侯 曉，付 鵬，武 淵

(1.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第四研究院，西安 710025;2.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院四十一所，西安 710025)

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)能量管理技術(shù)及其新進(jìn)展

侯 曉1，付 鵬2，武 淵2

(1.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第四研究院，西安 710025;2.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四院四十一所，西安 710025)

固體發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程，中通過(guò)對(duì)能量輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，可明顯提高武器系統(tǒng)性能。文章綜述了固體雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)、固體變推力發(fā)動(dòng)機(jī)、固體姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)3種典型能量管理發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。通過(guò)對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)能量管理技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)及趨勢(shì)進(jìn)行分析，梳理了3種典型發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展情況，并對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)能量管理技術(shù)提出了相關(guān)建議。

能量管理;固體雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī);固體變推力發(fā)動(dòng)機(jī);固體姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)簡(jiǎn)單、可靠性高、操作簡(jiǎn)便，自誕生起就被廣泛用作導(dǎo)彈武器的動(dòng)力系統(tǒng)。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展也極大地推動(dòng)了武器性能的升級(jí)換代。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)能量管理技術(shù)作為固體發(fā)動(dòng)機(jī)新的發(fā)展方向，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中能實(shí)時(shí)有效地控制發(fā)動(dòng)機(jī)能量輸出，根據(jù)武器系統(tǒng)需求實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)能量最優(yōu)分配，實(shí)現(xiàn)推力大小、方向或間隔實(shí)時(shí)可調(diào)，有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)能量的利用效率，增加導(dǎo)彈射程，提高其機(jī)動(dòng)能力和實(shí)戰(zhàn)能力，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)跨越式發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，由于武器系統(tǒng)的迫切需求，固體變推力發(fā)動(dòng)機(jī)、固體雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)、固體姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)3種典型固體能量管理發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)不斷取得突破，能量管理技術(shù)已進(jìn)入飛行驗(yàn)證和工程應(yīng)用階段。

本文對(duì)國(guó)內(nèi)外固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)能量管理技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行梳理，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，以期為國(guó)內(nèi)該技術(shù)的發(fā)展提供借鑒。

1 國(guó)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

1.1 固體雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

固體雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)采用隔離裝置將燃燒室或脈沖藥柱分隔成幾部分，每級(jí)脈沖藥柱各有一套獨(dú)立的點(diǎn)火系統(tǒng)，共用同一個(gè)噴管。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，通過(guò)彈上程序控制，進(jìn)行2次關(guān)機(jī)與啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)2次間歇式推力，并通過(guò)合理調(diào)節(jié)推力分配及兩級(jí)脈沖間隔時(shí)間，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈飛行彈道的最優(yōu)控制和發(fā)動(dòng)機(jī)能量的最優(yōu)管理，是一種現(xiàn)實(shí)有效的能量管理途徑，國(guó)外已有多種型號(hào)運(yùn)用此技術(shù)，并完成了型號(hào)研制和武器裝備[1-8]。

1.1.1 美國(guó)導(dǎo)彈防御系統(tǒng)雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)

美國(guó)彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)(NMD)中末端低層(愛(ài)國(guó)者PAC-3)和中層防御系統(tǒng)(標(biāo)準(zhǔn)SM-3)均選用了雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)作為固體能量管理系統(tǒng)的一部分。

為提高PAC-3導(dǎo)彈的作戰(zhàn)性能，洛馬公司在導(dǎo)彈部件提高項(xiàng)目(MSE)中，選用Aerojet公司的雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)作為PAC-3導(dǎo)彈助推發(fā)動(dòng)機(jī)。2008年5月28日，成功進(jìn)行了PAC-3 MSE(愛(ài)國(guó)者先進(jìn)性能-3型分段改進(jìn)導(dǎo)彈)的控制飛行試驗(yàn);2016年3月17日，PAC-3 MSE導(dǎo)彈又在白金沙導(dǎo)彈靶場(chǎng)成功探測(cè)、跟蹤并攔截一枚戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈(TBM)。PAC-3 MSE導(dǎo)彈通過(guò)使用大型雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)、改進(jìn)的彈翼和結(jié)構(gòu)，極大地增強(qiáng)了機(jī)動(dòng)性，并使導(dǎo)彈射程提高1倍，雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的能量管理技術(shù)成為增強(qiáng)攔截彈能力的一個(gè)關(guān)鍵因素。

標(biāo)準(zhǔn)-3導(dǎo)彈是美國(guó)?；卸螌?dǎo)彈防御系統(tǒng)的重要組成部分，該導(dǎo)彈具有摧毀太空彈道導(dǎo)彈的尖端能力，其第三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)(圖1)采用的是ATK公司MK136固體雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)(TSRM)[6]。TSRM發(fā)動(dòng)機(jī)直徑340 mm，長(zhǎng)965 mm，推進(jìn)劑采用Al/AP/HTPB、雙脈沖藥柱設(shè)計(jì)，2個(gè)脈沖各工作10 s。其中，Ⅰ脈沖藥柱采用TP-H-3518A推進(jìn)劑，Ⅱ脈沖藥柱采用TP-H-3518B推進(jìn)劑。發(fā)動(dòng)機(jī)噴管采用TVC柔性噴管，并在澆鑄的雙脈沖推進(jìn)劑藥柱之上纏繞纖維制成石墨/環(huán)氧復(fù)合殼體(即帶藥纏繞殼體工藝)。發(fā)動(dòng)機(jī)在慣性段采用冷/熱燃?xì)饣旌献丝?，脈沖段采用柔性擺動(dòng)姿控。目前，已成功進(jìn)行了多次?；鶎?dǎo)彈防御試驗(yàn)，現(xiàn)已完成研制部署。

1.1.2 德國(guó)MSA固體雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)

MSA雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)[7-8]采用錐形炭纖維增強(qiáng)復(fù)合纏繞殼體，絕熱采用三元乙丙橡膠，殼體外部熱防護(hù)采用凱夫拉纖維增強(qiáng)橡膠，Ⅱ脈沖藥柱由椎管形和后端環(huán)形端面裝藥組成，Ⅱ脈沖藥柱初始燃面完全覆蓋，并粘緊著軟脈沖隔離裝置。在Ⅰ脈沖工作時(shí)，軟脈沖隔離裝置只阻止Ⅱ脈沖藥柱被加熱，而不承受燃燒室工作壓力，工作壓力完全施加在Ⅱ脈沖藥柱上。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)Ⅰ脈沖和Ⅱ脈沖以幾乎任意比率分割。

圖2所為MSA導(dǎo)彈縱向剖視圖，MSA雙脈沖固體發(fā)動(dòng)機(jī)靜態(tài)點(diǎn)火典型時(shí)刻圖像如圖3所示。

1.2 固體變推力發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

固體變推力發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)伺服系統(tǒng)實(shí)時(shí)改變?nèi)紵夜ぷ鲏簭?qiáng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力大小進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)能量管理與導(dǎo)彈任務(wù)相關(guān)聯(lián)，提高導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)靈活性，滿足多任務(wù)需求。固體變推力發(fā)動(dòng)機(jī)種類很多，有采用喉栓等結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)噴管喉部面積的發(fā)動(dòng)機(jī)、渦流閥式發(fā)動(dòng)機(jī)、熄火發(fā)動(dòng)機(jī)、控制推進(jìn)劑質(zhì)量燃速的發(fā)動(dòng)機(jī)、加質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)和凝膠膏體推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)等。其中，喉栓式變推力發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)相對(duì)較為成熟，國(guó)外開(kāi)展了較多地面試驗(yàn)及飛行試驗(yàn)[9-18]。

1.2.1 ATK公司固體變推力發(fā)動(dòng)機(jī)

2003年，美國(guó)ATK公司研制的固體變推力發(fā)動(dòng)機(jī)采用喉栓式推力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，進(jìn)行了持續(xù)45 s的地面熱試車，實(shí)現(xiàn)推力調(diào)節(jié)比19∶1，壓強(qiáng)變化僅為2∶1。同年，對(duì)采用鈍感無(wú)煙推進(jìn)劑的變推力發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了啟動(dòng)-關(guān)機(jī)-再啟動(dòng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換試驗(yàn)，使固體變推力發(fā)動(dòng)機(jī)具備了多脈沖的能力。

1.2.2 霍克導(dǎo)彈增程

美國(guó)Aerojet公司將喉栓式推力可調(diào)噴管與霍克導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室集成，以提高射程、縮短命中目標(biāo)的時(shí)間，并具備近距離攔截能力，該導(dǎo)彈被稱作EI HAWK導(dǎo)彈，于2003年成功進(jìn)行地面點(diǎn)火試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間20 s，在燃燒室裝藥不變的條件下，可增加射程30%以上，展示了固體變推力發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)用于現(xiàn)役導(dǎo)彈實(shí)現(xiàn)增程的可行性。

1.2.3 “網(wǎng)火”系統(tǒng)精確攻擊導(dǎo)彈PAM

美陸軍網(wǎng)火系統(tǒng)精確攻擊導(dǎo)彈PAM采用Aerojet公司的喉栓式變推力發(fā)動(dòng)機(jī)(圖4)，導(dǎo)彈直徑178 mm，彈重45.4 kg，射程45 km，能在飛行過(guò)程中對(duì)推力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，并根據(jù)不同威脅目標(biāo)，做出不同的反應(yīng)，能覆蓋來(lái)自防區(qū)內(nèi)的任何威脅，可攻擊坦克、指揮控制車等目標(biāo)，具有非線性超視距的攔截進(jìn)攻能力，防區(qū)范圍0.5～50 km。2003年6月，首次成功進(jìn)行PAM導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)，飛行時(shí)間將近2 min，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間50 s;2007～2009年間，成功進(jìn)行多次飛行試驗(yàn)，精確命中無(wú)人駕駛汽車、坦克等高速移動(dòng)目標(biāo)。

1.3 固體姿軌控系統(tǒng)

與液體姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)相比，固體姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性高、性能好、體積小、貯存周期長(zhǎng)、維護(hù)使用方便的特點(diǎn)，廣泛用于導(dǎo)彈和航天器的姿態(tài)控制、軌道控制、末修、固體KKV的動(dòng)力系統(tǒng)[19-26]，實(shí)現(xiàn)武器裝備快速、機(jī)動(dòng)、固體化、小型化、安全可靠等主要戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求。

1.3.1 三叉戟固體姿軌控系統(tǒng)

美國(guó)三叉戟Ⅰ導(dǎo)彈采用MK-4型分導(dǎo)式多彈頭，由推力大小可調(diào)的燃?xì)獍l(fā)生器系統(tǒng)作為導(dǎo)彈末速修正的動(dòng)力裝置。系統(tǒng)由2個(gè)固體推進(jìn)劑燃?xì)獍l(fā)生器，4個(gè)整體閥門(mén)組件及相關(guān)的管路組成。燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生的燃?xì)馔ㄟ^(guò)歧管送至4個(gè)整體活門(mén)組件(流量可調(diào))，再在活門(mén)控制下送至16個(gè)噴管。其中，4個(gè)噴管產(chǎn)生軸向正推力，4個(gè)產(chǎn)生軸向負(fù)推力，8個(gè)產(chǎn)生俯仰、偏航及滾動(dòng)控制力。

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)-3 Block固體KKV姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)-3 Block 1A導(dǎo)彈KKV采用第一代固體姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)(SDACS)[6]，為電磁閥式開(kāi)關(guān)控制，使用固體推進(jìn)劑燃?xì)獍l(fā)生器方案(圖5)。攔截器總質(zhì)量5 kg，共有4個(gè)軌控噴管，每臺(tái)推力222 N，可提供側(cè)向加速度4 g;6個(gè)姿控噴管，每臺(tái)推力29 N。

隨著機(jī)電一體化、快響應(yīng)高功率密度伺服電機(jī)及控制技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)-3 Block 1B導(dǎo)彈KKV采用第二代固體姿軌控(TDACS)，為喉徑可調(diào)式閥門(mén)系統(tǒng)(圖6)，TDACS包括10個(gè)均衡的TDACS針?biāo)ㄍ七M(jìn)器，4個(gè)用于軌控，6個(gè)用于姿控。通過(guò)控制喉栓的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)姿軌控推力大小的控制，推力大小0～6 672 N，并實(shí)現(xiàn)高推力和續(xù)航推力間進(jìn)行調(diào)節(jié)，在零推力期間，可使燃燒室壓強(qiáng)降低至0.5 MPa[25]。

2015年，Aerojet公司向美空軍交付了100臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)-3 Block 1B導(dǎo)彈可調(diào)節(jié)式固體姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)(TDACS)。2015年12月10日，標(biāo)準(zhǔn)-3 Block 1B導(dǎo)彈和“愛(ài)國(guó)者”P(pán)AC-3 MSE型導(dǎo)彈分別進(jìn)行試驗(yàn)。其中，標(biāo)準(zhǔn)-3 Block 1B為中段攔截試驗(yàn)，證明其具備反低軌道衛(wèi)星潛力，“愛(ài)國(guó)者”P(pán)AC MSE導(dǎo)彈進(jìn)行末段攔截試驗(yàn)。

目前，美國(guó)仍高度重視固體姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的研究應(yīng)用，同時(shí)開(kāi)展多項(xiàng)相關(guān)技術(shù)研究。繼續(xù)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)-3 Block 1B導(dǎo)彈可調(diào)節(jié)式固體姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，2018年將在標(biāo)準(zhǔn)-3 Block 2A導(dǎo)彈上使用。導(dǎo)彈防御局已開(kāi)始研制可長(zhǎng)時(shí)間工作的第三代模塊化固體姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)(MDACS)。

1.4 國(guó)外能量管理發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展特點(diǎn)及趨勢(shì)

目前，在役代表國(guó)外能量管理發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)水平的主要是美國(guó)的“標(biāo)準(zhǔn)-3”?；蜿懟卸畏磳?dǎo)系統(tǒng)。其中，第三級(jí)為MK136高性能雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)，第四級(jí)為MK142彈頭姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)(SDACS或TDACS)，“愛(ài)國(guó)者”P(pán)AC-3 MSE型導(dǎo)彈采用了更大直徑、更高性能的雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。隨著能量管理發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)進(jìn)步，導(dǎo)彈技術(shù)性能逐步得到提高，主要表現(xiàn)在：

(1)能量管理發(fā)動(dòng)機(jī)固體化，推動(dòng)了美國(guó)反導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展。相比液體推進(jìn)系統(tǒng)，固體推進(jìn)劑具有優(yōu)良的戰(zhàn)備性、貯存性和安全性。美國(guó)THAAD反導(dǎo)導(dǎo)彈的KKV攔截器目前雖然使用液體發(fā)動(dòng)機(jī)姿軌控系統(tǒng)，但其改進(jìn)型將使用以固體發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的系統(tǒng);美國(guó)海軍和空軍規(guī)定使用的反導(dǎo)彈系統(tǒng)必須滿足“不敏感彈藥”要求，ERINT攔截器的改進(jìn)型MEDUSA系統(tǒng)繼續(xù)采用固體推進(jìn)劑燃?xì)獍l(fā)生器姿軌控系統(tǒng)方案[22]。從這些方面看出，美國(guó)先進(jìn)反導(dǎo)系統(tǒng)采用固體能量管理發(fā)動(dòng)機(jī)已成為一種發(fā)展趨勢(shì)。

(2)固體能量管理發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用及性能提升，使導(dǎo)彈作戰(zhàn)范圍和防御區(qū)域不斷增加。能量管理發(fā)動(dòng)機(jī)在工作結(jié)束后，導(dǎo)彈速度更高，能提供更有效的能量，機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)。因此，在防空反導(dǎo)領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。美國(guó)洛馬公司PAC-3 MSE通過(guò)采用雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)，其射程提高1倍，作戰(zhàn)能力明顯增強(qiáng);美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)-3 Block 1采用開(kāi)關(guān)閥式固體姿軌控系統(tǒng)(SDACS)，Block 1B采用推力可調(diào)式固體姿軌控系統(tǒng)(TDACS)，通過(guò)控制燃燒室壓強(qiáng)，使推力在高推力和滑行期之間進(jìn)行調(diào)整，成本更低，姿態(tài)更加靈活，性能更為先進(jìn)。

(3)固體能量管理發(fā)動(dòng)機(jī)日趨模塊化和通用化，并牽引了新材料、新工藝的技術(shù)進(jìn)步。固體姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)具有質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)，其系統(tǒng)體積更小。因此，耐高溫、抗燒蝕的小質(zhì)量、快速響應(yīng)閥門(mén)技術(shù)成為關(guān)鍵，并帶動(dòng)了C/C材料制備技術(shù)和特殊鍍/涂層(如C/SiC、錸合金)的進(jìn)步;標(biāo)準(zhǔn)-3 MK136雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)采用了先進(jìn)的帶藥纏繞炭纖維殼體成型工藝，采用高性能的T800、T1000炭纖維材料，隔離裝置為柔性軟隔離裝置(柔性PDS)，發(fā)動(dòng)機(jī)采用小型電動(dòng)伺服柔性噴管矢量控制，工藝集成制造水平極其先進(jìn)。

2 國(guó)內(nèi)能量管理發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 固體雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

國(guó)內(nèi)在金屬隔艙式(剛性PDS)和柔性隔層式(柔性PDS)雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)方面均開(kāi)展了研究工作[27-29]。按照其各自的特點(diǎn)劃分，金屬隔艙式一般用于小直徑、鋼殼體雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)，柔性隔層式一般用于大直徑、復(fù)合材料殼體雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)。其共性的關(guān)鍵技術(shù)包括輕質(zhì)隔離裝置設(shè)計(jì)及成型技術(shù)、長(zhǎng)脈沖間隔熱防護(hù)技術(shù)、小型化二次快響應(yīng)點(diǎn)火技術(shù)。

(1)輕質(zhì)隔離裝置設(shè)計(jì)及成型技術(shù)

輕質(zhì)隔離裝置設(shè)計(jì)及成型技術(shù)是雙脈沖固體發(fā)動(dòng)機(jī)的核心技術(shù)，要求隔離裝置在發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅰ脈沖工作期間能夠承壓，同時(shí)起隔熱、密封作用;在Ⅱ脈沖工作期間，隔離裝置能夠在預(yù)制薄弱部位可靠打開(kāi)。目前，國(guó)內(nèi)雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)隔離裝置主要有隔艙和隔層兩種形式，如圖7、圖8所示。隔艙一般采用金屬材料，需要輔助絕熱結(jié)構(gòu)，質(zhì)量相對(duì)較重;隔層一般為橡膠材料，可同時(shí)起阻燃和隔熱作用，結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕。所以，高性能、高質(zhì)量比的復(fù)合材料殼體雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)多采用隔層結(jié)構(gòu)，但軟隔層材料的實(shí)際破壞延伸率遠(yuǎn)小于其材料斷裂延伸率。因此，開(kāi)展隔層材料力學(xué)特性和隔層結(jié)構(gòu)失效模式分析工作至關(guān)重要。

(2)長(zhǎng)脈沖間隔熱防護(hù)技術(shù)

由于雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)前一級(jí)燃燒室是后一級(jí)脈沖燃?xì)獾耐ǖ溃虼嗽诿}沖間隔期，Ⅰ脈沖燃燒室余熱即后效熱量，會(huì)使燃燒室及噴管絕熱層繼續(xù)炭化和熱解，在Ⅱ脈沖燃?xì)庾饔孟卵杆賱冸x、燒蝕，絕熱層燒蝕速率將明顯增大，同時(shí)因燃燒室內(nèi)部隔離裝置的存在，對(duì)燃燒室內(nèi)流場(chǎng)產(chǎn)生影響，在燃燒室局部形成回流和漩渦，從而加劇了Ⅰ脈沖燃燒室絕熱結(jié)構(gòu)的對(duì)流換熱和粒子沖刷效應(yīng)。雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)熱環(huán)境仿真分析和雙脈沖工作條件絕熱層燒蝕試驗(yàn)工作必不可少。

同時(shí)區(qū)別于傳統(tǒng)噴管工作模式，雙脈沖噴管在脈沖間隙具有向燃燒室串動(dòng)的趨勢(shì)，導(dǎo)致喉襯和背壁間隙加大，形成燃?xì)馔ǖ?，在Ⅱ脈沖工作時(shí)，將增大噴管熱結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)噴管絕熱組件的熱膨脹、熱解效應(yīng)及熱解氣體的釋放，同時(shí)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高工作過(guò)程完整性，降低失效風(fēng)險(xiǎn)。

(3)小型化二次快響應(yīng)點(diǎn)火技術(shù)

雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化和點(diǎn)火布局優(yōu)化兩部分，要求點(diǎn)火裝置能夠?qū)崿F(xiàn)兩次、快速、可靠發(fā)火，是雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的又一關(guān)鍵技術(shù)。雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火裝置一般由2個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)火系統(tǒng)(即Ⅰ脈沖點(diǎn)火裝置和Ⅱ脈沖點(diǎn)火裝置)組成，分別用于點(diǎn)燃兩級(jí)脈沖藥柱，同時(shí)可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式和燃燒室藥型等，對(duì)兩級(jí)脈沖點(diǎn)火裝置進(jìn)行集成。國(guó)內(nèi)某些雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將兩級(jí)脈沖點(diǎn)火器和隔離裝置集成為一體，有效減小結(jié)構(gòu)尺寸，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，也便于彈上電源控制，

Ⅱ脈沖點(diǎn)火裝置的點(diǎn)火特性與隔離裝置的打開(kāi)特性緊密相關(guān)，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火升壓特性應(yīng)與隔離裝置的打開(kāi)壓強(qiáng)相匹配，方能獲得理想的打開(kāi)狀態(tài)。

2.2 固體變推力發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

國(guó)外技術(shù)較成熟的固體變推力發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)方式為喉栓式結(jié)構(gòu)。而國(guó)內(nèi)在喉栓式和轉(zhuǎn)動(dòng)噴管式固體變推力發(fā)動(dòng)機(jī)方面，均開(kāi)展了研究工作。其共性的關(guān)鍵技術(shù)包括推力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)輕質(zhì)化小型化技術(shù)、動(dòng)密封結(jié)構(gòu)及長(zhǎng)時(shí)間熱防護(hù)技術(shù)和快速精確閉環(huán)控制技術(shù)。

(1)推力調(diào)節(jié)系統(tǒng)輕質(zhì)化小型化技術(shù)

推力調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括推力調(diào)節(jié)噴管、伺服電機(jī)和控制器，為實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)化小型化，需對(duì)整個(gè)推力調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化推力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和伺服電機(jī)的布局,實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)與彈上舵機(jī)的協(xié)調(diào)布局。喉栓式調(diào)節(jié)方式是通過(guò)喉栓的軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)喉部面積大小調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)動(dòng)噴管式調(diào)節(jié)方式是將噴管從喉部位置處分為相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的兩部分，通過(guò)前后兩個(gè)異形喉面的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)喉部面積大小調(diào)節(jié)。

對(duì)于小長(zhǎng)徑比發(fā)動(dòng)機(jī)，可采用喉栓式推力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，伺服電機(jī)安裝至發(fā)動(dòng)機(jī)頭部，該布局方式便于伺服電機(jī)和推力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封。對(duì)于大長(zhǎng)徑比發(fā)動(dòng)機(jī)，可采用轉(zhuǎn)動(dòng)噴管推力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)伺服電機(jī)布置于噴管長(zhǎng)尾段，電機(jī)齒輪與轉(zhuǎn)動(dòng)噴管的轉(zhuǎn)動(dòng)件外表面齒輪嚙合，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)。

(2)動(dòng)密封結(jié)構(gòu)及長(zhǎng)時(shí)間熱防護(hù)技術(shù)

固體變推力發(fā)動(dòng)機(jī)存在推力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，涉及到動(dòng)密封問(wèn)題及相對(duì)運(yùn)動(dòng)界面，熱防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需綜合考慮燒蝕、傳熱和熱變形，需保證熱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和推力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)全程作動(dòng)可靠。固體變推力發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)作動(dòng)過(guò)程中，流場(chǎng)復(fù)雜，作動(dòng)速度和作動(dòng)位置對(duì)流動(dòng)傳熱影響較大，需開(kāi)展推力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)作動(dòng)過(guò)程的流熱耦合數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究，依據(jù)計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(3)快速精確閉環(huán)控制技術(shù)

為滿足彈總體彈道實(shí)時(shí)需求，需采用閉環(huán)控制技術(shù)進(jìn)行推力調(diào)節(jié)，快速精確閉環(huán)控制技術(shù)有利于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈系統(tǒng)快速精確反應(yīng)能力。影響閉環(huán)控制速度和精度的因素很多，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)自由容積、噴管設(shè)計(jì)參數(shù)、喉部燒蝕、作動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)、伺服電機(jī)參數(shù)、控制模式和控制算法等，需對(duì)各項(xiàng)因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，對(duì)各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)、控制模式和控制算法進(jìn)行綜合優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)快速精確推力調(diào)節(jié)。

2.3 固體姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

固體姿軌控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括潔凈負(fù)壓強(qiáng)指數(shù)推進(jìn)劑技術(shù)、長(zhǎng)時(shí)間快響應(yīng)閥門(mén)技術(shù)和輕質(zhì)耐高溫閥門(mén)材料技術(shù)。

(1)潔凈負(fù)壓力指數(shù)推進(jìn)劑技術(shù)

導(dǎo)彈總體系統(tǒng)對(duì)姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)的噴管燃?xì)獾臐崈舳纫蠛芨?，以防止噴管的燃?xì)鈱?duì)導(dǎo)引頭的探測(cè)產(chǎn)生影響;同時(shí)，固體姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的工作方式狀態(tài)較多，采用負(fù)壓力指數(shù)推進(jìn)劑能有效降低燃?xì)獍l(fā)生器壓強(qiáng)隨噴管工作切換時(shí)的變化幅度，使其保持恒定或在小范圍內(nèi)變化，從而提高姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)時(shí)間。目前，國(guó)內(nèi)研制的潔凈負(fù)壓強(qiáng)指數(shù)雙基推進(jìn)劑已可實(shí)現(xiàn)小于-0.3的指標(biāo)要求。

(2)長(zhǎng)時(shí)間、快響應(yīng)閥門(mén)技術(shù)

固體KKV總體系統(tǒng)對(duì)姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)頻響時(shí)間要求較高?，F(xiàn)有閥門(mén)形式主要包括轉(zhuǎn)動(dòng)式閥門(mén)、氣動(dòng)式閥門(mén)(圖9)和針?biāo)ㄊ酵屏烧{(diào)閥門(mén)(圖10)[30]。轉(zhuǎn)動(dòng)式閥門(mén)利用伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)閥門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)，直接實(shí)現(xiàn)燃?xì)庠诟鱾€(gè)噴管的轉(zhuǎn)換，可通過(guò)減小閥門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦力矩提高閥門(mén)響應(yīng)頻率。典型的氣動(dòng)閥門(mén)結(jié)構(gòu)是利用小氣流的開(kāi)合，引起活塞兩側(cè)的壓差和受力變化，實(shí)現(xiàn)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)噴管切換，小氣流的開(kāi)合可通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)閥或者電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。針?biāo)ㄊ酵屏烧{(diào)閥門(mén)利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)針?biāo)ㄍ鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，改進(jìn)喉部面積大小，實(shí)現(xiàn)推力大小連續(xù)可調(diào)。

3種形式閥門(mén)相比各有優(yōu)缺點(diǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)閥門(mén)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，可實(shí)現(xiàn)響應(yīng)時(shí)間小于10 ms;氣動(dòng)閥門(mén)由于只控制小氣流開(kāi)合，所以對(duì)電機(jī)功率要求較小，但氣動(dòng)閥門(mén)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性較低;推力可調(diào)閥門(mén)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且由于實(shí)現(xiàn)推力連續(xù)可調(diào)，使得總體對(duì)響應(yīng)時(shí)間要求較低，響應(yīng)時(shí)間要求低于40 ms。

(3)輕質(zhì)耐高溫閥門(mén)材料技術(shù)

閥門(mén)結(jié)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，始終暴露在高溫燃?xì)猸h(huán)境下，對(duì)材料在高溫條件下力學(xué)性能和耐燒蝕性能要求很高，國(guó)外通過(guò)在C/C基體上噴涂鎢、錸的研究，將難熔金屬或合金與輕質(zhì)材料(如C/C材料)結(jié)合起來(lái)使用，在保持C/C高強(qiáng)度、抗沖擊韌性及低密度優(yōu)點(diǎn)的條件下，提高其抗燒蝕沖刷能力。

國(guó)內(nèi)已積極開(kāi)展新型輕質(zhì)耐高溫材料研究，如耐高溫陶瓷、碳陶、碳化硅、氮化硅等材料，在高性能C/SiC(碳陶，如圖11所示)材料研制方面，國(guó)內(nèi)已突破預(yù)制體成型技術(shù)、復(fù)雜構(gòu)件制造技術(shù)、提高構(gòu)件可靠性技術(shù)和CMC結(jié)構(gòu)件連接技術(shù)4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，C/SiC材料在2 000 K高溫情況下基本不失強(qiáng)，具有較好的比強(qiáng)度、耐熱性和耐沖刷性。

3 結(jié)束語(yǔ)

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)能量管理技術(shù)作為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)新的重要發(fā)展方向，將為國(guó)內(nèi)導(dǎo)彈武器的跨越式發(fā)展提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，美國(guó)、法國(guó)、日本等先進(jìn)國(guó)家已經(jīng)在多種戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)略武器系統(tǒng)中采用固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)能量管理技術(shù)，但國(guó)內(nèi)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)能量管理技術(shù)發(fā)展還不成熟，工程化應(yīng)用程度尚低。因此，需結(jié)合國(guó)內(nèi)固體動(dòng)力技術(shù)現(xiàn)狀和能力，加快對(duì)固體雙脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)、變推力發(fā)動(dòng)機(jī)、固體KKV及固體姿軌控系統(tǒng)的工程化研制進(jìn)程，全面提升國(guó)內(nèi)能量管理發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平。

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(編輯：呂耀輝)

Energy management technology of SRM and its development

HOU Xiao1，F(xiàn)U Peng2，WU Yuan2

(1.The Fourth Academy of CASA,Xi'an 710025,China; 2.The 41st Institute of the Fourth Academy of CASA,Xi'an 710025,China)

Controlling and adjusting the energy output of solid rocket motor (SRM) during working is an important way to improve the performance of weapon system.The research status at home and abroad of energy management technologies of double-pulse SRM,variable-thrust SRM and solid divert and attitude control motor were reviewed.The key technologies of three typical motors were combed by means of analyzing the development characters and trends of energy management technologies of SRM.Finally,the corresponding suggestions were given.

energy management;double-pulse SRM;variable-thrust SRM;solid divert and attitude control motor

2016-12-11;

2017-01-10。

侯曉(1963—)，男，中國(guó)工程院院士，主要研究方向?yàn)楣腆w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

V435

A

1006-2793(2017)01-0001-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2017.01.001