推進劑作為火箭發(fā)動機的能量來源，一定程度上決定了火箭發(fā)動機的能量水平與工作方式，對導彈武器遠程投送、機動突防能力至關(guān)重要，更是推動火箭動力裝備升級換代的核心技術(shù)之一?，F(xiàn)有固體火箭發(fā)動機在推力按需輸出方面存在瓶頸，無法滿足導彈武器裝備智能化、高機動、快速突防的發(fā)展需求。基于固體燃料可控能量釋放的推進劑能量調(diào)控方法是提高推進劑能量輸出可調(diào)可控性，優(yōu)化發(fā)動機推力分配，實現(xiàn)導彈射程和機動性提升的有效嘗試。

1.固體燃料可控能量釋放的基本內(nèi)涵

固體燃料可控能量釋放是指通過外界條件作用和改變?nèi)剂辖M成等措施來控制固體燃料能量釋放過程，可控對象主要包括能量釋放強度、燃燒速度和產(chǎn)物特性（溫度、顆粒物、氣體分子量等）等。傳統(tǒng)固體火箭發(fā)動機一旦點火，發(fā)動機就一直工作直到推進劑完全消耗，推力按需求輸出一直是先進裝備的重大需求和嚴峻技術(shù)挑戰(zhàn)。盡管多脈沖發(fā)動機、喉栓與渦流閥等變推力發(fā)動機可以在一定程度上實現(xiàn)推力調(diào)控，但是還不能滿足智能彈道對推力隨控的要求。因此，從發(fā)動機性能輸出層面上講，固體燃料可控能量釋放是指借助特定固體燃料燃/熄可控與燃速可調(diào)的特性達到發(fā)動機推力隨控的目的，即實現(xiàn)發(fā)動機多次啟停與推力實時調(diào)節(jié)。另一方面，通過改變?nèi)剂辖M元的細觀結(jié)構(gòu)，例如在鋁粉等燃料顆粒表面構(gòu)筑界面反應層，實現(xiàn)微觀燃燒過程和凝相燃燒產(chǎn)物粒度的調(diào)控，也是固體燃料可控能量釋放的研究范疇。

固體燃料可控能量釋放技術(shù)不僅可以用于導彈主動力、姿軌控動力和空間動力，在液體火箭發(fā)動機燃料貯箱增壓系統(tǒng)、甚至是汽車安全氣囊上都有廣闊的應用前景。因此，固體燃料可控能量釋放技術(shù)是軍民兩用的基礎(chǔ)性、前沿性技術(shù)。

2.有關(guān)固體燃料可控能量釋放研究的幾點思考

2.1 推進劑組元的能量可控釋放

以固體推進劑中鋁粉的燃燒為例，鋁粉是目前固體推進劑中普遍使用的金屬添加劑，鋁的加入可提高推進劑密度、提高發(fā)動機比沖和抑制高頻不穩(wěn)定燃燒，在現(xiàn)代固體火箭發(fā)動機中被廣泛采用。一般在固體推進劑中鋁的質(zhì)量含量在17%左右，其燃燒過程和燃燒產(chǎn)物特性對固體發(fā)動機的工作特性具有重要的影響。鋁凝相產(chǎn)物的粒度分布對推進劑的能量發(fā)揮程度、絕熱結(jié)構(gòu)工作安全性和發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性都有重要的影響。通過創(chuàng)新手段改善鋁的表面團聚、降低凝相產(chǎn)物粒度、提升鋁的燃燒效率對發(fā)動機性能意義重大。

近年來，采用具有良好粘接能力的界面材料（如聚多巴胺），在鋁表面形成界面材料包覆層，進而實現(xiàn)金屬燃料的表面功能化方面的研究取得了很好的進展。在界面材料的基礎(chǔ)上，通過溶劑熱等方法在鋁粉表面可生長多種氧化劑與催化劑，構(gòu)建界面化學反應層，實現(xiàn)對鋁粉點火溫度、燃燒速率、反應產(chǎn)物的調(diào)控，從而克服鋁粉在推進劑中（尤其是低燃速推進劑）燃燒效率低、燃燒產(chǎn)物燒結(jié)的問題。研究發(fā)現(xiàn)，該方法不僅能夠調(diào)控鋁的凝相燃燒產(chǎn)物分布，一些表面生長氧化劑后的金屬燃料還能起到降低高壓下壓強指數(shù)的效果，為高壓下推進劑的安全燃燒提供了新的調(diào)控方向。含能燃燒催化劑摻雜核殼型鋁基復合燃料，在含能燃燒催化劑有效提高鋁基燃料的燃燒效率和能量密度的基礎(chǔ)上，直接將催化劑摻雜在復合燃料殼層中，有效提高了催化劑與氧化劑作用面積，進而提高其催化效率。

以上研究成果在實驗室制備的推進劑試件中展示了良好的調(diào)控性能，但在真實固體推進劑或其他含能材料上實現(xiàn)應用，還需要驗證核殼型鋁基復合結(jié)構(gòu)的在剪切力作用下的結(jié)構(gòu)完整性、以及與其他組分的相容性問題。

2.2 基于電控的固體推進劑能量可控釋放

采用電、磁和等離子體等物理場對推進劑的能量釋放進行調(diào)控目前引起了研究者的廣泛關(guān)注，這里重點討論可燃可熄、燃速可調(diào)節(jié)的電場控制分解固體推進劑（簡稱電控固體推進劑）。目前，關(guān)于電控固體推進劑的研究已經(jīng)證實該類型推進劑在多次脈沖及推力實時調(diào)控上的可行性，但是仍存在以下問題：1）國內(nèi)外電控固體推進劑普遍采用硝酸羥胺、高氯酸羥胺等作為電控固體推進劑關(guān)鍵組分，主要存在推進劑比沖相對較低、高壓下燃燒可控難度大和推進劑密度偏低等問題，其根本原因在于硝酸羥胺、高氯酸羥胺等電控組分難以進行分子改性、含水并且難以通過強化學作用將其接入推進劑固化網(wǎng)絡；2）由于電控固體推進劑燃燒時需要電極持續(xù)與燃面接觸以提供維持其燃燒所需的電能，因此需要設計可移動電極或者依靠推進劑移動來實現(xiàn)持續(xù)接觸，這給高溫電極材料的研發(fā)以及發(fā)動機機構(gòu)匹配設計帶來挑戰(zhàn)；3）關(guān)于電控固體推進劑的點火、燃燒理論研究相對較少，目前尚無關(guān)于該類型推進劑的體系化理論模型，點火與燃燒過程電能與化學反應之間的耦合作用機制尚不清楚。

開發(fā)新型電控組分替代傳統(tǒng)硝酸羥胺等材料是進一步推進固體推進劑能量可控釋放研究的關(guān)鍵?；谌嵝灾ф湹奶細淙剂暇哂邢鄬^高的熱值與熱沉，通過適當改性賦予其電控性能后可獲得具有電控點火、自熄火和高熱值特性的電控燃料。與傳統(tǒng)電控固體推進劑相比，上述電控型燃料加高氯酸鹽體系在能量密度、可調(diào)可控性及推進劑密度上具有一定的優(yōu)勢。此外，上述燃料分子具有可設計性，因此可在其分子中引入反應基團，成鏈后形成完整的導電網(wǎng)絡，避免非高能的導電物質(zhì)加入。同時，含有長碳鏈的燃料分子可通過反應官能團形成固化網(wǎng)絡實現(xiàn)推進劑藥漿從液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)化，最終得到完整的固體推進劑。因而與傳統(tǒng)電控固體推進劑固化工藝相比，避免了聚乙烯醇引入導致的推進劑能量性能下降，以及液態(tài)氧化劑未與固化網(wǎng)絡形成強化學鍵導致的密度低、力學性能差的問題。

從能量可控釋放機制上講，要解決電控固體推進劑的點火延遲和燃燒效率問題，需要降低點火過程中熱作用所占比重，提升電化學作用所占比重。通過電化學作用首先將燃料電解生成小分子量的還原性氣體，將氧化劑電解生成氧化性氣體，再通過兩者的混合實現(xiàn)燃燒，點火過程才能更加迅速、反應更加徹底。

電控固體推進劑技術(shù)的突破對各種類型的固體火箭發(fā)動機性能的躍升都會起到極大的推動作用，希望加強人、財、物等方面的投入，促進其技術(shù)快速發(fā)展。

2.3 能量可控釋放與非穩(wěn)態(tài)燃燒

固體推進劑的能量可控釋放是典型的非穩(wěn)態(tài)燃燒過程，深刻認識非穩(wěn)態(tài)機理有助于更好地開發(fā)該項技術(shù)。目前，固體燃料可控能量釋放方面的研究方法與常規(guī)推進劑的配方研究比較接近，主要依賴經(jīng)驗和靈感，還沒有形成理論支撐技術(shù)發(fā)展的局面。精細化燃燒研究需要先進的燃燒診斷方法，固體推進劑的燃燒具有高溫、高壓、煙霧環(huán)境的特點，一般的商用燃燒診斷設備很難直接應用于推進劑燃燒的研究。并且，固體推進劑的能量可控釋放過程涉及電、磁等外界條件作用，傳統(tǒng)燃燒診斷設備已不能滿足該類型推進劑的測試要求。因此，需要開發(fā)針對固體推進劑可控能量釋放的先進燃燒診斷方法。

此外，固體推進劑的能量可控釋放過程涉及多次點火、熄火以及燃速調(diào)節(jié)，多次轉(zhuǎn)換的燃燒模式使固體推進劑處于非穩(wěn)態(tài)燃燒過程，對發(fā)動機推力的精準調(diào)節(jié)與穩(wěn)定輸出帶來挑戰(zhàn)。設計具有快速響應并穩(wěn)定燃燒的燃料、優(yōu)化固體推進劑配方是實現(xiàn)能量可控釋放型固體推進劑應用的關(guān)鍵。但是，目前關(guān)于固體推進劑可控能量釋放的基礎(chǔ)研究相對薄弱，尚未形成體系的理論基礎(chǔ)，難以支撐電控型燃料、功能材料等的研發(fā)工作。

因此，進行學科交叉融合，發(fā)展先進的高動態(tài)、細觀燃燒診斷技術(shù)，夯實基礎(chǔ)理論研究，在精細試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上掌握非穩(wěn)態(tài)燃燒機理，建立燃燒模型，進而支撐能量可控釋放技術(shù)的研究，需要多學科、多單位協(xié)同發(fā)力。

3.結(jié)語

固體燃料可控能量釋放技術(shù)是高性能武器裝備的迫切需求，實現(xiàn)這一領(lǐng)域的突破，需要從幾個維度開展工作：首先，固體燃料可控能量釋放組分或推進劑的研究需要與發(fā)動機的需求相結(jié)合，不一定所有性能盡善盡美才能走向應用，不同的可控能量釋放特征可能有不同的應用場景；其次基礎(chǔ)研究與應用研究相結(jié)合，在理清能量可控釋放機理的基礎(chǔ)上開展技術(shù)研究工作，提升行業(yè)的整體研究水平；最后，開展化學、物理學、儀器科學與技術(shù)、工程熱物理和航空宇航科學與技術(shù)等多學科交叉融合，協(xié)同發(fā)力，共同進步。