固体动力设计中的几个主要关键基础问题①

何景轩，任全彬，董新刚，任 萍，颜 勇

(1.中国航天科技集团有限公司四院四十一所，西安 710025；2.中国航天科技集团有限公司第四研究院，西安 710025)

0 引言

固体动力技术的发展有力支撑了导弹武器及运载火箭技术的发展。经过数十年的发展，我国固体动力已在一些单项和整机技术方面接近或达到国际水平。但总体而言，与国际水平还是有一定差距，特别是在遇到问题时，就暴露出基础研究相对薄弱，还有一些关键技术尚未突破；同时，随着导弹武器和运载火箭性能不断提高，弹箭总体对固体动力不断创新发展的要求也越来越高，这些都需要对固体动力面临的一些重大关键技术和前沿基础性问题开展研究，以提升固体动力综合性能。为此，本文提出了当前以至未来固体动力设计中需关注的一些主要关键基础问题，以期引导推动该领域更深入的研究。

1 纤维缠绕复合材料壳体结构强度与失效判据问题

复合材料壳体的性能水平主要以特征系数()来表征，以期以更轻的质量获得更大的容积，并承受更高的压强。目前，高性能发动机壳体基本上采用芳纶纤维、PBO纤维、碳纤维等，经过缠绕与固化成型后经水压检验，工作时主要承受内压与拉压弯剪以及热载荷等作用，其在复合材料结构与强度及失效判据方面，主要涉及树脂开裂、纤维与树脂界面脱粘、分层、损伤、非线性本构以及破坏判据等问题，而这些均与纤维与树脂、设计状态、成型工艺以及使用载荷等密切相关，涉及的关键基础性问题主要有如下七方面。

(1)纤维与树脂及其界面的匹配性

纤维相的优异性能和基体相的匹配性对于结构应力传递和分散、损伤的传播和抑制、复合材料性能的提升至关重要。纤维的成型方法主要有湿法纺丝、熔体纺丝及干法纺丝，表征纤维的品质指标主要有线密度、断裂强力(包含断裂长度、相对强度、极限强度、初始模量、断裂功和断裂比功等)。对于界面问题，首先是纤维材料表面的上浆剂或者处理剂非常复杂，一般包括稀释的树脂、固化剂、润滑剂、酸碱调节剂、抗静电剂等，多为多层涂覆以提高其综合性能。因此，需对纤维的表面物理结构和表面化学特性进行研究，分析上浆剂成分、表面能、表面极性、化学基团及反应活性和上浆剂厚度及扩散性等对界面性能的影响。其次是高性能树脂的浸润性能、粘接性能、固化性能、凝胶期等在提高整个性能方面都发挥非常重要的作用，因此需从树脂配方体系和分子结构等方面研究纤维与树脂的物理化学作用机制。再次是复合材料破坏通常源自界面开裂，而纤维与树脂的界面具有特定的拓扑结构，且复合材料的纤维被成束应用，成束纤维的表面与单根纤维的处理不同。因此，需研究界面微结构的形态与性能，探索扩散作用、化学键等影响纤维与树脂完全浸润与良好粘接的机理，并建立测试界面开裂的方法。

(2)缠绕张力及其梯度对壳体性能的影响机制

在一定缠绕张力范围内，随着缠绕张力的增加，纤维强度的转换率、复合材料壳体的爆破压强及特征系数均有所增加；但缠绕张力太大又有可能造成纤维磨损严重，内层含胶量偏低，也有可能造成在缠绕外层对已缠绕内层张力的松弛效应，使得内层纤维局部折皱或屈曲，从而造成总体性能的降低。在复合材料壳体缠绕中，如何确定每层纤维的缠绕张力，以获得设计的预应力，并保证各层纤维处于等张力状态，即如何科学制定纤维缠绕张力以及梯度分布，这是提高复合材料壳体特征系数的关键技术问题。因此，有必要开展不同缠绕张力、缠绕张力梯度和纵环向缠绕层数对缠绕层内剩余应力的分布规律的影响研究，分析张力制度与复合材料壳体特征系数的构效关系，优化缠绕张力的控制算法。

(3)封头补强与壳体破坏模式的相关性

纤维缠绕复合材料壳体一般因在接头处形成堆高，而引起缠绕层在开口处的架空问题。为此，需将某些纵向缠绕层从接头外缘处进行一定的退移，而这又会导致接头附近总的纤维数减少、壳体强度下降。为保证接头与复合材料壳体封头在内压作用下不发生异常破坏，虽然退移可控制封头上纤维的堆积，但接头上总的纤维数是一个必须控制的重要参数，即须考虑通过接头附近的纤维数应有一个极小值。同时，还要考虑复合材料壳体圆筒段向封头的拐点区域的弯曲应力和剪切应力最大处易产生应力薄弱区域的情况，特别是对于碳纤维壳体，因其刚度更大，更要考虑对封头区域应力的不连续更加敏感的问题。因此，需研究封头的补强技术，依据壳体的纵环铺层和封头型面，研究补强材料与织物结构、铺设方式对壳体破坏模式的影响。

(4) 固化反应对壳体残余应力的影响

复合材料固化过程中树脂材料从流体变为固体，期间伴随着的交联反应的化学收缩和热膨胀/收缩的不匹配性是造成残余应力的主要原因。复合材料壳体用热固性树脂通常在交联过程中会产生体积收缩，固化后所有纤维都受到残余应力的作用，甚至有时在不施加负载的情况下，结构中残余应力就可使基体开裂以致纤维受损。因此，如何控制或减少残余应力，科学设计固化制度并对固化过程中结构中的残余应力进行预测尤为关键。

(5)复合材料格栅结构优化设计与分析技术

复合材料格栅结构裙是一种轻质化结构形式，具有高比强度和比刚度、结构效率高及可设计性好等特点，可使复合材料壳体裙以及具有导弹级间段功能的壳体加长裙的消极质量明显降低。但复合材料格栅结构存在结构的间断性，力的传递路径非常复杂，因此为充分发挥其承载效率，需研究有效调控格栅结构各向力学特性的问题，具体涉及复合材料格栅结构的开孔和补强技术问题；格栅结构和其他结构间的连接匹配性问题；如何设计趋于零膨胀基体的格栅结构以解决温度变化导致格栅结构翘曲问题;多向肋骨的结点交叉问题；格栅结构的损伤容限标准问题；建立能够适应多工况和多约束条件下的复合材料格栅结构的优化方法问题。

(6)复合材料壳体损伤演化及非线性本构模型

复合材料壳体在固化过程中会产生一定残余应力和损伤，在壳体水压试验时，也会出现树脂开裂和纤维损伤，发动机工作时壳体需承受各种载荷的作用，复合材料壳体呈现出多重损伤形式并存、损伤进程之间相互耦合的特点。因此，需利用微细观损伤力学和宏观损伤力学，从微观、细观和宏观层面对复合材料壳体损伤的萌生、损伤演化、损伤扩展直至失效进行研究。

碳纤维等复合材料由于轴向和横向拉伸直到破坏基本表现为线性，往往被视为脆性材料，同时由于复合材料的正交各向异性，存在面内和层间不同性质的损伤，导致其剪切非线性变形十分显著，特别是在界面开裂后纤维与基体之间的相对滑移对剪切非线性变形贡献最大。因此，需要考虑结构的损伤演化，建立非线性耦合渐进失效本构模型。

(7)复合材料的失效及破坏判据

材料破坏准则主要有最大应力准则、最大应变准则、Tsai-Hill准则、Tsai-Wu准则、Hoffman准则，对于复合材料，常用的还有Hashin准则、Puck准则、LaRC05准则等。其中，Hashin准则将纤维控制和基体控制的失效模式进一步细化为拉伸或者压缩模式，而失效模式是否能够分解的问题一直是该领域的核心问题。Hashin认为，即便最完整的单层板数据，都不足以预报由这些单层板所构成的层合板的破坏。这充分说明复合材料的破坏和强度分析依然是固体力学面临的最大挑战。

同样重要的问题是尺度本身，争论的焦点是哪一个尺度表征失效行为。一般认为，复合材料的破坏和强度分析深层次问题只能借助于细观力学求出纤维和基体中的均值应力后，再转换成真实应力，关键基础性问题仍在于求出基体的真实应力。

2 固体发动机燃烧室药柱燃烧机理及凝聚相多尺度表征问题

固体推进剂及燃烧室药柱燃烧特性是发动机进行设计的首要关键基础问题，其燃烧机理有着它本身特有的特点，涉及氧化剂的分解机理、粘合剂的热解过程、金属颗粒的熔融分解与凝聚机理、界面传热传质、多功能组分构成的复杂化学反应燃烧、火焰脉动的随机性、气-固-液多相耦合等互相影响的多种因素，蕴含复杂的物理化学现象。同时，由于燃烧室在工作状态处于高温高压状态，其燃气的温度、粘度、热导率、扩散系数、比热容比以及凝聚相燃烧产品的粒径及其散布等参数是进行流场计算的基础数据，如果没有比较准确的参数，就难以确保设计的正确性，特别是燃烧过程中铝粉团聚以及铝粉不完全燃烧会造成比冲损失，而凝聚相燃烧产物在燃烧室内沉积还会增加消极质量、加剧燃烧室内绝热结构和喉衬的烧蚀以及喷管两相流损失等，最终导致发动机性能的降低。因此，需开展燃烧机理研究。其涉及到的关键基础问题有：

(1)固体推进剂燃烧凝聚相燃烧产物的多尺度表征技术

固体发动机燃烧室工作过程的诊断与多尺度表征技术面临巨大挑战，由于缺乏有效的诊断与表征手段，对燃烧实际过程中多相燃烧产物的输运性质和热物理化学性质、凝聚相燃烧产物颗粒粒径及其分布、铝以及氧化铝相对含量等难以观察与检测，导致对推进剂的燃烧机理认识不清，燃烧效率难以评估，属“千年暗室”问题。因此，需要探索非接触在线实时观测技术，对推进剂以及颗粒的点火和燃烧特性进行研究，同时以统计热力学为基础，从分子作用力层面和解配分函数方面探索计算平衡物性和输运物性方法，求出具有相互作用力的分子所组成的燃烧产物的热力学性质，实现“一灯即明”。

(2)固体推进剂燃烧机理和团聚模型

固体推进剂中含有粘合剂、氧化剂、金属燃料以及各种功能组分等，在发动机燃烧中会经历一系列复杂的物理化学过程，通常包括几十种化学组分和几百个基元反应，燃烧的化学动力学过程又和多相流动之间存在强耦合，含铝推进剂在燃烧过程中还会产生不同尺度的凝聚相燃烧产物，且燃烧流动时间尺度和化学反应时间尺度之比的达姆克勒(Damköhler)数的差异极大，燃烧的化学反应机制可谓极其复杂。因此，需开展推进剂微观结构的化学和物理特性对推进剂燃烧性能影响的机理研究；推进剂燃烧表面上铝粉团聚机理及其凝聚相颗粒的演化机制与模型；建立推进剂燃烧效率模型及铝粉燃烧改性的途径与方法。

(3)多相燃烧反应动力学与输运过程对能量转换的影响机制

在燃烧过程中，铝颗粒及其凝聚相产物集群在燃烧室处于湍流的环境中，受到湍流速度脉动和标量脉动的影响，这对固相和液相与气相之间的作用力以及传热传质速率有较大影响。因此，不同体系推进剂所具有的特殊氧化性环境将影响铝燃烧能量的释放。铝粉的燃烧特性主要受粒度及其分布、表面氧化物、粘合剂和燃烧波等因素的影响，此外铝颗粒在燃烧室空间的分布以及时间尺度决定了其燃烧效率。因此，需研究发动机多相燃烧产物生成、凝相运动行为模式及多相流输运规律与输运过程对能量转换的影响机制。

3 固体发动机非线性不稳定燃烧机理问题

在各种扰动作用下，燃烧室药柱的燃烧及其燃烧产物的流动会做出相应的响应，虽然扰动形式多样，但最终一般表现为涡波、声波和熵波，其中声波是不稳定燃烧的主要诱发因素。尽管目前从不稳定的激励机制和阻尼机制两方面有了一些控制措施，但尚未从机理上予以实质性解释。不稳定燃烧是一个涉及广泛应用的主题，已成为一个世界性的难题，其解决依赖于对机理的基础认知，而这种基础认知在很大程度上是缺失的，固体发动机不稳定燃烧涉及的关键基础性问题有：

(1)非线性燃烧不稳定的触发和演化机制

不稳定燃烧按照数理模型可分为线性不稳定和非线性不稳定燃烧。固体发动机大部分不稳定燃烧实际都是压强幅值突增并稳定在有限振幅范围内的非线性不稳定燃烧。为此，需开展固体推进剂的非线性压强耦合响应函数的特性研究，获得推进剂组分特性对压强耦合响应函数的影响规律，建立考虑压强及温度等因素耦合作用下的压强耦合响应函数模型。

同时，固体发动机燃烧室可近似为一个声腔体系，推进剂燃烧产生的能量是如何输入到发动机的声振系统中的，推进剂燃烧释热与发动机的声振系统是如何耦合的，非线性声振荡模态之间的能量传递机理及其关键因素，涡的触发条件以及旋涡脱落与发动机内声涡耦合机制等基础问题，均有待深入研究。

(2)多相湍流相间耦合问题

多相流各相之间的质量、动量及能量的耦合是多相流动的基本物理过程，其流场的湍流特性支配着颗粒相的凝并、化学凝结或者异质性凝结；而颗粒对湍流的影响与柯尔莫哥洛夫(Kolmogorov)尺度、斯托克斯数、雷诺数和颗粒的质量浓度等密切相关。颗粒可以增强或抑制不同尺度的湍流，而颗粒对湍流影响的最终效果取决于不同机制的相对强度。此外，多相湍流不仅涉及同相介质大小尺度间耦合问题，还涉及不同相之间多物理过程的耦合问题。同时，当大涡模拟方法应用于多相湍流时，其面临的主要问题涉及由多尺度耦合产生的亚格子模型问题和由多相耦合产生的界面问题。

(3)弹体振动、高速飞行声学激励与过载对不稳定燃烧的激励机制

固体发动机在使用条件下的工作稳定性及其激励机制是非常重大的关键性问题，而这一基础性问题却长期缺乏深入研究。在弹体长径比较大且刚度较弱时，飞行中的弹体会发生较大变形和出现弹性振动，而这种弹体的弹性振动若不能得到衰减，甚至出现等幅振荡甚至发散，该振动就会影响推进剂的燃烧特性，特别是工作后期药柱肉厚较薄时，更需关注振动与燃烧耦合机制。另外，导弹在大气层中高速超高速飞行时，由于弹体与空气的激烈摩擦形成的湍流边界层会对弹体产生非常强的随机声学激励，其气动噪声主要由来流和边界层的湍流特性、绕流分离特性和激波振荡特性产生，这些噪声通过弹体并透过弹体产生结构声振耦合，使得推进剂燃烧受到激励。在过载尤其是横向过载及振动的作用下，发动机燃烧室凝聚相粒子会改变发动机的阻尼特性，并对喷管的喉部流动造成扰动。

针对上述三种情况，需研究声振对推进剂燃烧特性的影响机制及凝聚相粒子分布对稳定性的影响机理。

4 固体发动机燃烧室药柱及其界面损伤演化和失效判据问题

研究燃烧室药柱结构完整性问题，首先是分析其全寿命周期内所承受的各种载荷，然后是建立其本构模型和破坏判据，通过计算分析评估药柱及界面的结构完整性，最后还是需通过相关试验对完整性评估结果加以检验。载荷方面主要包括热载荷、压强载荷、加速度载荷、振动冲击载荷、长期低周疲劳载荷、飞行和综合载荷等。由于推进剂的力学特性是与温度、载荷及其加载频率、时间历程等密切相关，且燃烧室界面还存在一些组分的游离扩散等传质状态，在各种载荷的作用下推进剂及燃烧室界面会产生不可逆的损伤，特别是综合载荷作用要比多个单项载荷分别作用对药柱及其界面承载能力的考验更苛刻，因此准确评估药柱使用期内的结构完整性问题尤为关键。其涉及的关键基础性问题有：

(1)燃烧室药柱及其界面性能损伤演化机理

燃烧室药柱及其界面性能随着时间推移发生演化，演化机理涉及化学反应、组分迁移、载荷及累积损伤的影响，主要机理包括氧化交联与高聚物的断链、化学组分迁移及其相互作用引起推进剂化学状态变化，化学状态的变化又引起推进剂力学性能的改变，持续热力加载和循环加载条件造成累积损伤等，使得药柱及其界面性能的演化成为影响药柱完整性的关键问题。

由于固体推进剂、衬层、绝热层及其相互之间的界面相均是由多种功能组分材料构成，因此需要在分子尺度上，将分子尺度的化学作用关联到细观尺度的组分性能中，构建固体推进剂微细观损伤演化模型，研究固体推进剂宏观性能演变的细观损伤机理，揭示推进剂及其界面性能演化的本质特征。

(2) 基于细观脱湿损伤的固体推进剂非线性粘弹性本构模型

考虑在各种载荷条件下固体推进剂细观层次粘合剂损伤、粘合剂与颗粒之间的脱湿等损伤演化，以及推进剂内部及粘接界面微观层次分子链间缠结链段的取向、解缠和断链等损伤产生、演化对其力学性能的影响，建立以化学交联与硫化为固化基础的固体推进剂药柱在温度载荷、动静载荷时间历程下的非线性粘弹性本构模型。

(3)适应药柱大变形及界面性能检测的柔性传感器技术

目前，固体发动机燃烧室药柱结构及其界面的应力应变大小基本上依靠数值模拟计算结果而缺乏相应的实测数据，其原因除测试中安全性要求外，主要还是推进剂药柱作为一种含粘合剂组分的含能低弹性模量材料，在各种载荷作用下会发生较大的变形，而燃烧室药柱与绝热层之间通过较薄的衬层发生固化交联反应粘接形成的界面，由于壳体、绝热层、药柱几种被粘材料的热膨胀系数不同，以及该粘接界面层附近因组分迁移、化学反应、应力损伤等带来的粘接性能变化，为满足对发动机药柱及界面应力应变进行实时检测的需求，急需相应的能够适应药柱结构的大变形、同时又不影响界面粘接性能且能适应药柱固化降温的柔性传感器技术。为此，需开展适应推进剂粘合剂体系和界面体系的柔性大应变、微纳型、实时精准检测技术研究，对柔性传感器基体材料、力敏材料等基础材料的热稳定性、化学稳定性、柔韧性、延展性、回弹性、安全导电性以及与绝热层/衬层/推进剂界面的匹配性等基础问题进行研究，满足药柱结构完整性上述测试需求。

(4)载荷作用下燃烧室药柱和粘接界面失效判据研究

燃烧室药柱在固化降温、贮存蠕变、点火升压、飞行过载等载荷作用下，其结构失效涉及多应力状态、加载历史、多应变速率、宽使用温度等多重因素，而以单轴拉伸或者双轴拉伸以及围压加载试验结果作为燃烧室药柱和粘接界面的失效判据，没有一个非线性理论作支撑，再加上药柱及界面的真实应力应变实验数据严重缺乏，导致对失效判据的可靠性无法得到有效验证。因此，仍需建立科学有效的燃烧室药柱和粘接界面的失效判据。

5 推力矢量喷管结构设计、热结构烧蚀机理与能量转换机制问题

喷管结构设计主要以冲质比来表征其性能水平，一般期望获得更高的能量转化效率、更加轻质化的热结构，并满足摆动喷管必要要求。其中，C/C喉衬的热结构设计及其烧蚀机理、C/C扩张段结构的破坏机理、喷管能量转换机制、球窝喷管和柔性喷管等推力矢量喷管设计、可延伸喷管设计等技术问题，对提高喷管性能水平尤为关键。

(1)C/C喉衬材料宏观-细观-微观结构对材料力学性能和烧蚀性能的影响机制

首先，预制体中纤维性能、缺陷、微晶尺寸等的差异都会使纤维在热处理过程中产生内应力分布不均，在应力较集中的区域易产生界面裂纹，预制体中碳棒由碳纤维树脂拉挤成型，由树脂在后续的高温处理中形成树脂碳，因而对纤维与基体的界面可能产生不同程度的影响，导致在发动机工作过程中剥蚀加速，材料的整体抗烧蚀性能降低。

其次，预制体主要有缠绕、毡基、喷射、编织、穿刺等成型工艺，其网目结构、各向异性程度、纤维取向和各向纤维体积含量的影响，都会影响C/C复合材料的抗热震性能和抗烧蚀性能。

最后，在热处理炭化和石墨化过程中，由于C/C复合材料中含有不同微观组成的碳，如纤维碳、热解碳、沥青碳或者树脂碳等，这些相碳的石墨化程度并不一致，从而影响到局部烧蚀性能和抗热震能力。

由于C/C喉衬生产过程复杂，因此需对该材料从纤维到预制体，从先驱体、热解碳、沥青碳、树脂碳到炭化石墨化工艺过程的微细观结构到宏观结构，对材料的力学和烧蚀性能的影响机制开展研究。

(2)C/C喉衬热结构完整性及其烧蚀机理

喉衬的热结构以及喉径部位的烧蚀对发动机的性能具有重大影响。高温条件下喉衬材料具有明显的非线性特性，而宏观唯象层面以及常温或者稍高温度条件下的本构又无法准确表征高温损伤演化对本构行为的影响。因此，需对高温条件下C/C材料力学性质的测试技术进行研究，以建立高温条件下材料本构模型和强度准则。

喉衬的烧蚀是气动环境与材料和结构之间的复杂作用结果，主要包括高速燃气产物中氧化性物质引起的热化学烧蚀和高温燃气两相流对喉衬型面的机械剥蚀与侵蚀。由于喉衬表面状态的改变以及高温下材料本身特性的变化，又会导致流动状态以及烧蚀和剥蚀的变化，因此需在微观细观层面上，研究表面形态对传热传质传动量和流场特性的影响，建立喷管辐射传输与换热的高效精确计算模型及测试方法，研究喉衬的热/流/固耦合作用机制及喷管中两相流燃气流场、温度场及应力场的一体化求解技术。

(3)C/C扩张段破坏机理

C/C扩张段属脆性薄壁结构，其设计关键在于连接结构的匹配性以及材料的性能。对于C/C扩张段，不同预制体结构及其热处理温度、扩张段结构及其与相邻结构的匹配性和使用载荷对其结构完整性有重要影响。因此，需要对该结构进行Griffith-Irwin断裂力学、断裂动力学研究，甚至用更深入更基础的原子或者分子尺度断裂理论来研究解决其破坏机理问题。

(4)推力矢量喷管中柔性接头疲劳损伤机理与球窝结构超滑技术

喷管柔性接头为多界面粘接结构，受到发动机内外界环境温度、气体组分、湿度等的影响，其中柔性接头弹性件所用的橡胶材料性能和界面性能又会随环境温度、载荷及其使用频率以及贮存时间而变化，属疲劳损伤结构。因此，需建立使用环境条件下非金属材料和粘接剂材料的本征特性表征模型，对粘接界面力学行为表征、真实载荷条件下柔性接头的摆动性能及粘接界面的疲劳失效机理进行研究。

对于球窝结构，为了大幅减小摩擦，需开展超滑技术研究，球窝间的摩擦磨损与润滑性能必须在微观尺度上从原子、分子的相互作用来分析，研究纳米尺度上接触界面的摩擦行为和润滑机理，建立材料微观尺度和宏观特性之间的关系。

(5)延伸喷管展开过程流固耦合仿真技术

变几何结构的高度补偿喷管目前主要以延伸喷管为主。带延伸喷管的固体发动机在工作时，主要涉及延伸喷管展开过程与级间热分离瞬态流场的耦合作用问题。这一问题是由于级间分离时湍流流场中包括激波、附面层分离等复杂波系结构，其中涡旋流动和湍流脉动产生的气动载荷和展开过程中的冲击载荷都会对延伸喷管产生强烈的非稳定的冲击，导致对其结构完整性造成影响。因此，需对延伸喷管展开过程进行流场和结构的仿真和试验。

(6)喷管能量转换机制与扩张段优化设计

喷管在能量转换过程中，由于燃烧产物存在多组分化学非平衡过程引起的化学动力学损失，燃气的粘性以及内壁面烧蚀的影响而引起的边界层损失，燃烧产物中小液滴和固体颗粒与燃气之间的传热传质以及运动速度的差异引起的两相流损失，燃气中大量的粒子撞击壁面造成扩张段内型面变化而引起的烧蚀，再加上扩张损失等因素之间的相互影响，使得喷管的能量转换机制非常复杂。因此，基于以上喷管能量转换机制的分析，结构设计上应主要解决喷管内型面的优化问题，要求在限定的结构尺寸和质量等约束条件下，根据发动机工作环境及喷管内燃气的输运特性、粒径及其分布来优化扩张比、延伸比(或伸长比，定义为喉径到喷管出口端的距离与喷管出口直径之比)及扩张段内型面来减小各种损失，充分提高推进剂的能量转换效率。

6 固体超燃冲压发动机掺混燃烧机理与热防护协同烧蚀机理和系统优化问题

固体亚燃冲压发动机、固体超燃冲压发动机、水冲压发动机、跨介质发动机等均属于固体组合动力类型。其中，跨介质发动机涉及粉末推进剂的燃烧理论以及粉末输送与控制技术，还涉及跨介质发动机涵道匹配性问题以及流量调节、燃烧组织、模式转换等一系列问题，目前尚属于探索阶段。因此，这里主要论述超燃冲压发动机的基础研究问题。

固体超燃冲压发动机在超声速燃烧流场中充满激波、混合、湍流、边界层以及它们与化学反应动力学的相互作用，因此超声速燃烧的理论问题非常复杂，但与之相比，利用超燃能量获得推力所遇到的实际问题则更具有挑战性，本质上是火箭推力与飞行阻力的较量问题。固体超燃冲压发动机涉及的主要关键基础性问题有：

(1)固体超燃冲压发动机总体设计技术

超燃冲压发动机总体设计技术主要包括弹机一体化系统总体性能优化、推进剂燃料供应系统控制、热防护结构方案等，主要是为了协调发动机与飞行器总体的关系，需要研究进气道进口附近出现强激波系而导致的进气道不启动问题，还需要解决燃烧释热不稳定性和流动分离不稳定性而造成燃烧模态转换时可能伴随的突变和滞环问题，通过约束发动机各部件的性能指标，来实现在更宽的马赫数工作范围内具有良好性能，成为总体技术需要解决的首要关键基础问题。

(2)贫氧推进剂点火机理和能量释放特性

由于贫氧推进剂燃烧产物在固体火箭超燃冲压发动机中驻留的时间非常短，选择的推进剂需尽可能快地燃烧释热，因此需研发高热值、高燃烧释热及燃烧效率、高压强指数、低沉积的贫氧推进剂，并开展该类推进剂一次燃烧机理研究，探究氧化过程中的基元反应路径和质能扩散迁移规律以及燃烧产物和凝聚相产物的特性与能量释放特性。

(3)高效燃烧组织和大涡模拟技术

固体超燃冲压发动机燃烧过程是具有湍流特性的多相混合燃烧过程，在燃烧组织中涉及气相湍流燃烧、颗粒的点火燃烧过程以及流动与化学反应动力学的强耦合，在发动机内流道内则存在激波与湍流相互作用、激波与边界层相互作用、壁面流动分离、流动与燃烧相互耦合等特别复杂的掺混燃烧动力学系统，致使超声速燃烧的基础理论问题极其复杂。因此，需对燃气射流与超音速空气流的掺混燃烧机理和燃烧理论开展研究，建立基于热力循环的超音速燃烧室的构型设计方法、湍流掺混度的表征方法、湍流燃烧的大涡模拟研究方法，解决化学反应求解对于化学非平衡流方程引入的刚性问题，提高发动机的能量转换效率。

(4)固体超燃冲压发动机热防护氧化烧蚀机理及协同烧蚀机理

固体火箭超燃冲压发动机不具备再生主动冷却的条件，其外部气动加热带来了很高的热负荷，而内部气流减速燃烧后形成高温环境以及凝聚相粒子的冲刷，使得热防护成为超燃冲压发动机实现工程应用的关键技术。此研究涉及以下三方面：一是开展材料发生氧化反应的机理研究，提高熔化或升华或热解温度以及较高的化学潜热，使得材料具有较强的固态化学共价键；二是探索不同材料组合搭配，开展陶瓷基多组分热防护材料的协同烧蚀机理和烧蚀模型研究，提高材料的使用温度上限，拓宽材料使用温度范围；三是研发基于渐进损伤分析的虚拟试验技术，开展热防护材料的高温非线性本构模型以及高温力学行为与损伤失效机理研究。

7 结束语

固体发动机或者固体组合动力的总体方案是块七巧板，外表是简简单单的方块，内在却是各个专业咬合在一起，互相弥补不足，闭合所有的缝隙，又囊括了所有专业的长处。因此，总体需站在各专业之上，找出关键基础问题之间的契合点，创造性地找到各设计方案互补的角度，寻求最大的包络空间，而其关键在于对固体动力中的关键性基础性问题予以深入研究，在技术方法的源头创新上有所突破，提供技术发展的解决基础，以满足固体动力的使用要求。