空空導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究進(jìn)展

羅楚養(yǎng)，孫毓凱，王文博，魏仲委，蔡培培，黃帥軍，程 功

(1.東華大學(xué) 民用航空復(fù)合材料協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 201620； 2.中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009；3.32381部隊，北京 100072)

0 引 言

空空導(dǎo)彈自20世紀(jì)40年代誕生起，已經(jīng)走過了70多年的歷程?？湛諏?dǎo)彈作為一種機(jī)載武器，隨著載機(jī)平臺和空中目標(biāo)性能的不斷提高、空戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)的不斷發(fā)展以及各種新理論、新技術(shù)、新材料在空空導(dǎo)彈設(shè)計制造中的不斷應(yīng)用，空空導(dǎo)彈技術(shù)獲得了迅速的發(fā)展[1-5]。近年來，隨著我國四代機(jī)和艦載機(jī)的服役，四代機(jī)內(nèi)埋、超聲速巡航、超機(jī)動能力、超隱身等特點要求空空導(dǎo)彈具有更高的速度、更遠(yuǎn)的射程和更大的機(jī)動能力，而艦載機(jī)服役面臨的著艦沖擊和海洋大氣環(huán)境等[6]新難題也需要新型空空導(dǎo)彈在設(shè)計上適應(yīng)這些新變化。總體結(jié)構(gòu)技術(shù)是導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，彈體結(jié)構(gòu)包括天線罩、艙體、舵面、翼面、整流罩等，將各組件合理、有序地連接在一起形成一個具有系統(tǒng)性能的產(chǎn)品。結(jié)構(gòu)技術(shù)的每一次變革，都將對系統(tǒng)性能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。同時，結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展方向，又離不開總體技術(shù)的牽引。隨著空空導(dǎo)彈向小型化、多用化、輕量化發(fā)展，近年來，空空導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)技術(shù)主要圍繞輕量化技術(shù)、小型化技術(shù)、熱防護(hù)技術(shù)和海洋環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)等四個方面進(jìn)行突破。本文從技術(shù)特點、技術(shù)難點、技術(shù)方案等方面對以上四個關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了梳理與分析，總結(jié)了我國空空導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究現(xiàn)狀。

1 結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)

輕量化是飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計永恒的目標(biāo)，結(jié)構(gòu)輕量化主要包括兩個方面：一個是材料技術(shù)；另一個是設(shè)計技術(shù)[7-8]。材料技術(shù)主要是采用輕質(zhì)高強(qiáng)的材料，比如先進(jìn)復(fù)合材料[9-12]和輕質(zhì)合金[13]等；設(shè)計技術(shù)主要包括拓?fù)鋬?yōu)化、新型點陣結(jié)構(gòu)[14-18]等新型設(shè)計手段和結(jié)構(gòu)方案。鋁合金、鎂合金、鋁鋰合金等輕質(zhì)合金和PPS(聚苯硫醚)、PEEK(聚醚醚酮)等工程塑料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，通常用于彈內(nèi)骨架材料。但對于艙體、舵翼面等彈體主承力結(jié)構(gòu)，其服役環(huán)境較為苛刻，不僅要滿足大機(jī)動條件下的強(qiáng)剛度和穩(wěn)定性要求，同時還面臨氣動加熱的高溫環(huán)境[19-20]。對于此類結(jié)構(gòu)，通常采用高強(qiáng)度鋼、鈦合金、高溫合金等材料制造。先進(jìn)復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、可設(shè)計、抗疲勞，易實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能于一體等特點，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用，顯示出其他材料難以比擬的優(yōu)勢，目前已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭、航空發(fā)動機(jī)等結(jié)構(gòu)上，并取得了優(yōu)異的減重效果[21-24]。采用先進(jìn)復(fù)合材料進(jìn)行彈體結(jié)構(gòu)減重設(shè)計是未來機(jī)載武器結(jié)構(gòu)技術(shù)的重要發(fā)展趨勢之一。結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計，首先要保證結(jié)構(gòu)的安全性。與其他戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈不同，空空導(dǎo)彈通常要經(jīng)歷掛機(jī)飛行和自主飛兩個階段?？梢?，空空導(dǎo)彈復(fù)合材料結(jié)構(gòu)需同時面臨飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷容限問題和高超聲速導(dǎo)彈的高溫結(jié)構(gòu)完整性問題[25-28]。因此，如何確定含損傷結(jié)構(gòu)在掛飛過程中的損傷擴(kuò)展情況，并保證自主飛階段含損傷結(jié)構(gòu)的高溫結(jié)構(gòu)完整性，是空空導(dǎo)彈復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點。其次，彈體結(jié)構(gòu)通常由多種材料組成，不同材料之間的線膨脹系數(shù)不同，在高溫下會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，如果不考慮不同材料之間的熱匹配，將會使結(jié)構(gòu)提前破壞。結(jié)構(gòu)的熱匹配主要包括主承力結(jié)構(gòu)之間連接的熱匹配和主承力結(jié)構(gòu)與內(nèi)外防熱材料的熱匹配兩個方面。近年來，國內(nèi)相關(guān)單位采用耐高溫的碳纖維增強(qiáng)聚酰亞胺復(fù)合材料，研制了多種彈體結(jié)構(gòu)件，包括復(fù)合材料舵面(見圖1)、復(fù)合材料艙體(見圖2)、復(fù)合材料連接環(huán)(見圖3)等。目前這些結(jié)構(gòu)均經(jīng)過了地面靜力試驗和靜熱聯(lián)合試驗，并系統(tǒng)研究了彈體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在高溫下的失效機(jī)理和失效模式[19-20]。

圖1 復(fù)合材料舵面Fig.1 Composite rudder

圖2 復(fù)合材料艙體Fig.2 Composite fuselage

圖3 復(fù)合材料連接環(huán)Fig.3 Composite attaching collar

2 結(jié)構(gòu)小型化技術(shù)

新型戰(zhàn)斗機(jī)對隱身性能的追求使得機(jī)載武器不再外掛于飛機(jī)機(jī)身和機(jī)翼下方，而是掛裝在專門的內(nèi)埋式彈艙內(nèi)。為了提高載彈量，載機(jī)對機(jī)載武器提出了結(jié)構(gòu)小型化需求。結(jié)構(gòu)小型化可通過減小彈徑、減小舵翼面尺寸、舵翼面折疊或伸縮來實現(xiàn)。前兩種方式會犧牲一定的總體性能，后一種方式由于引進(jìn)了額外的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，會降低結(jié)構(gòu)可靠性[29]。為了不降低總體性能指標(biāo)，通常采用折疊/伸縮機(jī)構(gòu)來減小彈體的橫向尺寸。

2.1 折疊舵/翼面

折疊舵/翼面是將氣動面展向的一部分或全部用折疊機(jī)構(gòu)將氣動面折疊，解除約束后，氣動面自動展開并在規(guī)定位置上可靠鎖定。折疊舵/翼面在地空導(dǎo)彈、艦空導(dǎo)彈、地地導(dǎo)彈等戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈上應(yīng)用較多，這些導(dǎo)彈通常都是筒式發(fā)射，一般采用人工折疊，舵/翼面折疊后在筒內(nèi)依靠筒壁進(jìn)行約束，導(dǎo)彈出筒時自動展開并鎖定[30-31]，如圖4所示。按弦向分離面位置可分為全折疊和部分折疊兩種型式。全折疊翼包括卷疊式、潛入式、尾翼式、縱向折疊式等[32]。部分折疊的弦向分離面在翼面中部，通過對外翼進(jìn)行一次或多次橫向折疊實現(xiàn)導(dǎo)彈橫向尺寸的減小[33]。對于地空導(dǎo)彈、艦空導(dǎo)彈、地地導(dǎo)彈、艦艦導(dǎo)彈、岸艦導(dǎo)彈等戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈，其發(fā)射時通常處于準(zhǔn)靜態(tài)，導(dǎo)彈出筒時速度較低，舵/翼面載荷和氣動干擾較小。而對于空空導(dǎo)彈，通常要求滿足載機(jī)超音速大過載下發(fā)射，導(dǎo)彈在發(fā)射瞬間受到的載荷和氣動干擾較大，導(dǎo)致載荷具有較大的不確定性。同時，為了確保載機(jī)安全，內(nèi)埋彈射用折疊舵/翼面要求具有更高的可靠性、安全性、保形性和可維護(hù)性。這就需要折疊舵/翼面在非常狹小的空間內(nèi)完成初始鎖、終位鎖、展開機(jī)構(gòu)及折疊機(jī)構(gòu)的設(shè)計。因此，內(nèi)埋彈射用導(dǎo)彈折疊舵/翼面的設(shè)計較其他類型導(dǎo)彈折疊舵/翼面難度更大。內(nèi)埋彈射用導(dǎo)彈折疊舵/翼面主要解決以下的關(guān)鍵問題：

(1)高安全、高可靠折疊展開機(jī)構(gòu)設(shè)計——滿足大力矩輸出要求；

(2)初始鎖與終位鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計——滿足可靠鎖制以及維護(hù)要求；

(3)機(jī)構(gòu)與舵體的一體化設(shè)計——滿足保形減阻要求；

(4)位置感知設(shè)計技術(shù)——實現(xiàn)不發(fā)射不展開目的；

(5)間隙控制——防止出現(xiàn)氣動彈性問題；

(6)展開沖擊控制——多余能力處理。

為充分驗證其功能可靠性，還需開展地面性能試驗、全尺寸風(fēng)洞展開試驗[34]、地面靜態(tài)彈射展開試驗[35-36]、地面振動試驗[37]、空中發(fā)射試驗等。其中，展開的驅(qū)動方式是內(nèi)埋彈射用導(dǎo)彈折疊舵/翼面的核心技術(shù)，目前常用方案有：燃?xì)怛?qū)動、氣源驅(qū)動、彈簧驅(qū)動、扭桿驅(qū)動、電驅(qū)動等。

圖4 筒式發(fā)射折疊舵面Fig.4 Barrel type launching folding rudder

2.2 伸縮舵/翼面

由于折疊舵面在展開之前無法參與彈體的控制，這會給彈射分離帶來很大的風(fēng)險，甚至危及載機(jī)安全。為此，另一種減小舵面橫向尺寸的方案，即伸縮舵方案，近年來也引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[38-39]。相比折疊舵面，伸縮舵面具有以下優(yōu)點：(1)使用更加靈活，展開前后均可參與控制，機(jī)彈分離時可預(yù)置舵偏或根據(jù)指令偏轉(zhuǎn)，控制分離姿態(tài)，更利于分離安全；(2)為未來可變氣動外形導(dǎo)彈設(shè)計提供了可能。但同時，其設(shè)計難度也更大。伸縮舵設(shè)計難點包括：極小尺寸伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計、鎖制機(jī)構(gòu)設(shè)計、位置感知設(shè)計、運(yùn)動機(jī)構(gòu)的模態(tài)控制技術(shù)、顫振抑制技術(shù)[40]、運(yùn)動匹配技術(shù)等。目前主要的驅(qū)動方式包括彈簧驅(qū)動、電機(jī)驅(qū)動、形狀記憶合金驅(qū)動、氣源驅(qū)動等。

3 結(jié)構(gòu)熱防護(hù)技術(shù)

隨著空空導(dǎo)彈飛行速度的提高，彈體表面氣動加熱現(xiàn)象顯著增加，導(dǎo)致表面溫度急劇上升。當(dāng)導(dǎo)彈飛行馬赫數(shù)達(dá)到5時，駐點溫度可達(dá)850 ℃。劇烈的氣動熱極易導(dǎo)致材料喪失強(qiáng)度、艙內(nèi)電子及通信組件等受到破壞，影響飛行可靠性，因此必須對高超聲速導(dǎo)彈進(jìn)行有效的熱防護(hù)?？梢?，熱防護(hù)技術(shù)是導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，往往決定了其任務(wù)的成敗[41-44]?？湛諏?dǎo)彈熱防護(hù)系統(tǒng)包括彈體外防熱、彈體內(nèi)隔熱和艙內(nèi)熱控三個方面?？湛諏?dǎo)彈的飛行馬赫數(shù)通常在3～7之間，彈體外表面在氣動熱的作用下其駐點溫度高達(dá)1 685 ℃。目前空空導(dǎo)彈常用的彈體結(jié)構(gòu)材料在此溫度下很難保持良好的強(qiáng)剛度。因此，有必要對彈體進(jìn)行外防熱，以保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)剛度滿足導(dǎo)彈使用要求。彈體內(nèi)隔熱和艙內(nèi)熱控則是為了給艙內(nèi)電子元器件提供一個良好的工作環(huán)境，以保證其在服役期間的工作可靠性。

3.1 結(jié)構(gòu)外防熱技術(shù)

空空導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)外防熱系統(tǒng)具有以下特點：(1)彈徑小、曲率大，導(dǎo)致防熱涂層與基體的界面應(yīng)力大；(2)任務(wù)剖面復(fù)雜，需要面臨掛飛和自主飛兩種工況；(3)服役環(huán)境苛刻，不僅要適應(yīng)大陸氣候環(huán)境，還要適應(yīng)艦載海洋氣候環(huán)境；(4)批量大，需要考慮成本及生產(chǎn)周期。因此，在進(jìn)行彈體外防熱設(shè)計時除了考慮隔熱性能，同時還要考慮使用維護(hù)性以及環(huán)境適應(yīng)性。

彈體外防熱設(shè)計主要包括熱環(huán)境預(yù)示、熱防護(hù)設(shè)計和試驗驗證三個方面[45]。首先要通過分析或試驗得到氣動熱邊界，然后再進(jìn)行熱防護(hù)設(shè)計，選擇合理的防熱材料，并確定防熱層厚度和工藝，最后進(jìn)行試驗驗證，包括電弧熱風(fēng)洞試驗和石英燈熱輻射試驗。高精度的熱環(huán)境預(yù)示和天地一致性驗證技術(shù)是熱防護(hù)設(shè)計的兩個關(guān)鍵問題。當(dāng)物體在空氣中高速運(yùn)動時，其壁面和氣體之間發(fā)生劇烈的摩擦，緊靠壁面的一層空氣質(zhì)點受壁面的吸附作用被快速加速，同時帶動外層空氣質(zhì)點隨物體一起運(yùn)動。緊靠壁面的一層空氣溫度最高，形成對壁面的加熱。根據(jù)具體的彈道條件，氣流的阻滯溫度一般可通過工程算法或計算流體動力學(xué)得到，然后通過地面熱環(huán)境吹風(fēng)試驗進(jìn)行修正。氣動熱與彈體結(jié)構(gòu)之間屬于強(qiáng)迫對流換熱，其對流換熱系數(shù)與飛行速度、飛行姿態(tài)、飛行高度及大氣的溫度、壓力、密度、熱導(dǎo)率、比熱容、運(yùn)動黏度等熱物理參數(shù)，結(jié)構(gòu)表面的形狀、尺寸等幾何特征和表面狀況等一系列因素相關(guān)。由于各個因素之間的關(guān)系十分復(fù)雜，某些因素的變化不可避免地導(dǎo)致其他一些因素也發(fā)生變化。因此，很難用理論分析和綜合試驗的方法求得精確解[46]。在處理實際問題時，采用傳熱學(xué)中的相似理論方法，分類、分組地建立溫度、運(yùn)動和幾何關(guān)系上的某些相關(guān)參數(shù)的特征表達(dá)式即相似準(zhǔn)則，將個別的試驗結(jié)果推廣到整類、整體現(xiàn)象上去，獲得經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式。通過有限元或有限差分法求解，并根據(jù)不同的要求可分別求出熱壁熱流、冷壁熱流和恒溫壁熱流，再進(jìn)行傳熱分析，即可求得結(jié)構(gòu)的壁面溫度分布。實際上，氣動熱環(huán)境預(yù)示是極其復(fù)雜的過程，彈體結(jié)構(gòu)表面包含吊掛、天線、舵軸、翼面安裝座等多種不規(guī)則凸起，以及舵翼面、整流罩等非旋成體結(jié)構(gòu)，要將如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)表面溫度算準(zhǔn)難度極大。當(dāng)結(jié)構(gòu)表面噴涂燒蝕型防熱涂料時，涂料在高溫下燒蝕、分解、剝落，使結(jié)構(gòu)表面形態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致對流換熱系數(shù)更無法計算。因此，通常采用工程算法估算氣動熱環(huán)境，然后開展地面熱環(huán)境吹風(fēng)試驗，修正氣動熱邊界，接著根據(jù)氣動熱邊界開展地面電弧熱風(fēng)洞試驗，驗證外防熱方案的可行性。

電弧熱風(fēng)洞試驗可模擬氣動熱與結(jié)構(gòu)之間的對流換熱環(huán)境，同時還可以考察氣流對表面的剪切效應(yīng)，但很難模擬結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，不適用于結(jié)構(gòu)特性研究。石英燈輻射加熱是地面結(jié)構(gòu)熱試驗最常用的方法，可以在大面積上獲得1 300～1 500 kW/m2大小的瞬態(tài)時變熱流密度，既適用于大型全尺寸結(jié)構(gòu)熱試驗，也適用于小型試驗，對于外形及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的試驗件，有較好的適應(yīng)能力[47-49]。熱防護(hù)系統(tǒng)的地面結(jié)構(gòu)熱試驗包括熱強(qiáng)度試驗、熱性能試驗和熱環(huán)境可靠性試驗。熱強(qiáng)度試驗是考核結(jié)構(gòu)在熱-力耦合作用下的力學(xué)響應(yīng)[50-52]；傳熱試驗旨在研究結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能，驗證傳熱計算方法，實測結(jié)構(gòu)熱阻的大小，篩選結(jié)構(gòu)防熱層材料，確定防熱層構(gòu)型和厚度等[53-57]；熱環(huán)境可靠性試驗是考核彈內(nèi)電子元器件在熱環(huán)境下的工作可靠性。

彈體外防熱設(shè)計的另一項驗證工作即為空中靶試驗證。首先在彈上典型部位設(shè)置測溫傳感器，并通過彈載遙測系統(tǒng)將導(dǎo)彈的測溫數(shù)據(jù)實時地傳輸?shù)降孛娼邮照?。彈載測溫數(shù)據(jù)作為最真實的熱環(huán)境數(shù)據(jù)，是整個熱防護(hù)系統(tǒng)驗證的關(guān)鍵一環(huán)。通常彈載測溫系統(tǒng)需要測量彈內(nèi)空氣溫度、隔熱層內(nèi)壁溫度、組件結(jié)構(gòu)溫度和彈體結(jié)構(gòu)溫度。對于彈內(nèi)空氣溫度、隔熱層內(nèi)壁溫度、組件結(jié)構(gòu)溫度等不會出現(xiàn)急劇升溫和降溫的情況，一般采用鉑電阻溫度計、熱敏電阻、集成電路等溫度傳感器測量即可滿足要求。而對于沒有內(nèi)外隔熱層的彈體殼體壁面溫度的測溫，則需要采用能夠適應(yīng)大溫度變化率的測溫傳感器，目前常用的有K型熱電偶。

3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)隔熱技術(shù)

彈體外防熱主要將彈體表面溫度降至彈體結(jié)構(gòu)材料可承受的溫度范圍內(nèi)，而艙內(nèi)組件的工作溫度一般要求在85 ℃左右。因此，為保證艙內(nèi)電子元器件的可靠工作，需要在艙內(nèi)進(jìn)行隔熱設(shè)計。由于艙內(nèi)無需面對艙外高速氣流的沖刷，因此，空空導(dǎo)彈艙內(nèi)隔熱層多采用低熱導(dǎo)率的隔熱材料[58]，如超細(xì)玻璃棉、軟木、氣凝膠復(fù)合材料等。對于外防熱設(shè)計，在選材時主要考慮以下三個方面：(1)耐熱性——如何抵御高溫高速氣流沖刷；(2)隔熱性——如何有效屏蔽熱量；(3)環(huán)境適應(yīng)性——如何適應(yīng)各種極端環(huán)境。而對于內(nèi)隔熱，則主要考慮材料的功能性。如導(dǎo)引頭天線罩的隔熱，通常需要選用具有透波、隔熱、承載一體的隔熱材料。而對于艙內(nèi)其他部位，則根據(jù)可用空間選用合適的隔熱材料。氣凝膠是當(dāng)前室溫?zé)釋?dǎo)率最低的固體材料，但其強(qiáng)度低，對高溫紅外輻射傳熱透明，高溫?zé)釋?dǎo)率高，無法滿足飛行器大熱流、強(qiáng)振動等苛刻熱力環(huán)境及特殊功能部位應(yīng)用要求[59]。近年來，研制兼具高強(qiáng)韌和高溫低熱導(dǎo)率特點的高性能氣凝膠復(fù)合材料成為了國內(nèi)外研究的熱點。目前，已有多種氣凝膠復(fù)合材料應(yīng)用于高超聲速飛行器的內(nèi)隔熱：如在天線罩內(nèi)壁，應(yīng)用透波、隔熱氣凝膠隔熱復(fù)合材料；在艙體、整流罩內(nèi)壁，應(yīng)用高強(qiáng)、高韌、輕質(zhì)高效氣凝膠隔熱復(fù)合材料[60]。

3.3 艙內(nèi)熱控技術(shù)

隨著空空導(dǎo)彈向小型化、高性能化和遠(yuǎn)程化發(fā)展，導(dǎo)彈儀器艙的空間被進(jìn)一步壓縮，艙內(nèi)電子元器件的功率卻在不斷增加，導(dǎo)致組件自身發(fā)熱量超過組件可承受范圍，這就需要對艙內(nèi)組件產(chǎn)生的熱量進(jìn)行控制，確保艙內(nèi)環(huán)境溫度在電子元器件額定工作范圍內(nèi)[61]。彈體結(jié)構(gòu)的內(nèi)外防熱將氣動熱進(jìn)行了隔絕，但同時也切斷了艙內(nèi)自身熱量向外傳導(dǎo)的路徑。空空導(dǎo)彈艙內(nèi)熱控技術(shù)主要為了解決高可靠性要求的設(shè)備與高功率、大密度電子元器件的散熱問題[62]，具有以下特點：(1)艙內(nèi)空間小、器件多、瞬時功率大、高度集成化布局；(2)艙外氣動熱嚴(yán)酷，導(dǎo)彈自主飛時無法將艙內(nèi)溫度導(dǎo)向艙外；(3)使用工況復(fù)雜，需要滿足掛飛長時低功耗和自主飛短時全功耗兩種工況。

熱控技術(shù)主要分為主動控制和被動控制兩種[63]。主動控制可以通過自動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)導(dǎo)彈內(nèi)部設(shè)備溫度，也可以對熱源進(jìn)行設(shè)計，對其進(jìn)行功率控制，使熱源的發(fā)熱量低于組件工作要求，或通過彈道規(guī)劃對重要發(fā)熱組件的工作時間進(jìn)行控制，但這會對總體性能造成一定的影響。被動控制是對局部熱點進(jìn)行散熱。局部熱點的散熱首先需把熱量傳導(dǎo)出來，然后再將傳導(dǎo)出來的熱量進(jìn)行存儲或散發(fā)，其關(guān)鍵技術(shù)是傳熱路徑的設(shè)計。目前，對于小熱耗設(shè)備，通常依靠自身熱容，在其工作時間內(nèi)抑制溫升，保證器件溫度不超標(biāo)；而對于大熱耗設(shè)備，則需在組件安裝面增加相變板，通過相變蓄熱的方式達(dá)到抑制溫升的目的。但對于大熱流器件，局部熱源產(chǎn)生的大量熱量無法快速擴(kuò)散，導(dǎo)致相變板熱轉(zhuǎn)換效率低下，相變蓄熱達(dá)不到預(yù)期效果；而對于長時間工作組件，由于蓄熱量需求大，相變板重量無法承受，無法滿足空空導(dǎo)彈艙內(nèi)熱控設(shè)計要求。針對空空導(dǎo)彈特殊的艙內(nèi)熱控設(shè)計要求，提出環(huán)路熱管和殼體熱沉組合、均溫板和相變板組合的方案，在掛飛長時間低功耗情況，利用環(huán)路熱管在熱源和熱沉之間建立散熱通道，將熱量傳遞到殼體熱沉排散，降低熱源溫度；在自主飛短時全功耗情況，熱管自動截止，隔絕高溫殼體的熱量回流，利用均溫板將局部熱流擴(kuò)散到整個面，然后利用相變板蓄熱，抑制熱源溫升。此方案的關(guān)鍵技術(shù)為均溫板和相變板的耦合設(shè)計以及適應(yīng)多種工況的熱量自主管理技術(shù)。

4 結(jié)構(gòu)艦載海洋環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)

隨著我國的航空母艦及艦載機(jī)的服役，空空導(dǎo)彈不僅要適應(yīng)傳統(tǒng)內(nèi)陸氣候環(huán)境，還需適應(yīng)我國海域甚至全球海域最極端的氣候環(huán)境和航母平臺誘發(fā)的特殊艦載環(huán)境[64]。艦載海洋環(huán)境主要包括機(jī)械環(huán)境和氣候環(huán)境兩方面，機(jī)械環(huán)境主要是指艦船振動、顛震、傾斜搖擺、彈射起飛和攔阻著艦沖擊等。氣候環(huán)境是指高溫、高濕、高鹽霧與霉菌、強(qiáng)太陽輻射(“三高一強(qiáng)”)的海洋氣候[6]。同一種結(jié)構(gòu)材料在海洋大氣環(huán)境中的腐蝕程度往往比陸上環(huán)境高出數(shù)十倍，因此艦載武器的可靠性受艦載海洋環(huán)境的影響非常嚴(yán)重，若不采取相應(yīng)的措施，將直接影響艦載武器的作戰(zhàn)使用效能，進(jìn)而影響艦艇的作戰(zhàn)性能，可見，海洋環(huán)境適應(yīng)性是艦載武器裝備的重要質(zhì)量特性之一[65]。

4.1 艦載機(jī)械環(huán)境

由于其特殊的作戰(zhàn)環(huán)境，艦載機(jī)停放、起飛和降落過程中所經(jīng)受的機(jī)械環(huán)境與陸基飛機(jī)有很大的不同。首先，艦載機(jī)在停放過程中會經(jīng)歷航母平臺誘發(fā)的機(jī)械環(huán)境，包括航母上各部件機(jī)械運(yùn)動(如發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、齒輪箱、螺旋槳、艦炮的射擊等)誘發(fā)產(chǎn)生的機(jī)械環(huán)境，以及海浪的運(yùn)動引起航母平臺傾斜、搖擺的機(jī)械環(huán)境，除此之外，海風(fēng)也會誘發(fā)艦載機(jī)產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動[6]。其次，艦載機(jī)的彈射起飛會對飛機(jī)及機(jī)載武器產(chǎn)生一個較大的彈射加速度和劇烈的沖擊環(huán)境[66]。由于航母的起伏和搖擺，艦載機(jī)必須以無拉平、大斜角、大下沉速度狀態(tài)著艦，降落滑跑過程中需用阻攔索來使飛機(jī)迅速減速，這使得艦載機(jī)要承受比陸基飛機(jī)大得多的沖擊載荷[6]。以上這些機(jī)械振動及沖擊會對掛在艦載機(jī)上的空空導(dǎo)彈產(chǎn)生極為不利的影響，特別是機(jī)械振動和海洋腐蝕環(huán)境作用在一起，會誘發(fā)出應(yīng)力腐蝕或者腐蝕疲勞現(xiàn)象，將使應(yīng)力腐蝕斷裂、腐蝕疲勞斷裂等環(huán)境協(xié)同/疊加效應(yīng)更加顯著[66]。艦載機(jī)械環(huán)境不僅降低了導(dǎo)彈各組件的工作可靠性和壽命，尤其是顯著降低了空空導(dǎo)彈吊掛結(jié)構(gòu)的掛飛壽命。由于空空導(dǎo)彈通過吊掛與發(fā)射架連接，飛機(jī)的振動載荷和彈體本身的氣動載荷及慣性載荷均要通過吊掛來平衡。與其他彈體結(jié)構(gòu)不同，吊掛與發(fā)射架是金屬之間的硬接觸，無法通過普通的涂層進(jìn)行防腐設(shè)計。并且，為了獲得更大的裝藥量，發(fā)動機(jī)殼體材料通常采用高強(qiáng)度鋼，這種材料在海洋大氣環(huán)境下極易銹蝕。吊掛的掛飛壽命預(yù)測在陸上使用本身就是一個難題，再加上艦載機(jī)械環(huán)境和海洋大氣環(huán)境的耦合，使空空導(dǎo)彈掛飛壽命的預(yù)測變得愈發(fā)困難，是影響空空導(dǎo)彈掛飛安全性的關(guān)鍵問題之一。

4.2 艦載海洋大氣環(huán)境

空空導(dǎo)彈在艦上服役不僅要經(jīng)受高溫、高濕、高鹽霧、強(qiáng)太陽輻射的海洋大氣環(huán)境，還要經(jīng)受航母動力裝置排放的燃燒廢氣以及艦載飛機(jī)起飛、降落排放的尾氣與高鹽霧海洋大氣形成局部富集SO2、NO2等污染物質(zhì)的酸性鹽霧氣氛。這種特殊的艦載海洋氣候環(huán)境對產(chǎn)品的影響主要體現(xiàn)在以下兩個方面：(1)海洋氣候高鹽霧、高濕的腐蝕性氣氛加速導(dǎo)彈彈體裸露金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕，造成主承力結(jié)構(gòu)承載能力下降，影響產(chǎn)品外觀和掛飛安全，同時，造成電纜、密封圈、三防漆、防熱涂層等非金屬材料老化，影響產(chǎn)品功能；(2)海洋氣候高鹽霧、高濕的腐蝕性氣氛進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部，形成凝露會對內(nèi)部電氣造成損壞，在不同金屬結(jié)構(gòu)件間形成原電池造成電化學(xué)腐蝕，加速非金屬件如密封圈、PCB板(Printed Circuit Boards,印刷電路板)老化，導(dǎo)致電器短路、功能失效等[67-69]。因此，應(yīng)盡可能降低艦載海洋大氣環(huán)境對產(chǎn)品功能和可靠性的影響。空空導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)在海洋大氣環(huán)境下主要面臨三大難題：一是長期處于海洋環(huán)境下，如何進(jìn)行腐蝕與防護(hù)；二是彈體由多種不同金屬組成，金屬間的電位差腐蝕如何避免；三是彈上功能涂層的海上失效問題。

目前，通過對產(chǎn)品級和材料級的海洋氣候自然暴露試驗發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)彈的翼肋、吊掛、螺釘以及艙段對接面等部位均出現(xiàn)了不同程度的銹蝕。關(guān)于空空導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)海洋環(huán)境適應(yīng)性，目前仍面臨以下幾個問題：一是空空導(dǎo)彈所用功能涂層，如透波涂料、熱防護(hù)涂料等在海洋環(huán)境下的使用壽命、性能變化情況等缺乏數(shù)據(jù)積累；二是缺少在海洋大氣環(huán)境隨機(jī)暴露過程中的結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能變化規(guī)律研究及對應(yīng)的實驗室加速試驗譜研究；三是尚未開展在艦載沖擊及海洋氣候腐蝕聯(lián)合作用下的吊掛疲勞壽命預(yù)測方法和損傷容限分析技術(shù)研究。

因此，需利用已有艦載平臺，盡快開展艦載武器特殊環(huán)境測量與分析、典型材料和機(jī)載產(chǎn)品的環(huán)境暴露試驗工作，為空空導(dǎo)彈的環(huán)境試驗條件確定和新的試驗方法研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

5 結(jié) 論

機(jī)載武器平臺的更新?lián)Q代和空戰(zhàn)環(huán)境的復(fù)雜化與多樣化，推動著空空導(dǎo)彈向小型化、多用化、輕量化方向發(fā)展。作為空空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，彈體結(jié)構(gòu)技術(shù)在輕量化設(shè)計、小型化設(shè)計、熱防護(hù)設(shè)計和海洋環(huán)境適應(yīng)性等四個方面開展了相關(guān)研究，并取得了一定進(jìn)展，但在耐高溫復(fù)合材料熱損傷分析、含折疊(或伸縮)氣動面的顫振分析、高精度的氣動熱環(huán)境預(yù)示技術(shù)、彈載高溫瞬態(tài)時變測溫系統(tǒng)、艦載海洋大氣環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)等方面仍缺乏系統(tǒng)深入的研究，需要進(jìn)一步凝練科學(xué)問題，開展相關(guān)理論及試驗研究。