空空導彈結構技術的研究進展

羅楚養，孫毓凱，王文博，魏仲委，蔡培培，黃帥軍，程 功

(1.東華大學 民用航空復合材料協同創新中心，上海 201620； 2.中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009；3.32381部隊，北京 100072)

0 引 言

空空導彈自20世紀40年代誕生起，已經走過了70多年的歷程。空空導彈作為一種機載武器，隨著載機平臺和空中目標性能的不斷提高、空戰戰術的不斷發展以及各種新理論、新技術、新材料在空空導彈設計制造中的不斷應用，空空導彈技術獲得了迅速的發展[1-5]。近年來，隨著我國四代機和艦載機的服役，四代機內埋、超聲速巡航、超機動能力、超隱身等特點要求空空導彈具有更高的速度、更遠的射程和更大的機動能力，而艦載機服役面臨的著艦沖擊和海洋大氣環境等[6]新難題也需要新型空空導彈在設計上適應這些新變化。總體結構技術是導彈武器系統的關鍵技術之一，彈體結構包括天線罩、艙體、舵面、翼面、整流罩等，將各組件合理、有序地連接在一起形成一個具有系統性能的產品。結構技術的每一次變革，都將對系統性能產生深遠影響。同時，結構技術的發展方向，又離不開總體技術的牽引。隨著空空導彈向小型化、多用化、輕量化發展，近年來，空空導彈結構技術主要圍繞輕量化技術、小型化技術、熱防護技術和海洋環境適應性技術等四個方面進行突破。本文從技術特點、技術難點、技術方案等方面對以上四個關鍵技術進行了梳理與分析，總結了我國空空導彈結構技術的研究現狀。

1 結構輕量化技術

輕量化是飛行器結構設計永恒的目標，結構輕量化主要包括兩個方面：一個是材料技術；另一個是設計技術[7-8]。材料技術主要是采用輕質高強的材料，比如先進復合材料[9-12]和輕質合金[13]等；設計技術主要包括拓撲優化、新型點陣結構[14-18]等新型設計手段和結構方案。鋁合金、鎂合金、鋁鋰合金等輕質合金和PPS(聚苯硫醚)、PEEK(聚醚醚酮)等工程塑料具有優異的力學性能，通常用于彈內骨架材料。但對于艙體、舵翼面等彈體主承力結構，其服役環境較為苛刻，不僅要滿足大機動條件下的強剛度和穩定性要求，同時還面臨氣動加熱的高溫環境[19-20]。對于此類結構，通常采用高強度鋼、鈦合金、高溫合金等材料制造。先進復合材料具有重量輕、強度高、可設計、抗疲勞，易實現結構功能于一體等特點，在航空航天領域應用，顯示出其他材料難以比擬的優勢，目前已廣泛應用于飛機、導彈、火箭、航空發動機等結構上，并取得了優異的減重效果[21-24]。采用先進復合材料進行彈體結構減重設計是未來機載武器結構技術的重要發展趨勢之一。結構輕量化設計，首先要保證結構的安全性。與其他戰術導彈不同，空空導彈通常要經歷掛機飛行和自主飛兩個階段。可見，空空導彈復合材料結構需同時面臨飛機復合材料結構的損傷容限問題和高超聲速導彈的高溫結構完整性問題[25-28]。因此，如何確定含損傷結構在掛飛過程中的損傷擴展情況，并保證自主飛階段含損傷結構的高溫結構完整性，是空空導彈復合材料結構設計的難點。其次，彈體結構通常由多種材料組成，不同材料之間的線膨脹系數不同，在高溫下會產生較大的熱應力，如果不考慮不同材料之間的熱匹配，將會使結構提前破壞。結構的熱匹配主要包括主承力結構之間連接的熱匹配和主承力結構與內外防熱材料的熱匹配兩個方面。近年來，國內相關單位采用耐高溫的碳纖維增強聚酰亞胺復合材料，研制了多種彈體結構件，包括復合材料舵面(見圖1)、復合材料艙體(見圖2)、復合材料連接環(見圖3)等。目前這些結構均經過了地面靜力試驗和靜熱聯合試驗，并系統研究了彈體復合材料結構在高溫下的失效機理和失效模式[19-20]。

圖1 復合材料舵面Fig.1 Composite rudder

圖2 復合材料艙體Fig.2 Composite fuselage

圖3 復合材料連接環Fig.3 Composite attaching collar

2 結構小型化技術

新型戰斗機對隱身性能的追求使得機載武器不再外掛于飛機機身和機翼下方，而是掛裝在專門的內埋式彈艙內。為了提高載彈量，載機對機載武器提出了結構小型化需求。結構小型化可通過減小彈徑、減小舵翼面尺寸、舵翼面折疊或伸縮來實現。前兩種方式會犧牲一定的總體性能，后一種方式由于引進了額外的執行機構，會降低結構可靠性[29]。為了不降低總體性能指標，通常采用折疊/伸縮機構來減小彈體的橫向尺寸。

2.1 折疊舵/翼面

折疊舵/翼面是將氣動面展向的一部分或全部用折疊機構將氣動面折疊，解除約束后，氣動面自動展開并在規定位置上可靠鎖定。折疊舵/翼面在地空導彈、艦空導彈、地地導彈等戰術導彈上應用較多，這些導彈通常都是筒式發射，一般采用人工折疊，舵/翼面折疊后在筒內依靠筒壁進行約束，導彈出筒時自動展開并鎖定[30-31]，如圖4所示。按弦向分離面位置可分為全折疊和部分折疊兩種型式。全折疊翼包括卷疊式、潛入式、尾翼式、縱向折疊式等[32]。部分折疊的弦向分離面在翼面中部，通過對外翼進行一次或多次橫向折疊實現導彈橫向尺寸的減小[33]。對于地空導彈、艦空導彈、地地導彈、艦艦導彈、岸艦導彈等戰術導彈，其發射時通常處于準靜態，導彈出筒時速度較低，舵/翼面載荷和氣動干擾較小。而對于空空導彈，通常要求滿足載機超音速大過載下發射，導彈在發射瞬間受到的載荷和氣動干擾較大，導致載荷具有較大的不確定性。同時，為了確保載機安全，內埋彈射用折疊舵/翼面要求具有更高的可靠性、安全性、保形性和可維護性。這就需要折疊舵/翼面在非常狹小的空間內完成初始鎖、終位鎖、展開機構及折疊機構的設計。因此，內埋彈射用導彈折疊舵/翼面的設計較其他類型導彈折疊舵/翼面難度更大。內埋彈射用導彈折疊舵/翼面主要解決以下的關鍵問題：

(1)高安全、高可靠折疊展開機構設計——滿足大力矩輸出要求；

(2)初始鎖與終位鎖機構設計——滿足可靠鎖制以及維護要求；

(3)機構與舵體的一體化設計——滿足保形減阻要求；

(4)位置感知設計技術——實現不發射不展開目的；

(5)間隙控制——防止出現氣動彈性問題；

(6)展開沖擊控制——多余能力處理。

為充分驗證其功能可靠性，還需開展地面性能試驗、全尺寸風洞展開試驗[34]、地面靜態彈射展開試驗[35-36]、地面振動試驗[37]、空中發射試驗等。其中，展開的驅動方式是內埋彈射用導彈折疊舵/翼面的核心技術，目前常用方案有：燃氣驅動、氣源驅動、彈簧驅動、扭桿驅動、電驅動等。

圖4 筒式發射折疊舵面Fig.4 Barrel type launching folding rudder

2.2 伸縮舵/翼面

由于折疊舵面在展開之前無法參與彈體的控制，這會給彈射分離帶來很大的風險，甚至危及載機安全。為此，另一種減小舵面橫向尺寸的方案，即伸縮舵方案，近年來也引起國內外學者的關注[38-39]。相比折疊舵面，伸縮舵面具有以下優點：(1)使用更加靈活，展開前后均可參與控制，機彈分離時可預置舵偏或根據指令偏轉，控制分離姿態，更利于分離安全；(2)為未來可變氣動外形導彈設計提供了可能。但同時，其設計難度也更大。伸縮舵設計難點包括：極小尺寸伸縮機構設計、鎖制機構設計、位置感知設計、運動機構的模態控制技術、顫振抑制技術[40]、運動匹配技術等。目前主要的驅動方式包括彈簧驅動、電機驅動、形狀記憶合金驅動、氣源驅動等。

3 結構熱防護技術

隨著空空導彈飛行速度的提高，彈體表面氣動加熱現象顯著增加，導致表面溫度急劇上升。當導彈飛行馬赫數達到5時，駐點溫度可達850 ℃。劇烈的氣動熱極易導致材料喪失強度、艙內電子及通信組件等受到破壞，影響飛行可靠性，因此必須對高超聲速導彈進行有效的熱防護。可見，熱防護技術是導彈武器系統的關鍵技術，往往決定了其任務的成敗[41-44]。空空導彈熱防護系統包括彈體外防熱、彈體內隔熱和艙內熱控三個方面。空空導彈的飛行馬赫數通常在3～7之間，彈體外表面在氣動熱的作用下其駐點溫度高達1 685 ℃。目前空空導彈常用的彈體結構材料在此溫度下很難保持良好的強剛度。因此，有必要對彈體進行外防熱，以保證結構的強剛度滿足導彈使用要求。彈體內隔熱和艙內熱控則是為了給艙內電子元器件提供一個良好的工作環境，以保證其在服役期間的工作可靠性。

3.1 結構外防熱技術

空空導彈結構外防熱系統具有以下特點：(1)彈徑小、曲率大，導致防熱涂層與基體的界面應力大；(2)任務剖面復雜，需要面臨掛飛和自主飛兩種工況；(3)服役環境苛刻，不僅要適應大陸氣候環境，還要適應艦載海洋氣候環境；(4)批量大，需要考慮成本及生產周期。因此，在進行彈體外防熱設計時除了考慮隔熱性能，同時還要考慮使用維護性以及環境適應性。

彈體外防熱設計主要包括熱環境預示、熱防護設計和試驗驗證三個方面[45]。首先要通過分析或試驗得到氣動熱邊界，然后再進行熱防護設計，選擇合理的防熱材料，并確定防熱層厚度和工藝，最后進行試驗驗證，包括電弧熱風洞試驗和石英燈熱輻射試驗。高精度的熱環境預示和天地一致性驗證技術是熱防護設計的兩個關鍵問題。當物體在空氣中高速運動時，其壁面和氣體之間發生劇烈的摩擦，緊靠壁面的一層空氣質點受壁面的吸附作用被快速加速，同時帶動外層空氣質點隨物體一起運動。緊靠壁面的一層空氣溫度最高，形成對壁面的加熱。根據具體的彈道條件，氣流的阻滯溫度一般可通過工程算法或計算流體動力學得到，然后通過地面熱環境吹風試驗進行修正。氣動熱與彈體結構之間屬于強迫對流換熱，其對流換熱系數與飛行速度、飛行姿態、飛行高度及大氣的溫度、壓力、密度、熱導率、比熱容、運動黏度等熱物理參數，結構表面的形狀、尺寸等幾何特征和表面狀況等一系列因素相關。由于各個因素之間的關系十分復雜，某些因素的變化不可避免地導致其他一些因素也發生變化。因此，很難用理論分析和綜合試驗的方法求得精確解[46]。在處理實際問題時，采用傳熱學中的相似理論方法，分類、分組地建立溫度、運動和幾何關系上的某些相關參數的特征表達式即相似準則，將個別的試驗結果推廣到整類、整體現象上去，獲得經驗或半經驗公式。通過有限元或有限差分法求解，并根據不同的要求可分別求出熱壁熱流、冷壁熱流和恒溫壁熱流，再進行傳熱分析，即可求得結構的壁面溫度分布。實際上，氣動熱環境預示是極其復雜的過程，彈體結構表面包含吊掛、天線、舵軸、翼面安裝座等多種不規則凸起，以及舵翼面、整流罩等非旋成體結構，要將如此復雜的結構表面溫度算準難度極大。當結構表面噴涂燒蝕型防熱涂料時，涂料在高溫下燒蝕、分解、剝落，使結構表面形態發生變化，導致對流換熱系數更無法計算。因此，通常采用工程算法估算氣動熱環境，然后開展地面熱環境吹風試驗，修正氣動熱邊界，接著根據氣動熱邊界開展地面電弧熱風洞試驗，驗證外防熱方案的可行性。

電弧熱風洞試驗可模擬氣動熱與結構之間的對流換熱環境，同時還可以考察氣流對表面的剪切效應，但很難模擬結構的力學響應，不適用于結構特性研究。石英燈輻射加熱是地面結構熱試驗最常用的方法，可以在大面積上獲得1 300～1 500 kW/m2大小的瞬態時變熱流密度，既適用于大型全尺寸結構熱試驗，也適用于小型試驗，對于外形及結構復雜的試驗件，有較好的適應能力[47-49]。熱防護系統的地面結構熱試驗包括熱強度試驗、熱性能試驗和熱環境可靠性試驗。熱強度試驗是考核結構在熱-力耦合作用下的力學響應[50-52]；傳熱試驗旨在研究結構的導熱性能，驗證傳熱計算方法，實測結構熱阻的大小，篩選結構防熱層材料，確定防熱層構型和厚度等[53-57]；熱環境可靠性試驗是考核彈內電子元器件在熱環境下的工作可靠性。

彈體外防熱設計的另一項驗證工作即為空中靶試驗證。首先在彈上典型部位設置測溫傳感器，并通過彈載遙測系統將導彈的測溫數據實時地傳輸到地面接收站。彈載測溫數據作為最真實的熱環境數據，是整個熱防護系統驗證的關鍵一環。通常彈載測溫系統需要測量彈內空氣溫度、隔熱層內壁溫度、組件結構溫度和彈體結構溫度。對于彈內空氣溫度、隔熱層內壁溫度、組件結構溫度等不會出現急劇升溫和降溫的情況，一般采用鉑電阻溫度計、熱敏電阻、集成電路等溫度傳感器測量即可滿足要求。而對于沒有內外隔熱層的彈體殼體壁面溫度的測溫，則需要采用能夠適應大溫度變化率的測溫傳感器，目前常用的有K型熱電偶。

3.2 結構內隔熱技術

彈體外防熱主要將彈體表面溫度降至彈體結構材料可承受的溫度范圍內，而艙內組件的工作溫度一般要求在85 ℃左右。因此，為保證艙內電子元器件的可靠工作，需要在艙內進行隔熱設計。由于艙內無需面對艙外高速氣流的沖刷，因此，空空導彈艙內隔熱層多采用低熱導率的隔熱材料[58]，如超細玻璃棉、軟木、氣凝膠復合材料等。對于外防熱設計，在選材時主要考慮以下三個方面：(1)耐熱性——如何抵御高溫高速氣流沖刷；(2)隔熱性——如何有效屏蔽熱量；(3)環境適應性——如何適應各種極端環境。而對于內隔熱，則主要考慮材料的功能性。如導引頭天線罩的隔熱，通常需要選用具有透波、隔熱、承載一體的隔熱材料。而對于艙內其他部位，則根據可用空間選用合適的隔熱材料。氣凝膠是當前室溫熱導率最低的固體材料，但其強度低，對高溫紅外輻射傳熱透明，高溫熱導率高，無法滿足飛行器大熱流、強振動等苛刻熱力環境及特殊功能部位應用要求[59]。近年來，研制兼具高強韌和高溫低熱導率特點的高性能氣凝膠復合材料成為了國內外研究的熱點。目前，已有多種氣凝膠復合材料應用于高超聲速飛行器的內隔熱：如在天線罩內壁，應用透波、隔熱氣凝膠隔熱復合材料；在艙體、整流罩內壁，應用高強、高韌、輕質高效氣凝膠隔熱復合材料[60]。

3.3 艙內熱控技術

隨著空空導彈向小型化、高性能化和遠程化發展，導彈儀器艙的空間被進一步壓縮，艙內電子元器件的功率卻在不斷增加，導致組件自身發熱量超過組件可承受范圍，這就需要對艙內組件產生的熱量進行控制，確保艙內環境溫度在電子元器件額定工作范圍內[61]。彈體結構的內外防熱將氣動熱進行了隔絕，但同時也切斷了艙內自身熱量向外傳導的路徑。空空導彈艙內熱控技術主要為了解決高可靠性要求的設備與高功率、大密度電子元器件的散熱問題[62]，具有以下特點：(1)艙內空間小、器件多、瞬時功率大、高度集成化布局；(2)艙外氣動熱嚴酷，導彈自主飛時無法將艙內溫度導向艙外；(3)使用工況復雜，需要滿足掛飛長時低功耗和自主飛短時全功耗兩種工況。

熱控技術主要分為主動控制和被動控制兩種[63]。主動控制可以通過自動控制系統調節導彈內部設備溫度，也可以對熱源進行設計，對其進行功率控制，使熱源的發熱量低于組件工作要求，或通過彈道規劃對重要發熱組件的工作時間進行控制，但這會對總體性能造成一定的影響。被動控制是對局部熱點進行散熱。局部熱點的散熱首先需把熱量傳導出來，然后再將傳導出來的熱量進行存儲或散發，其關鍵技術是傳熱路徑的設計。目前，對于小熱耗設備，通常依靠自身熱容，在其工作時間內抑制溫升，保證器件溫度不超標；而對于大熱耗設備，則需在組件安裝面增加相變板，通過相變蓄熱的方式達到抑制溫升的目的。但對于大熱流器件，局部熱源產生的大量熱量無法快速擴散，導致相變板熱轉換效率低下，相變蓄熱達不到預期效果；而對于長時間工作組件，由于蓄熱量需求大，相變板重量無法承受，無法滿足空空導彈艙內熱控設計要求。針對空空導彈特殊的艙內熱控設計要求，提出環路熱管和殼體熱沉組合、均溫板和相變板組合的方案，在掛飛長時間低功耗情況，利用環路熱管在熱源和熱沉之間建立散熱通道，將熱量傳遞到殼體熱沉排散，降低熱源溫度；在自主飛短時全功耗情況，熱管自動截止，隔絕高溫殼體的熱量回流，利用均溫板將局部熱流擴散到整個面，然后利用相變板蓄熱，抑制熱源溫升。此方案的關鍵技術為均溫板和相變板的耦合設計以及適應多種工況的熱量自主管理技術。

4 結構艦載海洋環境適應性技術

隨著我國的航空母艦及艦載機的服役，空空導彈不僅要適應傳統內陸氣候環境，還需適應我國海域甚至全球海域最極端的氣候環境和航母平臺誘發的特殊艦載環境[64]。艦載海洋環境主要包括機械環境和氣候環境兩方面，機械環境主要是指艦船振動、顛震、傾斜搖擺、彈射起飛和攔阻著艦沖擊等。氣候環境是指高溫、高濕、高鹽霧與霉菌、強太陽輻射(“三高一強”)的海洋氣候[6]。同一種結構材料在海洋大氣環境中的腐蝕程度往往比陸上環境高出數十倍，因此艦載武器的可靠性受艦載海洋環境的影響非常嚴重，若不采取相應的措施，將直接影響艦載武器的作戰使用效能，進而影響艦艇的作戰性能，可見，海洋環境適應性是艦載武器裝備的重要質量特性之一[65]。

4.1 艦載機械環境

由于其特殊的作戰環境，艦載機停放、起飛和降落過程中所經受的機械環境與陸基飛機有很大的不同。首先，艦載機在停放過程中會經歷航母平臺誘發的機械環境，包括航母上各部件機械運動(如發動機、發電機、齒輪箱、螺旋槳、艦炮的射擊等)誘發產生的機械環境，以及海浪的運動引起航母平臺傾斜、搖擺的機械環境，除此之外，海風也會誘發艦載機產生機械運動[6]。其次，艦載機的彈射起飛會對飛機及機載武器產生一個較大的彈射加速度和劇烈的沖擊環境[66]。由于航母的起伏和搖擺，艦載機必須以無拉平、大斜角、大下沉速度狀態著艦，降落滑跑過程中需用阻攔索來使飛機迅速減速，這使得艦載機要承受比陸基飛機大得多的沖擊載荷[6]。以上這些機械振動及沖擊會對掛在艦載機上的空空導彈產生極為不利的影響，特別是機械振動和海洋腐蝕環境作用在一起，會誘發出應力腐蝕或者腐蝕疲勞現象，將使應力腐蝕斷裂、腐蝕疲勞斷裂等環境協同/疊加效應更加顯著[66]。艦載機械環境不僅降低了導彈各組件的工作可靠性和壽命，尤其是顯著降低了空空導彈吊掛結構的掛飛壽命。由于空空導彈通過吊掛與發射架連接，飛機的振動載荷和彈體本身的氣動載荷及慣性載荷均要通過吊掛來平衡。與其他彈體結構不同，吊掛與發射架是金屬之間的硬接觸，無法通過普通的涂層進行防腐設計。并且，為了獲得更大的裝藥量，發動機殼體材料通常采用高強度鋼，這種材料在海洋大氣環境下極易銹蝕。吊掛的掛飛壽命預測在陸上使用本身就是一個難題，再加上艦載機械環境和海洋大氣環境的耦合，使空空導彈掛飛壽命的預測變得愈發困難，是影響空空導彈掛飛安全性的關鍵問題之一。

4.2 艦載海洋大氣環境

空空導彈在艦上服役不僅要經受高溫、高濕、高鹽霧、強太陽輻射的海洋大氣環境，還要經受航母動力裝置排放的燃燒廢氣以及艦載飛機起飛、降落排放的尾氣與高鹽霧海洋大氣形成局部富集SO2、NO2等污染物質的酸性鹽霧氣氛。這種特殊的艦載海洋氣候環境對產品的影響主要體現在以下兩個方面：(1)海洋氣候高鹽霧、高濕的腐蝕性氣氛加速導彈彈體裸露金屬結構的腐蝕，造成主承力結構承載能力下降，影響產品外觀和掛飛安全，同時，造成電纜、密封圈、三防漆、防熱涂層等非金屬材料老化，影響產品功能；(2)海洋氣候高鹽霧、高濕的腐蝕性氣氛進入產品內部，形成凝露會對內部電氣造成損壞，在不同金屬結構件間形成原電池造成電化學腐蝕，加速非金屬件如密封圈、PCB板(Printed Circuit Boards,印刷電路板)老化，導致電器短路、功能失效等[67-69]。因此，應盡可能降低艦載海洋大氣環境對產品功能和可靠性的影響。空空導彈結構在海洋大氣環境下主要面臨三大難題：一是長期處于海洋環境下，如何進行腐蝕與防護；二是彈體由多種不同金屬組成，金屬間的電位差腐蝕如何避免；三是彈上功能涂層的海上失效問題。

目前，通過對產品級和材料級的海洋氣候自然暴露試驗發現：導彈的翼肋、吊掛、螺釘以及艙段對接面等部位均出現了不同程度的銹蝕。關于空空導彈結構海洋環境適應性，目前仍面臨以下幾個問題：一是空空導彈所用功能涂層，如透波涂料、熱防護涂料等在海洋環境下的使用壽命、性能變化情況等缺乏數據積累；二是缺少在海洋大氣環境隨機暴露過程中的結構材料力學性能變化規律研究及對應的實驗室加速試驗譜研究；三是尚未開展在艦載沖擊及海洋氣候腐蝕聯合作用下的吊掛疲勞壽命預測方法和損傷容限分析技術研究。

因此，需利用已有艦載平臺，盡快開展艦載武器特殊環境測量與分析、典型材料和機載產品的環境暴露試驗工作，為空空導彈的環境試驗條件確定和新的試驗方法研究提供基礎數據支持。

5 結 論

機載武器平臺的更新換代和空戰環境的復雜化與多樣化，推動著空空導彈向小型化、多用化、輕量化方向發展。作為空空導彈武器系統的關鍵技術之一，彈體結構技術在輕量化設計、小型化設計、熱防護設計和海洋環境適應性等四個方面開展了相關研究，并取得了一定進展，但在耐高溫復合材料熱損傷分析、含折疊(或伸縮)氣動面的顫振分析、高精度的氣動熱環境預示技術、彈載高溫瞬態時變測溫系統、艦載海洋大氣環境試驗標準等方面仍缺乏系統深入的研究，需要進一步凝練科學問題，開展相關理論及試驗研究。