā)動機技術與國外先進水平和未來發(fā)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(fā)動機發(fā)展中主要存在以下問題：1）無法實現(xiàn)全域范圍內(nèi)推力按需隨控。固體發(fā)動機目前依靠擺動噴管、姿軌控、喉栓等技術手段可以實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的推力調(diào)節(jié)能力，但無法實現(xiàn)全域范圍內(nèi)（任意方向、任意大?。┑木珳收{(diào)控。2）無法實現(xiàn)可控可熄。除脈沖固體發(fā)動機外，固體發(fā)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(fā)動機一樣實現(xiàn)按需啟停，導致固體發(fā)動機能量無法最優(yōu)化配置。3）無法實現(xiàn)服役狀態(tài)自主感知。目前固體發(fā)動機不具備在服役過程中的狀態(tài)實時監(jiān)測能力，設計壽命到壽后繼續(xù)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(fā)，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(fā)動機”的概念，構(gòu)建了完整的智能固體發(fā)動機技術路線和產(chǎn)品發(fā)展體系，為深入認知當前固體發(fā)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(guī)劃未來智能固體發(fā)動機專業(yè)技術發(fā)展路線，牽引相關學科發(fā)展和技術積累，為未來智能化裝備發(fā)展鋪平道路。

1 概念與內(nèi)涵

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

智能固體發(fā)動機由可變固體裝藥、可感知殼體、可控點火系統(tǒng)、全域可調(diào)噴管機構(gòu)以及智能決策系統(tǒng)構(gòu)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(xiàn)能量高效利用以及全域范圍內(nèi)推力大小和方向隨控；將數(shù)字樣機、大數(shù)據(jù)和虛擬試驗等技術相融合的數(shù)字孿生技術，結(jié)合高精度原位監(jiān)檢測系統(tǒng)，通過智能芯片實現(xiàn)對服役環(huán)境載荷數(shù)據(jù)的自主感知，并通過數(shù)字孿生技術進行使役能力的自主評估，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡進行狀態(tài)反饋，并根據(jù)安全性和目標達成能力自主決策是否進入工作狀態(tài)。

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

2 發(fā)展路線

以需求牽引、技術推動為發(fā)展理念，推進智能固體發(fā)動機健康可持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展。規(guī)劃了以結(jié)構(gòu)力學正向設計、能量釋放動力學、數(shù)字樣機、數(shù)字孿生等技術體系為主線的技術發(fā)展路線（如圖2 所示），涵蓋了發(fā)動機設計、使用、試驗、壽命中的關鍵技術內(nèi)涵，并以此為基礎，形成變推力發(fā)動機、可控可熄發(fā)動機以及高效能全域矢量調(diào)控發(fā)動機的產(chǎn)品發(fā)展路線，最終實現(xiàn)具備高適變、高效能、高矢量調(diào)控特征的智能發(fā)動機。

圖2 智能固體發(fā)動機發(fā)展路線規(guī)劃Fig.2 Development route planning of intelligent SRM

2.1 技術路線

2.1.1 結(jié)構(gòu)力學正向設計

基于正向設計理念，從固體發(fā)動機各部件基礎結(jié)構(gòu)出發(fā)，構(gòu)建微細觀到宏觀的跨尺度計算模型和方法，揭示固體發(fā)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(fā)動機全壽命周期內(nèi)經(jīng)受的環(huán)境載荷（溫度、振動、重力等）、結(jié)構(gòu)熱應力作用，從最底層的分子化學出發(fā)，到物理微結(jié)構(gòu)，再到宏觀結(jié)構(gòu)的力學響應，構(gòu)建固體裝藥、界面、絕熱結(jié)構(gòu)、復合殼體、噴管、點火裝置、燃氣調(diào)節(jié)機構(gòu)等全系統(tǒng)的正向設計和跨尺度計算方法體系，形成固體發(fā)動機正向驅(qū)動的設計軟件生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)固體發(fā)動機結(jié)構(gòu)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(tǒng)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?zhèn)鞑C理，建立固體推進劑點火準則和火焰?zhèn)鞑ビ嬎隳Ｐ?，固體推進劑燃燒過程中鋁的燃燒行為如圖4 所示。構(gòu)建固體推進劑微細觀結(jié)構(gòu)模型，解析新型高能物質(zhì)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(shù)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(nèi)燃氣流動、傳熱和能量轉(zhuǎn)換過程，掌握發(fā)動機內(nèi)凝相運動行為模式及多相流輸運規(guī)律，重點突破燃燒室內(nèi)流動過程中凝相成分的形態(tài)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(nèi)凝相顆粒運動及相互作用、噴管流動過程中多相燃燒產(chǎn)物相變動力學、多相燃燒產(chǎn)物在發(fā)動機內(nèi)流動和演化的數(shù)值模擬等關鍵技術［1］，揭示多相燃燒產(chǎn)物作用下絕熱結(jié)構(gòu)失效模式與破壞機理，掌握多相燃燒產(chǎn)物生成與輸運過程對能量轉(zhuǎn)換的影響規(guī)律，建立考慮多相燃燒產(chǎn)物復雜流動與熱力過程的內(nèi)彈道計算方法。

2.1.3 數(shù)字樣機

數(shù)字樣機是固體發(fā)動機產(chǎn)品的數(shù)字化表述和工作過程數(shù)值模擬，是與固體發(fā)動機相關的所有三維數(shù)字信息構(gòu)成的產(chǎn)品模型和算法集合?；诮Y(jié)構(gòu)力學正向設計和能量釋放動力學，重點突破多材料、多結(jié)構(gòu)、多學科、跨尺度數(shù)值模擬技術，解決超大規(guī)模高效計算難題，實現(xiàn)虛擬試車，模擬發(fā)動機產(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)對發(fā)動機工作特性的高精度評判、對發(fā)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(xiàn)發(fā)動機工作過程各狀態(tài)點物理量的動態(tài)輸出，解析發(fā)動機工作過程的薄弱點，進一步優(yōu)化發(fā)動機設計，實現(xiàn)發(fā)動機產(chǎn)品工作過程的透明化。

2.1.4 數(shù)字孿生

構(gòu)建固體發(fā)動機結(jié)構(gòu)和性能表征參數(shù)體系，發(fā)展高精度試驗測試和測量技術，獲得個體化固體發(fā)動機初始真實狀態(tài)，包括原材料性能、工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)的真實數(shù)據(jù)和統(tǒng)計規(guī)律，形成個體化初始物理模型；發(fā)展基于微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）技術的固體發(fā)動機全生命周期環(huán)境載荷監(jiān)測技術；基于數(shù)字樣機，搭建物理空間和虛擬空間之間的數(shù)據(jù)傳遞與信息反饋，構(gòu)建固體發(fā)動機數(shù)字孿生體，精準預示固體發(fā)動機各部件的物理、化學狀態(tài)，通過高效、精準的虛擬試車，精準評估固體發(fā)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(xiàn)智能芯片的隨彈應用，形成固體發(fā)動機自主感知、自主評估和自主決策能力。

2.2 產(chǎn)品路線

2.2.1 變推力固體發(fā)動機

變推力固體發(fā)動機是智能固體發(fā)動機第一個發(fā)展階段的代表性成果，以結(jié)構(gòu)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(fā)動機各部件，重點解決固體裝藥與噴管調(diào)節(jié)機構(gòu)的耦合設計，突破高溫、高壓作用下噴管調(diào)節(jié)機構(gòu)的連續(xù)精準運動控制技術，在5～7 a 內(nèi)實現(xiàn)固體發(fā)動機超高推力調(diào)節(jié)比的連續(xù)、精準調(diào)節(jié)，滿足先進導彈高機動性和強突防能力對動力系統(tǒng)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(jié)合，實現(xiàn)裝藥組成、微觀界面、復雜拓撲結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、靈活多樣的能量控制方式、對戰(zhàn)場環(huán)境和目標的自適應調(diào)節(jié)能力，顯著提升裝藥能量利用率，滿足推力調(diào)節(jié)固體發(fā)動機對推進劑燃速、壓強指數(shù)、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(diào)節(jié)技術。在發(fā)動機噴管喉部增設閥門結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)裝置如圖6 所示，同時匹配高壓力指數(shù)固體推進劑，在燃燒室壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)作用下，伺服驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)指令牽引閥門軸向移動，迫使喉部面積在一定范圍內(nèi)發(fā)生改變，實現(xiàn)推力的無級調(diào)節(jié)。在此過程中噴管喉部結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，僅僅依靠閥門機構(gòu)的運動實現(xiàn)喉部面積調(diào)節(jié)，因此，屬于被動式調(diào)節(jié)。該技術可以降低甚至消除推進劑燃速、材料燒蝕和環(huán)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(gòu)的熱防護和抗燒蝕難題。

圖6 喉栓調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)Fig.6 Throat adjustment mechanism

3）主動式噴管喉徑自適應調(diào)節(jié)技術。通過智能構(gòu)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(diào)節(jié)機構(gòu)，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(diào)控指令而發(fā)生自適應調(diào)節(jié)，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動機推力的無級連續(xù)可調(diào)，并且發(fā)動機始終處于理想膨脹狀態(tài)，實現(xiàn)發(fā)動機能量的最優(yōu)化。主動式噴管調(diào)節(jié)機構(gòu)取消了被動式噴管喉徑調(diào)節(jié)閥門機構(gòu)，系統(tǒng)復雜度顯著降低。當前4D 打印技術方興未艾、蓬勃發(fā)展，為實現(xiàn)噴管喉徑的4D 打印提供了理論和技術基礎。

圖7 4D 打印構(gòu)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(fā)動機

可控可熄固體發(fā)動機是智能固體發(fā)動機第2 個發(fā)展階段的代表性成果，以結(jié)構(gòu)力學正向設計、能量釋放動力學為基礎，重點突破亞穩(wěn)態(tài)固體推進劑、噴管快速調(diào)節(jié)、重復點火等技術，同時融合變推力發(fā)動機中噴管喉徑調(diào)節(jié)技術，以數(shù)字樣機成果為基礎，實現(xiàn)虛擬試車，有效檢驗固體發(fā)動機在各種工況下的工作能力，在10～15 a 內(nèi)實現(xiàn)固體發(fā)動機按需啟停、推力連續(xù)可調(diào)，具備與液體發(fā)動機相當?shù)木_控制能力。重點關注以下技術途徑：

1）亞穩(wěn)態(tài)固體推進劑技術。以能量釋放動力學為基礎，設計亞穩(wěn)態(tài)推進劑，調(diào)控發(fā)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(wěn)態(tài)熱平衡臨界燃燒狀態(tài)。通過噴管開度調(diào)節(jié)，控制燃燒室內(nèi)壓強，實現(xiàn)固體燃面的穩(wěn)定燃燒和熄火。當發(fā)動機需要再次啟動時，通過重復點火系統(tǒng)輸入能量，實現(xiàn)固體裝藥的再次引燃，并快速進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。點火系統(tǒng)的能量需隨固體裝藥的變化而適應調(diào)節(jié)。

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(fā)生電解、熱解反應，實現(xiàn)推進劑點火燃燒，產(chǎn)生推力；在推進劑持續(xù)燃燒過程中，通過調(diào)節(jié)電場強度控制推進劑的燃速，實現(xiàn)推力大小調(diào)節(jié)［7］。斷電或調(diào)節(jié)電流低于閥值后，推進劑燃燒產(chǎn)生的熱量不足以維持推進劑的持續(xù)分解，推進劑主動熄火，發(fā)動機停止工作；當再次輸入合適的電流，推進劑再次發(fā)生電解、熱解、燃燒反應，如此循環(huán)往復，實現(xiàn)發(fā)動機的多次啟停和推力大小隨控。電控可熄發(fā)動機地面試車情況如圖8 所示。

圖8 電控可熄發(fā)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(fā)動機

高效能全域矢量控制固體發(fā)動機是智能固體發(fā)動機的集成表現(xiàn)形式，是結(jié)構(gòu)力學正向設計、能量釋放動力學、數(shù)字樣機和數(shù)字孿生基礎研究的綜合應用。重點突破全域噴管調(diào)節(jié)、固體裝藥按需輸送等關鍵技術，構(gòu)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(nèi)實現(xiàn)固體發(fā)動機按需啟停、全域范圍內(nèi)推力連續(xù)可調(diào)、智能決策。重點關注以下技術途徑：

1）全域矢量調(diào)節(jié)噴管技術?；?D 打印智能構(gòu)件技術［8］，結(jié)合新的耐高溫、耐高壓材料，發(fā)展新型噴管全域矢量噴管調(diào)節(jié)技術，在可控可熄固體發(fā)動機的基礎之上實現(xiàn)噴管任意方向推力的連續(xù)可調(diào)，使固體發(fā)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(diào)節(jié)需求。

2）智能感知-評估-決策技術?；贛EMS 傳感技術，發(fā)展微型化傳感網(wǎng)絡，對固體發(fā)動機全生命周期內(nèi)的各種環(huán)境載荷進行監(jiān)測［9］；結(jié)合數(shù)字樣機和數(shù)字孿生技術，對固體發(fā)動機的使役能力進行在線評估，判斷是否滿足繼續(xù)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(xù)服役或進入工作狀態(tài)。

3）固體爆轟元推進技術。固體爆轟元推進系統(tǒng)由爆轟元推進劑、點火裝置以及供給、冷卻與驅(qū)動裝置組成。在供給裝置驅(qū)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(fā)生可控爆轟反應，輸出特定的推力，冷卻系統(tǒng)控制爆震室恢復至低溫低壓狀態(tài)。通過精準控制爆轟單元的輸送，實現(xiàn)發(fā)動機啟停、推力大小離散調(diào)節(jié)，結(jié)合全域矢量調(diào)節(jié)噴管技術，實現(xiàn)發(fā)動機推力的全域矢量調(diào)節(jié)。爆轟推進工作循環(huán)如圖9 所示。

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

3 發(fā)展設想

著眼國家發(fā)展新布局及安全形勢新變化，瞄準戰(zhàn)爭制勝新機理、戰(zhàn)略能力新要求，以智能化作為固體動力未來發(fā)展主線，統(tǒng)籌策劃，逐步推進智能固體發(fā)動機發(fā)展。據(jù)此，提出以下發(fā)展設想：

1）加強頂層規(guī)劃，實現(xiàn)體系發(fā)展。注重智能固體發(fā)動機頂層規(guī)劃，立足當前，著眼未來，明確發(fā)展目標，統(tǒng)籌裝備智能化發(fā)展，體系化開展研究工作。聚焦當前固體發(fā)動機存在的瓶頸問題和未來智能武器發(fā)展需求的關鍵問題，構(gòu)建以原始創(chuàng)新為先導的智能固體發(fā)動機創(chuàng)新體系，努力開辟新的技術發(fā)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(xù)發(fā)展和跨越式發(fā)展。

2）加強軍民融合，實現(xiàn)開放發(fā)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(fā)展動向，通過固體發(fā)動機技術與相關技術交叉配合，進行體系優(yōu)化，綜合集成構(gòu)建智能固體發(fā)動機創(chuàng)新發(fā)展平臺；充分引進和吸收中科院、高校、民營企業(yè)等高新技術及創(chuàng)新理念，建立軍民融合開放式協(xié)同創(chuàng)新體系，形成互動、共贏的發(fā)展格局，實現(xiàn)軍民技術融合交互，推動固體動力技術的跨越式發(fā)展。

3）加強以點帶面，實現(xiàn)示范發(fā)展。聚焦制約固體動力創(chuàng)新發(fā)展的關鍵問題，充分調(diào)動國內(nèi)優(yōu)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(fā)動機、可控可熄發(fā)動機以及高效能全域矢量調(diào)控發(fā)動機為代表的先進固體發(fā)動機技術集成和驗證，以“三點”引領基礎理論、高能物質(zhì)、設計生態(tài)體系的全面發(fā)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(zhuǎn)化，搶占高性能武器裝備發(fā)展制高點。

4 結(jié)束語

本文闡明了智能固體發(fā)動機的概念與內(nèi)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(diào)控的能力，是未來智能化裝備發(fā)展的動力保障。智能固體發(fā)動機顛覆了現(xiàn)有固體發(fā)動機的設計理念、工作模式和應用方式，對智能固體發(fā)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(fā)展，形成全鏈條的原始創(chuàng)新體系。當前，我國固體發(fā)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(fā)動機的發(fā)展具有良好的發(fā)展環(huán)境。通過頂層規(guī)劃、軍民融合、以點帶面的協(xié)同發(fā)展，將使智能固體發(fā)動機從概念逐步變?yōu)楝F(xiàn)實，為我國智能化裝備發(fā)展提供堅強保障。