空空導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動機艦用化關(guān)鍵技術(shù)分析*

王虎干

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽 471009)

0 引言

固體火箭發(fā)動機因其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠性高、維護簡便、作戰(zhàn)反應(yīng)速度快、成本低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各類戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈。目前國內(nèi)外在役、在研大部分空空導(dǎo)彈均采用固體火箭發(fā)動機，如典型空空導(dǎo)彈美國的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。

同其他國家，我國目前在役空空導(dǎo)彈也多采用固體火箭發(fā)動機。隨著我國航母、艦載機的服役，面臨空空導(dǎo)彈艦用化的新問題:由于艦載機使用、作戰(zhàn)環(huán)境與陸地戰(zhàn)機有較大不同，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)動機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，以期為我國國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，艦載機空空導(dǎo)彈發(fā)動機使用、作戰(zhàn)環(huán)境有如下特點。

1.1 高密度燃料、彈藥貯存環(huán)境

航母上要搭載戰(zhàn)斗機、攻擊機、反潛機等各類艦載機，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的動力以及正常運行，需要儲備大量的燃料和彈藥。因此，航母上燃料、彈藥貯存密度高，稱航母為移動的火藥庫毫不為過，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、時域、頻域上，電磁信號縱橫交叉、連續(xù)交錯、密集重疊，功率分布參差不齊，對相應(yīng)的電磁活動產(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、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)動機在航母上貯存、測試、掛機過程中，點火電路在復(fù)雜電磁環(huán)境下的感應(yīng)電流若超過發(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)動機，危及安全。

1.3 多樣化機械載荷

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

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

1.4 海洋氣候環(huán)境

航母作為移動作戰(zhàn)平臺，其使用溫度范圍要比陸地更寬，參考美國艦上服役的空空導(dǎo)彈，其使用溫度范圍達－54℃～+63℃(－65℉～+145℉)［1］，低溫極限溫度更低，對固體火箭發(fā)動機結(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)動機裸露金屬表面(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

通過使用、作戰(zhàn)環(huán)境分析，艦載機空空導(dǎo)彈發(fā)動機應(yīng)具備如下技術(shù)特點:

1)鈍感，不易因意外刺激產(chǎn)生危險性響應(yīng)及二次傷害;

2)高電磁安全性，點火系統(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、傾斜搖擺、顛震、艦載機掛飛振動、攔阻沖擊等一系列機械載荷，又能夠適應(yīng)寬溫度使用范圍、太陽輻射、鹽霧等海洋氣候環(huán)境。

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

2.1 低易損發(fā)動機技術(shù)

固體火箭發(fā)動機的低易損性是關(guān)系到導(dǎo)彈生存力的重要特性，是今后固體發(fā)動機設(shè)計的一個主要發(fā)展方向。其概念為:發(fā)動機不但能提供安全可靠的推力特性，而且對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)動機，但不能引燃、引爆發(fā)動機(達到了鈍感的要求);二是各種意外刺激在損傷發(fā)動機的同時，引燃了發(fā)動機，但不會發(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(狹義的低易損性)［2］。

自1982年以來，美國國防部修訂建立并完善了世界第一個鈍感彈藥軍用系列標準MIL-STD-2105，該標準歷經(jīng)A、B、C各個版本，目前已經(jīng)發(fā)展為MILSTD-2105D［3］，該標準規(guī)定了鈍感彈藥應(yīng)通過的一系列試驗，它把試驗結(jié)果分為6個等級: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類無反應(yīng)。該標準要求低易損性測試參照相關(guān)的北約標準化協(xié)議執(zhí)行，見表1。

表1 MIL-STD-2105D的評估方法和準則

國內(nèi)關(guān)于固體火箭發(fā)動機低易損性的研究起步較晚，尚無系統(tǒng)標準，可作為低易損性參考的相關(guān)標準主要有GB/T14372-2005危險貨物運輸爆炸品認可、分項試驗方法和判據(jù)［4］、國軍標GJB 357-1987空-空導(dǎo)彈最低安全要求［5］、國軍標GJB6195-2008復(fù)合固體推進劑危險等級分類方法［6］、國軍標QJB770B-2005火藥試驗方法［7］。這些標準規(guī)定了一些試驗項目，對發(fā)動機或推進劑安全性進行評估，但尚無專用標準對固體火箭發(fā)動機低易損性以及評估手段進行系統(tǒng)、明確規(guī)定。

分析表1中幾項試驗，發(fā)動機反應(yīng)部位均為燃燒室，因此低易損發(fā)動機的設(shè)計核心是燃燒室，主要關(guān)鍵技術(shù)集中在殼體和推進劑上。

2.1.1 低易損殼體

一系列的試驗結(jié)果表明，固體發(fā)動機殼體的復(fù)合材料化對發(fā)動機的低易損性有很大貢獻。例如，表2為不同材料殼體低易損性(IM)試驗比較，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)合殼體由于強度低，一般壁厚較大，應(yīng)用于結(jié)構(gòu)緊湊、對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)問題:

表2 不同材料殼體低易損性(IM)試驗比較

1)高強度復(fù)合殼體材料;

2)帶金屬掛件的復(fù)合殼體技術(shù)。

對于鋼質(zhì)殼體，采用局部易自爆設(shè)計是一種重要思路，目前，美國空空導(dǎo)彈AIM-120的發(fā)動機采用了切割索技術(shù)，當外界刺激達到一定觸發(fā)條件時，切割索將發(fā)動機殼體切開，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)動機爆炸，降低危險性。采用隔熱涂層是實現(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劑的點火響應(yīng)時間延長。

2.1.2 低易損推進劑

目前，空空導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動機廣泛采用HTPB/AP推進劑，該推進劑無法通過慢速烤燃試驗。

HTPE推進劑是美國近年來開發(fā)的一種新型鈍感推進劑，該推進劑表現(xiàn)出對極端激勵(加熱、沖擊波、機械撞擊)不敏感的性能。同時，其對靜電刺激的危險性也遠低于HTPB推進劑。在采用不同裝藥結(jié)構(gòu)的各種縮比和全尺寸模型發(fā)動機鈍感彈藥實驗中，HTPE推進劑都具有良好的鈍感特性。表3給出了HTPE推進劑與HTPB推進劑試驗結(jié)果的對比［9］。

表3 Ф254 mm演示發(fā)動機中IM試驗結(jié)果

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

目前，在總體單位牽引下，國內(nèi)研制的HTPE推進劑已通過MIL-STD-2105D中各項試驗。完成了推進劑各項性能測試，Ф315標準發(fā)動機能量測試(圖1)，各項性能達到甚至略優(yōu)于HTPB推進劑。

與此同時，中國空空導(dǎo)彈研究院結(jié)合產(chǎn)品上艦開展了HTPE推進劑的內(nèi)燃、端燃兩種藥型應(yīng)用試驗研究(試車情況見圖2、圖3，試車曲線見圖4、圖5)，并針對某型產(chǎn)品進行了驗證，結(jié)果初步可行。

圖1 HTPE推進劑Ф315標準發(fā)動機試車

圖2 HTPE推進劑內(nèi)燃藥型試車

圖3 HTPE推進劑端燃藥型試車

圖4 HTPE推進劑內(nèi)燃藥型試車曲線

此外，GAP推進劑在低易損性上有一定優(yōu)勢，已通過美軍標中各項低易損試驗，且與HTPE推進劑相比具有能量優(yōu)勢，但目前存在玻璃化溫度偏高的問題，距工程化尚有距離。

圖5 HTPE推進劑端燃藥型試車曲線

2.2 高安全點火技術(shù)

為確保發(fā)動機點火系統(tǒng)安全性，美軍標和國軍標均對導(dǎo)彈固體發(fā)動機點火系統(tǒng)做出規(guī)定:采用1A1W鈍感電爆管，在電爆管與點火輸出間加裝隔離裝置。

目前，國外空空導(dǎo)彈發(fā)動機已大量采用隔離裝置對點火器傳火通道進行隔離，如AIM-9X的機械隔離，AIM-120的機電隔離。機械隔離裝置在載機起飛前由手動方式切換安全/戰(zhàn)斗狀態(tài)，可在載機起飛前確保不意外點火;機電隔離裝置在發(fā)射時由導(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)動機采用圖6方式的機電式安全點火裝置(圖中不帶點火藥盒)。在安全狀態(tài)下，通過隔斷電爆管的傳火通道，防止電爆管意外發(fā)火后點燃發(fā)動機;需要實現(xiàn)發(fā)動機點火時，給螺線管加電，使其在幾十毫秒內(nèi)轉(zhuǎn)動90°，傳火通道被打通，只要再給電爆管通發(fā)火電流，就能實現(xiàn)發(fā)動機點火。其所帶的圖像導(dǎo)管，可以將點火裝置的狀態(tài)(安全狀態(tài)或戰(zhàn)斗狀態(tài))傳送給測試人員。這種方式也在其他的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈中采用［10］(圖7)。

圖6 機電式安全點火裝置驅(qū)動機構(gòu)

AIM-120改進型發(fā)動機對安全點火系統(tǒng)進行了改進，目的是縮小點火裝置的尺寸。將圖6中的驅(qū)動裝置進行模塊化集成，縮小了尺寸。采用了隔板起爆器方式來實現(xiàn)隔離(見圖8，圖中不帶點火藥盒)，電爆管起爆后再起爆隔板起爆器，從而實現(xiàn)發(fā)動機點火。這種小型化的安全點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所示機構(gòu)的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈

圖8 改進型機電式點火裝置

圖9 改進型機電式點火裝置

國內(nèi)類似產(chǎn)品已進入工程化階段，極大提高了導(dǎo)彈點火系統(tǒng)的安全性。

激光點火器是提高點火器在復(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)火元件改進為激光發(fā)火元件，發(fā)火元件通過光纖與激光器連接。由于光纖和激光對電磁環(huán)境均不敏感，因此極大提升了點火系統(tǒng)的電磁安全性。目前，美國采用激光點火器的ESSM已在航母上裝備［1］，國內(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)境試驗技術(shù)

固體火箭發(fā)動機環(huán)境適應(yīng)性，設(shè)計上可以采取技術(shù)措施進行定性處理，但尚無法達到定量分析的程度，環(huán)境適應(yīng)性主要靠試驗手段進行考核。開展艦用空空導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動機研制尚需建立健全相關(guān)環(huán)境試驗手段，目前亟待開展的設(shè)備研制主要包括如下方面:

攔阻沖擊試驗設(shè)備:模擬導(dǎo)彈掛機著艦過程中-X向沖擊載荷。

制動沖脫試驗設(shè)備:模擬導(dǎo)彈掛機著艦過程中出現(xiàn)意外，導(dǎo)彈從發(fā)射架上沖脫后著艦這一過程。

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)動機艦用化面臨的環(huán)境條件，梳理出低易損發(fā)動機技術(shù)、高安全點火技術(shù)、高仿真試驗技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。對于近期空空導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動機艦用化工作，有如下建議:

1)低易損技術(shù)是固體火箭發(fā)動機艦用化最重要的技術(shù)方向，應(yīng)大力發(fā)展。目前應(yīng)建立健全國內(nèi)固體火箭發(fā)動機低易損性相關(guān)標準和評估體系，進一步推進HTPE推進劑工程化進程，開展低易損殼體技術(shù)攻關(guān)。

2)提高機電、機械隔離安全點火裝置可靠性，同時開展激光點火器關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

3)盡快開展攔阻沖擊、制動沖脫等試驗設(shè)備研制。

［1］http:∥www.atk.com［OL］.

［2］李小柱.固體火箭發(fā)動機低易損性研究發(fā)展動態(tài)［C］//中國兵工學會火箭導(dǎo)彈專業(yè)第7次學術(shù)年會論文集(下冊).中國兵器工業(yè)203研究所.1998.

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［5］GJB 357－1987.空-空導(dǎo)彈最低安全要求［S］.1987.

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［7］QJB770B－2005.火藥試驗方法［S］.2005.

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［9］May L Chan，Russ Reed Jr，david A，et al.Advances in solid propellant formulation［J］.Progress in Astronautics and Aeronautics，2000，185.

［10］王君祺.AIM-120發(fā)動機反設(shè)計報告［R］.中國空空導(dǎo)彈研究院.