空空导弹固体火箭发动机舰用化关键技术分析*

2015-12-10王虎干

弹箭与制导学报 2015年2期

王虎干

(中国空空导弹研究院，河南洛阳 471009)

0 引言

固体火箭发动机因其结构简单、工作可靠性高、维护简便、作战反应速度快、成本低等优点，广泛应用于各类战术导弹。目前国内外在役、在研大部分空空导弹均采用固体火箭发动机，如典型空空导弹美国的AIM-120［1］、AIM-9X［1］，俄罗斯的 P-77、P-73，以及欧洲的MICA、IRIS-T，以色列怪蛇系列导弹等。

同其他国家，我国目前在役空空导弹也多采用固体火箭发动机。随着我国航母、舰载机的服役，面临空空导弹舰用化的新问题:由于舰载机使用、作战环境与陆地战机有较大不同，空空导弹舰用化后必然有其特殊要求。文中从使用和作战环境入手，分析空空导弹固体火箭发动机舰用化所要面临和解决的关键技术，并给出可能的技术方向，以期为我国国防装备研制提供参考和借鉴。

1 使用、作战环境分析

从寿命和任务剖面分析，舰载机空空导弹发动机使用、作战环境有如下特点。

1.1 高密度燃料、弹药贮存环境

航母上要搭载战斗机、攻击机、反潜机等各类舰载机，要安装各类火炮、导弹发射装置，为了维持航母和这些武器平台的动力以及正常运行，需要储备大量的燃料和弹药。因此，航母上燃料、弹药贮存密度高，称航母为移动的火药库毫不为过，一旦燃料和弹药出现意外极易引起二次爆炸。

1.2 复杂电磁环境

复杂电磁环境是指在一定空域、时域、频域上，电磁信号纵横交叉、连续交错、密集重叠，功率分布参差不齐，对相应的电磁活动产生重大影响的电磁环境。航母上主要的电磁辐射包括雷达、通信、导航系统和电子战发射设备等，此外，电力系统也是潜在的低频电磁辐射源，电磁环境极其复杂。

固体火箭发动机在航母上贮存、测试、挂机过程中，点火电路在复杂电磁环境下的感应电流若超过发火元件最大不发火电流，将导致意外发火引燃发动机，危及安全。

1.3 多样化机械载荷

固体火箭发动机在航母上贮存和测试过程中，将经历船舰振动、倾斜摇摆、颠震等航母上各类机械载荷;挂机过程中将承受挂飞振动、机动飞振动、拦阻冲击等机械载荷;发射后经历轴向、横向过载以及自主飞振动，机械载荷多样化，需要保证在全寿命周期内发动机不因上述机械载荷导致性能降低。

与此同时，在导弹转运、舰载机挂弹着陆等情况下还可能出现跌落、制动冲脱等意外情况，需要保证在此类机械载荷下发动机不出现爆炸、燃烧并能安全处置。

1.4 海洋气候环境

航母作为移动作战平台，其使用温度范围要比陆地更宽，参考美国舰上服役的空空导弹，其使用温度范围达－54℃～+63℃(－65℉～+145℉)［1］，低温极限温度更低，对固体火箭发动机结构完整性要求更高。此外，盐雾环境下金属表面极易锈蚀，发动机裸露金属表面(吊挂、翼面安装座)须在全寿命周期内保证不出现锈蚀。

2 关键技术分析

通过使用、作战环境分析，舰载机空空导弹发动机应具备如下技术特点:

1)钝感，不易因意外刺激产生危险性响应及二次伤害;

2)高电磁安全性，点火系统能够在复杂电磁环境下保证不意外发火;

3)环境适应性好，在全寿命周期内既能够适应船舰振动、倾斜摇摆、颠震、舰载机挂飞振动、拦阻冲击等一系列机械载荷，又能够适应宽温度使用范围、太阳辐射、盐雾等海洋气候环境。

由此，空空导弹固体火箭发动机舰用化面临如下关键技术亟待解决。

2.1 低易损发动机技术

固体火箭发动机的低易损性是关系到导弹生存力的重要特性，是今后固体发动机设计的一个主要发展方向。其概念为:发动机不但能提供安全可靠的推力特性，而且对诸如热冲击和撞击等意外刺激的反应猛烈程度较小。它有两层含义:一是各种意外刺激虽可损伤发动机，但不能引燃、引爆发动机(达到了钝感的要求);二是各种意外刺激在损伤发动机的同时，引燃了发动机，但不会发生爆炸而损伤周围环境，也不提供大推力而使弹药造成更大的危险(狭义的低易损性)［2］。

自1982年以来，美国国防部修订建立并完善了世界第一个钝感弹药军用系列标准MIL-STD-2105，该标准历经A、B、C各个版本，目前已经发展为MILSTD-2105D［3］，该标准规定了钝感弹药应通过的一系列试验，它把试验结果分为6个等级:I类为爆轰反应;Ⅱ类为部分爆轰反应;III类为爆炸反应;IV类为爆燃反应;V类为燃烧反应;VI类无反应。该标准要求低易损性测试参照相关的北约标准化协议执行，见表1。

表1 MIL-STD-2105D的评估方法和准则

国内关于固体火箭发动机低易损性的研究起步较晚，尚无系统标准，可作为低易损性参考的相关标准主要有GB/T14372-2005危险货物运输爆炸品认可、分项试验方法和判据［4］、国军标GJB 357-1987空-空导弹最低安全要求［5］、国军标GJB6195-2008复合固体推进剂危险等级分类方法［6］、国军标QJB770B-2005火药试验方法［7］。这些标准规定了一些试验项目，对发动机或推进剂安全性进行评估，但尚无专用标准对固体火箭发动机低易损性以及评估手段进行系统、明确规定。

分析表1中几项试验，发动机反应部位均为燃烧室，因此低易损发动机的设计核心是燃烧室，主要关键技术集中在壳体和推进剂上。

2.1.1 低易损壳体

一系列的试验结果表明，固体发动机壳体的复合材料化对发动机的低易损性有很大贡献。例如，表2为不同材料壳体低易损性(IM)试验比较，复合材料壳体的低易损性明显优于钢壳体［8］。

然而，复合壳体由于强度低，一般壁厚较大，应用于结构紧凑、对空间要求高且壳体布置有吊挂、翼面安装座等结构件的空空导弹，尚需解决如下关键技术问题:

表2 不同材料壳体低易损性(IM)试验比较

1)高强度复合壳体材料;

2)带金属挂件的复合壳体技术。

对于钢质壳体，采用局部易自爆设计是一种重要思路，目前，美国空空导弹AIM-120的发动机采用了切割索技术，当外界刺激达到一定触发条件时，切割索将发动机壳体切开，即可避免产生爆炸;也可将燃烧室局部增加压力泄放装置，可以泄放燃烧室内高压，防止发动机爆炸，降低危险性。采用隔热涂层是实现低易损性的另一途经，采用隔热涂料或膨胀材料，能在快速自燃条件下使推进剂的点火响应时间延长。

2.1.2 低易损推进剂

目前，空空导弹固体火箭发动机广泛采用HTPB/AP推进剂，该推进剂无法通过慢速烤燃试验。

HTPE推进剂是美国近年来开发的一种新型钝感推进剂，该推进剂表现出对极端激励(加热、冲击波、机械撞击)不敏感的性能。同时，其对静电刺激的危险性也远低于HTPB推进剂。在采用不同装药结构的各种缩比和全尺寸模型发动机钝感弹药实验中，HTPE推进剂都具有良好的钝感特性。表3给出了HTPE推进剂与HTPB推进剂试验结果的对比［9］。

表3 Ф254 mm演示发动机中IM试验结果

由于HTPE推进剂具备较好的钝感特性和力学、能量、燃烧等综合性能，美国ATK公司大力推进了HTPE推进剂的工程化水平，已在在役产品ESSM(改进型海麻雀)上实现应用，另有报道显示在AIM-120最新改进型AIM-120-D也采用了HTPE推进剂。

目前，在总体单位牵引下，国内研制的HTPE推进剂已通过MIL-STD-2105D中各项试验。完成了推进剂各项性能测试，Ф315标准发动机能量测试(图1)，各项性能达到甚至略优于HTPB推进剂。

与此同时，中国空空导弹研究院结合产品上舰开展了HTPE推进剂的内燃、端燃两种药型应用试验研究(试车情况见图2、图3，试车曲线见图4、图5)，并针对某型产品进行了验证，结果初步可行。

图1 HTPE推进剂Ф315标准发动机试车

图2 HTPE推进剂内燃药型试车

图3 HTPE推进剂端燃药型试车

图4 HTPE推进剂内燃药型试车曲线

此外，GAP推进剂在低易损性上有一定优势，已通过美军标中各项低易损试验，且与HTPE推进剂相比具有能量优势，但目前存在玻璃化温度偏高的问题，距工程化尚有距离。

图5 HTPE推进剂端燃药型试车曲线

2.2 高安全点火技术

为确保发动机点火系统安全性，美军标和国军标均对导弹固体发动机点火系统做出规定:采用1A1W钝感电爆管，在电爆管与点火输出间加装隔离装置。

目前，国外空空导弹发动机已大量采用隔离装置对点火器传火通道进行隔离，如AIM-9X的机械隔离，AIM-120的机电隔离。机械隔离装置在载机起飞前由手动方式切换安全/战斗状态，可在载机起飞前确保不意外点火;机电隔离装置在发射时由导弹弹上电源给电切换安全/战斗状态，安全性更高。

AIM-120基本型发动机采用图6方式的机电式安全点火装置(图中不带点火药盒)。在安全状态下，通过隔断电爆管的传火通道，防止电爆管意外发火后点燃发动机;需要实现发动机点火时，给螺线管加电，使其在几十毫秒内转动90°，传火通道被打通，只要再给电爆管通发火电流，就能实现发动机点火。其所带的图像导管，可以将点火装置的状态(安全状态或战斗状态)传送给测试人员。这种方式也在其他的战术导弹中采用［10］(图7)。

图6 机电式安全点火装置驱动机构

AIM-120改进型发动机对安全点火系统进行了改进，目的是缩小点火装置的尺寸。将图6中的驱动装置进行模块化集成，缩小了尺寸。采用了隔板起爆器方式来实现隔离(见图8，图中不带点火药盒)，电爆管起爆后再起爆隔板起爆器，从而实现发动机点火。这种小型化的安全点火装置同样在其他战术导弹中广泛采用［10］(图9)。

图7 采用图6所示机构的战术导弹

图8 改进型机电式点火装置

图9 改进型机电式点火装置

国内类似产品已进入工程化阶段，极大提高了导弹点火系统的安全性。

激光点火器是提高点火器在复杂电磁环境下安全性的又一技术途径，其基本原理是将传统电发火元件改进为激光发火元件，发火元件通过光纤与激光器连接。由于光纤和激光对电磁环境均不敏感，因此极大提升了点火系统的电磁安全性。目前，美国采用激光点火器的ESSM已在航母上装备［1］，国内尚处于预研阶段，受制于激光器体积限制，尚不具备弹用条件。