空空導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)艦用化關(guān)鍵技術(shù)分析*

王虎干

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽(yáng) 471009)

0 引言

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠性高、維護(hù)簡(jiǎn)便、作戰(zhàn)反應(yīng)速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈。目前國(guó)內(nèi)外在役、在研大部分空空導(dǎo)彈均采用固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，如典型空空導(dǎo)彈美國(guó)的AIM-120［1］、AIM-9X［1］，俄羅斯的 P-77、P-73，以及歐洲的MICA、IRIS-T，以色列怪蛇系列導(dǎo)彈等。

同其他國(guó)家，我國(guó)目前在役空空導(dǎo)彈也多采用固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。隨著我國(guó)航母、艦載機(jī)的服役，面臨空空導(dǎo)彈艦用化的新問(wèn)題:由于艦載機(jī)使用、作戰(zhàn)環(huán)境與陸地戰(zhàn)機(jī)有較大不同，空空導(dǎo)彈艦用化后必然有其特殊要求。文中從使用和作戰(zhàn)環(huán)境入手，分析空空導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)艦用化所要面臨和解決的關(guān)鍵技術(shù)，并給出可能的技術(shù)方向，以期為我國(guó)國(guó)防裝備研制提供參考和借鑒。

1 使用、作戰(zhàn)環(huán)境分析

從壽命和任務(wù)剖面分析，艦載機(jī)空空導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)使用、作戰(zhàn)環(huán)境有如下特點(diǎn)。

1.1 高密度燃料、彈藥貯存環(huán)境

航母上要搭載戰(zhàn)斗機(jī)、攻擊機(jī)、反潛機(jī)等各類艦載機(jī)，要安裝各類火炮、導(dǎo)彈發(fā)射裝置，為了維持航母和這些武器平臺(tái)的動(dòng)力以及正常運(yùn)行，需要儲(chǔ)備大量的燃料和彈藥。因此，航母上燃料、彈藥貯存密度高，稱航母為移動(dòng)的火藥庫(kù)毫不為過(guò)，一旦燃料和彈藥出現(xiàn)意外極易引起二次爆炸。

1.2 復(fù)雜電磁環(huán)境

復(fù)雜電磁環(huán)境是指在一定空域、時(shí)域、頻域上，電磁信號(hào)縱橫交叉、連續(xù)交錯(cuò)、密集重疊，功率分布參差不齊，對(duì)相應(yīng)的電磁活動(dòng)產(chǎn)生重大影響的電磁環(huán)境。航母上主要的電磁輻射包括雷達(dá)、通信、導(dǎo)航系統(tǒng)和電子戰(zhàn)發(fā)射設(shè)備等，此外，電力系統(tǒng)也是潛在的低頻電磁輻射源，電磁環(huán)境極其復(fù)雜。

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在航母上貯存、測(cè)試、掛機(jī)過(guò)程中，點(diǎn)火電路在復(fù)雜電磁環(huán)境下的感應(yīng)電流若超過(guò)發(fā)火元件最大不發(fā)火電流，將導(dǎo)致意外發(fā)火引燃發(fā)動(dòng)機(jī)，危及安全。

1.3 多樣化機(jī)械載荷

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在航母上貯存和測(cè)試過(guò)程中，將經(jīng)歷船艦振動(dòng)、傾斜搖擺、顛震等航母上各類機(jī)械載荷;掛機(jī)過(guò)程中將承受掛飛振動(dòng)、機(jī)動(dòng)飛振動(dòng)、攔阻沖擊等機(jī)械載荷;發(fā)射后經(jīng)歷軸向、橫向過(guò)載以及自主飛振動(dòng)，機(jī)械載荷多樣化，需要保證在全壽命周期內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)不因上述機(jī)械載荷導(dǎo)致性能降低。

與此同時(shí)，在導(dǎo)彈轉(zhuǎn)運(yùn)、艦載機(jī)掛彈著陸等情況下還可能出現(xiàn)跌落、制動(dòng)沖脫等意外情況，需要保證在此類機(jī)械載荷下發(fā)動(dòng)機(jī)不出現(xiàn)爆炸、燃燒并能安全處置。

1.4 海洋氣候環(huán)境

航母作為移動(dòng)作戰(zhàn)平臺(tái)，其使用溫度范圍要比陸地更寬，參考美國(guó)艦上服役的空空導(dǎo)彈，其使用溫度范圍達(dá)－54℃～+63℃(－65℉～+145℉)［1］，低溫極限溫度更低，對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性要求更高。此外，鹽霧環(huán)境下金屬表面極易銹蝕，發(fā)動(dòng)機(jī)裸露金屬表面(吊掛、翼面安裝座)須在全壽命周期內(nèi)保證不出現(xiàn)銹蝕。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

通過(guò)使用、作戰(zhàn)環(huán)境分析，艦載機(jī)空空導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)具備如下技術(shù)特點(diǎn):

1)鈍感，不易因意外刺激產(chǎn)生危險(xiǎn)性響應(yīng)及二次傷害;

2)高電磁安全性，點(diǎn)火系統(tǒng)能夠在復(fù)雜電磁環(huán)境下保證不意外發(fā)火;

3)環(huán)境適應(yīng)性好，在全壽命周期內(nèi)既能夠適應(yīng)船艦振動(dòng)、傾斜搖擺、顛震、艦載機(jī)掛飛振動(dòng)、攔阻沖擊等一系列機(jī)械載荷，又能夠適應(yīng)寬溫度使用范圍、太陽(yáng)輻射、鹽霧等海洋氣候環(huán)境。

由此，空空導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)艦用化面臨如下關(guān)鍵技術(shù)亟待解決。

2.1 低易損發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的低易損性是關(guān)系到導(dǎo)彈生存力的重要特性，是今后固體發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)主要發(fā)展方向。其概念為:發(fā)動(dòng)機(jī)不但能提供安全可靠的推力特性，而且對(duì)諸如熱沖擊和撞擊等意外刺激的反應(yīng)猛烈程度較小。它有兩層含義:一是各種意外刺激雖可損傷發(fā)動(dòng)機(jī)，但不能引燃、引爆發(fā)動(dòng)機(jī)(達(dá)到了鈍感的要求);二是各種意外刺激在損傷發(fā)動(dòng)機(jī)的同時(shí)，引燃了發(fā)動(dòng)機(jī)，但不會(huì)發(fā)生爆炸而損傷周圍環(huán)境，也不提供大推力而使彈藥造成更大的危險(xiǎn)(狹義的低易損性)［2］。

自1982年以來(lái)，美國(guó)國(guó)防部修訂建立并完善了世界第一個(gè)鈍感彈藥軍用系列標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-2105，該標(biāo)準(zhǔn)歷經(jīng)A、B、C各個(gè)版本，目前已經(jīng)發(fā)展為MILSTD-2105D［3］，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了鈍感彈藥應(yīng)通過(guò)的一系列試驗(yàn)，它把試驗(yàn)結(jié)果分為6個(gè)等級(jí):I類為爆轟反應(yīng);Ⅱ類為部分爆轟反應(yīng);III類為爆炸反應(yīng);IV類為爆燃反應(yīng);V類為燃燒反應(yīng);VI類無(wú)反應(yīng)。該標(biāo)準(zhǔn)要求低易損性測(cè)試參照相關(guān)的北約標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議執(zhí)行，見(jiàn)表1。

表1 MIL-STD-2105D的評(píng)估方法和準(zhǔn)則

國(guó)內(nèi)關(guān)于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)低易損性的研究起步較晚，尚無(wú)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，可作為低易損性參考的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T14372-2005危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸爆炸品認(rèn)可、分項(xiàng)試驗(yàn)方法和判據(jù)［4］、國(guó)軍標(biāo)GJB 357-1987空-空導(dǎo)彈最低安全要求［5］、國(guó)軍標(biāo)GJB6195-2008復(fù)合固體推進(jìn)劑危險(xiǎn)等級(jí)分類方法［6］、國(guó)軍標(biāo)QJB770B-2005火藥試驗(yàn)方法［7］。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一些試驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)或推進(jìn)劑安全性進(jìn)行評(píng)估，但尚無(wú)專用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)低易損性以及評(píng)估手段進(jìn)行系統(tǒng)、明確規(guī)定。

分析表1中幾項(xiàng)試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)反應(yīng)部位均為燃燒室，因此低易損發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)核心是燃燒室，主要關(guān)鍵技術(shù)集中在殼體和推進(jìn)劑上。

2.1.1 低易損殼體

一系列的試驗(yàn)結(jié)果表明，固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的復(fù)合材料化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的低易損性有很大貢獻(xiàn)。例如，表2為不同材料殼體低易損性(IM)試驗(yàn)比較，復(fù)合材料殼體的低易損性明顯優(yōu)于鋼殼體［8］。

然而，復(fù)合殼體由于強(qiáng)度低，一般壁厚較大，應(yīng)用于結(jié)構(gòu)緊湊、對(duì)空間要求高且殼體布置有吊掛、翼面安裝座等結(jié)構(gòu)件的空空導(dǎo)彈，尚需解決如下關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題:

表2 不同材料殼體低易損性(IM)試驗(yàn)比較

1)高強(qiáng)度復(fù)合殼體材料;

2)帶金屬掛件的復(fù)合殼體技術(shù)。

對(duì)于鋼質(zhì)殼體，采用局部易自爆設(shè)計(jì)是一種重要思路，目前，美國(guó)空空導(dǎo)彈AIM-120的發(fā)動(dòng)機(jī)采用了切割索技術(shù)，當(dāng)外界刺激達(dá)到一定觸發(fā)條件時(shí)，切割索將發(fā)動(dòng)機(jī)殼體切開(kāi)，即可避免產(chǎn)生爆炸;也可將燃燒室局部增加壓力泄放裝置，可以泄放燃燒室內(nèi)高壓，防止發(fā)動(dòng)機(jī)爆炸，降低危險(xiǎn)性。采用隔熱涂層是實(shí)現(xiàn)低易損性的另一途經(jīng)，采用隔熱涂料或膨脹材料，能在快速自燃條件下使推進(jìn)劑的點(diǎn)火響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)。

2.1.2 低易損推進(jìn)劑

目前，空空導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛采用HTPB/AP推進(jìn)劑，該推進(jìn)劑無(wú)法通過(guò)慢速烤燃試驗(yàn)。

HTPE推進(jìn)劑是美國(guó)近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一種新型鈍感推進(jìn)劑，該推進(jìn)劑表現(xiàn)出對(duì)極端激勵(lì)(加熱、沖擊波、機(jī)械撞擊)不敏感的性能。同時(shí)，其對(duì)靜電刺激的危險(xiǎn)性也遠(yuǎn)低于HTPB推進(jìn)劑。在采用不同裝藥結(jié)構(gòu)的各種縮比和全尺寸模型發(fā)動(dòng)機(jī)鈍感彈藥實(shí)驗(yàn)中，HTPE推進(jìn)劑都具有良好的鈍感特性。表3給出了HTPE推進(jìn)劑與HTPB推進(jìn)劑試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比［9］。

表3 Ф254 mm演示發(fā)動(dòng)機(jī)中IM試驗(yàn)結(jié)果

由于HTPE推進(jìn)劑具備較好的鈍感特性和力學(xué)、能量、燃燒等綜合性能，美國(guó)ATK公司大力推進(jìn)了HTPE推進(jìn)劑的工程化水平，已在在役產(chǎn)品ESSM(改進(jìn)型海麻雀)上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，另有報(bào)道顯示在AIM-120最新改進(jìn)型AIM-120-D也采用了HTPE推進(jìn)劑。

目前，在總體單位牽引下，國(guó)內(nèi)研制的HTPE推進(jìn)劑已通過(guò)MIL-STD-2105D中各項(xiàng)試驗(yàn)。完成了推進(jìn)劑各項(xiàng)性能測(cè)試，Ф315標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)能量測(cè)試(圖1)，各項(xiàng)性能達(dá)到甚至略優(yōu)于HTPB推進(jìn)劑。

與此同時(shí)，中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院結(jié)合產(chǎn)品上艦開(kāi)展了HTPE推進(jìn)劑的內(nèi)燃、端燃兩種藥型應(yīng)用試驗(yàn)研究(試車情況見(jiàn)圖2、圖3，試車曲線見(jiàn)圖4、圖5)，并針對(duì)某型產(chǎn)品進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果初步可行。

圖1 HTPE推進(jìn)劑Ф315標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)試車

圖2 HTPE推進(jìn)劑內(nèi)燃藥型試車

圖3 HTPE推進(jìn)劑端燃藥型試車

圖4 HTPE推進(jìn)劑內(nèi)燃藥型試車曲線

此外，GAP推進(jìn)劑在低易損性上有一定優(yōu)勢(shì)，已通過(guò)美軍標(biāo)中各項(xiàng)低易損試驗(yàn)，且與HTPE推進(jìn)劑相比具有能量?jī)?yōu)勢(shì)，但目前存在玻璃化溫度偏高的問(wèn)題，距工程化尚有距離。

圖5 HTPE推進(jìn)劑端燃藥型試車曲線

2.2 高安全點(diǎn)火技術(shù)

為確保發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)安全性，美軍標(biāo)和國(guó)軍標(biāo)均對(duì)導(dǎo)彈固體發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)做出規(guī)定:采用1A1W鈍感電爆管，在電爆管與點(diǎn)火輸出間加裝隔離裝置。

目前，國(guó)外空空導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)已大量采用隔離裝置對(duì)點(diǎn)火器傳火通道進(jìn)行隔離，如AIM-9X的機(jī)械隔離，AIM-120的機(jī)電隔離。機(jī)械隔離裝置在載機(jī)起飛前由手動(dòng)方式切換安全/戰(zhàn)斗狀態(tài)，可在載機(jī)起飛前確保不意外點(diǎn)火;機(jī)電隔離裝置在發(fā)射時(shí)由導(dǎo)彈彈上電源給電切換安全/戰(zhàn)斗狀態(tài)，安全性更高。

AIM-120基本型發(fā)動(dòng)機(jī)采用圖6方式的機(jī)電式安全點(diǎn)火裝置(圖中不帶點(diǎn)火藥盒)。在安全狀態(tài)下，通過(guò)隔斷電爆管的傳火通道，防止電爆管意外發(fā)火后點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī);需要實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)，給螺線管加電，使其在幾十毫秒內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)90°，傳火通道被打通，只要再給電爆管通發(fā)火電流，就能實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火。其所帶的圖像導(dǎo)管，可以將點(diǎn)火裝置的狀態(tài)(安全狀態(tài)或戰(zhàn)斗狀態(tài))傳送給測(cè)試人員。這種方式也在其他的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈中采用［10］(圖7)。

圖6 機(jī)電式安全點(diǎn)火裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

AIM-120改進(jìn)型發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)安全點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，目的是縮小點(diǎn)火裝置的尺寸。將圖6中的驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行模塊化集成，縮小了尺寸。采用了隔板起爆器方式來(lái)實(shí)現(xiàn)隔離(見(jiàn)圖8，圖中不帶點(diǎn)火藥盒)，電爆管起爆后再起爆隔板起爆器，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火。這種小型化的安全點(diǎn)火裝置同樣在其他戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈中廣泛采用［10］(圖9)。

圖7 采用圖6所示機(jī)構(gòu)的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈

圖8 改進(jìn)型機(jī)電式點(diǎn)火裝置

圖9 改進(jìn)型機(jī)電式點(diǎn)火裝置

國(guó)內(nèi)類似產(chǎn)品已進(jìn)入工程化階段，極大提高了導(dǎo)彈點(diǎn)火系統(tǒng)的安全性。

激光點(diǎn)火器是提高點(diǎn)火器在復(fù)雜電磁環(huán)境下安全性的又一技術(shù)途徑，其基本原理是將傳統(tǒng)電發(fā)火元件改進(jìn)為激光發(fā)火元件，發(fā)火元件通過(guò)光纖與激光器連接。由于光纖和激光對(duì)電磁環(huán)境均不敏感，因此極大提升了點(diǎn)火系統(tǒng)的電磁安全性。目前，美國(guó)采用激光點(diǎn)火器的ESSM已在航母上裝備［1］，國(guó)內(nèi)尚處于預(yù)研階段，受制于激光器體積限制，尚不具備彈用條件。

2.3 高仿真環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境適應(yīng)性，設(shè)計(jì)上可以采取技術(shù)措施進(jìn)行定性處理，但尚無(wú)法達(dá)到定量分析的程度，環(huán)境適應(yīng)性主要靠試驗(yàn)手段進(jìn)行考核。開(kāi)展艦用空空導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制尚需建立健全相關(guān)環(huán)境試驗(yàn)手段，目前亟待開(kāi)展的設(shè)備研制主要包括如下方面:

攔阻沖擊試驗(yàn)設(shè)備:模擬導(dǎo)彈掛機(jī)著艦過(guò)程中-X向沖擊載荷。

制動(dòng)沖脫試驗(yàn)設(shè)備:模擬導(dǎo)彈掛機(jī)著艦過(guò)程中出現(xiàn)意外，導(dǎo)彈從發(fā)射架上沖脫后著艦這一過(guò)程。

2.4 其他技術(shù)

主要包括低溫環(huán)境的高裝填系數(shù)裝藥技術(shù)，用于解決鹽霧環(huán)境下金屬銹蝕的表面處理技術(shù)、異種材料焊接技術(shù)等，這些技術(shù)屬于在傳統(tǒng)技術(shù)上的進(jìn)一步提高。

3 結(jié)論及建議

分析了空空導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)艦用化面臨的環(huán)境條件，梳理出低易損發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、高安全點(diǎn)火技術(shù)、高仿真試驗(yàn)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于近期空空導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)艦用化工作，有如下建議:

1)低易損技術(shù)是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)艦用化最重要的技術(shù)方向，應(yīng)大力發(fā)展。目前應(yīng)建立健全國(guó)內(nèi)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)低易損性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估體系，進(jìn)一步推進(jìn)HTPE推進(jìn)劑工程化進(jìn)程，開(kāi)展低易損殼體技術(shù)攻關(guān)。

2)提高機(jī)電、機(jī)械隔離安全點(diǎn)火裝置可靠性，同時(shí)開(kāi)展激光點(diǎn)火器關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

3)盡快開(kāi)展攔阻沖擊、制動(dòng)沖脫等試驗(yàn)設(shè)備研制。

［1］http:∥www.atk.com［OL］.

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