固體推進(jìn)劑推進(jìn)及毀傷技術(shù)研究進(jìn)展①

聶鑫垚，孔軍利，陶 俊,2，石先銳,2

(1.遼寧慶陽(yáng)特種化工有限公司，遼陽(yáng) 111000；2. 西安近代化學(xué)研究所，西安 710000)

0 引言

傳統(tǒng)意義上的固體推進(jìn)劑是為導(dǎo)彈提供動(dòng)力的復(fù)合含能材料。隨著軍事科學(xué)的進(jìn)步、現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)展需求，新型戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)對(duì)導(dǎo)彈的功能、性能提出了新的要求。一般來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的固體推進(jìn)劑可以在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全燃燒。但是，當(dāng)使用便攜式防空導(dǎo)彈等小型導(dǎo)彈攻擊低空目標(biāo)時(shí)，導(dǎo)彈到達(dá)目標(biāo)后，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)一般還存在固體推進(jìn)劑未燃盡的殘余裝藥。此時(shí)，若可控起爆發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)未燃燒的余藥，則可達(dá)到提高導(dǎo)彈毀傷效果的目的。典型應(yīng)用實(shí)例是裝備了剩余推進(jìn)劑起爆裝置的SA-18便攜式防空導(dǎo)彈，以及其改型型號(hào)“針-S”等。

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展對(duì)固體推進(jìn)劑技術(shù)提出的新要求，例如多級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、推力可控發(fā)動(dòng)機(jī)、二次點(diǎn)火等技術(shù)的應(yīng)用，使得采用這類技術(shù)的導(dǎo)彈，也容易存在因戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)改變而導(dǎo)致的固體推進(jìn)劑燃燒不完全的現(xiàn)象。固體推進(jìn)劑推進(jìn)與毀傷一體化技術(shù)的內(nèi)涵是：根據(jù)具體的戰(zhàn)術(shù)需要，通過(guò)可控起爆發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)未燃燒的余藥，以達(dá)到充分發(fā)揮導(dǎo)彈毀傷效果、拓寬戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)用途的目的。實(shí)現(xiàn)固體推進(jìn)劑推進(jìn)與毀傷一體化技術(shù)，對(duì)于加快國(guó)內(nèi)武器裝備現(xiàn)代化，加速戰(zhàn)略性前沿性顛覆技術(shù)發(fā)展具有重大意義。此外，充分的利用發(fā)動(dòng)內(nèi)未燃燒的余藥更有著高效利用高附加值資源、降本增效的意義，符合建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于固體推進(jìn)劑推進(jìn)與毀傷一體化技術(shù)的研究和應(yīng)用的報(bào)道較少。

本文以固體推進(jìn)劑推進(jìn)與毀傷一體化為目的，基于固體推進(jìn)劑點(diǎn)火后的反應(yīng)增長(zhǎng)過(guò)程，推論出燃燒與爆轟可控轉(zhuǎn)換是突破固體推進(jìn)劑推進(jìn)與毀傷功能一體化的關(guān)鍵技術(shù)；能量性能是決定推進(jìn)毀傷性能的關(guān)鍵因素。同時(shí)，梳理了相應(yīng)的支撐技術(shù)，并對(duì)其進(jìn)行了綜述及展望。最后，對(duì)推進(jìn)與毀傷一體化的技術(shù)途徑提出了設(shè)想。

1 固體推進(jìn)劑點(diǎn)火后的反應(yīng)增長(zhǎng)過(guò)程

固體推進(jìn)劑通常貯存于火箭或?qū)椀陌l(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，其自身包含了燃燒所必須的氧化劑和還原劑，在無(wú)需外界供氧的情況下，由適當(dāng)?shù)耐饨缒芰考ぐl(fā)后，即可產(chǎn)生規(guī)律性燃燒。

一般情況下，固體推進(jìn)劑在點(diǎn)火后會(huì)進(jìn)行正常燃燒。固體推進(jìn)劑燃燒時(shí)會(huì)迅速生成大量高溫燃?xì)猓⑼ㄟ^(guò)噴管膨脹產(chǎn)生推力，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能到動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，為火箭或?qū)椞峁﹦?dòng)力。固體推進(jìn)劑在點(diǎn)燃后以燃燒方式釋放能量，燃速一般為每秒數(shù)毫米至數(shù)十毫米，燃燒過(guò)程沿著燃面的法線方向，以逐層傳播的方式由表面向內(nèi)部發(fā)展。此時(shí)，燃燒波的發(fā)展方向與火藥的消失方向相反。

在固體推進(jìn)劑燃燒的過(guò)程中，若發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的能量積累持續(xù)大于能量釋放或發(fā)動(dòng)機(jī)受到了外界沖擊波，則可能產(chǎn)生異常起爆固體推進(jìn)劑的現(xiàn)象。固體推進(jìn)劑在起爆后，以爆轟的形式釋放能量，此時(shí)形成的爆轟波的傳播速度可以達(dá)到每秒數(shù)千米，爆轟波的發(fā)展方向與火藥的消失方向一致。

燃燒過(guò)程的傳播主要是通過(guò)熱傳導(dǎo)、熱輻射和燃?xì)鈿怏w擴(kuò)散的形式，而爆轟過(guò)程的傳播則是通過(guò)沿著裝藥的爆轟波對(duì)火炸藥沖擊壓縮的方式。研究表明，在燃燒過(guò)程轉(zhuǎn)為爆轟過(guò)程之前，需要形成沖擊波才能完成燃燒轉(zhuǎn)爆轟(Deflagration-to-Detonation Transition, DDT)的過(guò)程，這種沖擊波可以由固體推進(jìn)劑的不正常燃燒引發(fā)，也可以由起爆引發(fā)。

DDT是固體推進(jìn)劑由燃燒狀態(tài)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵點(diǎn)，同時(shí)也是固體推進(jìn)劑由推進(jìn)功能轉(zhuǎn)換為毀傷功能的科學(xué)問(wèn)題。因此，固體推進(jìn)劑在燃燒時(shí)可控向爆轟狀態(tài)轉(zhuǎn)換是實(shí)現(xiàn)推進(jìn)與毀傷一體化的關(guān)鍵技術(shù)，但目前尚無(wú)固體推進(jìn)劑在燃燒時(shí)可控引發(fā)DDT的相關(guān)研究報(bào)道。

2 固體推進(jìn)劑燃燒與爆轟可控轉(zhuǎn)換及其支撐技術(shù)

2.1 燃燒與爆轟可控轉(zhuǎn)換

固體推進(jìn)劑余藥的可控起爆本質(zhì)上是固體推進(jìn)劑從燃燒可控轉(zhuǎn)為爆轟的過(guò)程，即能量的可控釋放。從能量釋放的角度來(lái)說(shuō)，DDT的過(guò)程即為燃燒和爆轟兩種能量釋放形式的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，兩種形式的能量釋放速度差異較大。燃燒性能(燃速、燃速壓力指數(shù)、燃速溫度系數(shù)、壓力溫度系數(shù))是衡量能量釋放速度的重要指標(biāo)。因此，研究固體推進(jìn)劑燃燒性能的影響因素，可實(shí)現(xiàn)對(duì)固體推進(jìn)劑點(diǎn)火后反應(yīng)增長(zhǎng)過(guò)程的設(shè)計(jì)。然后，通過(guò)反應(yīng)增長(zhǎng)過(guò)程中的特性，探索燃燒過(guò)程中起爆的閾值條件，進(jìn)而提出燃燒與爆轟可控轉(zhuǎn)換的機(jī)理和控制方法，達(dá)到實(shí)現(xiàn)固體推進(jìn)劑在正常燃燒過(guò)程中可控轉(zhuǎn)換為爆轟過(guò)程的目的。進(jìn)而開展燃燒與爆轟過(guò)程匹配的研究，為復(fù)合含能材料設(shè)計(jì)方法的優(yōu)化提供理論支撐。圖1為燃燒爆轟可控轉(zhuǎn)換機(jī)理的研究思路。

2.2 燃燒轉(zhuǎn)爆轟研究進(jìn)展及展望

固體推進(jìn)劑燃燒轉(zhuǎn)爆轟的本質(zhì)為外界能量輸入達(dá)到了引發(fā)其爆轟燃燒的閾值。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，當(dāng)含能材料的大部分或局部受到某種刺激而產(chǎn)生了高溫，則會(huì)引發(fā)爆炸的現(xiàn)象；或者當(dāng)生熱速率持續(xù)超過(guò)熱損失速率時(shí)，含能材料中某局部的熱點(diǎn)會(huì)隨著熱量不斷地積累、傳播，然后導(dǎo)致爆轟。但以上觀點(diǎn)并不完全準(zhǔn)確，研究表明，即使能量輸入不足以使炸藥加熱到爆燃溫度，仍會(huì)出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象。影響含能材料DDT過(guò)程的主要因素包括固體推進(jìn)劑組分的組成(能量特性)、固體推進(jìn)劑的燃燒特性、力學(xué)性能和生產(chǎn)工藝等。

火炸藥的DDT是一個(gè)極為復(fù)雜的過(guò)程，且其現(xiàn)象存在隨機(jī)性。因此，對(duì)DDT的誘發(fā)機(jī)理目前尚有爭(zhēng)議。關(guān)于固體推進(jìn)劑的DDT過(guò)程，主流觀點(diǎn)認(rèn)為存在兩種機(jī)理：一種是在燃燒的過(guò)程中形成了爆炸性粉末的堵塞物(又稱為“塞子(plug)” )，該粉末被后生成的高壓燃?xì)鈮嚎s。此時(shí)，粉末壓縮物相當(dāng)于活塞，大量熱燃?xì)鉄o(wú)法穿過(guò)顆粒床層而形成壓縮性燃燒，并產(chǎn)生壓縮波，壓縮波對(duì)之前反應(yīng)的物料形成沖擊，進(jìn)而發(fā)生爆轟的現(xiàn)象(見圖2)。另一種是爆炸性粉末的密度低于某個(gè)臨界值，燃燒過(guò)程中的燃?xì)饪梢酝ㄟ^(guò)顆粒床層，燃燒性質(zhì)即為非壓縮性燃燒，最后會(huì)形成長(zhǎng)圓柱型的燃燒通道。

圖1 燃燒爆轟可控轉(zhuǎn)換機(jī)理和復(fù)合含能材料設(shè)計(jì)方法的研究思路

圖2 燃燒轉(zhuǎn)爆轟的過(guò)程原理圖[17]

在DDT過(guò)程的數(shù)值模擬計(jì)算方面，一些學(xué)者相繼提出了基于不同維度的物理模型。BAER等提出了一種兩相混合的理論，通過(guò)線性法得到了堆積密度為70%、長(zhǎng)10 cm、平均晶粒為100 μm的奧克托金(HMX)藥柱DDT過(guò)程的數(shù)值模型，計(jì)算了炸藥粒徑和孔隙率對(duì)DDT過(guò)程的影響。基于CTH軟件中三維震動(dòng)波的物理模型，BAER 等建立了非平衡連續(xù)體混合含能材料的多維DDT的數(shù)值模型，該模型描述了過(guò)程中材料壓縮與其運(yùn)動(dòng)速率的關(guān)系，以及界面間質(zhì)量、動(dòng)量、能量的交換。STEWART等簡(jiǎn)化了兩相混合理論，采用單相狀態(tài)變量理論建立了多孔含能材料(由HMX制備)DDT的數(shù)值模型，該模型可預(yù)測(cè)DDT實(shí)驗(yàn)中觀察到的高密度“塞子”。同時(shí)，數(shù)值模擬了沖擊轉(zhuǎn)爆轟轉(zhuǎn)變的過(guò)程。近期，Energies報(bào)道了López-Munoz 等基于黎曼近似解、總變量遞減原理構(gòu)建出的固體推進(jìn)劑DDT模型，該模型預(yù)測(cè)的結(jié)果與文獻(xiàn)中報(bào)道的數(shù)據(jù)吻合性較好，可有效評(píng)估爆轟過(guò)程在早階段的瞬態(tài)燃燒過(guò)程。上述對(duì)DDT數(shù)值模擬的研究為DDT可控過(guò)程的數(shù)值模擬和建模提供了有效依據(jù)。

雖然各國(guó)學(xué)者對(duì)含能材料DDT過(guò)程的機(jī)制機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，但所形成的理論不足以支撐高能固體推進(jìn)劑燃燒可控轉(zhuǎn)爆轟的過(guò)程。目前，對(duì)高能固體推進(jìn)劑DDT過(guò)程的研究仍然以評(píng)價(jià)固體推進(jìn)劑的安全性、穩(wěn)定性為目的，研究?jī)?nèi)容以DDT引發(fā)條件的研究為主，DDT的表征方法缺乏對(duì)過(guò)程參數(shù)的評(píng)價(jià)(如轉(zhuǎn)爆轟后的爆壓、爆速)。未來(lái)應(yīng)著重開展：(1)反應(yīng)增長(zhǎng)過(guò)程評(píng)價(jià)方法研究，支撐固體推進(jìn)劑點(diǎn)火后反應(yīng)增長(zhǎng)特性的研究；(2)點(diǎn)火后反應(yīng)增長(zhǎng)特性及起爆閾值研究，揭示反應(yīng)增長(zhǎng)過(guò)程的規(guī)律以及燃燒轉(zhuǎn)爆轟的誘發(fā)閾值；(3)燃燒與爆轟的過(guò)程匹配研究，用于作為推進(jìn)與毀傷效果最優(yōu)化的理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)依據(jù)。

2.3 燃燒性能控制研究進(jìn)展及展望

燃燒可控轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程本質(zhì)上是能量的可控釋放，具體體現(xiàn)為固體推進(jìn)劑燃燒性能的可控調(diào)節(jié)。固體推進(jìn)劑燃燒性能受諸多因素影響，包括固體推進(jìn)劑的組成、各組分的狀態(tài)(非均相界面的性質(zhì)、粒度、晶態(tài))、藥型、堆積密度、力學(xué)性能。固體推進(jìn)劑的燃燒性能的評(píng)價(jià)是圍繞各個(gè)因素(壓力、初始溫度)對(duì)燃速的影響展開的，其中最重要的影響因素是燃燒壓力。從固體推進(jìn)劑燃燒性能的角度來(lái)說(shuō)，其燃燒轉(zhuǎn)爆轟主要是由于火焰區(qū)的氣體無(wú)法快速排出，造成燃燒壓力不斷增高，進(jìn)而引起燃燒速度加，最終導(dǎo)致了固體推進(jìn)劑的爆轟燃燒。

壓力指數(shù)可控是通過(guò)燃燒性能可控控制燃燒轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程的重要手段。燃速壓力指數(shù)是用于描述燃燒壓力與燃速之間關(guān)系的燃燒性能指標(biāo)，其與燃燒轉(zhuǎn)爆轟過(guò)程的關(guān)系最為密切。理論計(jì)算表明，當(dāng)壓力指數(shù)>1時(shí)，若偶然因素使燃?xì)獾纳伤俾蚀笥谌細(xì)獾牧鞒鏊俾剩瑒t會(huì)造成因燃燒室壓力過(guò)大而導(dǎo)致爆炸。一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)>0.6時(shí)，固體推進(jìn)劑即非常容易實(shí)現(xiàn)燃燒到爆轟的轉(zhuǎn)換。

常用的調(diào)節(jié)固體推進(jìn)劑燃燒性能的方法主要包括含能組分的調(diào)節(jié)、含能材料晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、添加燃燒催化劑、藥型設(shè)計(jì)等。通過(guò)優(yōu)化含能組分的組成會(huì)改變含能材料熱分解的特性，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)復(fù)合含能材料的燃燒性能。WEISER等考察了采用CL-20替代HMX作為氧化劑時(shí)對(duì)NEPE推進(jìn)劑燃燒性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)CL-20取代70%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的HMX后，在7 MPa下的燃速由7.5 mm/s提升至15 mm/s，而壓強(qiáng)指數(shù)由0.74降低至0.58，大幅度地改善了推進(jìn)劑的燃燒性能。WU等發(fā)現(xiàn)，與單獨(dú)使用CL-20或HMX相比，采用CL-20/HMX共晶物作為氧化劑后，改性雙基推進(jìn)劑壓力指數(shù)顯著降低，燃燒過(guò)程更為穩(wěn)定。

含能材料在處于不同晶型條件下具有不同的熱分解、燃燒特性。QU等研究了納米SnO晶體暴露面積((2 2 1)面，見圖3)對(duì)RDX分解、熱催化活性的影響。密度泛函理論計(jì)算表明，RDX在SnO的(2 2 1)面上具有更低的分解活化能，有利于NO的吸附和擴(kuò)散過(guò)程以及活性氧的生成，活性氧可以在RDX催化分解的過(guò)程中使HCHO的氧化反應(yīng)更加徹底，進(jìn)而使推進(jìn)劑在較寬的壓力范圍內(nèi)獲得更穩(wěn)定的燃速。KIM等的研究發(fā)現(xiàn)，在熱解的過(guò)程中，二硝酰胺胍(GDN)的β晶型釋放的熱能是α晶型的2.5倍。

圖3 HCHO和NO2在SnO2 (1 1 0)面和(2 2 1) 面上的吸附和反應(yīng)路徑[36]

通過(guò)添加少量的燃燒催化劑(內(nèi)彈道改良劑)，可以改變固體推進(jìn)劑工作過(guò)程中各組分熱分解、燃燒的歷程，從而達(dá)到改變推進(jìn)劑燃燒性能的目的。過(guò)渡金屬氧化物是最常用的燃燒催化劑。例如，氧化鐵(FeO)、氧化銅(CuO)和亞鉻酸銅(CuO·CrO)等。PANG等報(bào)道了一種新型硼氫酸鐵作為燃燒催化劑的研究，可以顯著改善復(fù)合推進(jìn)劑的燃燒性能。近年來(lái)，研究人員圍繞燃燒催化劑的尺度效應(yīng)和新型制備工藝方面展開了研究。FUENTE考察了微米級(jí)的介孔氧化銅對(duì)復(fù)合推進(jìn)劑燃燒性能的影響。研究結(jié)果表明，與無(wú)孔氧化銅相比，介孔氧化銅具有更大的比表面積，可以大幅度提高制備出推進(jìn)劑的燃速(7 MPa，22 m/s)、降低壓力指數(shù)(由0.55降至0.4)。納米材料由于其特殊的表面性質(zhì)、巨大的比表面積和更低的擴(kuò)散間隙，從而可以提升反應(yīng)速率、縮短點(diǎn)火延遲，有效地提高推進(jìn)劑的燃速。LUMAN等在復(fù)合推進(jìn)劑中加入超細(xì)硼和納米鋁作為燃燒催化劑，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)推進(jìn)劑中含有正氧平衡的氧化劑時(shí)，納米級(jí)鋁才能夠有效地提高推進(jìn)劑的燃速。

推進(jìn)劑藥柱的幾何形狀是影響燃燒性能的重要因素。MEHDI等制備了圓形和兩種不同大小的七角星的藥柱，組合成了四種發(fā)動(dòng)機(jī)。結(jié)果表明，STAR-CP(見圖4)的燃燒性能最為穩(wěn)定，特別是對(duì)于含有金屬燃料或催化劑配方的推進(jìn)劑來(lái)說(shuō)。PUESKUELCUE和ULAS使用具有不同三維幾何形狀的推進(jìn)劑藥柱(見圖5(a) )進(jìn)行了小型發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中的壓力-時(shí)間曲線結(jié)果表明，可以通過(guò)改變尾部藥柱的幾何參數(shù)來(lái)獲得不同的助推力和維持剖面，以滿足不同飛行任務(wù)的需求。他們還采用預(yù)定的燃耗間隔對(duì)推進(jìn)劑藥柱進(jìn)行實(shí)體建模，對(duì)于每個(gè)燃燒步驟調(diào)整參數(shù)重新建模，得到了燃燒過(guò)程中藥柱的幾何面積變化(見圖5(b) )，利用這些數(shù)據(jù)和內(nèi)彈道的幾何參數(shù)，獲得了固體推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在壓力方面的性能。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)中的裝藥型狀[43]

(a) Grain configurations of solid propellant

(b) Solid model of several burn steps

目前，大多數(shù)關(guān)于固體推進(jìn)劑燃燒性能調(diào)節(jié)的研究，一方面是為了獲得更為穩(wěn)定的燃燒性能，即盡可能地在較寬的燃燒壓力范圍內(nèi)獲得更穩(wěn)定的燃燒速度(更低的壓力燃速指數(shù))；另一方面是圍繞燃燒速度可控，開展高、低燃速配方的研究。為了實(shí)現(xiàn)基于燃燒性能控制的燃燒爆轟可控轉(zhuǎn)換，未來(lái)應(yīng)圍繞固體推進(jìn)劑燃燒性能的影響因素，開展以下工作：(1)化學(xué)組成、微觀結(jié)構(gòu)、藥型、包覆層等對(duì)點(diǎn)火后反應(yīng)增長(zhǎng)特性參數(shù)的影響研究，構(gòu)建復(fù)合含能材料的設(shè)計(jì)參數(shù)與點(diǎn)火后反應(yīng)增長(zhǎng)特性之間的構(gòu)效關(guān)系；(2)引發(fā)DDT的影響因素研究，揭示復(fù)合含能材料正常燃燒過(guò)程中誘發(fā)DDT的閾值；(3)可轉(zhuǎn)爆轟的復(fù)合含能材料設(shè)計(jì)研究，基于含能材料設(shè)計(jì)參數(shù)與反應(yīng)特性及燃燒過(guò)程中誘發(fā)DDT的閾值之間的影響關(guān)系，以燃燒與爆轟的過(guò)程匹配設(shè)計(jì)為依據(jù)，建立可爆轟的復(fù)合含能材料的設(shè)計(jì)方法。

3 固體推進(jìn)劑推進(jìn)及毀傷性能及其支撐技術(shù)

3.1 固體推進(jìn)劑的推進(jìn)及毀傷性能

對(duì)于具有固體推進(jìn)劑的推進(jìn)毀傷一體化技術(shù)的導(dǎo)彈來(lái)說(shuō)，在其性能評(píng)價(jià)方面，不僅需要評(píng)價(jià)導(dǎo)彈的傳統(tǒng)性能，即推進(jìn)、毀傷綜合性能，還需要評(píng)價(jià)其可控起爆推進(jìn)劑余藥的性能。

固體推進(jìn)劑能量性能的定義為固體推進(jìn)劑的單位體積能量或單位質(zhì)量能量，由固體推進(jìn)劑各組分的組成及制備工藝決定。固體推進(jìn)劑的能量水平的高低影響著導(dǎo)彈的推進(jìn)續(xù)航能力以及其起爆后的毀傷效果。因此，固體推進(jìn)劑的能量性能控制技術(shù)是推進(jìn)及毀傷效果理論計(jì)算的重要設(shè)計(jì)依據(jù)。

3.2 能量性能控制研究進(jìn)展及展望

固體推進(jìn)劑的組分組成，主要包含了燃燒或爆炸過(guò)程中所必須的氧化劑和還原劑(燃料) 。因此，氧化劑和燃料的高能化是提高固體推進(jìn)劑能量性能的重要手段。為了滿足推進(jìn)劑的力學(xué)性能和能量水平，固體推進(jìn)劑已經(jīng)從以硝化纖維素和硝化甘油為主的雙基推進(jìn)劑逐步發(fā)展為具有更好力學(xué)性能和能量水平的復(fù)合固體推進(jìn)劑、改性雙基推進(jìn)劑(包括NEPE推進(jìn)劑)。

新型含能材料可有效地提高固體推進(jìn)劑的能量性能、燃燒性能。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞三代含能材料在固體推進(jìn)劑中的應(yīng)用展開了大量的研究。NAIR等分別采用CL-20和黑索金(RDX)制備出了改性雙基推進(jìn)劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CL-20可以顯著提高推進(jìn)劑的能量性能和燃燒性能。但是，與二代含能材料相比，CL-20的加入會(huì)大幅度提高推進(jìn)劑的感度。WU 等采用CL-20/HMX共晶的方式，在保證改性推進(jìn)劑性能的同時(shí)降低了感度。OLIVERIA等報(bào)道了一種乳液結(jié)晶的方法，制備出了HTPB作為微膠囊殼體包裹ADN殼核球形材料，提高了ADN在HTPB推進(jìn)劑中的化學(xué)相容性，并降低了感度。XIE等通過(guò)理論計(jì)算、燃燒和感度測(cè)試，開展了在NEPE推進(jìn)劑中采用FOX-7替代HMX的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入FOX-7以后，可以在小幅度降低能量性能的前提下，顯著降低推進(jìn)劑的摩擦感度和撞擊感度。此外，F(xiàn)OX-7與CL-20共用也可以顯著提高復(fù)合含能材料的感度性能。DU等研究發(fā)現(xiàn)，硝基甲酸鹽可以明顯降低推進(jìn)劑的特征信號(hào)，且具有較高的比沖(265 s)。徐星星等在制備HTPB推進(jìn)劑的過(guò)程中采用AlH替代Al作為燃料，考察了推進(jìn)劑中AlH、Al相對(duì)含量對(duì)推進(jìn)劑性能的影響，配方優(yōu)化后的推進(jìn)劑比沖可達(dá)280 s。隨著三代、四代含能材料及金屬氫化物在固體推進(jìn)劑中的應(yīng)用技術(shù)逐漸成熟，復(fù)合固體推進(jìn)劑和改性雙基推進(jìn)劑的能量性能會(huì)進(jìn)一步提高。

為了進(jìn)一步提高復(fù)合含能材料的能量性能和安全性能，研究人員近年開展了大量有關(guān)新型高能材料的研發(fā)，主要方向包括富氮全氮材料的合成、高能炸藥的結(jié)晶和共晶技術(shù)、納米含能材料、亞穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料、高能聚合物。但受制備工藝不成熟、材料感度較大、制造成本偏高等限制，目前還未見上述新材料在固體推進(jìn)劑中的相關(guān)應(yīng)用報(bào)道。未來(lái)，若這些新型高能材料在固體中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，則有希望使固體推進(jìn)劑能量性能躍升至新的臺(tái)階。

目前，對(duì)于固體推進(jìn)劑的能量特性的表征，仍然以用于描述固體推進(jìn)劑燃燒時(shí)提供動(dòng)能的能力為主，如爆熱、比沖，而有關(guān)固體推進(jìn)劑能量水平與起爆后毀傷效果之間關(guān)系的研究較少，無(wú)法支撐通過(guò)能量性能控制設(shè)計(jì)導(dǎo)彈的推進(jìn)毀傷綜合性能。未來(lái)還應(yīng)該研究：(1)新型高能材料在固體推進(jìn)劑中的應(yīng)用研究，以提高推進(jìn)及毀傷的綜合性能；(2)含能組分對(duì)起爆閾值的影響研究，建立含能組分與起爆性能之間的影響關(guān)系；(3)固體推進(jìn)劑能量性能、余藥量對(duì)起爆后毀傷效果影響研究，為復(fù)合含能材料設(shè)計(jì)提供科學(xué)的實(shí)踐依據(jù)。

4 固體推進(jìn)劑推進(jìn)與毀傷一體化技術(shù)途徑設(shè)想

4.1 起爆技術(shù)及起爆材料

在固體推進(jìn)劑正常燃燒為導(dǎo)彈提供動(dòng)能的過(guò)程中，若掌握由正常燃燒過(guò)程變?yōu)楸Z過(guò)程的可控轉(zhuǎn)換機(jī)理和對(duì)應(yīng)的刺激條件閾值，則通過(guò)可控起爆技術(shù)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)與毀傷一體化的目的。

在固體推進(jìn)劑起爆毀傷研究的方面，于川等采用電雷管和太安傳爆的方式起爆了聚醚復(fù)合固體推進(jìn)劑，板痕試驗(yàn)中固體推進(jìn)劑的 TNT當(dāng)量系數(shù)為0.48；爆炸沖擊波超壓測(cè)試得到固體推進(jìn)劑的 TNT當(dāng)量系數(shù)可達(dá)到1.568。王寧等制備了四種固體推進(jìn)劑，模擬了固體推進(jìn)劑余藥存在下對(duì)戰(zhàn)斗部毀傷效果的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，0.6 kg固體推進(jìn)劑對(duì)1 kg的PBXN炸藥的超壓TNT當(dāng)量和沖量TNT當(dāng)量分別貢獻(xiàn)了18.7%和19.7%。上述研究成果證明，起爆未燃燒的固體推進(jìn)劑余藥可以有效提高導(dǎo)彈的毀傷性能。然而，目前有限的研究只關(guān)注了固體推進(jìn)劑的爆炸毀傷效果和對(duì)戰(zhàn)斗部毀傷效果的增益，而并未見燃燒爆轟可控轉(zhuǎn)換或推進(jìn)劑燃燒過(guò)程中的可控起爆研究的相關(guān)報(bào)道。

在起爆技術(shù)方面，爆炸橋絲雷管技術(shù)具有安全性高、起爆時(shí)間重復(fù)性好的特點(diǎn)，但是其引爆不敏感炸藥時(shí)所需要的能量較高；半導(dǎo)體橋起爆技術(shù)擁有較高的可靠性和安全性，同時(shí)只需要很少的能量，即可點(diǎn)燃炸藥；激光起爆技術(shù)可以通過(guò)可見、紅外激光遠(yuǎn)程起爆，避免了使用導(dǎo)爆索、引爆線，起爆過(guò)程不受電磁、溫度、壓力的干擾。此外，激光起爆技術(shù)還可以高效地實(shí)現(xiàn)炸藥的燃燒轉(zhuǎn)爆轟。

在新型起爆材料方面，DOLGOBORODOV等報(bào)道了一種采用機(jī)械活化高能材料方法制備的由納米硅與固體氧化劑(AP)的復(fù)合材料，這種材料與Al共混制備成的含能材料具有較高的爆熱(可達(dá)8.5 kJ/g)和快速的燃燒轉(zhuǎn)爆轟的能力，具有應(yīng)用于起爆裝置的前景。DAI等采用電噴霧沉積法，將采用碳納米管作為粘結(jié)劑制備出的Al/CuO納米鋁熱劑負(fù)載到半導(dǎo)體橋中，這種材料具有優(yōu)異的能量輸出(熱量釋放比隨機(jī)混合制備出的鋁熱劑高出448.6 J/g)，并具有快速引發(fā)和高燃燒溫度的特點(diǎn)(點(diǎn)火延遲低于2.8 μs，燃溫可達(dá)4636 ℃)。此外，近年來(lái)新興的兼具高能量低感度特征的含能金屬有機(jī)骨架材料(Energetic Metal-Organic Framewoks) ，在近激光起爆領(lǐng)域也展現(xiàn)出了應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿ΑANG等首次采用硫酸代銅團(tuán)簇(Cubpy，見圖6)組裝材料作為前驅(qū)體，制備出了銅疊氮化物-雜原子摻雜的多孔化合物(CA-HPCH，見圖7)，與普通的疊氮化銅相比，這種新材料具有更優(yōu)異的點(diǎn)火能力(>60 cm)和更低的靜電感度(=1.1 mJ)，制備出的微起爆裝置具有較短的點(diǎn)火時(shí)間(7 μs)和較低的點(diǎn)火能量輸入(0.106 mJ)。

但現(xiàn)有的起爆技術(shù)及新材料研究的應(yīng)用范圍主要針對(duì)于炸藥領(lǐng)域，能否成功起爆固體推進(jìn)劑需要進(jìn)一步研究。此外，當(dāng)推進(jìn)劑或炸藥受到?jīng)_擊波等外界刺激時(shí)也會(huì)發(fā)生爆炸的現(xiàn)象。應(yīng)該進(jìn)一步研究外界刺激條件誘發(fā)推進(jìn)劑或炸藥殉爆機(jī)理機(jī)制，為戰(zhàn)斗部起爆誘發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)殉爆或含余藥的發(fā)動(dòng)機(jī)起爆誘發(fā)戰(zhàn)斗部殉爆的過(guò)程設(shè)計(jì)作為重要支撐。

圖6 Cu12分子簇和Cu12bpy晶體結(jié)構(gòu)中的通道型骨架[77]

圖7 Cu12bpy作為前驅(qū)體合成CA-HPCH的原理圖[77]

未來(lái)應(yīng)該圍繞固體推進(jìn)劑燃燒爆轟可控轉(zhuǎn)換的機(jī)理及燃燒過(guò)程中向爆轟轉(zhuǎn)換的誘發(fā)閾值開展可控起爆技術(shù)的研究，著重開展以下方面工作：(1)起爆原理及起爆閾值研究，揭示誘發(fā)固體推進(jìn)劑起爆的原理和方法，并掌握對(duì)應(yīng)方法的起爆條件閾值；(2)新型可控起爆技術(shù)研究，掌握起爆方法的可控手段，并設(shè)計(jì)可控起爆的過(guò)程；(3)新型起爆材料研究，提高起爆的可靠性、縮短點(diǎn)火延遲。

4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)-戰(zhàn)斗部一體化

發(fā)動(dòng)機(jī)是為導(dǎo)彈提供動(dòng)力的單元，發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體主要為固體推進(jìn)劑的貯存、燃燒提供場(chǎng)所。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮本身需要的強(qiáng)度、剛度，以及其承受燃燒過(guò)程所產(chǎn)生的高溫、高壓和其他機(jī)械荷載的能力。而戰(zhàn)斗部除了作為炸藥的載體外，在起爆后還要充當(dāng)毀傷元，例如爆炸形成侵徹體戰(zhàn)斗部、含能破片戰(zhàn)斗部、LEFP戰(zhàn)斗部等。目前，暫無(wú)有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)-戰(zhàn)斗部一體化彈體結(jié)構(gòu)及一體化裝藥的相關(guān)報(bào)道。

發(fā)動(dòng)機(jī)戰(zhàn)斗部一體化設(shè)想主要分為兩個(gè)層面：第一層面從裝藥技術(shù)上，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑、炸藥一體化裝藥，當(dāng)導(dǎo)彈推進(jìn)至預(yù)定目標(biāo)時(shí)，起爆彈體內(nèi)剩余的一體化裝藥，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)推進(jìn)與毀傷一體化的技術(shù)；另一層面是從彈體結(jié)構(gòu)上，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和戰(zhàn)斗部在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行一體化貫通設(shè)計(jì)，以滿足裝藥一體化需求，傳統(tǒng)導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)-戰(zhàn)斗部一體化結(jié)構(gòu)設(shè)想見圖8。未來(lái)在發(fā)動(dòng)機(jī)-戰(zhàn)斗部一體化研究中，應(yīng)著重開展以下工作：(1)推進(jìn)與毀傷功能一體化的功能性復(fù)合含能材料研究，開發(fā)在正常燃燒條件下具備可控轉(zhuǎn)爆轟能力的復(fù)合含能材料的設(shè)計(jì)方法及制備工藝；(2)裝藥一體化研究，提高裝藥密度，進(jìn)而提升推進(jìn)與毀傷的綜合性能及可控起爆的可靠性；(3)發(fā)動(dòng)機(jī)-戰(zhàn)斗部一體化設(shè)計(jì)，開展傳統(tǒng)的性能與毀傷性能耦合的相關(guān)研究，通過(guò)對(duì)殼體創(chuàng)新設(shè)計(jì)，賦予其同時(shí)具有發(fā)動(dòng)機(jī)和戰(zhàn)斗部的特征，即保證殼體能夠承載推進(jìn)劑燃燒過(guò)程中載荷的同時(shí)，能夠充當(dāng)固體推進(jìn)劑起爆后的毀傷元的能力，達(dá)到毀傷效果最大化的目的。

(a) Traditional missile structure

(b) The integration structure of rocket motor and warhead

5 結(jié)論和展望

固體推進(jìn)劑的推進(jìn)與毀傷一體化技術(shù)，對(duì)于拓寬導(dǎo)彈戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)具有重大的意義。其中，燃燒與爆轟可控轉(zhuǎn)換是實(shí)現(xiàn)該技術(shù)背后的重要科學(xué)原理。開展固體推進(jìn)劑點(diǎn)火后的反應(yīng)增長(zhǎng)過(guò)程特性及燃燒過(guò)程中起爆閾值研究，是揭示燃燒與爆轟可控轉(zhuǎn)換機(jī)理的關(guān)鍵所在。進(jìn)而，基于燃燒爆轟可控轉(zhuǎn)換機(jī)理和燃燒性能控制，可得到可轉(zhuǎn)爆轟的復(fù)合含能材料的設(shè)計(jì)方法。此外，更高的能量水平也有利于提升固體推進(jìn)劑推進(jìn)及毀傷的綜合性能。最后，提出了以可控起爆或發(fā)動(dòng)機(jī)-戰(zhàn)斗部一體化為技術(shù)途徑，實(shí)現(xiàn)固體推進(jìn)劑推進(jìn)與毀傷一體化的設(shè)想。

未來(lái)工作首先應(yīng)圍繞固體推進(jìn)劑點(diǎn)火后的反應(yīng)增長(zhǎng)特性，開展燃燒爆轟可控轉(zhuǎn)換的機(jī)理研究，并圍繞反應(yīng)增長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)燃燒性能和能量性能的需求，構(gòu)建材料的設(shè)計(jì)參數(shù)與DDT之間的構(gòu)效關(guān)系；進(jìn)一步開展燃燒與爆轟的過(guò)程匹配研究，形成可轉(zhuǎn)爆轟的復(fù)合含能材料的設(shè)計(jì)方法。基于復(fù)合含能材料正常燃燒向爆轟轉(zhuǎn)換的過(guò)程特性，開展起爆原理的研究，形成可控起爆的控制方法，以達(dá)到推進(jìn)與毀傷一體化的目的；以推進(jìn)毀傷功能一體化的復(fù)合含能材料為基礎(chǔ)，以發(fā)動(dòng)機(jī)-戰(zhàn)斗部裝藥一體化和結(jié)構(gòu)一體化為技術(shù)途徑，實(shí)現(xiàn)復(fù)合含能材料的推進(jìn)與毀傷一體化。