發射裝置掛彈口結構完整性防護技術研究

肖　軍, 雷　鳴, 周健松, 程　功

(1.中國空空導彈研究院，河南 洛陽　471009； 2.中國科學院 蘭州化學物理研究所，蘭州　730000)

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發射裝置掛彈口結構完整性防護技術研究

肖軍1, 雷鳴1, 周健松2, 程功1

(1.中國空空導彈研究院，河南 洛陽471009； 2.中國科學院 蘭州化學物理研究所，蘭州730000)

摘 要:導彈高溫燃氣流對機載發射裝置掛彈口的燒蝕、沖刷,不僅破壞結構完整性,影響導彈掛機和卸彈正常操作,產生安全隱患,還存在燒蝕部位發生腐蝕故障的風險。為了提高新一代機載武器的戰斗力,簡要論述了機載發射裝置掛彈口高溫燒蝕、海洋環境腐蝕問題,以及潛在的故障模式和結構完整性防護技術的研究和進展。

關鍵詞:機載發射裝置;掛彈口;燒蝕;腐蝕;鋁合金

0引言

機載導彈發射裝置是載機發射各類導彈的專用裝置,導軌式發射裝置是最常見的一類機載發射裝置，機載導彈通過發射裝置掛彈口實現在載機上的快速掛彈和拆卸。掛彈口結構完整性對于這類武器裝備的正常使用十分重要。本文簡要論述了機載發射裝置掛彈口高溫燒蝕、環境腐蝕機理，潛在的故障模式以及結構完整性防護技術。

1掛彈口使用維護及故障

1.1結構和材料

為了滿足機載裝備質輕、高強、可靠的結構要求，導軌式機載導彈發射裝置的主體結構通常是單面為導軌的硬鋁合金和超硬鋁合金整體結構[1]，機載導彈通過發射裝置導軌上的2～3組掛彈口實現在載機上的掛彈和拆卸。發射裝置結構包括主承力結構的殼體、導軌和掛彈口等部分。從結構上看，掛彈口通常是鋁合金導軌上與導彈吊掛對應的幾組掛彈對接接口，如圖1所示，材質為與導軌相同的硬鋁或超硬鋁合金。為了提高日常使用性能和防腐蝕、耐磨損性能，導軌和掛彈口表面采用陽極氧化處理。

圖1機載導彈發射裝置的掛彈口示意圖

1.2日常使用維護保障

機載導彈發射裝置在服役總壽命期內一般會經歷三種狀態[2]：地面貯存狀態、外場臨時存放狀態、空中隨機掛飛使用狀態。發射裝置貯存時，一般處于油封狀態裝箱存放于自然通風、無空調的封閉式國防倉庫內，不通電、不工作； 外場臨時存放狀態的發射裝置一般處于包裝箱內或懸掛于載機上，基本暴露于大氣環境，除戰斗值班外，不通電、不工作； 而空中掛飛使用狀態的發射裝置要求在載機飛行包線內掛彈飛行，在發射包線內發射機載導彈，不僅通電工作、暴露于大氣環境，還承受著飛行和作戰的振動、沖擊等應力環境。

發射裝置日常維護保障工作包括發射前檢測和導軌、掛彈口的清理、維護保障。

1.3故障模式及潛在風險

掛彈口結構尺寸的大小關系到導彈順利掛機和拆卸。尺寸偏小會造成掛彈操作不便，尺寸過大會帶來導彈空中脫落等風險。

新型機載導彈高能有煙發動機的燃氣流兼有高溫、高速、熱沖蝕和腐蝕嚴重的特殊性和復雜性。燃氣流對掛彈口直角迎風面的燒蝕、沖刷破壞特別嚴酷[3-9]，數次發射后掛彈口規整的迎風面就會因燃氣流燒蝕而缺損嚴重，如圖2所示。這不僅嚴重破壞了發射裝置掛彈口結構完整性，影響正常掛彈操作，還可能對導彈順序離軌產生不安全隱患； 此外，還存在因燒蝕帶來的應力腐蝕導致結構事故的風險。

圖2機載發射裝置掛彈口燒蝕前后狀況

由于機載發射裝置尺寸、結構和重量等諸多苛刻的限制，很難采用鋁合金型材導軌以外的高溫合金或鋼結構，而掛彈口燒蝕最嚴重的直角迎風面鑲嵌和機械固定高溫合金的方案，其結構可靠性難以滿足產品使用和環境適應性等設計要求，使得掛彈口高溫燒蝕及濕熱與鹽霧環境腐蝕成為新一代機載導彈導軌式發射裝置難以解決的技術問題。

1.4故障機理分析

(1) 高溫燃氣燒蝕、沖刷破壞

新型高能有煙發動機噴射出的燃氣流兼有高溫、高速、瞬間熱流量大、熱沖蝕嚴酷的特殊性和復雜性。這種高溫燃氣流的溫度(約2 700～3 000 ℃)遠遠高于掛彈口鋁合金的熔點，且瞬時加載的熱量遠遠超過普通燒蝕的破壞。高溫環境中材料機械性能會顯著下降，而高溫燒蝕加上高速沖蝕的耦合作用則加劇掛彈口結構的破壞。燃氣流中的高速粒子主要是熔融態氧化鋁，在速度和溫度的作用下對鋁合金掛彈口的破壞十分嚴酷。已在試驗中觀察到新型高能有煙燃氣流的燒蝕+沖刷的耦合作用，高溫燒粘部位呈現出許多沿燃氣流沖蝕方向的蝕溝、蝕坑痕跡和切削現象，以及大量的殘渣，如圖3所示。

圖3掛彈口試驗件燒蝕后被沖刷、切削的狀況(表面覆蓋白色殘渣部分)

(2) 環境腐蝕

通常，鋁的自然表面會在大氣中迅速生成一層約5 nm厚、抗腐蝕性良好的致密氧化膜而具有一定的防護性能，硬鋁和超硬鋁合金在酸性污染大氣環境中的腐蝕比純鋁嚴重。與含HCl，CO2，SO2，NO2等酸性腐蝕、濕熱環境中的水發生水解反應，可加速材料腐蝕。

機載發射裝置鋁合金表面經硬質陽極氧化處理，表面生成50～100 μm，700～1 500 HV的氧化膜，可顯著提高耐磨、抗蝕、耐熱、絕緣等性能、延長使用壽命； 硬質陽極氧化層通常具有良好日常防護和使用功能，可抵御無煙、少煙發動機燃氣的燒蝕破壞。然而，在高能有煙高溫、高速兩相燃氣流的燒蝕、沖刷耦合破壞作用下，掛彈口局部陽極氧化層被沖刷殆盡，局部結構缺損，表面粘滿殘渣。掃描電鏡SEM和電子能譜EDS對殘渣的分析發現，殘渣為多孔固體沉積物，含有氯、硫等多種酸性氧化物。由于殘渣含腐蝕物，特別是氯的腐蝕物，可導致其在濕熱、鹽霧環境中產生腐蝕，出現“白斑”、“白毛”。這種現象是一種典型的“孔蝕”，也是陽極反應的一種特有形式。“孔蝕”是具有自催化過程的常見腐蝕，即孔蝕的孔內腐蝕過程創造的條件既能促進、又足以維持孔的活性見圖4。

圖4鋁合金孔蝕原理示意圖

孔內主要反應

陽板反應： Al→Al3++3e

陰板反應： 2H2O+O2+4e→ 4OH-

Al3+水解的總反應

Al3++3H2O→Al(OH)3+3H+

Cu2++2e→Cu

2H++2e→H2↑

所以蝕孔內Al3+和H+的濃度較高。試驗發現，將粘有高能有煙燃氣殘渣的超硬鋁合金燒蝕試片放入交變濕熱環境[10]，產生明顯的孔蝕腐蝕，大蝕斑達5 mm左右。孔蝕是一種常見的局部腐蝕，大多數金屬，尤其是易鈍化金屬，如鋁合金、不銹鋼以及表面鍍有陰極保護性金屬鍍層的金屬制件都容易發生孔蝕。這種腐蝕可加劇掛彈口結構的溶蝕破壞，進一步發展則有可能引發其他腐蝕、腐蝕疲勞及剝落腐蝕等故障，是發射裝置服役過程中有待解決的一個重要工程問題。

2掛彈口結構完整性防護

掛彈口結構簡單但使用工況嚴酷。不僅要隨載機和機載發射裝置經歷同樣的日曬、雨淋、風砂、鹽霧、雨雪等自然環境，還要承受數百次機載導彈掛裝過程與導彈吊掛的沖擊、摩擦磨損，普通防護涂層、鍍層無法承受掛機和拆卸過程沖擊、摩擦磨損的損傷。由于掛彈口局部結構尺寸緊湊、狹窄，加上使用工況嚴酷，環境適應性和可靠性要求高，難以采用機械鑲嵌高溫合金的方法解決耐高溫燃氣燒蝕和腐蝕防護這一技術難題。此外，文獻檢索也未能找到可借鑒、較為成熟的工程防護技術。從工程應用的角度，掛彈口的防護策略分臨時性防護和壽命周期的長效防護方案，主要防護技術途徑有：

(1) 潤滑油脂或涂層、鍍層防護

潤滑油脂兼有潤滑、防腐蝕功效。由于單組份包裝，現場使用十分簡便，易于儲存，廣泛用于各種軍械的日常維護保養[1，3]。潤滑油防護工藝是掛彈前涂抹，發射后及時擦除干凈。已嘗試國產2#航空潤滑脂，7014#，7017#，7124#等航空潤滑脂，以及MoS2防腐蝕潤滑脂，對于新型、高殘渣流量燃氣燒粘破壞，常規油、脂均難以奏效。

耐熱防腐蝕涂料[1]一般是指200 ℃以上使用時涂膜不變色、不脫落，仍能保持適當物理機械性能的涂料，分無機、有機兩大類。試驗表明，這類材料完全不具備掛彈口高溫燒蝕防護功能。防熱涂料包括無機高溫防熱涂料和有機防熱涂料，在航天、航空工業中主要用于耐燒蝕、防熱、密封或溫控等工況。如TR-11，TR-12，MR-1，TR-16等無機涂料，以及YJ-66A，TL-5，GT-1，RT-Ⅲ等有機防熱涂層材料。由于難以承受反復多次的高溫燒蝕、沖刷的損耗，以及掛裝、拆卸導彈過程的沖擊、磨損，這類材料不適合用于掛彈口高溫燒蝕防護。

(2) 燒蝕式防熱材料防護

燒蝕式防熱材料的在強熱流作用下發生分解、熔化、升華等多種吸收熱能的物理和化學變化，借助材料自身表層逐層質量消耗及變化帶走大量熱能，阻止熱流傳入結構內部。試驗表明該類材料能夠承受有限次的燒蝕、沖刷破壞，因難以與鋁合金殼體連接、成型成整體結構，所以無法在掛彈口高溫燒蝕防護中獲得實際應用。

(3) 更換易損件

可靠性分析表明，該方案從工程化的角度、作戰環境、成本和操作性來看存在很多難以克服的技術困難，目前尚不具備實施條件。

(4) 基材改性和表面處理

在機載發射裝置防燒粘應用研究中[1]，曾廣泛在鋁合金表面處理、基材及表面防護鍍層的選材和改性等方面開展了大量研究工作。試驗表明，鋁合金改性、不同陽極氧化層方案不能抵御高能有煙燃氣流的燒蝕-腐蝕破壞。

(5) 發動機改藥或改變發射方式

采用無煙(無殘渣)裝藥，可以解決掛彈口高溫燒蝕防護難題，但通常難以達到設計要求的比沖、總沖等技術指標。雖然少煙、無煙高能復合推進劑在國際上正逐步工程化應用，但這些技術還未能在多種現役機載導彈和新型導彈項目上實現全面工程化應用。

采用彈射式發射方式可以避免燃氣燒蝕-腐蝕問題，許多中、遠程機載導彈即采用這種發射方式。但與導軌式發射裝置相比，彈射式發射裝置的結構復雜、重量和成本顯著增加，且涉及到工程設計和裝備變更等一系列問題，許多現役戰機還無法采用。短程導軌加強制離軌的發射方式，可能有利于減少燃氣的燒粘-腐蝕破壞，但難以完全代替導軌式發射方式。

(6) 特種防護技術

根據以上分析，常規防護方案難以達到有效防護掛彈口的目的。采用特種堆焊技術在導軌掛彈口燃氣流燒蝕的典型部位“種植”高溫合金，形成高溫合金/鋁合金復合的掛彈口特殊結構，既保持了導軌式機載發射裝置結構外形，又能實現多次重復發射不因高溫燃氣燒蝕、沖刷對掛彈口結構完整性破壞的目標。此外，探索了局部納米復合鍍制備防腐蝕和耐磨兼顧性表面處理改性方案、裝備快速修復技術同時提高表面防腐蝕性和耐磨性的技術方案。這些技術與總裝備部的裝備維修技術具有相似性，易于實現工程化推廣應用。

3防護研究進展

為解決機載發射裝置服役壽命周期內掛彈口高溫燃氣燒蝕、環境腐蝕防護的工程技術難題，探索在硬鋁和超硬鋁合金基體上快速沉積各種高溫合金與陶瓷功能組分，形成耐高溫燒蝕、耐沖刷功能防護表面的可行性技術方案。試驗表面以鋁合金為基體，在燃氣流燒蝕、沖刷最嚴酷部位覆蓋耐高溫、抗沖刷的高溫合金是一種工程可行的技術方案。目前，已經開展了功能模擬試驗件的實驗室試驗研究； 制備出在硬鋁和超硬鋁合金基體表面冶金結合、耐約2 000～3 000 ℃高溫燃氣燒蝕，厚度超過2 mm的功能防護層掛彈口小樣，并開展了相關試驗研究。

(1) 為了解高溫合金/鋁合金掛彈口結構對高能燃氣流反復多次高溫燒蝕防護的有效性，試驗采用氧乙炔焰(溫度2 000 ～3 000 ℃，熱流84～630×104J/(m2·s)，試樣7A09/高溫合金試驗件)進行了高溫燒蝕模擬試驗。連續進行10次氧乙炔焰燒蝕試驗，每次燒蝕時間1～2 s。未見試驗部位表面有明顯燒熔的痕跡，初步驗證了復合防護結構的防護有效性。

(2) 為了解高溫合金/鋁合金掛彈口結構能否承受反復掛彈/卸彈過程的沖擊、刮擦、摩擦磨損等問題，對鋁合金/高溫合金功能模擬試驗件進行了沖擊強度試驗分析(模擬掛彈沖擊)。試驗表明，高溫合金/鋁合金基體的結合部強度達到鋁合金本體強度和韌性的75%～85%。試驗件高溫合金/鋁合金界面掃描電鏡SEM的分析表明，高溫合金與鋁合金基體實現冶金結合。由此可見，這種結構可以滿足原有鋁合金掛彈口的操作性能。此外，摩擦磨損試驗表明，掛彈口高溫合金防護層的磨損壽命遠遠高于陽極氧化的鋁合金基體，這意味著鋁合金/高溫合金掛彈口結構具有長效防護功能。

(3) 關于高溫合金/鋁合金掛彈口方案環境適應性和腐蝕防護特性，對其是否耐腐蝕，是否存在不同金屬之間的電偶腐蝕的問題，采用模擬試驗件進行與腐蝕有關的環境試驗。采用鋁合金/高溫合金模擬試驗件(表面有MoS2干膜)依次進行GJB150系列試驗方法規定的環境適應性試驗，多件試驗件通過了機載發射裝置規定的高溫貯存、低溫貯存、溫度沖擊/循環、濕熱和在鹽霧、淋雨、砂塵、霉菌,以及振動試驗等環境適應性考核。試件表面未見明顯電偶腐蝕、開裂、脫粘等缺陷和故障，達到預期目標。

鋁合金/高溫合金掛彈口的結構外形、使用方法與原型的掛彈口一致，使用和維護保障相同。由于其高溫合金的耐燒蝕、抗侵蝕性能顯著優于鋁合金基體，從而使改進后的掛彈口具有長期服役和多次發射防護功能。隨著研究的深入，有望突破新型機載發射裝置壽命周期防護高溫高速燃氣燒蝕、沖刷的工程技術難題。

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Research on Protection Technique for Structural Integrality of Launcher Trough for Missiles

Xiao Jun1, Lei Ming1, Zhou Jiansong2, Cheng Gong1

(1.China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China;2.Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)

Abstract:Missile-hanging groove of airborne launcher is ablated and scoured by high temperature gas flow of missile, which not only destorys the structural integraligy, affects the normal operation, and produces potential safety risk, but also leads to corrosion in ablated area. In order to improve the combat effectiveness of the new generation of airborne weapons, the research and development for high temperature ablation of missile-hanging groove on airborne launcher, corrosion problem of marine environment, potential faiure mode, and structural integrality protection technology are discussed.

Key words:airborne launcher； launcher trough for missile； ablation； corrosion； aluminum alloy

DOI：10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.01.014

收稿日期：2015-06-03

作者簡介：肖軍(1962-)，男，湖南漢壽人，博士，研究員，研究方向為結構兼容與熱防護。

中圖分類號:TJ768

文獻標識碼:A

文章編號:1673-5048(2016)01-0073-04