基于TRIZ理論的空射巡航導(dǎo)彈增程設(shè)計(jì)研究

摘 要：通過(guò)分析美國(guó)AGM-158系列聯(lián)合防區(qū)外空地導(dǎo)彈的增程化改進(jìn)技術(shù)路線，可知更換低耗油率發(fā)動(dòng)機(jī)、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(guó)內(nèi)現(xiàn)有導(dǎo)彈的低成本增程化改進(jìn)需求，存在發(fā)動(dòng)機(jī)新研周期長(zhǎng)、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(wèn)題。本文聚焦遠(yuǎn)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(jìn)的技術(shù)途徑，為武器裝備的性能提升、改進(jìn)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(guó)重器，制敵利劍

空射巡航導(dǎo)彈是指由飛機(jī)平臺(tái)發(fā)射的遠(yuǎn)程對(duì)陸/海攻擊武器，主要執(zhí)行遠(yuǎn)程精確打擊任務(wù)，依靠氣動(dòng)力和發(fā)動(dòng)機(jī)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(jià)值移動(dòng)/固定目標(biāo)，具有射程遠(yuǎn)、精度高、威力大、使用靈活等特點(diǎn)，是“現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的空中利劍”[1]。巡航導(dǎo)彈是大國(guó)重器，其研發(fā)涉及航空動(dòng)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(gè)領(lǐng)域技術(shù)的綜合集成和創(chuàng)新應(yīng)用，體現(xiàn)了國(guó)防工業(yè)技術(shù)水平，是軍工科技之光。[2]

（二）大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)，戰(zhàn)略對(duì)抗

近年來(lái)，美國(guó)以“反介入/區(qū)域拒止”能力為借口將我國(guó)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(jī)的對(duì)空攔截距離遠(yuǎn)，以 F-18E艦載戰(zhàn)斗機(jī)為例，作戰(zhàn)半徑達(dá)1470千米，未來(lái)將具備1800千米以上的區(qū)域持續(xù)控制能力[4]，將對(duì)我方執(zhí)行驅(qū)逐任務(wù)的飛機(jī)造成威脅。因此，研制射程更遠(yuǎn)的巡航導(dǎo)彈以實(shí)現(xiàn)對(duì)敵艦群的防區(qū)外精確打擊，對(duì)于增強(qiáng)我國(guó)海上防御力量具有重要意義。

（三）創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，引領(lǐng)未來(lái)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)正朝著高烈度、強(qiáng)對(duì)抗、高消耗的持久戰(zhàn)趨勢(shì)演變。以俄烏沖突為例，至今已歷時(shí)2年有余，俄軍已消耗精確制導(dǎo)導(dǎo)彈上萬(wàn)枚。為適應(yīng)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)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(dòng)，在現(xiàn)有成熟裝備基礎(chǔ)上探索低成本改進(jìn)的技術(shù)途徑，在縮短研發(fā)周期的同時(shí)實(shí)現(xiàn)性能提升，這對(duì)未來(lái)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(jià)值。

二、TRIZ理論研究方法

TRIZ理論即“發(fā)明問(wèn)題解決理論”，是一種解決發(fā)明問(wèn)題的系統(tǒng)化方法學(xué)，主要通過(guò)問(wèn)題識(shí)別、問(wèn)題解決、概念驗(yàn)證三個(gè)步驟解決工程問(wèn)題。[5]本研究在調(diào)研國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析美國(guó)巡航導(dǎo)彈增程化改進(jìn)的技術(shù)方案，確定初步研究目標(biāo)；在問(wèn)題識(shí)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(gè)工具確定待解決的問(wèn)題；在問(wèn)題解決階段使用STC算子法、物場(chǎng)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(wèn)題的技術(shù)途徑；最后根據(jù)研制需求進(jìn)行方案整合，提出最終設(shè)計(jì)方案。

三、問(wèn)題識(shí)別與解決

（一）問(wèn)題描述

首先，通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀[6]，確定初步研究目標(biāo)。

以美國(guó)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(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)替代渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，增加燃油量，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)減重設(shè)計(jì)，使射程由380千米增加至926千米。但是，彈長(zhǎng)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(dòng)機(jī)新研周期長(zhǎng)、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(wèn)題，難以適應(yīng)武器裝備低成本、快速研發(fā)的需求。

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

（二）問(wèn)題識(shí)別

（1）巡航導(dǎo)彈的工作原理

以“暴風(fēng)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(jī)發(fā)射架的彈射力作用下，導(dǎo)彈上的滑塊/吊耳等機(jī)彈連接件與發(fā)射架分離。

（b）自主飛行：導(dǎo)彈彈翼展開(kāi)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。導(dǎo)彈在彈翼、舵面產(chǎn)生的氣動(dòng)力和發(fā)動(dòng)機(jī)推力作用下飛行。

（c）定位與導(dǎo)航：導(dǎo)彈通過(guò)衛(wèi)星接收天線、氣壓傳感器、無(wú)線電高度表的天線、慣性導(dǎo)航裝置等獲取位置、速度、相對(duì)高度、姿態(tài)等信息，通過(guò)飛控計(jì)算機(jī)進(jìn)行制導(dǎo)律解算，進(jìn)而調(diào)節(jié)舵面偏轉(zhuǎn)角度、燃油供給速率以改變氣動(dòng)力和發(fā)動(dòng)機(jī)推力，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈的飛行控制。

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

（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(yùn)輸炸藥。

該技術(shù)系統(tǒng)存在1個(gè)有害作用：氣流對(duì)導(dǎo)彈殼體產(chǎn)生阻力；存在4個(gè)不足作用：氣流對(duì)彈翼升力不足、彈翼對(duì)殼體升力不足、氧氣與燃油混合不充分、發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)殼體推力不足。

（3）系統(tǒng)裁剪

針對(duì)有害作用（阻力）進(jìn)一步分析。因?yàn)閷?dǎo)彈殼體儲(chǔ)存炸藥、燃油的功能可以由彈翼完成，所以可以對(duì)組件“導(dǎo)彈殼體”進(jìn)行裁剪，裁剪后的功能模型如圖2所示。

通過(guò)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(duì)巡航導(dǎo)彈射程不足的問(wèn)題追根溯源，開(kāi)展因果鏈分析（圖3）。

通過(guò)因果鏈分析，共挖掘出5個(gè)待解決的問(wèn)題：

問(wèn)題①：導(dǎo)彈彈翼面積小，導(dǎo)致升力不足；

問(wèn)題②：燃油與氧氣分子混合不充分，導(dǎo)致推力不足；

問(wèn)題③：導(dǎo)彈表面天線、機(jī)彈連接件外露，產(chǎn)生阻力；

問(wèn)題④：飛翼布局導(dǎo)彈，電子設(shè)備難以布置；

問(wèn)題⑤：氣流產(chǎn)生摩擦阻力大。

（三）問(wèn)題解決

（1）STC算子法

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

運(yùn)用STC算子法得到的其他方案如表3所示。

（2）物場(chǎng)分析

針對(duì)問(wèn)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(chǎng)模型，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)解S2.1.1進(jìn)行優(yōu)化（將物場(chǎng)系統(tǒng)的其中一個(gè)部分轉(zhuǎn)換為獨(dú)立可控的物場(chǎng)系統(tǒng)，從而形成鏈?zhǔn)轿飯?chǎng)系統(tǒng)，可以提高物場(chǎng)系統(tǒng)的效率），如圖4所示。得到方案3：壓氣機(jī)進(jìn)氣口噴出霧狀水與氧氣、燃油混合加熱。

更進(jìn)一步地，基于降低成本、簡(jiǎn)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(duì)方案3進(jìn)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(duì)問(wèn)題③（導(dǎo)彈表面天線外露產(chǎn)生阻力），建立物場(chǎng)模型，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)解S1.2.1進(jìn)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(duì)問(wèn)題③（導(dǎo)彈表面天線外露產(chǎn)生阻力），挖掘其蘊(yùn)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(hào)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(duì)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(dòng)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(dòng)態(tài)調(diào)整角度。

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

（4）物理矛盾

針對(duì)問(wèn)題③（導(dǎo)彈表面機(jī)彈連接件外露產(chǎn)生阻力），挖掘其蘊(yùn)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(jī)的易操作性，要求滑塊/吊耳等機(jī)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(duì)物理矛盾，運(yùn)用時(shí)間分離方法，得到方案9：導(dǎo)彈巡航時(shí)，將機(jī)彈連接件、殼體、助推器等已執(zhí)行完功能的組件拋棄。

針對(duì)問(wèn)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(yùn)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(dòng)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(yùn)動(dòng)物體的面積”存在物理矛盾（圖8）。

針對(duì)物理矛盾，運(yùn)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(duì)問(wèn)題⑤（氣流產(chǎn)生摩擦阻力大），運(yùn)用小人法，從微觀層面展開(kāi)分析。以運(yùn)動(dòng)的藍(lán)色小人代表流動(dòng)的氣體分子；以有序排列、固定不動(dòng)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(dòng)會(huì)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(yùn)動(dòng)的藍(lán)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(yùn)動(dòng)的小人模型進(jìn)行思考，得到初步設(shè)計(jì)思路：如果在微觀上，翼面水平線中間存在“凹坑”，藍(lán)色小人們“跳出”凹坑后又會(huì)回到翼面水平線上（圖10），或許可以達(dá)到延緩氣流分離，減小摩擦阻力的效果。那么，這個(gè)思路是否可行呢？

更進(jìn)一步地，針對(duì)問(wèn)題（如何保持氣流沿翼面流動(dòng)，延遲分離？）進(jìn)行功能導(dǎo)向搜索。

功能表達(dá)為：保持氣體。查詢科學(xué)效應(yīng)與知識(shí)庫(kù)。

查詢到C43 康達(dá)效應(yīng)（流體由偏離原本流動(dòng)方向改為隨著具有一定曲率的物體表面流動(dòng)的傾向）有較大應(yīng)用前景，而且與上述思路相符合。通過(guò)調(diào)研康達(dá)效應(yīng)在高爾夫球、鯊魚(yú)皮中的減阻設(shè)計(jì)運(yùn)用情況[7]，判斷該設(shè)計(jì)思路存在一定的可行性。進(jìn)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(yú)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(wèn)題，得到上述12種技術(shù)途徑。綜合考慮低成本、遠(yuǎn)射程、易部署、快速戰(zhàn)備能力、隱身突防能力等客戶需求進(jìn)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(dòng)機(jī)及主油箱。導(dǎo)彈彈翼采用夾層結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)燃油蒸氣；發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，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(yú)皮”外形涂層及隱身吸波材料；天線等傳感器進(jìn)行曲面化設(shè)計(jì)，與導(dǎo)彈殼體共曲面。

（3）導(dǎo)彈離機(jī)后，通過(guò)火工品控制滑翔彈翼展開(kāi)、機(jī)彈連接件分離；巡航時(shí)，導(dǎo)彈對(duì)速度、姿態(tài)、高度等飛行參數(shù)進(jìn)行動(dòng)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(biāo)。

五、總結(jié)

本研究面向遠(yuǎn)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(shì)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(jìn)設(shè)計(jì)的技術(shù)途徑，為未來(lái)武器裝備的高質(zhì)量低成本持續(xù)發(fā)展提供參考。

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責(zé)編 / 馬銘陽(yáng)