從臺(tái)導(dǎo)彈頭罩開(kāi)裂看防空導(dǎo)彈頭罩技術(shù)

王繼新

2017年3月，臺(tái)媒曝光臺(tái)海軍戰(zhàn)斗系統(tǒng)工廠蘇澳維修站邱姓庫(kù)長(zhǎng)在作業(yè)時(shí)不慎發(fā)生碰撞，彈頭的陶瓷護(hù)罩出現(xiàn)裂痕，而領(lǐng)班的林姓班長(zhǎng)卻隱匿未報(bào)，以膠帶捆綁彈頭，直到2017年1月執(zhí)行吊彈作業(yè)從彈庫(kù)搬上“左營(yíng)”號(hào)“基德”級(jí)艦時(shí)才被發(fā)現(xiàn)。這一事件反映出臺(tái)海軍軍紀(jì)渙散，裝備維護(hù)形同兒戲，不過(guò)讓外界頗為詫異的是被臺(tái)海軍視為防空“神器”的“標(biāo)準(zhǔn)”2艦載防空導(dǎo)彈的頭罩竟然是“土氣”的陶瓷材料，而且破裂后海軍司令部宣稱問(wèn)題不大，似有大事化了的企圖。那么，常常被人忽略的防空導(dǎo)彈頭罩究竟起著何作用？又為什么使用陶瓷材料？陶瓷質(zhì)地的頭罩開(kāi)裂后會(huì)對(duì)導(dǎo)彈產(chǎn)生什么樣的影響呢？

比較偏門的防空導(dǎo)彈頭罩里面究竟有著怎樣的學(xué)問(wèn)？要回答這一問(wèn)題我們還要從其艱難的發(fā)展談起。

有機(jī)玻璃材料防空導(dǎo)彈天線罩的發(fā)展是與航空航天事業(yè)以及導(dǎo)彈本身的發(fā)展相關(guān)聯(lián)的。最早應(yīng)用于飛行器的天線罩可以追溯到第二次世界大戰(zhàn)。1941年，美國(guó)在波音B-18A飛機(jī)上裝了一種供轟炸機(jī)瞄準(zhǔn)用的雷達(dá)，采用有機(jī)玻璃材料制成的半球形天線罩來(lái)保護(hù)雷達(dá)天線正常工作。此后，各種介質(zhì)材料及不同結(jié)構(gòu)形式的天線罩相繼應(yīng)用在飛機(jī)上。防空導(dǎo)彈天線罩的研制和應(yīng)用起步較晚，但它是在飛機(jī)天線罩的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的，因此起點(diǎn)較高。上世紀(jì)50年代初，波音飛機(jī)公司開(kāi)始研制“波馬克”導(dǎo)彈天線罩，導(dǎo)彈最大速度為3倍音速，主動(dòng)尋的制導(dǎo)，天線罩呈卵形，采用玻璃纖維纏繞成型。而以后的2.5馬赫速度的“霍克”防空導(dǎo)彈則在此基礎(chǔ)上發(fā)展了纖維增強(qiáng)塑料材料，這時(shí)的防空導(dǎo)彈天線罩的電氣設(shè)計(jì)幾乎都采用半波長(zhǎng)壁厚結(jié)構(gòu)。制造過(guò)程中，嚴(yán)格控制罩的壁厚公差及材料的一致性，保證了主動(dòng)尋的導(dǎo)引頭天線輻射場(chǎng)在給定入射角范圍內(nèi)有最佳的傳輸特性，它反映了當(dāng)時(shí)用有機(jī)材料制作天線罩的較高水平。

微晶玻璃材料超音速和高超音速飛行器的發(fā)展，要求天線罩在更惡劣的環(huán)境下工作，需要研制在更高的工作溫度下，能滿足天線罩電氣和結(jié)構(gòu)要求的新材料。某些無(wú)機(jī)材料具有熔點(diǎn)高、介電性能好以及高溫強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，50年代已開(kāi)始注意這種脆性材料在導(dǎo)彈上應(yīng)用的可能。“麻雀”2導(dǎo)彈天線罩就是用97.6%的三氧化二鋁陶瓷材料研制而成的。美國(guó)柯寧玻璃公司于1953年偶然發(fā)現(xiàn)玻璃-陶瓷材料，兩年后用微晶玻璃研制成功“小獵犬”和“韃靼人”兩種防空導(dǎo)彈用天線罩。美國(guó)在這一階段著名的“不死鳥”空空導(dǎo)彈也采用了微晶玻璃頭罩，而該導(dǎo)彈最高速度達(dá)到了5馬赫。此時(shí)，人們對(duì)天線罩瞄準(zhǔn)誤差和瞄準(zhǔn)誤差率對(duì)制導(dǎo)系統(tǒng)的影響有了深刻認(rèn)識(shí)。有人認(rèn)為，以上兩種導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)是圍繞微晶玻璃天線罩而設(shè)計(jì)成功的。需要指出的是這一階段蘇聯(lián)導(dǎo)彈頭罩材料技術(shù)相對(duì)落后，在這一階段發(fā)展的2.8馬赫速度的“薩姆”6防空導(dǎo)彈仍使用了纖維增強(qiáng)塑料材料。

石英陶瓷材料上世紀(jì)60年代，美國(guó)喬治亞州理工學(xué)院在美國(guó)海軍的資助下，研制新的熱防護(hù)系統(tǒng)的材料，取得了泥漿澆注熔石英（簡(jiǎn)稱石英陶瓷）材料的新成果。這種材料介電損耗低，具有低的熱膨脹系數(shù)和高的抗熱沖擊性能，較適合于高速飛行的導(dǎo)彈。1963年美國(guó)空軍打算將石英陶瓷材料應(yīng)用于“開(kāi)路先鋒”戰(zhàn)略導(dǎo)彈。70年代，美國(guó)的“愛(ài)國(guó)者”防空導(dǎo)彈和意大利的“阿斯派特”導(dǎo)彈均采用石英陶瓷材料作天線罩，兩者都是半波長(zhǎng)壁厚結(jié)構(gòu)。后者為海、陸、空三軍通用的多功能導(dǎo)彈，是在美國(guó)“麻雀”導(dǎo)彈基礎(chǔ)上改進(jìn)的，由意大利塞列尼亞公司向喬治亞州理工學(xué)院購(gòu)得石英陶瓷天線罩制作許可證，代替原“麻雀”三氧化二鋁天線罩。為提高導(dǎo)彈天線罩抗雨蝕能力，在罩的頂部加了金屬鼻錐帽。

目前，未來(lái)拱形天線技術(shù)已經(jīng)成為防空導(dǎo)彈天線罩發(fā)展的新方向，其使得在天線罩表面合理設(shè)計(jì)天線陣列成為可能，實(shí)現(xiàn)天線和天線罩一體化共形。

總的來(lái)看，防空導(dǎo)彈等高速飛行器天線罩的發(fā)展是與材料的發(fā)展密切相關(guān)的。各國(guó)的技術(shù)水平不盡相同，對(duì)材料發(fā)展的基礎(chǔ)也不一樣，各有特點(diǎn)。其中，美國(guó)的發(fā)展路線大致是纖維增強(qiáng)塑料-氧化鋁陶瓷-微晶玻璃-石英陶瓷。蘇/俄、英則在較長(zhǎng)時(shí)間段中采用有機(jī)材料-纖維增強(qiáng)塑料制作。這種情況在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)還將長(zhǎng)期存在。

防護(hù)頭罩設(shè)計(jì)難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

導(dǎo)彈防護(hù)頭罩在設(shè)計(jì)上經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期探索和實(shí)踐，這主要是由于防空導(dǎo)彈防護(hù)頭罩在設(shè)計(jì)上需要解決諸多互相矛盾的技術(shù)難點(diǎn)。

防空導(dǎo)彈頭罩設(shè)計(jì)難點(diǎn)防空導(dǎo)彈需要長(zhǎng)期儲(chǔ)存和執(zhí)勤，這要求頭罩性能相對(duì)穩(wěn)定，滿足較大溫差、濕度差和氣壓差等變化，克服潮濕、霉變和機(jī)械沖擊等問(wèn)題，而一旦發(fā)射又需要滿足高溫、高速和高過(guò)載的要求?？梢?jiàn)防空導(dǎo)彈防護(hù)頭罩的工作條件是導(dǎo)彈所有部件中最惡劣的。首先，需要其承受較大熱沖擊和氣動(dòng)加熱，溫度劇烈上升，其結(jié)果可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)熱應(yīng)力，同時(shí)天線罩材料的電性能發(fā)生變化；其次，在劇烈的氣動(dòng)加熱情況下，天線罩壁板材料可能發(fā)生熔解、升華和脫落，在降水地帶飛行，即使是中速飛行時(shí)，雨、雪或者冰雹產(chǎn)生的侵蝕作用也會(huì)損壞天線罩的外表面，發(fā)生所謂剝蝕現(xiàn)象；第三，導(dǎo)彈高速飛行中，天線罩外表面可能與大氣層摩擦造成帶電現(xiàn)象，產(chǎn)生的脈沖放電可能破壞彈上雷達(dá)的工作；最后，潮氣滲入內(nèi)部以及天線罩結(jié)冰會(huì)導(dǎo)致天線的無(wú)線電性能惡化。

防空導(dǎo)彈防護(hù)頭罩表面上看結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，但實(shí)質(zhì)上卻要復(fù)雜得多，因?yàn)樗獫M足許多相互矛盾的要求。高速飛行時(shí)要求天線罩具有良好的氣動(dòng)力外形和較長(zhǎng)的延伸段，但這種外形既不能滿足彈上雷達(dá)的要求，也不能滿足紅外導(dǎo)引頭的要求。而天線頭罩強(qiáng)度和透波性、工藝性等也存在較大的矛盾。例如，天線防護(hù)罩抗雨蝕設(shè)計(jì)就需要解決諸多材料與結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。1945年，美國(guó)用B-29轟炸機(jī)轟炸日本返航歸來(lái)發(fā)現(xiàn)機(jī)上天線罩表面受損，經(jīng)麻省理工學(xué)院進(jìn)行雨沖擊模擬試驗(yàn)證明天線罩表面損壞是高速飛行時(shí)雨滴沖擊造成的。從此，天線罩雨蝕問(wèn)題就成為天線罩研制中必須解決的問(wèn)題之一。而防空導(dǎo)彈在空中飛行時(shí)間較短，并且是一次性使用的，僅在雨天發(fā)射時(shí)才會(huì)遇到雨蝕問(wèn)題。統(tǒng)計(jì)表明地空導(dǎo)彈飛行遇雨概率約為1%～3%，若導(dǎo)彈配置在降雨多的地區(qū)，必須考慮天線罩的抗雨蝕設(shè)計(jì)。金屬是常用的雨蝕頭材料之一，蘇聯(lián)“薩姆”-6導(dǎo)彈采用的是這種雨蝕頭，但由于金屬頭對(duì)電磁波的阻擋，會(huì)影響天線罩的電氣性能，為此科研人員開(kāi)發(fā)了既具有較好抗雨蝕性能，又具備良好電氣性能的非金屬材料，如用熱壓氮化硅材料來(lái)制作天線罩的雨蝕頭，能改善對(duì)天線罩電氣性能的影響。

可見(jiàn)，防空導(dǎo)彈天線罩的這些特殊要求，需要空氣動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、天線與電磁場(chǎng)理論、制導(dǎo)與控制、新材料及其成型加工工藝、專門檢測(cè)技術(shù)等諸多門類的關(guān)鍵技術(shù)。

氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)導(dǎo)彈頭部天線罩承受全彈最大的氣動(dòng)載荷和熱載荷。一般而言，高速?gòu)楊^的表面溫度和導(dǎo)彈飛行速度的平方成正比，導(dǎo)彈速度的增加導(dǎo)致彈頭表面溫度很快上升，一般防空導(dǎo)彈熱變化率約100～200攝氏度/秒，某些導(dǎo)彈的熱變化率達(dá)540～820攝氏度/秒，因此抗熱沖擊是天線罩重要設(shè)計(jì)指標(biāo)。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)彈天線罩殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也十分重要，例如，天線罩外表面的瞬間熱分布、介質(zhì)壁內(nèi)外層的瞬間熱傳導(dǎo)、熱沖擊特性、抗雨蝕能力以及天線罩內(nèi)部的溫度等等。天線罩與彈體連接，除解決兩種材料的膠接強(qiáng)度和連接方式外，還需考慮兩種材料的熱膨脹系數(shù)的匹配，因?yàn)樵陲w行中兩者溫度上升幅度相差很大。此外，有些頭罩需要在殼體上開(kāi)窗，解決光學(xué)和紅外傳感器信號(hào)源的問(wèn)題，這都給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。

電磁性能優(yōu)化在導(dǎo)彈飛行過(guò)程中，導(dǎo)引頭天線的輻射場(chǎng)以不同的入射角、不同的極化形式通過(guò)不同曲率半徑外形天線罩的介質(zhì)壁，影響電磁場(chǎng)的傳輸、反射和折射，最終產(chǎn)生相位畸變。對(duì)于高速流線型天線罩，電磁波投射到天線罩介質(zhì)壁的入射角范圍一般在0～85度之間，而天線罩具有復(fù)雜的外形時(shí)，雖然罩壁兩側(cè)的外形曲率半徑較大，但在天線罩頂部曲率半徑很小。而天線罩作為防空導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)的組成部分，需讓天線輻射的電磁波不失真地通過(guò)天線罩壁，其瞄準(zhǔn)誤差要求加高，對(duì)于球形天線罩，在給定窄頻寬范圍內(nèi)達(dá)到上述要求也許并不困難，但高速飛行的防空導(dǎo)彈的天線罩外形多呈鼻錐形，長(zhǎng)細(xì)比增加，要在較寬的頻帶和一定的工作溫度范圍內(nèi)達(dá)到上述要求并不容易。此外，氣動(dòng)熱引起罩壁電性能變化或熱燒蝕對(duì)天線輻射場(chǎng)的影響也是一個(gè)專門課題。

上述問(wèn)題幾乎都與天線罩介質(zhì)材料有關(guān)，天線罩介質(zhì)材料需滿足眾多要求，目前已開(kāi)發(fā)出能滿足不同需要的多種天線罩材料供選擇。

防空導(dǎo)彈防護(hù)頭罩的材料選擇

滿足天線罩的電氣性能需要天線罩材料溫度變化可能引起天線罩的中心工作頻率偏移，因此有些材料不宜作為制導(dǎo)精度高的天線罩。此外要求天線罩各部位的電磁波透過(guò)性能必須均勻，才能保證制導(dǎo)波束頻率和功率均勻恒定。

滿足導(dǎo)彈實(shí)際工作環(huán)境要求導(dǎo)彈天線罩材料雖然在穩(wěn)定情況下性能穩(wěn)定，但導(dǎo)彈天線罩工作都是在高速運(yùn)動(dòng)情況下，氣動(dòng)加熱、加載都是在瞬間同時(shí)作用其上，以馬赫數(shù)為2.6的中程防空導(dǎo)彈為例，在某一飛行彈道天線罩的瞬時(shí)加熱速率高達(dá)120攝氏度/秒。這種加熱沿罩壁和罩的軸向分別存在不同的溫度，因此在選擇材料時(shí)必須考慮瞬間工作狀態(tài)對(duì)材料性能的影響，選擇能在這種環(huán)境下穩(wěn)定工作的材料。

滿足電氣及結(jié)構(gòu)等綜合性能迄今尚沒(méi)有一種材料能全面滿足天線罩要求。每種材料既有優(yōu)點(diǎn)，也有不足。設(shè)計(jì)人員必須保證主要性能，對(duì)局部不足可以通過(guò)設(shè)計(jì)上的補(bǔ)償辦法或材料改性等手段求得平衡。如消融硅材料具有熱膨脹系數(shù)低、介電性能好等優(yōu)點(diǎn)，但抗雨腐蝕能力差，因此在天線罩鼻錐處用金屬等抗雨蝕性能較好的介質(zhì)材料?？梢?jiàn)天線罩的設(shè)計(jì)是平衡折中的過(guò)程。

滿足可生產(chǎn)性和經(jīng)濟(jì)性天線罩作為武器部件，性能必須穩(wěn)定可靠。有些性能良好的天線罩材料就因其制造工藝上存在某些困難至今未被廣泛用于天線罩生產(chǎn)。此外還應(yīng)考慮天線罩的經(jīng)濟(jì)性，包括原料來(lái)源及生產(chǎn)成本等。

典型的陶瓷天線罩材料天線罩材料通常包括有機(jī)天線罩材料和無(wú)機(jī)天線罩材料。其中，無(wú)機(jī)天線罩材料是指非金屬耐高溫的陶瓷材料，如氧化鋁陶瓷、石英陶瓷、微晶玻璃等。陶瓷材料與纖維增強(qiáng)塑料相比具有如下特點(diǎn)：一是耐高溫，大多數(shù)陶瓷材料耐熱（指維持一定強(qiáng)度的溫度極限）都在500攝氏度以上；二是宏觀上它是均質(zhì)體，用它制成天線罩罩體各部位電性能均勻一致；三是強(qiáng)度高，除石英陶瓷外，絕大多數(shù)陶瓷強(qiáng)度高、硬度大，設(shè)計(jì)時(shí)不必考慮抗雨蝕涂層。對(duì)于陶瓷材料的最大缺點(diǎn)——脆性，通過(guò)改性工作可以降低從而滿足需要。陶瓷天線罩材料可分為氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷。前者有氧化鋁陶瓷、石英陶瓷、微晶玻璃等，它們?cè)诜揽諏?dǎo)彈天線罩中得到廣泛應(yīng)用。非氧化物陶瓷主要有氮化硼和氮化硅等。

上述材料中，氧化鋁陶瓷強(qiáng)度高，硬度僅次于金剛石，是陶瓷天線罩材料中最硬的，用它制作天線罩不存在雨蝕問(wèn)題。其主要缺點(diǎn)是高的熱膨脹系數(shù)和彈性模量限制了它的抗熱沖擊性，因而只能用于速度小于或等于3馬赫的防空導(dǎo)彈上，已被成功地用于“麻雀”和“響尾蛇”等導(dǎo)彈上。

微晶玻璃是20世紀(jì)50年代中期美國(guó)康寧公司發(fā)現(xiàn)的一種新型無(wú)機(jī)材料。它是借助控制晶化的方法，使特定組成的透明玻璃形成無(wú)數(shù)直徑很小的微小晶粒，從而獲得性能優(yōu)異的不透明瓷質(zhì)材料，因在結(jié)構(gòu)上與陶瓷相似，故也稱為玻璃陶瓷。微晶玻璃具有耐高溫、高強(qiáng)度、膨脹系數(shù)低以及介電常數(shù)隨溫度和頻率的改變變化小等天線罩所需的綜合性能，在上世紀(jì)60年代就被廣泛用來(lái)代替氧化鋁制造馬赫數(shù)在3～4的多種型號(hào)防空導(dǎo)彈天線罩。

石英陶瓷主要成分是常見(jiàn)的二氧化硅，但由于采用陶瓷材料制造方法，所得到的是不透明的陶瓷質(zhì)材料，故稱石英陶瓷。石英陶瓷的電氣性能對(duì)頻率與溫度的變化十分穩(wěn)定，而且其具有突出的抗熱沖擊性，這使其成為馬赫數(shù)大于5的高超音速導(dǎo)彈唯一可用的天線罩材料。石英陶瓷以它出色的性能、低廉的成本受到重視并已用于多型導(dǎo)彈上，美國(guó)的“愛(ài)國(guó)者”、意大利的“阿斯派特”等導(dǎo)彈都采用石英陶瓷天線罩。

“標(biāo)準(zhǔn)”2防護(hù)頭罩碰撞事故分析

飛行中的天線罩承受著由空氣動(dòng)力和縱向或橫向加速度引起的機(jī)械應(yīng)力，因此天線罩材料必須有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)膹椥裕瑱C(jī)械強(qiáng)度應(yīng)明顯大于作用其上的諸應(yīng)力疊加后之最大應(yīng)力。但防空導(dǎo)彈天線罩陶瓷材料畢竟是一種脆性材料，它在靜拉伸載荷作用下，在彈性變形階段結(jié)束后會(huì)立即發(fā)生斷裂。這就是臺(tái)“標(biāo)準(zhǔn)”2防護(hù)頭罩碎裂的原因。

從前面分析可以看出，開(kāi)裂后的導(dǎo)彈防護(hù)頭罩不但可能導(dǎo)致罩內(nèi)敏感導(dǎo)引頭元器件受潮、霉變，而且可能造成導(dǎo)彈罩在高速飛行中在氣動(dòng)壓力作用下解體，導(dǎo)致天線部件受損，甚至破壞導(dǎo)彈飛行穩(wěn)定，最終導(dǎo)致打擊偏差甚至飛行失敗。可見(jiàn)，精密的導(dǎo)彈頭罩被碰撞后造成的后果十分嚴(yán)重，并非臺(tái)海軍輕描淡寫的那樣。