固体动力智能化发展技术展望①

田维平，雷晓龙，唐 敏，杨玉新，王 伟

(1.中国航天科技集团有限公司第四研究院，西安 710025；2.中国航天科技集团有限公司第四研究院四十一所，西安 710025)

0 引言

近年来，随着人工智能技术快速发展和作战空间向一体化、联合化、全维化、实时化、透明化方向发展，军用人工智能成为改变军事革命和未来战争的颠覆性技术，逐渐深入武器装备发展领域。国外军事强国纷纷布局人工智能国防战略,不断升级人工智能军事作战应用,实现了武器装备、作战应用系统、作战力量等方面的显著提升[1-3]。

在导弹武器领域，科技工作者力求应用和发展智能化技术以实现导弹智能化，占领未来武器装备发展制高点。导弹总体的智能化需求和日益完善的技术途径，对固体动力产生了变革性影响。一方面，固体发动机要满足导弹智能化对动力系统的需求，具备推力可调、燃烧可控、跨域工作等复杂功能；另一方面，又要实现对外部环境和内在质量的自感知和自适应智能化趋势，这就极大地丰富了固体动力的技术研发内涵，扩展了固体动力的应用工程功能。

本文研究了几种智能导弹武器动力系统及作战概念特征与发展路线，提出了对多模态跨介质组合发动机技术、固体火箭超燃冲压发动机技术和固体发动机工作过程及性能调控技术等智能化固体动力技术的发展建议。

1 多模态跨介质组合发动机技术

1.1 研究进展

传统武器装备难以满足未来信息化、一体化、覆盖海陆空天的“多维化”作战需求，针对多栖作战装备的迫切需求提出一种空水跨介质发动机。这类新型固体组合动力是针对未来智能化武器装备跨域、跨介质作战需求而创新发展的一种多模态跨介质组合发动机。该动力以高性能特种固体推进剂作为燃料，同时具有空气冲压和水冲压两种工作模态且模态间可智能转换，具备灵活的推力调节能力和多次启动的能力，可满足武器装备空中高超声速巡航、水下超高速航行的动力需求。

近年来，国内相继开展了固体火箭冲压发动机及水冲压发动机原理探索和技术研发工作，研制了高热值、高密度的固体燃料基础配方，可初步满足空水跨介质组合发动机的应用需求；突破了流量调节技术，实现了推力动态调节，满足智能武器推力调节需求；完成了金属燃料水冲压发动机地面集成及湖态航行试验，验证了水冲压发动机工作原理，为空水跨介质组合发动机技术的发展奠定了较好的技术基础[4-9]。图1为美国固体粉末冲压发动机原理图，美国金属燃料水冲压发动机鱼雷见图2。

图1 美国固体粉末冲压发动机原理图[10]

图2 美国金属燃料水冲压发动机鱼雷[11]

1.2 性能特点与优势

空水跨介质组合动力具有以下六项显著特点：

(1)比冲和能量密度高。空水跨介质组合动力主要以冲压模态工作，利用飞行/航行介质作为氧化剂，发动机的比冲可达常规火箭动力的2～3倍；同时，推进剂密度很高，可达到1.6 kg/dm3以上，可大幅减小动力系统的体积。

(2)推力输出调控灵活性高。推力调节比可达到15∶1以上，同时具备多次开关机的能力，可大幅提高飞行弹道设计的灵活性。

(3)飞行/航行速度高。可实现Ma=6以上速度高超声速飞行，水下航速可达200节以上，可大幅提高导弹的突防能力和毁伤效果。

(4)实战化性能高。具有更高的安全性和可靠性，更强的环境适应性和贮存性。

(5)一体化程度高。采用一体化设计方案，一型动力可同时满足上天、下海的动力需求，可大幅降低导弹的消极质量和体积。

(6)制造和使用成本低。固体燃料原材料制备工艺成熟，成本低；无需复杂的装药绝热工艺过程，工艺周期短，工艺成本低[12-15]。

1.3 主要关键技术

针对多模态跨介质组合发动机技术的发展需求及现状，需从以下六个方向开展关键技术攻关：

(1)固体燃料空水跨介质组合动力总体设计技术。通过总体结构布局和设计参数的优化论证，建立结构、防热及性能一体化设计方法及高精度的全包线性能预示模型，形成高性能弹用空水跨介质组合动力技术方案。

(2)高热值、高密度固体推进剂配方技术。针对空水跨介质组合动力的应用需求，发展能够同时兼顾超燃、水冲压模态的高热值、高密度、易于输送和流化的高性能固体推进剂配方，并通过地面试验进行考核验证。

(3)高精度流量调节技术。揭示高速稠密两相流条件下流量调节控制机理，发展高效流量调节方案，建立高精度的流量调节与控制模型，满足空水跨介质发动机多次启动及多模态下推力调节的需求。

(4)不同氧化剂环境下固体燃料的高效燃烧组织技术。针对跨介质发动机两个模态工作的特点，深入揭示固体燃料在超音速空气和水的氧化剂环境下的点火燃烧机理，建立高精度的固体推进剂掺混燃烧数值仿真模型，并系统研究不同氧化剂环境下影响掺混燃烧性能的关键因素及规律。在此基础上，完成高效燃烧跨介质组合动力燃烧室的优化设计及验证。

(5)空水跨介质组合动力长时间热防护技术。深入研究固体跨介质组合动力在不同模态下的热力载荷条件，并充分考虑不同模态下环境介质的冷却能力，发展主被动相结合的热量管理和热防护技术方案，并通过地面单项和集成验证试验进行考核验证。

(6)空水跨介质组合动力模态转换技术。针对不同模态转换的需求，形成介质涵道、推进剂输送系统、燃烧室及尾喷管的调节及控制方案，并通过单项和集成试验进行考验验证。

2 固体火箭超燃冲压发动机技术

2.1 研究进展

固体超燃冲压发动机是针对未来高超声速导弹智能化、实战化发展需求，创新发展的一种高推进效率、长时间工作、推力宽范围灵活调节的新型固体组合动力。固体火箭超燃冲压发动机以贫氧推进剂为燃料，推进剂经过一次燃烧后产生高温、高压多相富燃燃气射流，富燃燃气射流与由进气道捕获的空气在超音速燃烧室中进行超音速燃烧释放能量并产生推力。工作过程中可通过流量调节装置实时进行推力调节，以满足导弹宽域工作和机动飞行的需求。

国内发展了弹机高度一体化的固体火箭超燃冲压发动机技术方案，并充分验证了发动机原理及关键技术解决方案的可行性。形成了适用于固体火箭超燃冲压发动机的高性能硼基燃料贫氧推进剂配方；研究了影响固体火箭超燃冲压发动机燃烧性能的关键因素及规律，实现了固体火箭超燃冲压发动机的稳定燃烧；发展了基于C/SiC超高温陶瓷材料的固体火箭超燃冲压发动机被动式热防护设计方案，并成功通过长时间地面直连集成验证试验；突破了适用于固体火箭超燃冲压发动机的固体燃气流量调节与控制技术，完成了地面单项及集成试验考核；开展了进发匹配设计技术研究，完成了自由射流试验发动机设计。图3为固体超燃冲压发动机原理图，固体超燃冲压发动机自由射流试验见图4。

图3 固体超燃冲压发动机原理图

2.2 性能特点与优势

固体火箭超燃冲压发动机具有以下显著特点：

(1)比冲和能量密度高。发动机比冲可达到常规火箭动力的3倍以上，同时推进剂能量密度是液体超燃冲压发动机的1.6倍以上。

(2)工作包线宽、加速能力强。燃气发生器一次燃烧产生的高温燃气可起到点火、火焰稳定和燃烧促进的作用，不存在熄火的问题；贫氧推进剂中由于自带一部分氧化剂，因此在相同的进气道捕获面积条件下，发动机的推力可达到液体超燃冲压发动机的1.7倍。

(3)巡航速度高、推进效率高。巡航速度可达到Ma=6～8，可大幅提高导弹的突防能力和毁伤效果。

(4)实战化性能高。固体火箭超燃冲压发动机兼具结构简单、长期储存、强环境适应、高安全、高可靠等优点，可满足导弹实战化需求。

图4 固体超燃冲压发动机自由射流试验

2.3 主要关键技术

针对固体火箭超燃冲压发动机技术的发展需求及现状，需从以下五个方向开展关键技术攻关：

(1)固体火箭超燃冲压发动机总体设计技术。通过弹机一体化论证，确定高性能弹用固体火箭超燃冲压发动机的结构布局和进气道布局形式，建立结构、防热及总体参数优化设计方法及性能预示模型。

(2)高性能硼基燃料贫氧推进剂配方技术。依据固体火箭超燃冲压发动机燃烧的特点，研发高热值、高燃烧效率、高压力指数、低沉积的硼基贫氧推进剂配方，并通过一次燃烧和二次燃烧试验进行考核验证。

(3)固体火箭超燃冲压发动机高效燃烧组织技术。通过数值仿真和地面试验系统，研究不同因素对掺混燃烧性能影响的关键因素及规律，建立固体火箭超燃冲压发动机优化设计方法。

(4)固体火箭超燃冲压发动机长时间热防护技术。深入研究固体火箭超燃冲压发动机燃烧室的内外热力载荷特性，并以此为输入，发展被动式和主被动相结合的热防护设计技术方案，满足固体火箭超燃冲压发动机长时间工作的需求。

(5)固体火箭超燃冲压发动机进发匹配设计技术。通过数值仿真和试验相结合的方式，系统研究进气道、燃烧室、尾喷管的耦合工作特性，建立适用于固体超燃冲压发动机的一体化内流道优化设计方法。

3 固体发动机工作过程及性能调控技术

3.1 研究进展

为满足未来智能导弹的发展需求，动力系统的工作过程要与导弹的任务实时匹配，实现推力的动态调控，同时还要具备在全寿命周期的自身状态智慧管理。为实现上述目标，均需依赖先进推进剂技术和先进的测试判断手段的发展。目前，国内外均已开展具有智能化雏形的固体推进剂技术探索，新型固体推进剂及其先进制造技术的创新进展也为实现这种探索提供了可行的制造基础，尤其是美、印等国已开展了固体推进剂药柱打印成型技术研究，初步验证了复杂药型成型、药柱梯度成型等关键技术[16-17]。本文提出了基于“可逆变推进剂+阵列式微传感器”或“仿生智慧推进剂”等两种构想的固体发动机工作过程及性能调控技术，可为固体动力的智能化发展提供思路。

3.1.1 可逆变推进剂+阵列式微传感器

为实现对发动机燃烧过程的调控、自身质量状态的管理，亟需解决发动机内部反馈机制缺失和药柱状态不可变的问题。一种可能方案是通过将阵列式微传感器内嵌(打印或浇注)到药柱中，以此实现对发动机内部状态的实时监测，同时以监测到的状态信息作为发动机调控的输入，以此建立起发动机内部的反馈机制。将具有状态可逆变的推进剂作为固体装药，根据传感器反馈的发动机状态参数，通过发动机智能决策发出对装药的调节和修复指令，在外加场的作用下，对预置传感器产生特定激励，实现对发动机的调节与缺陷修复，从而使得发动机具有自适应、自感知、自修复的功能。例如，当阵列式微传感器监测到药柱内部出现微裂纹等缺陷时，便可将此信息反馈至发动机处理中心，发动机据此信号作出反应，利用可逆变推进剂的特性，在外部激励(电、磁、热等)作用下，对特定位置的传感器产生加热作用，使推进剂自发愈合缺陷，实现自我修复。基于可逆变推进剂和阵列式微传感器的自适应固体推进剂原理见图5。

图5 可自适应固体推进剂原理图

3.1.2 仿生智慧推进剂

如果推进剂自身具备类似阵列式微传感器的信号反馈机制，那么就可实现只通过装药便实现发动机的性能调控，无需外部传感器的植入。以新一代场控型推进剂为基础，再加上仿生学的类神经网络结构，即可实现上述“智慧”推进剂的构想。具体来说，为实现推进剂的“智慧”行为，可通过研制特种含能材料结合打印技术制造类神经网络结构(如丝瓜瓤结构)，在这些结构内部打印具有神经末梢功能的含能单元，通过类神经网络结构将这些信号传递给发动机。发动机通过综合状态分析，在导弹任务变化的情况下，通过一定的电、磁或其他能源的特定激励，实现对场控推进剂的结构或性能的管理，真正实现发动机智能随控功能。基于仿生结构的智能固体推进剂原理见图6。

图6 基于仿生结构的智能固体推进剂原理图

3.2 性能特点与优势

固体发动机工作过程及性能调控技术具有以下两项显著特点：

(1)固体装药可以自感知、自修复。通过对装药及其界面的实时监控掌握自身质量状态，在外部激励下实现自修复。

(2)可实现燃烧控制。通过外加场对内置传感器或推进剂中的网络结构进行作用，改变推进剂的燃烧状态。

3.3 主要关键技术

针对固体发动机工作过程及性能调控技术发展需求及现状，需从以下三个方向开展关键技术攻关：

(1)可逆变固体推进剂技术。通过可逆变固体推进剂配方设计与调试，研究推进剂的燃烧性能、力学性能、缺陷敏感性及外加场作用下推进剂变形特性和燃烧特性。

(2)微小型智能传感器技术。发展先进的传感器材料、新型传感器原理方法、微小型传感器制造工艺，使得传感器可被预置入固体装药之中，可感知推进剂的状态变化，同时可作为外部场激励的接收终端，实现对推进剂的状态改变。

(3)仿生智慧推进剂技术。通过神经网络结构设计制造、新型含能神经单元设计与合成、外加场下神经网络结构与单元响应规律等研究，发展智慧固体推进剂。

4 结束语

围绕智能固体动力的技术需求，前期国内已开展了水冲压技术、超燃冲压技术、流量调节技术、电控推进剂技术、推进剂打印制造技术等先期研究，取得了阶段成果。本文对基于固体燃料的空水跨介质组合动力、固体火箭超燃冲压发动机、固体发动机工作过程及性能调控等技术进行了综合分析，提出了几种智能动力的工作方案。下一步，需要围绕固体动力推力调控、跨介质工作、工作过程主动控制等重点方向开展深入研究，验证主要技术途径，推动智能导弹的技术发展。