空空導彈固體火箭發動機艦用化關鍵技術分析*

王虎干

(中國空空導彈研究院，河南洛陽 471009)

0 引言

固體火箭發動機因其結構簡單、工作可靠性高、維護簡便、作戰反應速度快、成本低等優點，廣泛應用于各類戰術導彈。目前國內外在役、在研大部分空空導彈均采用固體火箭發動機，如典型空空導彈美國的AIM-120［1］、AIM-9X［1］，俄羅斯的 P-77、P-73，以及歐洲的MICA、IRIS-T，以色列怪蛇系列導彈等。

同其他國家，我國目前在役空空導彈也多采用固體火箭發動機。隨著我國航母、艦載機的服役，面臨空空導彈艦用化的新問題:由于艦載機使用、作戰環境與陸地戰機有較大不同，空空導彈艦用化后必然有其特殊要求。文中從使用和作戰環境入手，分析空空導彈固體火箭發動機艦用化所要面臨和解決的關鍵技術，并給出可能的技術方向，以期為我國國防裝備研制提供參考和借鑒。

1 使用、作戰環境分析

從壽命和任務剖面分析，艦載機空空導彈發動機使用、作戰環境有如下特點。

1.1 高密度燃料、彈藥貯存環境

航母上要搭載戰斗機、攻擊機、反潛機等各類艦載機，要安裝各類火炮、導彈發射裝置，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意外極易引起二次爆炸。

1.2 復雜電磁環境

復雜電磁環境是指在一定空域、時域、頻域上，電磁信號縱橫交叉、連續交錯、密集重疊，功率分布參差不齊，對相應的電磁活動產生重大影響的電磁環境。航母上主要的電磁輻射包括雷達、通信、導航系統和電子戰發射設備等，此外，電力系統也是潛在的低頻電磁輻射源，電磁環境極其復雜。

固體火箭發動機在航母上貯存、測試、掛機過程中，點火電路在復雜電磁環境下的感應電流若超過發火元件最大不發火電流，將導致意外發火引燃發動機，危及安全。

1.3 多樣化機械載荷

固體火箭發動機在航母上貯存和測試過程中，將經歷船艦振動、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;發射后經歷軸向、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發動機不因上述機械載荷導致性能降低。

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

1.4 海洋氣候環境

航母作為移動作戰平臺，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，對固體火箭發動機結構完整性要求更高。此外，鹽霧環境下金屬表面極易銹蝕，發動機裸露金屬表面(吊掛、翼面安裝座)須在全壽命周期內保證不出現銹蝕。

2 關鍵技術分析

通過使用、作戰環境分析，艦載機空空導彈發動機應具備如下技術特點:

1)鈍感，不易因意外刺激產生危險性響應及二次傷害;

2)高電磁安全性，點火系統能夠在復雜電磁環境下保證不意外發火;

3)環境適應性好，在全壽命周期內既能夠適應船艦振動、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，又能夠適應寬溫度使用范圍、太陽輻射、鹽霧等海洋氣候環境。

由此，空空導彈固體火箭發動機艦用化面臨如下關鍵技術亟待解決。

2.1 低易損發動機技術

固體火箭發動機的低易損性是關系到導彈生存力的重要特性，是今后固體發動機設計的一個主要發展方向。其概念為:發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動機，但不能引燃、引爆發動機(達到了鈍感的要求);二是各種意外刺激在損傷發動機的同時，引燃了發動機，但不會發生爆炸而損傷周圍環境，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A、B、C各個版本，目前已經發展為MILSTD-2105D［3］，該標準規定了鈍感彈藥應通過的一系列試驗，它把試驗結果分為6個等級:I類為爆轟反應;Ⅱ類為部分爆轟反應;III類為爆炸反應;IV類為爆燃反應;V類為燃燒反應;VI類無反應。該標準要求低易損性測試參照相關的北約標準化協議執行，見表1。

表1 MIL-STD-2105D的評估方法和準則

國內關于固體火箭發動機低易損性的研究起步較晚，尚無系統標準，可作為低易損性參考的相關標準主要有GB/T14372-2005危險貨物運輸爆炸品認可、分項試驗方法和判據［4］、國軍標GJB 357-1987空-空導彈最低安全要求［5］、國軍標GJB6195-2008復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］。這些標準規定了一些試驗項目，對發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動機低易損性以及評估手段進行系統、明確規定。

分析表1中幾項試驗，發動機反應部位均為燃燒室，因此低易損發動機的設計核心是燃燒室，主要關鍵技術集中在殼體和推進劑上。

2.1.1 低易損殼體

一系列的試驗結果表明，固體發動機殼體的復合材料化對發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，復合材料殼體的低易損性明顯優于鋼殼體［8］。

然而，復合殼體由于強度低，一般壁厚較大，應用于結構緊湊、對空間要求高且殼體布置有吊掛、翼面安裝座等結構件的空空導彈，尚需解決如下關鍵技術問題:

表2 不同材料殼體低易損性(IM)試驗比較

1)高強度復合殼體材料;

2)帶金屬掛件的復合殼體技術。

對于鋼質殼體，采用局部易自爆設計是一種重要思路，目前，美國空空導彈AIM-120的發動機采用了切割索技術，當外界刺激達到一定觸發條件時，切割索將發動機殼體切開，即可避免產生爆炸;也可將燃燒室局部增加壓力泄放裝置，可以泄放燃燒室內高壓，防止發動機爆炸，降低危險性。采用隔熱涂層是實現低易損性的另一途經，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時間延長。

2.1.2 低易損推進劑

目前，空空導彈固體火箭發動機廣泛采用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的一種新型鈍感推進劑，該推進劑表現出對極端激勵(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。在采用不同裝藥結構的各種縮比和全尺寸模型發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推進劑試驗結果的對比［9］。

表3 Ф254 mm演示發動機中IM試驗結果

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，已在在役產品ESSM(改進型海麻雀)上實現應用，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標準發動機能量測試(圖1)，各項性能達到甚至略優于HTPB推進劑。

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

圖1 HTPE推進劑Ф315標準發動機試車

圖2 HTPE推進劑內燃藥型試車

圖3 HTPE推進劑端燃藥型試車

圖4 HTPE推進劑內燃藥型試車曲線

此外，GAP推進劑在低易損性上有一定優勢，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

為確保發動機點火系統安全性，美軍標和國軍標均對導彈固體發動機點火系統做出規定: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，國外空空導彈發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/戰斗狀態，可在載機起飛前確保不意外點火;機電隔離裝置在發射時由導彈彈上電源給電切換安全/戰斗狀態，安全性更高。

AIM-120基本型發動機采用圖6方式的機電式安全點火裝置(圖中不帶點火藥盒)。在安全狀態下，通過隔斷電爆管的傳火通道，防止電爆管意外發火后點燃發動機;需要實現發動機點火時，給螺線管加電，使其在幾十毫秒內轉動90°，傳火通道被打通，只要再給電爆管通發火電流，就能實現發動機點火。其所帶的圖像導管，可以將點火裝置的狀態(安全狀態或戰斗狀態)傳送給測試人員。這種方式也在其他的戰術導彈中采用［10］(圖7)。

圖6 機電式安全點火裝置驅動機構

AIM-120改進型發動機對安全點火系統進行了改進，目的是縮小點火裝置的尺寸。將圖6中的驅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，從而實現發動機點火。這種小型化的安全點火裝置同樣在其他戰術導彈中廣泛采用［10］(圖9)。

圖7 采用圖6所示機構的戰術導彈

圖8 改進型機電式點火裝置

圖9 改進型機電式點火裝置

國內類似產品已進入工程化階段，極大提高了導彈點火系統的安全性。

激光點火器是提高點火器在復雜電磁環境下安全性的又一技術途徑，其基本原理是將傳統電發火元件改進為激光發火元件，發火元件通過光纖與激光器連接。由于光纖和激光對電磁環境均不敏感，因此極大提升了點火系統的電磁安全性。目前，美國采用激光點火器的ESSM已在航母上裝備［1］，國內尚處于預研階段，受制于激光器體積限制，尚不具備彈用條件。

2.3 高仿真環境試驗技術

固體火箭發動機環境適應性，設計上可以采取技術措施進行定性處理，但尚無法達到定量分析的程度，環境適應性主要靠試驗手段進行考核。開展艦用空空導彈固體火箭發動機研制尚需建立健全相關環境試驗手段，目前亟待開展的設備研制主要包括如下方面:

攔阻沖擊試驗設備:模擬導彈掛機著艦過程中-X向沖擊載荷。

制動沖脫試驗設備:模擬導彈掛機著艦過程中出現意外，導彈從發射架上沖脫后著艦這一過程。

2.4 其他技術

主要包括低溫環境的高裝填系數裝藥技術，用于解決鹽霧環境下金屬銹蝕的表面處理技術、異種材料焊接技術等，這些技術屬于在傳統技術上的進一步提高。

3 結論及建議

分析了空空導彈固體火箭發動機艦用化面臨的環境條件，梳理出低易損發動機技術、高安全點火技術、高仿真試驗技術等關鍵技術。對于近期空空導彈固體火箭發動機艦用化工作，有如下建議:

1)低易損技術是固體火箭發動機艦用化最重要的技術方向，應大力發展。目前應建立健全國內固體火箭發動機低易損性相關標準和評估體系，進一步推進HTPE推進劑工程化進程，開展低易損殼體技術攻關。

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鍵技術攻關。

3)盡快開展攔阻沖擊、制動沖脫等試驗設備研制。

［1］http:∥www.atk.com［OL］.

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

［3］MIL-STD-2105D.MIL-STD Hazard Assessment Tests For Non-muclear nunition［S］.2011.

［4］GB/T14372－2005.危險貨物運輸爆炸品認可、分項試驗方法和判據［S］.2005.

［5］GJB 357－1987.空-空導彈最低安全要求［S］.1987.

［6］GJB6195－2008.復合固體推進劑危險等級分類方法［S］.2008.

［7］QJB770B－2005.火藥試驗方法［S］.2005.

［8］劉蘿威，嚴明.用于戰術導彈推進系統的火箭發動機復合材料殼體［J］.飛航導彈，2007(3):45－47.

［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發動機反設計報告［R］.中國空空導彈研究院.