《固體火箭技術(shù)》編輯部

0 引言

在精確制導(dǎo)高超聲速武器領(lǐng)域，經(jīng)歷2～3年的發(fā)展之后，俄羅斯已經(jīng)成功超過(guò)其他國(guó)外國(guó)家。目前,俄羅斯主要采用助推滑翔式飛行器和巡航式飛行器兩條技術(shù)路線(xiàn)。相比而言，美國(guó)高超聲速武器經(jīng)過(guò)反復(fù)論證后，終于在去年確定以空射快速響應(yīng)武器(ARRW)為其主要發(fā)展方向。但隨著美國(guó)國(guó)防部將高超聲速武器技術(shù)從第一優(yōu)先等級(jí)下調(diào)到微電子技術(shù)和5G技術(shù)之后，鑒于今年美國(guó)高超聲速武器研究經(jīng)費(fèi)不足的現(xiàn)狀，美國(guó)在與俄羅斯第一輪高超聲速武器的競(jìng)爭(zhēng)中落敗已成事實(shí)。因此，美國(guó)已經(jīng)將戰(zhàn)略重心轉(zhuǎn)移至陸基戰(zhàn)略威懾(GBSD)項(xiàng)目對(duì)民兵3導(dǎo)彈的更新?lián)Q代與退出《中導(dǎo)條約》后美國(guó)的陸基中程武器打擊能力的恢復(fù)上。在GBSD方面，諾思羅普·格魯曼公司在波音公司退出后成功獲得了工程研制階段的授權(quán)，計(jì)劃擴(kuò)展團(tuán)隊(duì)并投資必要的人員和設(shè)施以做好計(jì)劃這一階段的準(zhǔn)備。在陸基中程武器打擊能力建設(shè)方面，作為去年DARPA“作戰(zhàn)火力”(OpFires)計(jì)劃的延續(xù)，第三階段合同的3200萬(wàn)美元被授予洛克希德·馬丁公司。同時(shí)，其他各家公司也紛紛完成了自家的第二級(jí)節(jié)流可調(diào)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)方案的最終驗(yàn)證試驗(yàn)。精確打擊導(dǎo)彈項(xiàng)目是遠(yuǎn)程精確打擊火力(LRPF)項(xiàng)目的一部分，美國(guó)認(rèn)為過(guò)去由于中導(dǎo)條約的存在，極大地削弱了美國(guó)陸軍的戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)打擊能力，這導(dǎo)致美國(guó)過(guò)于依賴(lài)?？栈鹆χг?，現(xiàn)役的陸軍戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈系統(tǒng)(ATACMS)完全不能滿(mǎn)足未來(lái)對(duì)抗的需求。

總的來(lái)看，在今后幾年內(nèi)的高超聲速武器領(lǐng)域，俄羅斯都會(huì)占據(jù)領(lǐng)先地位。在固體推進(jìn)動(dòng)力領(lǐng)域，電控推進(jìn)劑、3D打印、納米、含能材料等技術(shù)依然是研究的熱點(diǎn)和趨勢(shì)。

1 2020年固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展情況

1.1 美國(guó)航天局空間發(fā)射系統(tǒng)(SLS)完成重要里程碑

SLS[1]火箭是美國(guó)航空航天局(NASA)研制的新一代超重型運(yùn)載火箭，用于支持月球和火星等深空探測(cè)任務(wù)。它對(duì)現(xiàn)有推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)化改進(jìn)，其雙固體火箭助推器在現(xiàn)有四段式航天飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)改為了五段式的發(fā)動(dòng)機(jī)，它的4臺(tái)RS-25主發(fā)動(dòng)機(jī)將以高于航天飛機(jī)計(jì)劃中的推力水平運(yùn)行。SLS的主要作用是為NASA的阿爾忒彌斯計(jì)劃提供運(yùn)載能力，計(jì)劃第一階段運(yùn)載工具的芯級(jí)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)與助推器已經(jīng)從生產(chǎn)地點(diǎn)運(yùn)至肯尼迪航天中心，并完成了綠色點(diǎn)火測(cè)試[2-4]。2020年12月在國(guó)家航天委員會(huì)會(huì)議上，NASA表示，已經(jīng)完成了SLS超重型火箭芯級(jí)的研制工作，即將在斯坦尼斯航天中心進(jìn)行試驗(yàn)。同月，波音公司和美國(guó)宇航局成功完成了SLS空間發(fā)射系統(tǒng)使用的探測(cè)上面級(jí)EUS的關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審，從而可以繼續(xù)開(kāi)發(fā)，并將其過(guò)渡至硬件建造環(huán)節(jié)，波音公司已經(jīng)開(kāi)始了相關(guān)研制工作，他們將在美國(guó)航天局的米丘德裝配廠(chǎng)建造首個(gè)EUS。SLS火箭的使用曾遭遇多次推遲，項(xiàng)目起初計(jì)劃于2019年首次發(fā)射，之后推遲到2020年6月，根據(jù)最新時(shí)間表，“阿爾忒彌斯”第一階段任務(wù)框架內(nèi)使用SLS的“獵戶(hù)座”飛船的首次無(wú)人駕駛飛行將于2021年11月進(jìn)行。

1.2 NASA持續(xù)推進(jìn)火星上升器動(dòng)力相關(guān)研究

2019年11月，NASA針對(duì)火星上升器(MAV)的單級(jí)固液混合推進(jìn)系統(tǒng)和兩級(jí)固體推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了初步架構(gòu)評(píng)估(PAA)[5]，其中單級(jí)固液混合推進(jìn)系統(tǒng)主要由噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)、馬歇爾太空飛行中心(MSFC)、白沙試驗(yàn)基地(WSTF)、艾姆斯研究中心(ARC)、蘭利研究中心、惠廷希爾航空航天公司、空間推進(jìn)集團(tuán)(SPG)、普渡大學(xué)和賓州州立大學(xué)等單位參與研究[6-10]；兩級(jí)固體推進(jìn)系統(tǒng)的研制任務(wù)則主要由馬歇爾太空飛行中心與噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室兩家單位承擔(dān)[11]。最終的評(píng)估結(jié)果表明，雖然固液混合方案具有單級(jí)、耐低溫、高比沖、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是目前多次點(diǎn)火以及噴管燒蝕等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題仍未得到有效解決。鑒于存在2026年前完成發(fā)射的時(shí)間周期限制，最終NASA決定采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且技術(shù)成熟度(TRL)更高的兩級(jí)固體推進(jìn)火箭作為MAV的動(dòng)力系統(tǒng)。該型兩級(jí)固體推進(jìn)火箭具體將由諾思羅普·格魯曼公司在Star17/Star12GV型發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行研制開(kāi)發(fā)。但這也不代表NASA會(huì)完全放棄針對(duì)固液混合方案的研究，畢竟在過(guò)去5年的不斷努力下固液混合技術(shù)已被從零基礎(chǔ)狀態(tài)發(fā)展為成熟度5以上的關(guān)鍵技術(shù)[12-15]，后續(xù)其在工程技術(shù)方面的突破值得進(jìn)一步關(guān)注。

1.3 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)級(jí)間連接機(jī)構(gòu)獲得改進(jìn)

不管是用于軍事領(lǐng)域，還是空間發(fā)射領(lǐng)域的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)都被殼體和兩端封閉，一端帶有用于點(diǎn)燃固體推進(jìn)劑的點(diǎn)火裝置，而另一端則支撐噴管以排出由推進(jìn)劑在殼體內(nèi)燃燒而產(chǎn)生的燃?xì)?。不論是將推進(jìn)劑澆注在殼體內(nèi)，還是將噴管或點(diǎn)火裝置連接到發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上，通常都是在遠(yuǎn)離發(fā)射平臺(tái)的專(zhuān)用廠(chǎng)所內(nèi)進(jìn)行的。在存放、運(yùn)輸過(guò)程或整個(gè)發(fā)射過(guò)程中，外部原因(如溫度升高，撞擊或靜電)都可能導(dǎo)致固體燃料突發(fā)不可控燃燒，造成巨大的人員財(cái)產(chǎn)損失。為降低風(fēng)險(xiǎn)，通常的做法是將具有預(yù)定斷裂點(diǎn)的臨時(shí)連接元件連接到殼體，如果發(fā)生自燃，該斷裂點(diǎn)由于殼體內(nèi)部氣體壓力作用而破裂，致使燃?xì)庀蛲饬鞒觯瑥亩档土税l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)部的壓力和燃燒產(chǎn)生的推力。當(dāng)在發(fā)射平臺(tái)上完成所有發(fā)射準(zhǔn)備工作后，就會(huì)將臨時(shí)連接元件移除，并用永久性結(jié)構(gòu)元件代替并實(shí)現(xiàn)飛行。但上述方法在處理多級(jí)固體火箭串聯(lián)問(wèn)題時(shí)，卻變得異常復(fù)雜且危險(xiǎn)。為此，意大利Avio公司提出一種針對(duì)連接機(jī)構(gòu)的發(fā)明專(zhuān)利[16]，對(duì)傳統(tǒng)封頭卡環(huán)進(jìn)行了改進(jìn)，成功解決了上述問(wèn)題。此外，NASA[17]針對(duì)SLS火箭中載人艙與火箭的連接段，提出了基于輕質(zhì)復(fù)合材料的粘結(jié)技術(shù)，并通過(guò)材料屈曲與失效實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該粘結(jié)技術(shù)的有效性。

1.4 固體藥柱芯模與老化監(jiān)測(cè)新技術(shù)

2020年4月，為了減少高性能固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑藥柱制造時(shí)的爆炸危險(xiǎn)，印度防務(wù)研究與開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)提出了可拆卸芯模技術(shù)[18]和相應(yīng)的推進(jìn)劑藥柱制造技術(shù)[19]，涉及可拆卸的芯模組件設(shè)計(jì)和具有深翅片腔的固體推進(jìn)劑藥柱制備。芯模組件包括基礎(chǔ)芯模、可插入基礎(chǔ)芯模的芯心軸以及環(huán)繞發(fā)動(dòng)機(jī)軸線(xiàn)連接到基礎(chǔ)芯模的翅片。在推進(jìn)劑澆鑄前和固化后，以特定順序分別組裝和拆卸芯模部件，使用較少的零件和關(guān)鍵接頭，有效減少甚至免除了后固化和拔模時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)前端的機(jī)械操作，可避免固體推進(jìn)劑藥漿造成裂紋引起的爆炸危險(xiǎn)。

2020年10月，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)老化問(wèn)題，美國(guó)古德里奇公司分別提出了基于氣囊、氣體壓力和液囊的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑藥柱力學(xué)性能在線(xiàn)檢測(cè)方法[20-22]。其工作原理是利用氣體或者液體向固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑藥柱表面施加力，在其表面形成變形，并基于變形計(jì)算藥柱的力學(xué)性能，從而獲得推進(jìn)劑藥柱力學(xué)性能隨老化時(shí)間的變化情況。

1.5 激光點(diǎn)火技術(shù)得到更多發(fā)展

日本IHI公司[23-24]經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，成功發(fā)明了可實(shí)現(xiàn)自檢完整性的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)激光點(diǎn)火裝置，并申請(qǐng)了專(zhuān)利。該點(diǎn)火裝置，通過(guò)激光點(diǎn)燃微量的點(diǎn)火藥劑，點(diǎn)火藥劑再點(diǎn)燃固體點(diǎn)火藥盒，點(diǎn)火藥盒最終實(shí)現(xiàn)固體發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火。該激光點(diǎn)火裝置由激光器、激光合并單元、光纖、透射/反射單元、點(diǎn)火藥劑/點(diǎn)火藥盒組成。其中，激光器采用波長(zhǎng)分別為450 nm和850 nm的半導(dǎo)體激光器，分別對(duì)應(yīng)兩路光路，450 nm激光用于點(diǎn)火，另一路850 nm用于檢驗(yàn)激光器光路的完整性；激光合并單元主要是將450 nm的激光和850 nm的激光合并，使其合并進(jìn)入光纖，其中850 nm光路配有分光片和能量檢測(cè)單元，用于探測(cè)返回的激光能量；光纖用于傳輸450 nm激光到用于點(diǎn)火的微量點(diǎn)火藥劑表面，并將850 nm激光傳輸?shù)焦饫w后部的透射/反射單元，同時(shí)將經(jīng)過(guò)反射的850 nm激光傳輸回光纖前端；透射/反射單元將點(diǎn)火激光傳輸?shù)近c(diǎn)火藥表面，并將用于自檢的激光反射回光纖前部的能量監(jiān)測(cè)單元，完成點(diǎn)火器的結(jié)構(gòu)完整性自檢。

2 2020年固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)前沿技術(shù)突破情況

2.1 美國(guó)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出首個(gè)可重復(fù)啟動(dòng)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

洛斯阿拉莫斯(LANL)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室最近研發(fā)出一種更安全的固體推進(jìn)系統(tǒng)，其固體燃料和氧化劑是單獨(dú)分裝的。為了滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)多次點(diǎn)火任務(wù)需求，LANL實(shí)驗(yàn)室將傳統(tǒng)點(diǎn)火藥柱替換成水并設(shè)計(jì)出一種可重復(fù)使用的點(diǎn)火系統(tǒng)。在點(diǎn)火之前，首先通過(guò)電解裝置將水電離成氫氣和氧氣。之后，氫氣和氧氣被迅速注入到燃燒室內(nèi)并被火花塞引燃。最后，高溫火焰在燃燒室內(nèi)傳播，點(diǎn)燃固體推進(jìn)劑并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定推力輸出。為了快速熄滅燃燒室火焰、實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)駐停，LANL實(shí)驗(yàn)室還設(shè)計(jì)了一種新型節(jié)流式塞式噴管。當(dāng)推進(jìn)劑的燃燒速率達(dá)到一定數(shù)值，阻塞區(qū)就會(huì)被打開(kāi)來(lái)降低燃燒室壓力，從而導(dǎo)致推進(jìn)劑燃燒火焰熄滅。在發(fā)動(dòng)機(jī)下次點(diǎn)火之前，阻塞區(qū)會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到初始位置。目前，LANL實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)完成了單級(jí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的多次點(diǎn)火啟停試驗(yàn)，下一步將進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的在軌驗(yàn)證。

2.2 機(jī)器學(xué)習(xí)及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得新應(yīng)用

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性對(duì)于了解固體燃料動(dòng)力系統(tǒng)的基本性能至關(guān)重要。由于發(fā)動(dòng)機(jī)殼體內(nèi)部的高壓和惡劣的化學(xué)條件以及羽流環(huán)境的影響，獲取固體推進(jìn)劑燃燒相關(guān)數(shù)據(jù)顯得異常困難。針對(duì)特定環(huán)境下，設(shè)計(jì)具有所需燃速的推進(jìn)劑配方，目前主要是基于經(jīng)驗(yàn)和嘗試的方法，這種方法嚴(yán)重影響了研制新型固體推進(jìn)劑的進(jìn)度。針對(duì)上述兩個(gè)正反問(wèn)題，機(jī)器學(xué)習(xí)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)科學(xué)方法提出了一種新概念和策略。

關(guān)于第一個(gè)正問(wèn)題，即關(guān)于燃燒性能預(yù)測(cè)方法，印度-俄羅斯聯(lián)合研究小組提出[25-27]，通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)，基于已有燃燒試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也可訓(xùn)練出多因素燃燒計(jì)算模型，從而可用來(lái)預(yù)測(cè)不同壓力和初始溫度范圍內(nèi)各種推進(jìn)劑混合物的燃燒速率和熱力學(xué)參數(shù)。研究人員已經(jīng)就AP-HTPB復(fù)合推進(jìn)劑的燃燒問(wèn)題，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，建立了關(guān)于丁羥復(fù)合推進(jìn)劑的燃燒模型，并通過(guò)該模型預(yù)測(cè)出許多新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時(shí)，借助該燃速模型，開(kāi)展了雙推力固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室流場(chǎng)的CFD數(shù)值仿真，為高速瞬態(tài)固體推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的彈道預(yù)測(cè)做出可信的決策。另外，佐治亞理工學(xué)院的研究人員提出[28]，通過(guò)已有獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)作為輸入，借助機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，也可訓(xùn)練出有效的“虛擬傳感器”。通過(guò)該模型，可獲得固體助推器在燃燒室或羽流中無(wú)法獲得的關(guān)鍵信息，進(jìn)而為異常檢測(cè)和沖擊檢測(cè)等提供更好的指導(dǎo)方向。

關(guān)于第二個(gè)反問(wèn)題，通過(guò)高能材料基因組方法，進(jìn)一步深入理解多因素計(jì)算模型所建立的燃燒和爆燃過(guò)程中多參量之間關(guān)系的內(nèi)在機(jī)理，加速新型固體推進(jìn)劑的發(fā)現(xiàn)，為各種航天應(yīng)用帶來(lái)令人滿(mǎn)意的性能。在2018年，綿陽(yáng)中科院化學(xué)材料所[29]通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和高能材料基因組(EMG)方法，給出了如何通過(guò)識(shí)別“遺傳”特征，快速進(jìn)行分子設(shè)計(jì)和篩選來(lái)加速高能低敏感度材料的研制過(guò)程，并發(fā)現(xiàn)一種具有奧克托今(HMX)高能量和低敏感性的鈍感烈性炸藥，為開(kāi)發(fā)新的高能量密度材料開(kāi)辟了一條新的途徑。印度-俄羅斯聯(lián)合研究小組[30]也使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，訓(xùn)練出多因素計(jì)算模型，從而獲得一組滿(mǎn)足預(yù)定性能和結(jié)構(gòu)特性的新型推進(jìn)劑配方。另外，該方法也被用于國(guó)際空間站中固體推進(jìn)劑的發(fā)展[31]，利用訓(xùn)練有素的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)混合適當(dāng)?shù)奶砑觿?催化劑/粘合劑，找到現(xiàn)有空間碎片粉末的最佳組合，以滿(mǎn)足國(guó)際空間站平臺(tái)特定條件下所需的燃燒速率。

2.3 對(duì)推進(jìn)劑的改良與基礎(chǔ)燃燒機(jī)理的研究仍是行業(yè)發(fā)展熱點(diǎn)之一

傳統(tǒng)固體推進(jìn)劑中最常用的氧化劑是高氯酸銨(AP)，在使用AP的常見(jiàn)推進(jìn)劑配方中，多達(dá)98%的可用氯離子可能會(huì)轉(zhuǎn)化為氯化氫(HCl)。HCl會(huì)污染環(huán)境、破壞臭氧層、腐蝕現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。此外，HCl氣體容易與空氣中水蒸汽結(jié)合成液滴，形成二次煙霧，使火箭或?qū)椄菀妆话l(fā)現(xiàn)，不利于隱藏發(fā)射陣地。普渡大學(xué)研究基金會(huì)年初公布的一項(xiàng)專(zhuān)利顯示了其對(duì)含AP推進(jìn)劑的改良技術(shù)[32]。為了減少燃燒產(chǎn)物中氯化氫含量，制備時(shí)，將嗜鹽金屬(Li)與嗜氧金屬(Al)結(jié)合以形成合金，將上述Al-Li合金與氧化劑和粘合劑結(jié)合以形成復(fù)合推進(jìn)劑，進(jìn)行燃燒。為了不降低推進(jìn)劑的比沖和密度，改進(jìn)的推進(jìn)劑中，Al-Li合金的質(zhì)量百分含量在5%～40%，氧化劑的質(zhì)量百分含量在55%～79%，粘合劑的質(zhì)量百分含量在5%～25%。其中，Al-Li合金中，金屬鋰與金屬鋁的質(zhì)量比在約14%～34%之間。在復(fù)合推進(jìn)劑中，增加Al-Li合金，一方面可消除尾氣中的HCl氣體，另一方面可減小固體推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)物中的熔融液滴尺寸和數(shù)量。

同樣是對(duì)金屬Li的應(yīng)用，圣路易斯大學(xué)的研究人員在年初公布的專(zhuān)利[33]中，發(fā)明了用于燃燒應(yīng)用的高能nMx納米復(fù)合材料，具有足夠高的能量密度(體積和重量)，可用作液體推進(jìn)劑、固體推進(jìn)劑、炸藥和煙火劑的添加劑。該納米復(fù)合材料是一種均質(zhì)混合物，包含兩種不同的金屬，第一種是Li3A1H6納米顆粒，第二種是納米鋁顆粒。兩者都與一定量的Ti金屬締合，且被納米級(jí)有機(jī)層鈍化，可在空氣中穩(wěn)定存在。含nMx的固體推進(jìn)劑安全且受控，具有獨(dú)特的燃燒性能，不會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物或發(fā)生相變過(guò)程，從而保證nMx高的能量輸出。

高氯酸銨[34](AP)/端羥基聚丁二烯(HTPB)層壓推進(jìn)劑是復(fù)合推進(jìn)劑的簡(jiǎn)化二維結(jié)構(gòu)，可用于研究基本燃燒現(xiàn)象，尤其是在氧化劑/粘合劑界面處。德克薩斯AM大學(xué)[35]使用普通HTPB、微米和納米鋁顆粒的燃料薄層制備了層壓推進(jìn)劑樣品，以模擬實(shí)際的含金屬推進(jìn)劑配方(71%AP、18%鋁和11%粘合劑)。燃料層厚度保持恒定，約150 μm，所有樣品均在515 psia(3.55 MPa)的壓力下燃燒。微量鋁的加入降低了前鋒火焰之間的距離和擴(kuò)散火焰高度，并用納米鋁替代微米鋁進(jìn)一步降低了這兩個(gè)參數(shù)。此外，與微米鋁化樣品相比，納米鋁化樣品從燃燒推進(jìn)劑表面噴射的顆粒平均尺寸顯著降低。與未鋁化層壓的樣品相比，含微米鋁顆粒和納米鋁顆粒的樣品燃燒速度分別慢約20%和65%。結(jié)果表明，用納米鋁部分替代微米鋁可以顯著減少金屬團(tuán)聚，并有可能提高推進(jìn)劑性能。

環(huán)三亞甲基三硝胺(RDX)廣泛用于鋁化固體推進(jìn)劑中，以增加比沖。基于熱重-差示掃描量熱法，激光點(diǎn)火，燃燒診斷和新型的自制固相燃燒產(chǎn)物(CCPs)收集裝置，研究人員對(duì)RDX含量對(duì)推進(jìn)劑燃燒和團(tuán)聚的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[36]。結(jié)果表明，RDX抑制了AP的分解，增加了含鋁推進(jìn)劑的點(diǎn)火延遲和自持燃燒時(shí)間。燃燒強(qiáng)度隨RDX含量的增加而降低，添加RDX可降低6～10 MPa內(nèi)的燃燒速率。與基準(zhǔn)推進(jìn)劑相比，RDX明顯加劇推進(jìn)劑燃燒表面燃燒產(chǎn)物的團(tuán)聚。相對(duì)于不含RDX的推進(jìn)劑，含6%和12%RDX推進(jìn)劑的燃燒產(chǎn)物中，平均顆粒尺寸從46.3 μm增加到86.7、96.6 μm。當(dāng)RDX含量從0增加到12%時(shí)，推進(jìn)劑中鋁的燃燒效率降低了15%?？傮w而言，RDX綜合影響含鋁推進(jìn)劑的點(diǎn)火、燃燒和團(tuán)聚特性。這項(xiàng)研究的成果可指導(dǎo)RDX在含鋁推進(jìn)劑中的應(yīng)用和研制。

2.4 電控推進(jìn)劑研究不斷強(qiáng)化

為了滿(mǎn)足對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和固體沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的推力控制需求，研究人員進(jìn)行了高壓電場(chǎng)對(duì)橫向來(lái)流條件下聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)燃燒特性影響的數(shù)值模擬[37]，分析了電場(chǎng)對(duì)PMMA的燃速和燃?xì)赓|(zhì)量流率的影響機(jī)理。當(dāng)受到正電壓作用時(shí)，PMMA燃?xì)赓|(zhì)量流量可增加約54%。在不同強(qiáng)度的負(fù)電壓作用下，PMMA燃?xì)赓|(zhì)量流量可能增加約5.5%，也可能減少約14%。電場(chǎng)對(duì)PMMA燃速的影響主要?dú)w因于電場(chǎng)引起的體積力變化，這將引起離子風(fēng)效應(yīng)，改變組分分布的同時(shí)還影響了反應(yīng)熱，最終改變了對(duì)固相的熱反饋。

2020年2月18日，雷神公司公布了其將電控推進(jìn)劑用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力管理的新專(zhuān)利[38]，通過(guò)在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主裝藥以外附加電控推進(jìn)劑的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作推力的管理。電控推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的燃?xì)饪稍趪姽苤白⑷?，用?lái)提高質(zhì)量流量和燃燒室壓強(qiáng)；也可在噴管喉部處注入，通過(guò)減小有效喉部面積來(lái)增加燃燒室壓力；也可在喉部下游注入以進(jìn)行推力矢量控制；還可對(duì)上述方案進(jìn)行組合。對(duì)于某些類(lèi)型的電控推進(jìn)劑，只要燃燒壓力不超過(guò)其自持燃燒的閾值，就能夠進(jìn)行電控開(kāi)啟和關(guān)閉，而不需要任何物理控制閥。

除了將電控推進(jìn)劑作為傳統(tǒng)推進(jìn)劑推力控制的一部分，電控推進(jìn)劑還可直接作為微小衛(wèi)星姿軌控的動(dòng)力來(lái)源，雷神公司在1月公開(kāi)的專(zhuān)利[39]表明，電控推進(jìn)劑可應(yīng)用于諸如質(zhì)量不超過(guò)1.33 kg、體積約1 L的立方星等微小衛(wèi)星上。推進(jìn)器可作為衛(wèi)星框架的組成部分固定在框架上，包括電控推進(jìn)劑和激活電控推進(jìn)劑的電極兩部分，整個(gè)推進(jìn)器和衛(wèi)星框架均可以單獨(dú)制造或者一體成型。另外，推進(jìn)器可帶有噴管來(lái)排出燃燒氣體，可位于框架的拐角處或沿邊緣布置，用于完成衛(wèi)星的各種機(jī)動(dòng)。

去年8月，為了追求固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力優(yōu)化，雷神公司開(kāi)發(fā)了一種電控固體推進(jìn)劑技術(shù)，該技術(shù)適用于多脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)和連續(xù)可變推力器[40]。這種被稱(chēng)為鳳凰推進(jìn)劑(PhoenixTM ePropellant)的新型推進(jìn)劑是惰性的，點(diǎn)火燃燒時(shí)需要對(duì)其施加超過(guò)閾值的電功率。經(jīng)過(guò)安全測(cè)試，該推進(jìn)劑被排除在美國(guó)運(yùn)輸部I類(lèi)物品之外，不需要按特殊爆炸物處理。在多脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)中，只需要在脈沖裝藥間采用一薄層該推進(jìn)劑，就既可使前一級(jí)裝藥燃燒停止，又可用于點(diǎn)燃下一級(jí)裝藥，該方法已被證明可在單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)3次或以上的脈沖工作。在小型推力器應(yīng)用中，已經(jīng)證明可實(shí)現(xiàn)數(shù)百次脈沖，且每個(gè)脈沖大小可由供電功率大小來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.5 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑3D打印技術(shù)進(jìn)一步深化發(fā)展

2020年5月13日，美國(guó)太空技術(shù)初創(chuàng)公司Rocket Crafters Inc(RCI)完成了其彗星系列固液混合動(dòng)力3D 打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試。測(cè)試是在肯尼迪航天中心以南約 20英里處的佛羅里達(dá)州科考亞公司的設(shè)施中進(jìn)行的，火箭使用了 5000 磅的全推力發(fā)動(dòng)機(jī)，這是迄今為止最大的固液混合發(fā)動(dòng)機(jī)。

USASMDC公司[41]針對(duì)采用軸向噴射、端燃燒裝藥的固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，研究了3種不同材料的性能和適用性。這3種材料分別是Stratasys公司的Somos WaterClear，Shapeways公司的Visijet和Formlabs公司的Castable Wax。燃料裝藥的燃速范圍在0.07～7.11 mm/s之間。與以前的研究相比，本研究采用了更大的燃料裝藥尺寸；另外，與以前使用的ABS塑料相比，這3種材料的燃燒速率和燃料流量較低，但裝藥的結(jié)構(gòu)完整性更好。日本九州理工學(xué)院[42]采用3D打印了燃料裝藥，并在裝藥中布置了梯形電阻。在固液混合發(fā)動(dòng)機(jī)中，通過(guò)光學(xué)測(cè)量燃面的方法和測(cè)量電阻的方法，獲得了燃料裝藥的實(shí)時(shí)電阻，從而比較了兩種實(shí)時(shí)測(cè)量燃速方法的精度和誤差。太空推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室[43]利用3D打印創(chuàng)建具有良好機(jī)械性能和內(nèi)彈道性能的新型石蠟基燃料：鋼化裝藥(Armored Grain)。這種裝藥采用3D打印獲得了4種不同的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，并用大尺度晶粒的石蠟包裹增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，從而形成了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)加固的石蠟裝藥。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鋼化裝藥不僅增加了原始石蠟的屈服應(yīng)力和應(yīng)變能，也不會(huì)降低純石蠟的內(nèi)彈道性能。

雷神公司對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱3D打印過(guò)程進(jìn)行了改進(jìn)，獲得了新型混合器的專(zhuān)利[44]。在打印之前，部分固化推進(jìn)劑混合物，以使打印的推進(jìn)劑材料以部分固化的狀態(tài)沉積在元件上，通過(guò)將材料加熱到其固化溫度或更高的固化溫度，以使其在完全冷卻之前完成固化。此外，雷神公司還使用3D打印技術(shù)對(duì)電控推進(jìn)劑進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)，在新專(zhuān)利[45]中，加熱噴嘴到100～210 ℃，使噴嘴處于高于溶劑的沸點(diǎn)且低于推進(jìn)劑材料的分解溫度，將包含溶劑的推進(jìn)劑材料通過(guò)加熱的噴嘴擠出，以形成固體推進(jìn)劑裝藥。

2.6 碳納米管工程在航天領(lǐng)域得到越來(lái)越重要的應(yīng)用

碳納米管具有優(yōu)良的物理和力學(xué)特性，這使得碳納米管在航空航天領(lǐng)域有著廣闊應(yīng)用前景，如柔性傳感器、柔性電極等用于航天服中航天員生命健康監(jiān)測(cè)設(shè)備，還有可作為航天熱防護(hù)材料等[46-48]。排列的碳納米管(A-CNT)的優(yōu)勢(shì)在于其質(zhì)量比特性，以及容易致密化為均勻的高體積分?jǐn)?shù)(Vf)架構(gòu)，從而可用作航空復(fù)合材料和塊狀納米結(jié)構(gòu)材料的致密增強(qiáng)材料[49]。由于調(diào)整A-CNT陣列的堆積密度對(duì)于改善整個(gè)長(zhǎng)度尺度上的聚合物納米復(fù)合材料(PNC)性能至關(guān)重要，為了解航空級(jí)的納米，中尺度和微米尺度結(jié)構(gòu)復(fù)合基質(zhì)(如熱固性聚合物)受高水平的A-CNT約束力(即CNT之間的納米間距為nm量級(jí))的影響，并證明可在相對(duì)較高的Vf下，對(duì)這些PNC進(jìn)行加工。麻省理工大學(xué)的研究人員制造了毫米級(jí)的機(jī)械致密化A-CNT增強(qiáng)材料的多壁A-CNT航空級(jí)環(huán)氧樹(shù)脂和雙馬來(lái)酰亞胺(BMI)基質(zhì)PNC，并通過(guò)掃描電子顯微鏡分析了它們與Vf的函數(shù)關(guān)系。顯微結(jié)構(gòu)檢測(cè)(SEM)、拉曼光譜和X射線(xiàn)衍射(XRD)顯示了CNT在濃度為1%～30%的稠密陣列中的連接如何影響聚合物的滲透，潤(rùn)濕，結(jié)構(gòu)演變和CNT矩陣形態(tài)。 SEM和XRD結(jié)果表明，在兩種聚合物的所有加工步驟中，基質(zhì)中的CNT排列均保持不變，而斷層掃描顯示出CNT基質(zhì)拉出的跡象。拉曼光譜表明，在更高的CNT填充分?jǐn)?shù)下，原子級(jí)缺陷密度似乎降低，且在Vf增大時(shí)觀(guān)察到拉曼D和G帶的上移。最后，由于碳納米管的濃度較高，因此與X射線(xiàn)衍射圖相似，相比于高Vf的非晶態(tài)聚合物基體，碳納米管對(duì)拉曼光譜的貢獻(xiàn)更大。

2.7 熱防護(hù)材料(TPS)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)一步深化發(fā)展

熱保護(hù)系統(tǒng)(TPS)材料在航空航天工業(yè)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，被廣泛用于保護(hù)高超聲速飛行器、彈道導(dǎo)彈、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、燃燒室殼體和導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)免受極端高溫環(huán)境的侵害[50-55]。TPS材料通常包括多種材料，如陶瓷基復(fù)合材料(CMC)、難熔金屬和燒蝕材料。德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究人員對(duì)近期發(fā)表的文獻(xiàn)進(jìn)行了回顧[56-57]，綜述了用于燒蝕材料的空氣熱測(cè)試方法?？諝鉄釡y(cè)試方法將緊密結(jié)合激光的開(kāi)發(fā)利用而展開(kāi)，包括利用硬化材料評(píng)估實(shí)驗(yàn)室(LHMEL)、電感耦合等離子體(ICP)和JAXA的電弧噴射測(cè)試方法等，其目的是測(cè)試和表征燒蝕特性。LHMEL設(shè)備已針對(duì)氣熱測(cè)試進(jìn)行了全面開(kāi)發(fā)，其主要由兩個(gè)激光器組成，可評(píng)估多種測(cè)試方法，并輸出多個(gè)變量以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和燒蝕潛力評(píng)估。來(lái)自L(fǎng)HMEL的數(shù)據(jù)和測(cè)試診斷的多樣性是對(duì)作為潛在TPS材料的燒蝕特性進(jìn)行深入分析的關(guān)鍵。ICP設(shè)施經(jīng)過(guò)精心開(kāi)發(fā)，可用于空氣熱測(cè)試。與美國(guó)和歐洲通常用于空氣熱測(cè)試的電弧噴射設(shè)備不同，ICP設(shè)備不表現(xiàn)出催化性銅污染，從而得到更精確的燒蝕模擬。ICP所提供的清潔環(huán)境以及高的熱通量和穩(wěn)定的流量是準(zhǔn)確評(píng)估TPS材料的關(guān)鍵。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)2020年固體推進(jìn)領(lǐng)域的重大進(jìn)展進(jìn)行跟蹤研究后，注意到：精確制導(dǎo)武器固體推進(jìn)領(lǐng)域今年的熱點(diǎn)依然圍繞在高超音速攻防，無(wú)人機(jī)、火箭彈攻防方面；在《中導(dǎo)條約》結(jié)束后，美國(guó)對(duì)建立中程精確打擊能力的追求和對(duì)洲際彈道導(dǎo)彈的換代也值得引起注意；與此同時(shí)，美國(guó)透露出無(wú)意陷入高超聲速武器軍備競(jìng)賽的信號(hào)，相應(yīng)的技術(shù)開(kāi)發(fā)層級(jí)也進(jìn)行了下調(diào)，節(jié)省經(jīng)費(fèi)、轉(zhuǎn)換發(fā)展思路、揚(yáng)長(zhǎng)避短也不失為一種新的競(jìng)爭(zhēng)思路；納米技術(shù)、3D打印技術(shù)、太空任務(wù)相關(guān)的空間技術(shù)、基礎(chǔ)級(jí)含金屬推進(jìn)劑、混合動(dòng)力、新概念推進(jìn)依然是未來(lái)固體推進(jìn)技術(shù)研究的重點(diǎn)，固體推進(jìn)劑的可控性則是新的發(fā)展方向。

致謝：感謝西安航天信息研究所航天動(dòng)力智庫(kù)有關(guān)研究人員提供的翔實(shí)資料及分析結(jié)果，也特別感謝北京理工大學(xué)多位老師百忙中傾力開(kāi)展的認(rèn)真評(píng)判研修工作！