固體發(fā)動機(jī)燃燒流動基礎(chǔ)問題與研究建議

呂 翔，何國強(qiáng)，劉佩進(jìn)，李 強(qiáng)

(西北工業(yè)大學(xué)燃燒、熱結(jié)構(gòu)與內(nèi)流場重點實驗室，西安 710072)

0 引 言

固體火箭發(fā)動機(jī)通過燃燒推進(jìn)劑來實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、進(jìn)而產(chǎn)生推力。因其結(jié)構(gòu)簡單、體積較小、發(fā)射準(zhǔn)備時間短、適于長時間存儲、使用維護(hù)方便等特點，在航天發(fā)射、導(dǎo)彈武器和軌姿控動力等方面具有重要的應(yīng)用價值。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前世界有90%以上的戰(zhàn)略導(dǎo)彈、80%以上戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈均采用固體發(fā)動機(jī)作為主要動力。

自1957年的固體動力第一芯以來，經(jīng)過60多年自力更生和艱苦創(chuàng)業(yè)，中國固體發(fā)動機(jī)從無到有，從小到大，突破并掌握了一大批核心技術(shù)，形成了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)體系，成為中國行業(yè)自主發(fā)展的典范，為中國的國防建設(shè)和航天發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)。錢學(xué)森先生曾這樣評價：中國固體火箭發(fā)動機(jī)取得的成績，完全是依靠自力更生得來的，沒有外國援助，沒有經(jīng)過仿制的階段。這是一個偉大的成就，是中華民族的驕傲[1]。

面對固體發(fā)動機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和取得的優(yōu)異成績，我們需要重視與國際先進(jìn)固體發(fā)動機(jī)之間的差距，重新審視當(dāng)前國內(nèi)固體動力的發(fā)展現(xiàn)狀，充分正視當(dāng)前存在的不足。應(yīng)當(dāng)說，行業(yè)基礎(chǔ)薄弱、基礎(chǔ)研究不足是導(dǎo)致中國固體動力與國際先進(jìn)技術(shù)之間存在差異的主要原因?？偟膩碚f，中國固體發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀可以簡括為如下三個特點：

1)工程引領(lǐng)：以服務(wù)工程研制為主，缺乏對固體發(fā)動機(jī)研制的引領(lǐng)性作用。

2)聚焦當(dāng)下：針對在研在役的型號，缺乏對固體發(fā)動機(jī)發(fā)展的前瞻性考慮。

3)宏觀粗放：研究手段還不夠精細(xì)，缺乏對固體發(fā)動機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)性支撐。

相比之下，歐美國家尤其是美國在固體發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)研究方面開展了大量的工作[2-4]。以《火箭推進(jìn)技術(shù)及集成化演示計劃》為代表的專項計劃，持續(xù)推動了美國對固體動力基礎(chǔ)問題的研究。以多學(xué)科倡議計劃[3]為牽引，全面研究并認(rèn)識了固體發(fā)動機(jī)燃燒不穩(wěn)定問題。由伊利諾伊大學(xué)牽頭的先進(jìn)火箭發(fā)動機(jī)仿真計劃[4]針對固體發(fā)動機(jī)的全系統(tǒng)全工作過程數(shù)值模擬，開展了大量細(xì)致深入的基礎(chǔ)研究，建立了固體火箭發(fā)動機(jī)工作過程精細(xì)化數(shù)值模擬軟件平臺Rocstar3，同時牽引了國家數(shù)據(jù)庫的建設(shè)，為其低飛行故障率做出了巨大貢獻(xiàn)。

可以看出，以固體發(fā)動機(jī)發(fā)展需求為牽引、以相關(guān)核心技術(shù)和關(guān)鍵問題為突破點，長期開展系統(tǒng)全面的基礎(chǔ)研究，是固體發(fā)動機(jī)技術(shù)強(qiáng)國的成功之道。如若我們不去主動加強(qiáng)基礎(chǔ)研究、為固體發(fā)動機(jī)發(fā)展打下良好基礎(chǔ)，與國外先進(jìn)技術(shù)之間的差距有被拉大的危險。我們應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加大基礎(chǔ)研究的力度、深度和廣度，針對固體發(fā)動機(jī)行業(yè)的瓶頸和短板，系統(tǒng)性、針對性地開展基礎(chǔ)研究工作。

如若不以發(fā)展的眼光去看待當(dāng)前不足、尋求解決方法，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域仍然會陷入僅聚焦當(dāng)下的弊端。因而，本文嘗試對固體發(fā)動機(jī)發(fā)展趨勢進(jìn)行分析，并結(jié)合未來發(fā)展對發(fā)動機(jī)重要支撐技術(shù)的需求，探討發(fā)動機(jī)燃燒流動領(lǐng)域所面臨的重要基礎(chǔ)問題，以期能夠服務(wù)于增強(qiáng)國內(nèi)固體發(fā)動機(jī)行業(yè)基礎(chǔ)、提升基礎(chǔ)研究水平，更好地促進(jìn)我國的固體發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展。

1 固體發(fā)動機(jī)的未來發(fā)展趨勢

不論哪一種動力形式，其追求的發(fā)展目標(biāo)都離不開能量更高、速度更快、性能更優(yōu)、適用更廣。從軍民領(lǐng)域?qū)腆w發(fā)動機(jī)的需求和應(yīng)用來看，固體發(fā)動機(jī)未來的發(fā)展趨勢可概括為：高能量、高壓強(qiáng)、高過載、寬適應(yīng)、極型化。

高能量主要是通過采用新型高能推進(jìn)劑來不斷提高發(fā)動機(jī)的燃燒溫度和比沖性能，以盡可能地提高航天運(yùn)載能力和導(dǎo)彈武器的射程。使用CL-20、ADN、TKX-50等含能材料,添加AlH3、MIC等金屬基燃料可以使理論比沖得到大幅提高[5-7]。Deluca等[6]的研究結(jié)果表明，添加AlH3可在某些條件下使推進(jìn)劑比沖提高23 s。未來的推進(jìn)劑燃燒溫度將由現(xiàn)有的3000 K以上提升到4000 K以上，這給發(fā)動機(jī)的燃燒建模、能量釋放調(diào)控和熱結(jié)構(gòu)防護(hù)帶來了一系列的挑戰(zhàn)。

高壓強(qiáng)可以有效提高發(fā)動機(jī)的燃燒溫度、燃燒效率和比沖性能，同時也有利于減小發(fā)動機(jī)尺寸、實現(xiàn)發(fā)動機(jī)和彈箭的小型化。圖1給出了兩種不同類型推進(jìn)劑的燃燒壓強(qiáng)對理論燃燒溫度的影響。盡管圖1中壓強(qiáng)遠(yuǎn)超出當(dāng)前的實用范圍，但從中可以清楚看出提高壓強(qiáng)對燃燒溫度的影響非常顯著。大幅提高壓強(qiáng)的同時，必須采用高性能復(fù)合材料以解決高壓強(qiáng)帶來結(jié)構(gòu)質(zhì)量大幅增加問題。例如，代表防空系統(tǒng)最先進(jìn)發(fā)動機(jī)技術(shù)的THAAD導(dǎo)彈采用了高強(qiáng)度復(fù)合材料殼體，發(fā)動機(jī)工作壓強(qiáng)達(dá)到20 MPa。

高過載包括了高加速帶來的軸向高過載和高機(jī)動帶來的橫向高過載。對于防空導(dǎo)彈來說，固體發(fā)動機(jī)所承受的橫向過載目前已達(dá)到60[8]。隨著武器攻防對抗加劇，未來防空導(dǎo)彈的過載有可能進(jìn)一步提高到100。應(yīng)當(dāng)說，過載飛行給發(fā)動機(jī)的內(nèi)絕熱結(jié)構(gòu)[9-11]和燃燒穩(wěn)定性[12-14]帶來了挑戰(zhàn)。

寬適應(yīng)主要是指固體發(fā)動機(jī)需要保證飛行器能夠滿足不同任務(wù)需求(例如：同一戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈需覆蓋遠(yuǎn)近高低不同射程，盡量減少作戰(zhàn)盲區(qū))、能夠適應(yīng)復(fù)雜的貯存和使用環(huán)境。固體發(fā)動機(jī)可以采取電控燃燒和磁流體控制等燃燒流動主動控制技術(shù)、并輔以人工智能技術(shù)來實現(xiàn)推力的大范圍快速調(diào)節(jié)，從而滿足寬廣的飛行任務(wù)要求。在不同的飛行彈道下過載的量值和持續(xù)時間可能存在數(shù)倍差異，對發(fā)動機(jī)內(nèi)絕熱結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生差異顯著的影響[10-11]。環(huán)境高低溫交變、艦載環(huán)境多自由度寬頻振動等因素產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變、脫濕等會影響發(fā)動機(jī)工作特性和工作安全性。

極型化主要是指發(fā)動機(jī)規(guī)模在逐漸向大型化和微型化發(fā)展。隨著人類的太空探索步伐不斷前進(jìn)，建立大型空間站、月球基地乃至火星基地對重型運(yùn)載火箭的要求不斷提高，通常需要并聯(lián)一定數(shù)量的大型固體助推器以提供足夠的起飛推力，這就促使固體火箭發(fā)動機(jī)向大型化方向發(fā)展。對于空間應(yīng)用來說，微型航天器適合集群編隊工作，具有生命周期成本低等優(yōu)點，而結(jié)構(gòu)簡單的固體發(fā)動機(jī)成為了微型航天器的首選動力，這類發(fā)動機(jī)的直徑通常在毫米量級及以下。西北工業(yè)大學(xué)的劉歡[15]利用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)研制了布局容量為16個/cm2的微推進(jìn)系統(tǒng)(見圖2)，單個推力器的沖量為0.1～1 mNs。

2 未來固體發(fā)動機(jī)的重要支撐技術(shù)

面對固體發(fā)動機(jī)的未來發(fā)展，需要在材料、工藝、燃燒、設(shè)計、分析和試驗等方面開展大量基礎(chǔ)研究工作，以提供有效的基礎(chǔ)理論和可靠的技術(shù)手段予以支撐，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)的精準(zhǔn)設(shè)計和調(diào)控、精細(xì)分析和檢測、精確預(yù)示。我們認(rèn)為在發(fā)動機(jī)技術(shù)層面有四個重要的支撐技術(shù)需予以重點關(guān)注，甚至是需要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的研究思路和方法。

1)多學(xué)科協(xié)同的發(fā)動機(jī)總體設(shè)計優(yōu)化技術(shù)

傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)總體設(shè)計方法，數(shù)據(jù)流近乎單向單源，由飛行器總體根據(jù)各分系統(tǒng)的綜合情況給出發(fā)動機(jī)的設(shè)計指標(biāo)和約束，后續(xù)再根據(jù)總體的反饋進(jìn)行方案修改。當(dāng)前，發(fā)動機(jī)與其它學(xué)科的耦合在不斷增強(qiáng)，約束條件和輸入輸出參數(shù)已經(jīng)與其它學(xué)科緊密關(guān)聯(lián)。例如，飛行彈道對發(fā)動機(jī)的影響和約束，不再僅僅體現(xiàn)在極限工況，全彈道歷程[10-11](過載矢量及持續(xù)時間、飛行器滾轉(zhuǎn)姿態(tài))對發(fā)動機(jī)的綜合影響也非常關(guān)鍵。

這就需要突破傳統(tǒng)的總體設(shè)計思路，采取多學(xué)科耦合設(shè)計優(yōu)化理論[16-17]，建立起多輸入多約束(來自于飛行器總體、彈道、制導(dǎo)控制)的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計方法和發(fā)動機(jī)性能分析方法，開展復(fù)雜約束條件下多目標(biāo)尋優(yōu)算法和實現(xiàn)方法研究。實現(xiàn)發(fā)動機(jī)與飛行器總體、制導(dǎo)控制、彈道等學(xué)科的耦合設(shè)計優(yōu)化。

2)發(fā)動機(jī)精細(xì)化設(shè)計和性能精確調(diào)控技術(shù)

傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)以工程經(jīng)驗為指導(dǎo)，依靠大量試驗進(jìn)行篩選、驗證/修正、完善。對于創(chuàng)新性強(qiáng)、新機(jī)理規(guī)律顯著的發(fā)動機(jī)來說，若繼續(xù)沿用現(xiàn)有模式、以傳統(tǒng)經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜑橹?，預(yù)研、模樣和初樣階段的周期會大幅增加，研制成本也會較高。需要形成精細(xì)化設(shè)計方法，以大量精細(xì)可靠的設(shè)計分析技術(shù)指導(dǎo)各分部件的詳細(xì)設(shè)計和評價分析，有效減少驗證試驗數(shù)量、縮短研制周期和降低研發(fā)成本。

發(fā)動機(jī)比沖IS的不確定度與飛行器質(zhì)量數(shù)μ存在如下關(guān)系[18]：

(1)

某運(yùn)載火箭質(zhì)量數(shù)μ=27.307，初始質(zhì)量200543 kg[18]，如果發(fā)動機(jī)比沖的不確定度增加0.2%(設(shè)計時按比沖降低0.2%進(jìn)行處理)，則火箭的質(zhì)量數(shù)要增加0.661%，有效載荷質(zhì)量至少要減少48.3 kg。當(dāng)質(zhì)量數(shù)μ越大時，比沖不確定度對效載荷質(zhì)量的影響越顯著。這就要求實現(xiàn)發(fā)動機(jī)性能的精準(zhǔn)設(shè)計和精確調(diào)控，在設(shè)計分析和加工生產(chǎn)等多個環(huán)節(jié)保障發(fā)動機(jī)性能的精確程度、降低其不確定度，以盡可能地降低發(fā)動機(jī)和飛行器的設(shè)計余量、減少附加的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)質(zhì)量。

3)發(fā)動機(jī)虛擬試驗與數(shù)字孿生技術(shù)

當(dāng)前工程研制的最大特點是“試”，靠大量不同目的、不同規(guī)模的試驗來發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，這導(dǎo)致研制周期長、成本高、風(fēng)險大。試驗所能覆蓋的范圍有限、獲得的信息也有限，僅能發(fā)現(xiàn)易于觀察的問題。對于未試驗的狀態(tài)來說，其工作特性存在一定的未知性。例如：某發(fā)動機(jī)地面試驗均工作正常，但在某個過載飛行工況下出現(xiàn)了燃燒不穩(wěn)定問題[13-14]。

應(yīng)當(dāng)依托高置信數(shù)值模擬和大規(guī)模并行計算所形成的虛擬試驗技術(shù)，在不進(jìn)行點火試驗的情況下，實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)工作特性的高精度評判、對發(fā)動機(jī)工作過程的全方位分析。利用虛擬試驗技術(shù)可以徹底革新“唯有試驗出現(xiàn)故障才能消滅故障”的傳統(tǒng)研制模式。

先進(jìn)加工制造領(lǐng)域的數(shù)字樣機(jī)技術(shù)可以很好地實現(xiàn)設(shè)計方案與加工實物之間的參數(shù)映射，實現(xiàn)加工結(jié)果的精準(zhǔn)跟蹤。融合了數(shù)字樣機(jī)、大數(shù)據(jù)和虛擬試驗等技術(shù)的數(shù)字孿生技術(shù)[19]，可以將發(fā)動機(jī)精細(xì)化設(shè)計、性能精確調(diào)控技術(shù)、發(fā)動機(jī)壽命評估技術(shù)和虛擬試驗技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)全壽命周期的精準(zhǔn)跟蹤。

4)發(fā)動機(jī)先進(jìn)試驗與測量技術(shù)

對于發(fā)動機(jī)實際工作時所處的真實環(huán)境，目前地面試驗中仍無法完全模擬。尤其對于全彈道歷程下發(fā)動機(jī)工作特性，必須開展全彈飛行試驗，所帶來的時間成本、資金成本和人力成本都非?？捎^。未來需要解決發(fā)動機(jī)全彈道飛行過程的地面模擬試驗技術(shù)和半實物仿真技術(shù)，以最大程度減少飛行試驗、提高研發(fā)效率。

受測量技術(shù)所限，目前發(fā)動機(jī)試驗依然只能沿用傳統(tǒng)方法、測量傳統(tǒng)參數(shù)。例如：對于3000 K以上的推進(jìn)劑燃燒溫度，目前仍無成熟測量技術(shù)；受燃?xì)庵写罅磕囝w粒的影響，先進(jìn)光學(xué)測量技術(shù)很難成功使用。解決這一問題，需要大量的新理論、新材料、新技術(shù)和新方法的強(qiáng)力支撐。微小傳感器已經(jīng)成功應(yīng)用于發(fā)動機(jī)健康狀態(tài)實時監(jiān)測[20-21]，未來借助于微納米傳感器技術(shù)有望對固體發(fā)動機(jī)工作過程進(jìn)行精細(xì)測量。目前，西北工業(yè)大學(xué)采用數(shù)字全息技術(shù)和顯微成像技術(shù)對固體推進(jìn)劑細(xì)觀燃燒過程的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展[22-23](見圖3)，獲得了燃面附近凝相顆粒的空間分布和三維速度矢量，清晰捕獲了鋁的動態(tài)燃燒過程。

3 燃燒流動過程的重要基礎(chǔ)問題

從固體發(fā)動機(jī)的發(fā)展趨勢和支撐技術(shù)來看，其中大量涉及燃燒和流動問題。事實上，固體發(fā)動機(jī)工作過程的核心也正是通過燃燒和流動過程實現(xiàn)能量的兩次轉(zhuǎn)換。為了解決固體發(fā)動機(jī)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究不足的問題、很好地支撐固體發(fā)動機(jī)的發(fā)展，需要針對固體發(fā)動機(jī)的燃燒流動過程開展深入的基礎(chǔ)研究，掌握其中的規(guī)律機(jī)理并形成技術(shù)方法，以完善的理論方法指導(dǎo)設(shè)計、以精確的分析方法評估性能。以發(fā)動機(jī)虛擬試驗技術(shù)為例，需要針對推進(jìn)劑燃燒過程、燃燒產(chǎn)物輸運(yùn)過程、燃燒產(chǎn)物與固體壁面的作用過程進(jìn)行準(zhǔn)確建模，以實現(xiàn)發(fā)動機(jī)工作過程的高精度高置信度仿真分析。

高能量和高壓強(qiáng)的發(fā)展趨勢使得未來固體發(fā)動機(jī)的燃燒產(chǎn)物具有非常典型的超高溫超高壓技術(shù)特征(≥4000 K、≥20 MPa)，這給燃燒流動基礎(chǔ)研究帶來了很大的挑戰(zhàn)。

經(jīng)過分析，認(rèn)為固體發(fā)動機(jī)要想實現(xiàn)細(xì)粒度建模、多維度設(shè)計和高精度仿真，在其燃燒流動領(lǐng)域有如下6個重要基礎(chǔ)問題需加以解決。

3.1 發(fā)動機(jī)環(huán)境下固體推進(jìn)劑細(xì)觀燃燒機(jī)理和燃燒模型

目前行業(yè)內(nèi)普遍采用的固體推進(jìn)劑燃燒模型多是20世紀(jì)80年代以前的相關(guān)研究成果。近40年以來，固體推進(jìn)劑組分和特性在不斷換代發(fā)展，其工作狀態(tài)和工作環(huán)境也在不斷變化，在實踐過程中發(fā)現(xiàn)了許多值得重視的新現(xiàn)象和新規(guī)律。例如，某改性雙基推進(jìn)劑的壓強(qiáng)指數(shù)在16 MPa以上迅速由常規(guī)的0.18躍升為0.85，發(fā)動機(jī)在點火階段發(fā)生了結(jié)構(gòu)失效問題。因而，需要結(jié)合固體發(fā)動機(jī)的當(dāng)前技術(shù)和未來發(fā)展深入研究推進(jìn)劑在超高溫超高壓下的燃燒機(jī)理，以適應(yīng)固體發(fā)動機(jī)的未來發(fā)展需求。

目前國內(nèi)外仍然缺乏固體推進(jìn)劑細(xì)觀燃燒模型和數(shù)值模擬方法。Thomas等[24]基于隨機(jī)堆疊(Random Pack)方法建立了固體推進(jìn)劑細(xì)觀燃燒數(shù)值模擬方法，但是仍無法考慮鋁等金屬添加物的燃燒，其主要原因是學(xué)術(shù)界對于鋁的燃燒模型仍沒有統(tǒng)一的認(rèn)識。近燃面區(qū)域的推進(jìn)劑燃燒模型不僅包含常規(guī)意義的化學(xué)反應(yīng)，還包括了凝相之間復(fù)雜的運(yùn)動規(guī)律和碰撞聚合規(guī)律等。圖4展示了典型的推進(jìn)劑燃燒試驗照片[23]，可以看出在燃燒火焰區(qū)凝相顆粒存在復(fù)雜運(yùn)動規(guī)律和熔融團(tuán)聚規(guī)律，這給鋁的燃燒建模帶來了挑戰(zhàn)。

燃燒溫度和壓強(qiáng)升高會增強(qiáng)分子和原子之間的碰撞與反應(yīng)，使燃燒產(chǎn)物中活性組分含量大幅增加、產(chǎn)物的離子化程度顯著增強(qiáng)，進(jìn)而影響燃燒產(chǎn)物特性和多相流狀態(tài)。屆時發(fā)動機(jī)內(nèi)的燃燒產(chǎn)物將不再是固、液、氣三態(tài)共存，而是固、液、氣、等離子四態(tài)共存，其流動規(guī)律、能量轉(zhuǎn)換規(guī)律也將隨之發(fā)生變化。

在推進(jìn)劑燃燒機(jī)理和模型方面需要重點關(guān)注以下相關(guān)內(nèi)容：

1)多相燃燒產(chǎn)物物理化學(xué)特性。

2)近表面區(qū)域細(xì)觀火焰結(jié)構(gòu)與燃燒模型。

3)表面區(qū)域金屬基燃料熔融與著火過程。

4)鋁在燃燒室內(nèi)分散燃燒機(jī)理。

5)高能推進(jìn)劑燃燒反應(yīng)動力學(xué)模型。

6)推進(jìn)劑細(xì)觀燃燒過程的數(shù)值模擬方法。

3.2 發(fā)動機(jī)非線性燃燒不穩(wěn)定機(jī)理

早在20世紀(jì)50～60年代就曾出現(xiàn)固體發(fā)動機(jī)燃燒不穩(wěn)定問題，使用含鋁推進(jìn)劑很好地解決了該問題。但是20世紀(jì)90年代以來，隨著高能量推進(jìn)劑戰(zhàn)術(shù)發(fā)動機(jī)和分段式大型固體發(fā)動機(jī)的研制使用，燃燒不穩(wěn)定問題又重新出現(xiàn)。例如，美國已退役航天飛機(jī)的助推器、歐洲阿里安-5火箭的助推器、翼柱型裝藥戰(zhàn)術(shù)發(fā)動機(jī)[25-26]都曾出現(xiàn)不同程度的燃燒不穩(wěn)定問題。經(jīng)過分析，這些燃燒不穩(wěn)定問題主要是跟燃燒室內(nèi)渦脫落引起的壓強(qiáng)振蕩相關(guān)[26]。渦脫落形成壓強(qiáng)振蕩幅值通常在1‰量級，而發(fā)動機(jī)燃燒不穩(wěn)定時壓強(qiáng)振蕩幅值則達(dá)到1%～10%，這說明其中存在復(fù)雜的能量傳遞機(jī)制和不穩(wěn)定形成機(jī)理(見圖5)。

近些年個別戰(zhàn)術(shù)發(fā)動機(jī)在工作末期發(fā)生非線性燃燒不穩(wěn)定問題[12-13]：周期性的極限振幅壓強(qiáng)振蕩、聲模態(tài)的多階諧波被激發(fā)導(dǎo)致波形畸變、燃燒室內(nèi)平均壓強(qiáng)上升。對于這些非線性特征，目前還缺乏足夠的理論和方法予以解釋，也缺乏相應(yīng)的方法對固體發(fā)動機(jī)的燃燒穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)示。

線性穩(wěn)定性預(yù)估理論已經(jīng)寫入美國的標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定性預(yù)測程序(SSP)中，但是對于其中增益和阻尼項的研究一直在進(jìn)行當(dāng)中。目前主流的幾種非線性理論方法[27-28]各有優(yōu)缺點，在實際應(yīng)用中并不是很成熟，還有待于進(jìn)一步開展大量工作。

在燃燒穩(wěn)定性方面需要重點關(guān)注以下相關(guān)內(nèi)容：

1)固體發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的非線性動力學(xué)特性和相關(guān)理論分析。

2)非線性燃燒不穩(wěn)定的觸發(fā)和演化機(jī)制。

3)熱聲不穩(wěn)定和脈動加質(zhì)不穩(wěn)定對壓強(qiáng)振蕩的作用機(jī)制。

4)湍流和聲對推進(jìn)劑細(xì)觀燃燒的作用機(jī)理。

5)發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對燃燒不穩(wěn)定的增益和阻尼機(jī)制。

6)固體發(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定性預(yù)示方法。

3.3 發(fā)動機(jī)內(nèi)凝相運(yùn)動行為模式及多相流輸運(yùn)規(guī)律

推進(jìn)劑燃燒形成的多相產(chǎn)物在發(fā)動機(jī)內(nèi)輸運(yùn)過程中，會存在凝相蒸發(fā)、燃燒、碰撞和聚合過程耦合，改變凝相粒徑分布和空間釋熱規(guī)律，進(jìn)而影響其輸運(yùn)規(guī)律。在氣動力和徹體力影響下，凝相的運(yùn)動規(guī)律和空間分布規(guī)律會發(fā)生改變，進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)燃燒穩(wěn)定性和對壁面的力熱作用狀態(tài)[29]。

噴管內(nèi)氣流溫度和壓強(qiáng)快速降低，富含活性組分和等離子體的燃燒產(chǎn)物容易發(fā)生復(fù)合反應(yīng)和相態(tài)變化，影響燃燒產(chǎn)物對噴管壁面的力熱作用狀態(tài)，也影響發(fā)動機(jī)的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律。此時，發(fā)動機(jī)中兩階段能量轉(zhuǎn)換的傳統(tǒng)認(rèn)識將發(fā)生變化，在噴管流動過程中既有傳統(tǒng)的內(nèi)能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，也有化學(xué)能到內(nèi)能轉(zhuǎn)換的新機(jī)制。噴管熱力計算時，傳統(tǒng)的凍結(jié)流和平衡流假設(shè)都將不再成立，需要采用非平衡動力學(xué)相關(guān)結(jié)論和方法。例如，在開展推進(jìn)劑新配方研究過程中，某試驗的實測比沖與成熟算法預(yù)測值之間偏差達(dá)到了3.5%，經(jīng)分析認(rèn)為發(fā)動機(jī)內(nèi)多相流輸運(yùn)過程的能量釋放規(guī)律與傳統(tǒng)推進(jìn)劑有很大差異，從而導(dǎo)致原有的計算方法不再適用。

在多相流方面需要重點關(guān)注以下相關(guān)內(nèi)容：

1)燃燒室內(nèi)流動過程中凝相成分的形態(tài)演化規(guī)律。

2)氣動力對凝相成分空間分布的影響規(guī)律。

3)徹體力作用下受限空間內(nèi)凝相顆粒運(yùn)動及相互作用規(guī)律。

4)噴管流動過程中多相燃燒產(chǎn)物相變動力學(xué)。

5)多相燃燒產(chǎn)物在發(fā)動機(jī)內(nèi)流動和演化的數(shù)值模擬方法。

3.4 凝相撞擊壁面的行為模式和對壁面的力熱作用規(guī)律

凝相顆粒(尤其是高溫熔融態(tài)凝相)撞擊壁面時將形成飛濺、反彈、吸附和鋪展等現(xiàn)象，對其后續(xù)運(yùn)動規(guī)律產(chǎn)生影響，同時也呈現(xiàn)出不同的對壁面作用狀態(tài)，影響絕熱結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境和邊界輸入狀態(tài)。凝相顆粒群持續(xù)撞擊壁面時，容易形成強(qiáng)化粘附效應(yīng)，加劇對壁面的力熱作用，進(jìn)而影響熱結(jié)構(gòu)的工作安全性和失效破壞機(jī)理。近些年來，凝相在發(fā)動機(jī)壁面的沉積問題逐漸受到重視。對于分段式固體發(fā)動機(jī)來說，過量的熔渣沉積是其面臨的一個重要問題。例如，國內(nèi)某直徑2 m的大型分段式固體發(fā)動機(jī)的熔渣沉積量約210 kg，是同等尺寸整體式發(fā)動機(jī)的3倍[30-31]。晁侃等[32]對運(yùn)載火箭所用的斜噴管固體助推器進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)噴管斜置會引起大量的凝相顆粒在噴管收斂段壁面沉積。

超高溫超高壓狀態(tài)下多相燃燒產(chǎn)物組分呈現(xiàn)出四態(tài)共存，在作用到壁面時熱交換導(dǎo)致燃?xì)鉁囟认陆?、組分相態(tài)發(fā)生變化，對壁面形成復(fù)雜的機(jī)械侵徹作用和能量傳遞規(guī)律，進(jìn)而影響絕熱結(jié)構(gòu)的燒蝕機(jī)理。

在凝相對壁面作用方面需要重點關(guān)注以下相關(guān)內(nèi)容：

1)發(fā)動機(jī)內(nèi)凝相顆粒撞擊壁面的行為模式。

2)粒子群效應(yīng)下凝相顆粒與壁面的粘附作用機(jī)理。

3)凝相燃燒產(chǎn)物對壁面的機(jī)械侵徹作用規(guī)律。

4)凝相燃燒產(chǎn)物對壁面的能量傳遞規(guī)律。

5)多相燃燒產(chǎn)物與壁面力熱作用的數(shù)值模擬方法。

3.5 多相燃燒產(chǎn)物作用下絕熱結(jié)構(gòu)失效模式與破壞機(jī)理

在超高溫超高壓狀態(tài)下，凝相顆粒的粘性和表面張力增加，更加容易聚合成大粒徑顆粒。由隨流性好、運(yùn)動速度相對較高的小粒徑顆粒聚合而成的大粒徑顆粒，具有更高的速度。這樣，多相燃燒產(chǎn)物對壁面作用狀態(tài)將呈現(xiàn)出粒徑更大、速度更快、溫度更高、組分活性更強(qiáng)等特點。在粒徑更大、動量能量更高的凝相燃燒產(chǎn)物持續(xù)侵徹作用下，絕熱材料燒蝕破壞機(jī)理較以往會發(fā)生改變。受氣動力和徹體力的影響，非均勻稠密多相流撞擊絕熱結(jié)構(gòu)時，交變溫度/壓力場會形成動態(tài)應(yīng)力，對絕熱結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理也產(chǎn)生一定影響。

超高溫超高壓的多相燃燒產(chǎn)物富含活性組分，易與絕熱材料發(fā)生復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，影響絕熱結(jié)構(gòu)燒蝕機(jī)理。在這種情況下，燃燒產(chǎn)物對絕熱機(jī)理的破壞將與以往的存在很大的不同，絕熱結(jié)構(gòu)的失效模式也會有所不同。

傳統(tǒng)研究方法主要關(guān)注絕熱材料宏觀的燒蝕性能和動態(tài)燒蝕過程、微觀的燒蝕形貌，對燒蝕的微觀動態(tài)過程還沒有足夠的關(guān)注。未來需要從微觀燒蝕過程入手，建立起絕熱結(jié)構(gòu)的精細(xì)化燒蝕模型。

在絕熱結(jié)構(gòu)失效破壞方面需要重點關(guān)注以下相關(guān)內(nèi)容：

1)凝相侵徹作用下絕熱材料的微觀結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)。

2)高能多相流與絕熱材料的非平衡化學(xué)動力學(xué)作用機(jī)理和細(xì)觀反應(yīng)模型。

3)多相流強(qiáng)化傳熱模式下絕熱材料傳熱與熱分解規(guī)律。

4)多過程耦合作用下多相燃燒產(chǎn)物引發(fā)的絕熱結(jié)構(gòu)失效機(jī)理。

5)多場多相復(fù)合作用下絕熱結(jié)構(gòu)工作過程的數(shù)值模擬方法。

3.6 多相燃燒產(chǎn)物生成與輸運(yùn)過程對能量轉(zhuǎn)換的影響規(guī)律

如前文所述，高能量高壓強(qiáng)特征在燃燒室內(nèi)形成超高溫超高壓狀態(tài)，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)和規(guī)律較以往具有顯著的不同：燃燒產(chǎn)物中氣、固、液、等離子四態(tài)共存，富含大量活性組分，燃燒室內(nèi)鋁存在分布式燃燒，噴管流動過程中相變和非平衡動力學(xué)特征突出。這將影響固體發(fā)動機(jī)的能量釋放與轉(zhuǎn)換規(guī)律，進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)內(nèi)彈道計算方法和性能預(yù)示方法。在3.2節(jié)提到的比沖預(yù)示偏差較大的試驗發(fā)動機(jī)，其內(nèi)彈道預(yù)示偏差達(dá)到了10%。這說明，當(dāng)前迫切需要建立起適用于高能量高壓強(qiáng)固體發(fā)動機(jī)的內(nèi)彈道計算方法和性能預(yù)示方法。

在發(fā)動機(jī)能量轉(zhuǎn)換方面需要重點關(guān)注以下相關(guān)內(nèi)容：

1)燃燒室內(nèi)燃燒產(chǎn)物相態(tài)和形態(tài)變化對能量轉(zhuǎn)換和發(fā)動機(jī)性能的影響。

2)噴管內(nèi)非平衡化學(xué)動力學(xué)過程對能量轉(zhuǎn)換和發(fā)動機(jī)性能的影響。

3)化學(xué)動力學(xué)與熱力學(xué)復(fù)雜過程耦合作用下固體發(fā)動機(jī)熱力計算方法。

4)考慮多相燃燒產(chǎn)物復(fù)雜流動與熱力過程的內(nèi)彈道計算方法。

5)全彈道下發(fā)動機(jī)性能精確預(yù)示方法。

4 相關(guān)建議

1)加強(qiáng)對基礎(chǔ)研究內(nèi)涵的科學(xué)認(rèn)識，科學(xué)規(guī)劃基礎(chǔ)研究體系。

基礎(chǔ)研究包含三個不同層次的內(nèi)涵，如圖7所示。學(xué)術(shù)意義的基礎(chǔ)研究是針對科學(xué)問題或技術(shù)問題開展基礎(chǔ)研究。目前本行業(yè)內(nèi)更多的是面向工程問題和技術(shù)問題開展基礎(chǔ)研究。應(yīng)當(dāng)說，不同層次的基礎(chǔ)研究所面對的研究對象、研究目標(biāo)和實現(xiàn)途徑等均有很大差異，必須實行差異化對待以避免同一規(guī)劃、同一部署、同一標(biāo)準(zhǔn)。

2)加強(qiáng)對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)算法軟件的開發(fā)應(yīng)用。

目前本行業(yè)缺乏大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在建模計算時此問題非常突出，導(dǎo)致算不準(zhǔn)、無法算、算不全等各類問題，計算結(jié)果易受質(zhì)疑、且重復(fù)性不夠好。缺乏標(biāo)準(zhǔn)算法軟件易導(dǎo)致大量重復(fù)性工作，致使科研成本高。對此，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)方面，應(yīng)借鑒美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的運(yùn)行模式和作用，同國家自然科學(xué)基金委員會、相關(guān)學(xué)科專業(yè)的學(xué)會合作，逐步推動建立國家級或行業(yè)級的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，以解決計算模型常見的輸入問題和基礎(chǔ)問題。在標(biāo)準(zhǔn)算法軟件方面，應(yīng)借鑒NASA以標(biāo)準(zhǔn)程序和開源軟件等途徑加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)算法軟件的建設(shè)與普及，CEA軟件就是一個非常成功的例子。當(dāng)前首要工作是，從本行業(yè)實際需求出發(fā)，完成對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)體系和標(biāo)準(zhǔn)算法體系的梳理和規(guī)劃。需要注意的是，應(yīng)當(dāng)同步加強(qiáng)對知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，有力保障公共數(shù)據(jù)庫和標(biāo)準(zhǔn)算法的建設(shè)和應(yīng)用。

3)加強(qiáng)對嚴(yán)酷環(huán)境試驗技術(shù)、精細(xì)化試驗和測量技術(shù)的研究。

固體發(fā)動機(jī)的高溫高壓環(huán)境已經(jīng)超出常規(guī)研究手段的工作范圍，目前缺乏行之有效的精細(xì)化試驗技術(shù)和測量技術(shù)。應(yīng)當(dāng)綜合考慮當(dāng)前工程研制和技術(shù)研究的需求、未來的發(fā)展需要，合理編制固體發(fā)動機(jī)領(lǐng)域試驗與測量技術(shù)體系規(guī)劃。目前來看，可以重點圍繞四個方面開展相關(guān)研究：發(fā)動機(jī)環(huán)境下推進(jìn)劑燃燒過程的精細(xì)試驗與測量、發(fā)動機(jī)環(huán)境下多相流形態(tài)和相態(tài)變化規(guī)律的精細(xì)試驗與測量、熱結(jié)構(gòu)工作過程中瞬變力熱參數(shù)和物理化學(xué)過程的精細(xì)測量、嚴(yán)酷環(huán)境下溫度、熱流等熱工參數(shù)精細(xì)測量。

4)加強(qiáng)對新興技術(shù)跟蹤與應(yīng)用研究，推動固體發(fā)動機(jī)行業(yè)的重大創(chuàng)新與變革。

基于傳統(tǒng)思路和方法進(jìn)行新材料和新技術(shù)研發(fā)，在既有的理論體系和研究框架內(nèi)，可預(yù)見的性能提升空間有限，而且繼續(xù)前進(jìn)的難度更大。對于發(fā)動機(jī)行業(yè)來說，應(yīng)當(dāng)積極開展新技術(shù)的應(yīng)用研究。例如：利用人工智能技術(shù)研發(fā)新材料和新藥物，其速度可以提升上千倍；利用人工智能技術(shù)進(jìn)行健康體檢結(jié)果分析，可以及早發(fā)現(xiàn)疾病、實現(xiàn)主動治療。對于固體發(fā)動機(jī)領(lǐng)域來說，同樣可以利用人工智能技術(shù)研發(fā)推進(jìn)劑和其它材料、進(jìn)行發(fā)動機(jī)健康預(yù)警和壽命預(yù)估等工作。這就需要固體發(fā)動機(jī)專業(yè)與人工智能專業(yè)進(jìn)行深度交流合作，使人工智能概念在固體發(fā)動機(jī)行業(yè)得以落實和應(yīng)用。

5 結(jié) 論

經(jīng)過60多年的發(fā)展，中國的固體發(fā)動機(jī)技術(shù)取得了豐碩的成果，同時也暴露出基礎(chǔ)不牢、技術(shù)不足等弊端，制約了工程研究和未來發(fā)展。亟需通過加強(qiáng)基礎(chǔ)研究來夯實固體動力的發(fā)展基礎(chǔ)，實現(xiàn)“基礎(chǔ)推進(jìn)發(fā)展、創(chuàng)新引領(lǐng)未來”。

在固體發(fā)動機(jī)的燃燒流動領(lǐng)域，需要重點加強(qiáng)推進(jìn)劑細(xì)觀燃燒過程、多相燃燒產(chǎn)物在發(fā)動機(jī)內(nèi)輸運(yùn)過程及其對壁面作用規(guī)律、發(fā)動機(jī)不穩(wěn)定燃燒機(jī)理、發(fā)動機(jī)能量轉(zhuǎn)換機(jī)理與性能分析方法的相關(guān)基礎(chǔ)研究，實現(xiàn)固體發(fā)動機(jī)的細(xì)粒度建模、多維度設(shè)計、高精度仿真。

致謝

本文在寫作過程中得到了行業(yè)內(nèi)眾多專家的指導(dǎo)，同時也參考了很多專家的學(xué)術(shù)報告資料，因篇幅所限無法逐一予以標(biāo)注和致謝，在此一并表示誠摯謝意。