從臺導彈頭罩開裂看防空導彈頭罩技術

王繼新

2017年3月，臺媒曝光臺海軍戰斗系統工廠蘇澳維修站邱姓庫長在作業時不慎發生碰撞，彈頭的陶瓷護罩出現裂痕，而領班的林姓班長卻隱匿未報，以膠帶捆綁彈頭，直到2017年1月執行吊彈作業從彈庫搬上“左營”號“基德”級艦時才被發現。這一事件反映出臺海軍軍紀渙散，裝備維護形同兒戲，不過讓外界頗為詫異的是被臺海軍視為防空“神器”的“標準”2艦載防空導彈的頭罩竟然是“土氣”的陶瓷材料，而且破裂后海軍司令部宣稱問題不大，似有大事化了的企圖。那么，常常被人忽略的防空導彈頭罩究竟起著何作用？又為什么使用陶瓷材料？陶瓷質地的頭罩開裂后會對導彈產生什么樣的影響呢？

比較偏門的防空導彈頭罩里面究竟有著怎樣的學問？要回答這一問題我們還要從其艱難的發展談起。

有機玻璃材料防空導彈天線罩的發展是與航空航天事業以及導彈本身的發展相關聯的。最早應用于飛行器的天線罩可以追溯到第二次世界大戰。1941年，美國在波音B-18A飛機上裝了一種供轟炸機瞄準用的雷達，采用有機玻璃材料制成的半球形天線罩來保護雷達天線正常工作。此后，各種介質材料及不同結構形式的天線罩相繼應用在飛機上。防空導彈天線罩的研制和應用起步較晚，但它是在飛機天線罩的基礎之上發展起來的，因此起點較高。上世紀50年代初，波音飛機公司開始研制“波馬克”導彈天線罩，導彈最大速度為3倍音速，主動尋的制導，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”防空導彈則在此基礎上發展了纖維增強塑料材料，這時的防空導彈天線罩的電氣設計幾乎都采用半波長壁厚結構。制造過程中，嚴格控制罩的壁厚公差及材料的一致性，保證了主動尋的導引頭天線輻射場在給定入射角范圍內有最佳的傳輸特性，它反映了當時用有機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展，要求天線罩在更惡劣的環境下工作，需要研制在更高的工作溫度下，能滿足天線罩電氣和結構要求的新材料。某些無機材料具有熔點高、介電性能好以及高溫強度高等優點，50年代已開始注意這種脆性材料在導彈上應用的可能?！奥槿浮?導彈天線罩就是用97.6%的三氧化二鋁陶瓷材料研制而成的。美國柯寧玻璃公司于1953年偶然發現玻璃-陶瓷材料，兩年后用微晶玻璃研制成功“小獵犬”和“韃靼人”兩種防空導彈用天線罩。美國在這一階段著名的“不死鳥”空空導彈也采用了微晶玻璃頭罩，而該導彈最高速度達到了5馬赫。此時，人們對天線罩瞄準誤差和瞄準誤差率對制導系統的影響有了深刻認識。有人認為，以上兩種導彈制導系統是圍繞微晶玻璃天線罩而設計成功的。需要指出的是這一階段蘇聯導彈頭罩材料技術相對落后，在這一階段發展的2.8馬赫速度的“薩姆”6防空導彈仍使用了纖維增強塑料材料。

石英陶瓷材料上世紀60年代，美國喬治亞州理工學院在美國海軍的資助下，研制新的熱防護系統的材料，取得了泥漿澆注熔石英（簡稱石英陶瓷）材料的新成果。這種材料介電損耗低，具有低的熱膨脹系數和高的抗熱沖擊性能，較適合于高速飛行的導彈。1963年美國空軍打算將石英陶瓷材料應用于“開路先鋒”戰略導彈。70年代，美國的“愛國者”防空導彈和意大利的“阿斯派特”導彈均采用石英陶瓷材料作天線罩，兩者都是半波長壁厚結構。后者為海、陸、空三軍通用的多功能導彈，是在美國“麻雀”導彈基礎上改進的，由意大利塞列尼亞公司向喬治亞州理工學院購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，未來拱形天線技術已經成為防空導彈天線罩發展的新方向，其使得在天線罩表面合理設計天線陣列成為可能，實現天線和天線罩一體化共形。

總的來看，防空導彈等高速飛行器天線罩的發展是與材料的發展密切相關的。各國的技術水平不盡相同，對材料發展的基礎也不一樣，各有特點。其中，美國的發展路線大致是纖維增強塑料-氧化鋁陶瓷-微晶玻璃-石英陶瓷。蘇/俄、英則在較長時間段中采用有機材料-纖維增強塑料制作。這種情況在可預見的未來還將長期存在。

防護頭罩設計難點及關鍵技術

導彈防護頭罩在設計上經過了長期探索和實踐，這主要是由于防空導彈防護頭罩在設計上需要解決諸多互相矛盾的技術難點。

防空導彈頭罩設計難點防空導彈需要長期儲存和執勤，這要求頭罩性能相對穩定，滿足較大溫差、濕度差和氣壓差等變化，克服潮濕、霉變和機械沖擊等問題，而一旦發射又需要滿足高溫、高速和高過載的要求。可見防空導彈防護頭罩的工作條件是導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加熱，溫度劇烈上升，其結果可能導致結構出現熱應力，同時天線罩材料的電性能發生變化；其次，在劇烈的氣動加熱情況下，天線罩壁板材料可能發生熔解、升華和脫落，在降水地帶飛行，即使是中速飛行時，雨、雪或者冰雹產生的侵蝕作用也會損壞天線罩的外表面，發生所謂剝蝕現象；第三，導彈高速飛行中，天線罩外表面可能與大氣層摩擦造成帶電現象，產生的脈沖放電可能破壞彈上雷達的工作；最后，潮氣滲入內部以及天線罩結冰會導致天線的無線電性能惡化。

防空導彈防護頭罩表面上看結構很簡單，但實質上卻要復雜得多，因為它要滿足許多相互矛盾的要求。高速飛行時要求天線罩具有良好的氣動力外形和較長的延伸段，但這種外形既不能滿足彈上雷達的要求，也不能滿足紅外導引頭的要求。而天線頭罩強度和透波性、工藝性等也存在較大的矛盾。例如，天線防護罩抗雨蝕設計就需要解決諸多材料與結構的問題。1945年，美國用B-29轟炸機轟炸日本返航歸來發現機上天線罩表面受損，經麻省理工學院進行雨沖擊模擬試驗證明天線罩表面損壞是高速飛行時雨滴沖擊造成的。從此，天線罩雨蝕問題就成為天線罩研制中必須解決的問題之一。而防空導彈在空中飛行時間較短，并且是一次性使用的，僅在雨天發射時才會遇到雨蝕問題。統計表明地空導彈飛行遇雨概率約為1%～3%，若導彈配置在降雨多的地區，必須考慮天線罩的抗雨蝕設計。金屬是常用的雨蝕頭材料之一，蘇聯“薩姆”-6導彈采用的是這種雨蝕頭，但由于金屬頭對電磁波的阻擋，會影響天線罩的電氣性能，為此科研人員開發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制作天線罩的雨蝕頭，能改善對天線罩電氣性能的影響。

可見，防空導彈天線罩的這些特殊要求，需要空氣動力學、熱力學、機械結構、天線與電磁場理論、制導與控制、新材料及其成型加工工藝、專門檢測技術等諸多門類的關鍵技術。

氣動外形設計導彈頭部天線罩承受全彈最大的氣動載荷和熱載荷。一般而言，高速彈頭的表面溫度和導彈飛行速度的平方成正比，導彈速度的增加導致彈頭表面溫度很快上升，一般防空導彈熱變化率約100～200攝氏度/秒，某些導彈的熱變化率達540～820攝氏度/秒，因此抗熱沖擊是天線罩重要設計指標。

內部結構設計導彈天線罩殼體的結構設計也十分重要，例如，天線罩外表面的瞬間熱分布、介質壁內外層的瞬間熱傳導、熱沖擊特性、抗雨蝕能力以及天線罩內部的溫度等等。天線罩與彈體連接，除解決兩種材料的膠接強度和連接方式外，還需考慮兩種材料的熱膨脹系數的匹配，因為在飛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窗，解決光學和紅外傳感器信號源的問題，這都給結構設計帶來困難。

電磁性能優化在導彈飛行過程中，導引頭天線的輻射場以不同的入射角、不同的極化形式通過不同曲率半徑外形天線罩的介質壁，影響電磁場的傳輸、反射和折射，最終產生相位畸變。對于高速流線型天線罩，電磁波投射到天線罩介質壁的入射角范圍一般在0～85度之間，而天線罩具有復雜的外形時，雖然罩壁兩側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彈制導系統的組成部分，需讓天線輻射的電磁波不失真地通過天線罩壁，其瞄準誤差要求加高，對于球形天線罩，在給定窄頻寬范圍內達到上述要求也許并不困難，但高速飛行的防空導彈的天線罩外形多呈鼻錐形，長細比增加，要在較寬的頻帶和一定的工作溫度范圍內達到上述要求并不容易。此外，氣動熱引起罩壁電性能變化或熱燒蝕對天線輻射場的影響也是一個專門課題。

上述問題幾乎都與天線罩介質材料有關，天線罩介質材料需滿足眾多要求，目前已開發出能滿足不同需要的多種天線罩材料供選擇。

防空導彈防護頭罩的材料選擇

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精度高的天線罩。此外要求天線罩各部位的電磁波透過性能必須均勻，才能保證制導波束頻率和功率均勻恒定。

滿足導彈實際工作環境要求導彈天線罩材料雖然在穩定情況下性能穩定，但導彈天線罩工作都是在高速運動情況下，氣動加熱、加載都是在瞬間同時作用其上，以馬赫數為2.6的中程防空導彈為例，在某一飛行彈道天線罩的瞬時加熱速率高達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，因此在選擇材料時必須考慮瞬間工作狀態對材料性能的影響，選擇能在這種環境下穩定工作的材料。

滿足電氣及結構等綜合性能迄今尚沒有一種材料能全面滿足天線罩要求。每種材料既有優點，也有不足。設計人員必須保證主要性能，對局部不足可以通過設計上的補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低、介電性能好等優點，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材料?？梢娞炀€罩的設計是平衡折中的過程。

滿足可生產性和經濟性天線罩作為武器部件，性能必須穩定可靠。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。此外還應考慮天線罩的經濟性，包括原料來源及生產成本等。

典型的陶瓷天線罩材料天線罩材料通常包括有機天線罩材料和無機天線罩材料。其中，無機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塑料相比具有如下特點：一是耐高溫，大多數陶瓷材料耐熱（指維持一定強度的溫度極限）都在500攝氏度以上；二是宏觀上它是均質體，用它制成天線罩罩體各部位電性能均勻一致；三是強度高，除石英陶瓷外，絕大多數陶瓷強度高、硬度大，設計時不必考慮抗雨蝕涂層。對于陶瓷材料的最大缺點——脆性，通過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，它們在防空導彈天線罩中得到廣泛應用。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題。其主要缺點是高的熱膨脹系數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馬赫的防空導彈上，已被成功地用于“麻雀”和“響尾蛇”等導彈上。

微晶玻璃是20世紀50年代中期美國康寧公司發現的一種新型無機材料。它是借助控制晶化的方法，使特定組成的透明玻璃形成無數直徑很小的微小晶粒，從而獲得性能優異的不透明瓷質材料，因在結構上與陶瓷相似，故也稱為玻璃陶瓷。微晶玻璃具有耐高溫、高強度、膨脹系數低以及介電常數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60年代就被廣泛用來代替氧化鋁制造馬赫數在3～4的多種型號防空導彈天線罩。

石英陶瓷主要成分是常見的二氧化硅，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材料，故稱石英陶瓷。石英陶瓷的電氣性能對頻率與溫度的變化十分穩定，而且其具有突出的抗熱沖擊性，這使其成為馬赫數大于5的高超音速導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彈上，美國的“愛國者”、意大利的“阿斯派特”等導彈都采用石英陶瓷天線罩。

“標準”2防護頭罩碰撞事故分析

飛行中的天線罩承受著由空氣動力和縱向或橫向加速度引起的機械應力，因此天線罩材料必須有足夠的機械強度和適當的彈性，機械強度應明顯大于作用其上的諸應力疊加后之最大應力。但防空導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，在彈性變形階段結束后會立即發生斷裂。這就是臺“標準”2防護頭罩碎裂的原因。

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