基于TRIZ理论的空射巡航导弹增程设计研究

摘 要：通过分析美国AGM-158系列联合防区外空地导弹的增程化改进技术路线，可知更换低耗油率发动机、增加燃油量、结构减重是增加导弹射程的主要手段。但是上述途径难以完全适应国内现有导弹的低成本增程化改进需求，存在发动机新研周期长、技术壁垒高、通用性差，导弹改装成本高、技术状态变化大、有效载荷比低等问题。本文聚焦远距离精确打击的军事需求，剖析典型空射巡航导弹的功能组成、工作原理，基于TRIZ理论挖掘低成本增程化改进的技术途径，为武器装备的性能提升、改进改型、低成本发展提供参考。

关键词：TRIZ理论；空射巡航导弹；射程；低成本

一、背景及意义

（一）大国重器，制敌利剑

空射巡航导弹是指由飞机平台发射的远程对陆/海攻击武器，主要执行远程精确打击任务，依靠气动力和发动机推力在大气层内飞行，打击敌方指挥中心、兵器阵地、舰艇等高价值移动/固定目标，具有射程远、精度高、威力大、使用灵活等特点，是“现代战争中的空中利剑”[1]。巡航导弹是大国重器，其研发涉及航空动力学、制导与控制、隐身技术、材料科学、电子信息等多个领域技术的综合集成和创新应用，体现了国防工业技术水平，是军工科技之光。[2]

（二）大国竞争，战略对抗

近年来，美国以“反介入/区域拒止”能力为借口将我国和俄罗斯作为假想敌，陆续提出“重返亚太”“海上控制战略”“印太战略”“太平洋伙伴关系战略”，积极发展海上力量，企图巩固其在全球海域的海上霸权。[3]美军舰载机的对空拦截距离远，以 F-18E舰载战斗机为例，作战半径达1470千米，未来将具备1800千米以上的区域持续控制能力[4]，将对我方执行驱逐任务的飞机造成威胁。因此，研制射程更远的巡航导弹以实现对敌舰群的防区外精确打击，对于增强我国海上防御力量具有重要意义。

（三）创新驱动，引领未来

现代战争形态正朝着高烈度、强对抗、高消耗的持久战趋势演变。以俄乌冲突为例，至今已历时2年有余，俄军已消耗精确制导导弹上万枚。为适应未来战争需求，武器装备的发展需要以提升性能、降低成本、快速研发为导向。以TRIZ创新理论为驱动，在现有成熟装备基础上探索低成本改进的技术途径，在缩短研发周期的同时实现性能提升，这对未来武器装备的高质量低成本持续发展具有重要参考价值。

二、TRIZ理论研究方法

TRIZ理论即“发明问题解决理论”，是一种解决发明问题的系统化方法学，主要通过问题识别、问题解决、概念验证三个步骤解决工程问题。[5]本研究在调研国内外技术现状的基础上，分析美国巡航导弹增程化改进的技术方案，确定初步研究目标；在问题识别阶段，围绕典型巡航导弹的功能组成和工作原理，使用功能分析、系统裁剪、因果分析三个工具确定待解决的问题；在问题解决阶段使用STC算子法、物场模型、技术矛盾、物理矛盾、小人法、功能导向搜索等6种工具提出解决问题的技术途径；最后根据研制需求进行方案整合，提出最终设计方案。

三、问题识别与解决

（一）问题描述

首先，通过调研国内外技术现状[6]，确定初步研究目标。

以美国AGM-158B增程型联合防区外空地导弹为例，在AGM-158导弹原型的基础上以涡轮风扇发动机替代涡轮喷气发动机，增加燃油量，并进行结构减重设计，使射程由380千米增加至926千米。但是，弹长增加了10.8%，重量增加了17.3%，有效载荷比降低了14.76%，成本增加了68.75%（表1）。而且该技术路线存在发动机新研周期长、技术壁垒高、通用性差，导弹改装成本高、技术状态变化大等问题，难以适应武器装备低成本、快速研发的需求。

更进一步地，通过军事需求分析、客户需求调研，运用产品质量先期策划（APQP）、质量功能展开（QFD）等质量研发工具确定初步研究目标：在不更换发动机、不牺牲其他性能的基础上，以较低成本实现导弹射程增加。

（二）问题识别

（1）巡航导弹的工作原理

以“暴风阴影”为例，典型巡航导弹的，工作流程如下：

（a）导弹发射：在飞机发射架的弹射力作用下，导弹上的滑块/吊耳等机弹连接件与发射架分离。

（b）自主飞行：导弹弹翼展开，发动机启动。导弹在弹翼、舵面产生的气动力和发动机推力作用下飞行。

（c）定位与导航：导弹通过卫星接收天线、气压传感器、无线电高度表的天线、惯性导航装置等获取位置、速度、相对高度、姿态等信息，通过飞控计算机进行制导律解算，进而调节舵面偏转角度、燃油供给速率以改变气动力和发动机推力，实现对导弹的飞行控制。

（d）打击敌目标：导弹通过导引头探测，锁定目标，在制导律的控制下导弹飞向目标点，炸药起爆摧毁敌目标。

（2）功能分析

根据巡航导弹的工作原理梳理技术系统的组件（表2）、分析组件间的相互作用并构建功能模型（图1）。

根据功能模型图分析，技术系统的主要功能为运输炸药。

该技术系统存在1个有害作用：气流对导弹壳体产生阻力；存在4个不足作用：气流对弹翼升力不足、弹翼对壳体升力不足、氧气与燃油混合不充分、发动机对壳体推力不足。

（3）系统裁剪

针对有害作用（阻力）进一步分析。因为导弹壳体储存炸药、燃油的功能可以由弹翼完成，所以可以对组件“导弹壳体”进行裁剪，裁剪后的功能模型如图2所示。

通过系统裁剪，得到方案1：导弹采用飞翼布局，弹翼夹层布置燃油、炸药。

（4）因果链分析

结合技术系统的功能模型，针对巡航导弹射程不足的问题追根溯源，开展因果链分析（图3）。

通过因果链分析，共挖掘出5个待解决的问题：

问题①：导弹弹翼面积小，导致升力不足；

问题②：燃油与氧气分子混合不充分，导致推力不足；

问题③：导弹表面天线、机弹连接件外露，产生阻力；

问题④：飞翼布局导弹，电子设备难以布置；

问题⑤：气流产生摩擦阻力大。

（三）问题解决

（1）STC算子法

针对问题①（导弹弹翼面积小导致升力不足），采用STC算子法，运用极限思维分别思考时间、尺寸、成本趋近于0和趋近于无穷大的情况。例如，如果导弹弹翼面积无限大，那么可以产生巨大升力，进而得到方案2：使用（可抛弃的）大面积滑翔翼组件。

运用STC算子法得到的其他方案如表3所示。

（2）物场分析

针对问题②（燃油与氧气分子混合不充分导致推力不足），建立物场模型，运用标准解S2.1.1进行优化（将物场系统的其中一个部分转换为独立可控的物场系统，从而形成链式物场系统，可以提高物场系统的效率），如图4所示。得到方案3：压气机进气口喷出雾状水与氧气、燃油混合加热。

更进一步地，基于降低成本、简化技术系统、提高理想度的原则，为了不新增组件（水、喷水装置），对方案3进行一步优化，利用导弹高速飞行产生的热量使液态燃油转化为燃油蒸气以替代雾状水，得到方案4。

针对问题③（导弹表面天线外露产生阻力），建立物场模型，运用标准解S1.2.1进行优化（引入第三种物质消除有害作用），如图5所示。得到方案4：天线外表面安装整流罩。

（3）技术矛盾

针对问题③（导弹表面天线外露产生阻力），挖掘其蕴含的技术矛盾。如果天线内埋，那么阻力减小，但是天线接收信号的能量损失增加。工程参数“力”与“能量损失”存在技术矛盾（图6）。

针对技术矛盾，查询阿奇舒勒矛盾矩阵，应用No.14“曲面化原理”，得到方案5：曲面外形天线；应用No.15“动态特性原理”，得到方案6：天线能够根据气流方向自适应地动态调整角度。

更进一步地，将“动态特性原理”与技术系统的动态性进化法则相结合进行思考。根据系统可控性提高的进化路线，得到方案7：导弹能够根据气流状态，动态地对速度、姿态、高度等飞行参数进行智能化调节。根据组件柔性进化路线，得到方案8：弹翼可根据飞行速度、气流状态变化对形状、角度进行柔性调节。

（4）物理矛盾

针对问题③（导弹表面机弹连接件外露产生阻力），挖掘其蕴含的物理矛盾。为了减小阻力，要求导弹外形光滑；但是，为了提高导弹挂机的易操作性，要求滑块/吊耳等机弹连接件凸起。即导弹的形状既要平滑又要凸起，工程参数“形状”存在物理矛盾（图7）。

针对物理矛盾，运用时间分离方法，得到方案9：导弹巡航时，将机弹连接件、壳体、助推器等已执行完功能的组件抛弃。

针对问题④（飞翼布局导弹内的电子设备难以布置），挖掘其蕴含的物理矛盾。为了布置诸多电子设备，要求导弹壳体横截面面积大；但是，为了减小气动阻力，要求导弹壳体与气流接触面的航向投影面积小。即导弹的横截面面积既要大又要小，工程参数“运动物体的面积”存在物理矛盾（图8）。

针对物理矛盾，运用空间分离方法，得到方案10：导弹壳体前部分扁平且尖，横截面积小；后部分扁平且宽，横截面积大。

（5）小人法与功能导向搜索

针对问题⑤（气流产生摩擦阻力大），运用小人法，从微观层面展开分析。以运动的蓝色小人代表流动的气体分子；以有序排列、固定不动的黄色小人代表导弹翼面上的固体分子。

摩擦阻力产生的原因是气流沿翼面流动会产生分离，气流分离越早，摩擦阻力越大。在小人模型中表现为运动的蓝色小人们逐渐“跳出”黄色小人组成的翼面水平线，如图9所示。

借助运动的小人模型进行思考，得到初步设计思路：如果在微观上，翼面水平线中间存在“凹坑”，蓝色小人们“跳出”凹坑后又会回到翼面水平线上（图10），或许可以达到延缓气流分离，减小摩擦阻力的效果。那么，这个思路是否可行呢？

更进一步地，针对问题（如何保持气流沿翼面流动，延迟分离？）进行功能导向搜索。

功能表达为：保持气体。查询科学效应与知识库。

查询到C43 康达效应（流体由偏离原本流动方向改为随着具有一定曲率的物体表面流动的倾向）有较大应用前景，而且与上述思路相符合。通过调研康达效应在高尔夫球、鲨鱼皮中的减阻设计运用情况[7]，判断该设计思路存在一定的可行性。进而得到方案11：采用凹坑式翼面外形；方案12：在翼面覆盖“鲨鱼皮”外形涂层。

四、空射巡航导弹低成本增程方案

基于TRIZ理论分析、解决问题，得到上述12种技术途径。综合考虑低成本、远射程、易部署、快速战备能力、隐身突防能力等客户需求进行技术路线的整合、优化，形成最终方案：

（1）导弹采用飞翼布局。导弹壳体前部分扁平且尖；后部分扁平且宽，布置电子设备、发动机及主油箱。导弹弹翼采用夹层结构，存储燃油蒸气；发动机工作时，将燃油蒸气与氧气混合加热以提高燃烧效率。

（2）导弹的表面覆盖“鲨鱼皮”外形涂层及隐身吸波材料；天线等传感器进行曲面化设计，与导弹壳体共曲面。

（3）导弹离机后，通过火工品控制滑翔弹翼展开、机弹连接件分离；巡航时，导弹对速度、姿态、高度等飞行参数进行动态调节；末制导段，将滑翔弹翼组件抛弃，导弹大落角打击目标。

五、总结

本研究面向远距精确打击的军事需求，以武器装备提升性能、降低成本、快速研发的发展趋势为导向，基于TRIZ创新理论，探索空射巡航导弹低成本增程化改进设计的技术途径，为未来武器装备的高质量低成本持续发展提供参考。

参考文献

[1]赵倩.巡航导弹的百年进化史[N].解放军报，2023-10-13（010）.

[2]刘丽.中美战略竞争背景下中国东北亚地缘安全战略研究[D].吉林：吉林大学，2023.

[3]刘新华.美国印太军事基地体系调整的特点、动因与趋势[J].世界经济与政治论坛，2024，，3（3）：19-45.

[4]王永庆.固定翼舰载战斗机关键技术与未来发展[J].航空学报，2021，42（8）：525859.

[5]郭菲，张超，姬志刚等基于TRIZ理论的课题式教学模式的应用研究[J].创新创业理论研究与实践，2021（8）：107-109.

[6]刘颖，任春艳.国外空地导弹发展动态研究[J].航空兵器，2022，29（5）：11-20.

[7]张荣杰.基于仿生特征的MIRA模型气动减阻研究[D].吉林：吉林大学， 2023.

责编 / 马铭阳