从台导弹头罩开裂看防空导弹头罩技术

文/王继新   2017-05-20 13:19:12

◎ 美国上世纪50年代初的“波马克”导弹天线罩采用玻璃纤维缠绕成型

◎ 二战期间,美国B-18A飞机上装了有机玻璃材料制成的半球形天线罩

◎ 开裂后又修补的台海军“标准”2导弹头罩2017年3月,台媒曝光台海军战斗系统工厂苏澳维修站邱姓库长在作业时不慎发生碰撞,弹头的陶瓷护罩出现裂痕,而领班的林姓班长却隐匿未报,以胶带捆绑弹头,直到2017年1月执行吊弹作业从弹库搬上“左营”号“基德”级舰时才被发现。这一事件反映出台海军军纪涣散,装备维护形同儿戏,不过让外界颇为诧异的是被台海军视为防空“神器”的“标准”2舰载防空导弹的头罩竟然是“土气”的陶瓷材料,而且破裂后海军司令部宣称问题不大,似有大事化了的企图。那么,常常被人忽略的防空导弹头罩究竟起着何作用?又为什么使用陶瓷材料?陶瓷质地的头罩开裂后会对导弹产生什么样的影响呢?

防空导弹防护头罩技术发展

比较偏门的防空导弹头罩里面究竟有着怎样的学问?要回答这一问题我们还要从其艰难的发展谈起。

有机玻璃材料 防空导弹天线罩的发展是与航空航天事业以及导弹本身的发展相关联的。最早应用于飞行器的天线罩可以追溯到第二次世界大战。1941年,美国在波音B-18A飞机上装了一种供轰炸机瞄准用的雷达,采用有机玻璃材料制成的半球形天线罩来保护雷达天线正常工作。此后,各种介质材料及不同结构形式的天线罩相继应用在飞机上。防空导弹天线罩的研制和应用起步较晚,但它是在飞机天线罩的基础之上发展起来的,因此起点较高。上世纪50年代初,波音飞机公司开始研制“波马克”导弹天线罩,导弹最大速度为3倍音速,主动寻的制导,天线罩呈卵形,采用玻璃纤维缠绕成型。而以后的2.5马赫速度的“霍克”防空导弹则在此基础上发展了纤维增强塑料材料,这时的防空导弹天线罩的电气设计几乎都采用半波长壁厚结构。制造过程中,严格控制罩的壁厚公差及材料的一致性,保证了主动寻的导引头天线辐射场在给定入射角范围内有最佳的传输特性,它反映了当时用有机材料制作天线罩的较高水平。

微晶玻璃材料 超音速和高超音速飞行器的发展,要求天线罩在更恶劣的环境下工作,需要研制在更高的工作温度下,能满足天线罩电气和结构要求的新材料。某些无机材料具有熔点高、介电性能好以及高温强度高等优点,50年代已开始注意这种脆性材料在导弹上应用的可能。“麻雀”2导弹天线罩就是用97.6%的三氧化二铝陶瓷材料研制而成的。美国柯宁玻璃公司于1953年偶然发现玻璃-陶瓷材料,两年后用微晶玻璃研制成功“小猎犬”和“鞑靼人”两种防空导弹用天线罩。美国在这一阶段著名的“不死鸟”空空导弹也采用了微晶玻璃头罩,而该导弹最高速度达到了5马赫。此时,人们对天线罩瞄准误差和瞄准误差率对制导系统的影响有了深刻认识。有人认为,以上两种导弹制导系统是围绕微晶玻璃天线罩而设计成功的。需要指出的是这一阶段苏联导弹头罩材料技术相对落后,在这一阶段发展的2.8马赫速度的“萨姆”6防空导弹仍使用了纤维增强塑料材料。

石英陶瓷材料 上世纪60年代,美国乔治亚州理工学院在美国海军的资助下,研制新的热防护系统的材料,取得了泥浆浇注熔石英(简称石英陶瓷)材料的新成果。这种材料介电损耗低,具有低的热膨胀系数和高的抗热冲击性能,较适合于高速飞行的导弹。1963年美国空军打算将石英陶瓷材料应用于“开路先锋”战略导弹。70年代,美国的“爱国者”防空导弹和意大利的“阿斯派特”导弹均采用石英陶瓷材料作天线罩,两者都是半波长壁厚结构。后者为海、陆、空三军通用的多功能导弹,是在美国“麻雀”导弹基础上改进的,由意大利塞列尼亚公司向乔治亚州理工学院购得石英陶瓷天线罩制作许可证,代替原“麻雀”三氧化二铝天线罩。为提高导弹天线罩抗雨蚀能力,在罩的顶部加了金属鼻锥帽。

目前,未来拱形天线技术已经成为防空导弹天线罩发展的新方向,其使得在天线罩表面合理设计天线阵列成为可能,实现天线和天线罩一体化共形。

总的来看,防空导弹等高速飞行器天线罩的发展是与材料的发展密切相关的。各国的技术水平不尽相同,对材料发展的基础也不一样,各有特点。其中,美国的发展路线大致是纤维增强塑料-氧化铝陶瓷-微晶玻璃-石英陶瓷。苏/俄、英则在较长时间段中采用有机材料-纤维增强塑料制作。这种情况在可预见的未来还将长期存在。

◎“霍克”防空导弹发展了纤维增强塑料材料的天线罩

◎“麻雀”2导弹天线罩是用三氧化二铝陶瓷材料研制而成

◎“不死鸟”空空导弹采用了微晶玻璃头罩防护头罩设计难点及关键技术

导弹防护头罩在设计上经过了长期探索和实践,这主要是由于防空导弹防护头罩在设计上需要解决诸多互相矛盾的技术难点。

防空导弹头罩设计难点 防空导弹需要长期储存和执勤,这要求头罩性能相对稳定,满足较大温差、湿度差和气压差等变化,克服潮湿、霉变和机械冲击等问题,而一旦发射又需要满足高温、高速和高过载的要求。可见防空导弹防护头罩的工作条件是导弹所有部件中最恶劣的。首先,需要其承受较大热冲击和气动加热,温度剧烈上升,其结果可能导致结构出现热应力,同时天线罩材料的电性能发生变化;其次,在剧烈的气动加热情况下,天线罩壁板材料可能发生熔解、升华和脱落,在降水地带飞行,即使是中速飞行时,雨、雪或者冰雹产生的侵蚀作用也会损坏天线罩的外表面,发生所谓剥蚀现象;第三,导弹高速飞行中,天线罩外表面可能与大气层摩擦造成带电现象,产生的脉冲放电可能破坏弹上雷达的工作;最后,潮气渗入内部以及天线罩结冰会导致天线的无线电性能恶化。

防空导弹防护头罩表面上看结构很简单,但实质上却要复杂得多,因为它要满足许多相互矛盾的要求。高速飞行时要求天线罩具有良好的气动力外形和较长的延伸段,但这种外形既不能满足弹上雷达的要求,也不能满足红外导引头的要求。而天线头罩强度和透波性、工艺性等也存在较大的矛盾。例如,天线防护罩抗雨蚀设计就需要解决诸多材料与结构的问题。1945年,美国用B-29轰炸机轰炸日本返航归来发现机上天线罩表面受损,经麻省理工学院进行雨冲击模拟试验证明天线罩表面损坏是高速飞行时雨滴冲击造成的。从此,天线罩雨蚀问题就成为天线罩研制中必须解决的问题之一。而防空导弹在空中飞行时间较短,并且是一次性使用的,仅在雨天发射时才会遇到雨蚀问题。统计表明地空导弹飞行遇雨概率约为1%~3%,若导弹配置在降雨多的地区,必须考虑天线罩的抗雨蚀设计。金属是常用的雨蚀头材料之一,苏联“萨姆”-6导弹采用的是这种雨蚀头,但由于金属头对电磁波的阻挡,会影响天线罩的电气性能,为此科研人员开发了既具有较好抗雨蚀性能,又具备良好电气性能的非金属材料,如用热压氮化硅材料来制作天线罩的雨蚀头,能改善对天线罩电气性能的影响。

可见,防空导弹天线罩的这些特殊要求,需要空气动力学、热力学、机械结构、天线与电磁场理论、制导与控制、新材料及其成型加工工艺、专门检测技术等诸多门类的关键技术。

气动外形设计 导弹头部天线罩承受全弹最大的气动载荷和热载荷。一般而言,高速弹头的表面温度和导弹飞行速度的平方成正比,导弹速度的增加导致弹头表面温度很快上升,一般防空导弹热变化率约100~200摄氏度/秒,某些导弹的热变化率达540~820摄氏度/秒,因此抗热冲击是天线罩重要设计指标。

内部结构设计 导弹天线罩壳体的结构设计也十分重要,例如,天线罩外表面的瞬间热分布、介质壁内外层的瞬间热传导、热冲击特性、抗雨蚀能力以及天线罩内部的温度等等。天线罩与弹体连接,除解决两种材料的胶接强度和连接方式外,还需考虑两种材料的热膨胀系数的匹配,因为在飞行中两者温度上升幅度相差很大。此外,有些头罩需要在壳体上开窗,解决光学和红外传感器信号源的问题,这都给结构设计带来困难。

电磁性能优化 在导弹飞行过程中,导引头天线的辐射场以不同的入射角、不同的极化形式通过不同曲率半径外形天线罩的介质壁,影响电磁场的传输、反射和折射,最终产生相位畸变。对于高速流线型天线罩,电磁波投射到天线罩介质壁的入射角范围一般在0~85度之间,而天线罩具有复杂的外形时,虽然罩壁两侧的外形曲率半径较大,但在天线罩顶部曲率半径很小。而天线罩作为防空导弹制导系统的组成部分,需让天线辐射的电磁波不失真地通过天线罩壁,其瞄准误差要求加高,对于球形天线罩,在给定窄频宽范围内达到上述要求也许并不困难,但高速飞行的防空导弹的天线罩外形多呈鼻锥形,长细比增加,要在较宽的频带和一定的工作温度范围内达到上述要求并不容易。此外,气动热引起罩壁电性能变化或热烧蚀对天线辐射场的影响也是一个专门课题。

◎“小猎犬”防空导弹采用了微晶玻璃天线罩

◎ 澳大利亚护卫舰发射“鞑靼人”防空导弹,该弹也采用微晶玻璃天线罩

◎ 意大利研制的“阿斯派特”防空导弹采用了石英陶瓷材料天线罩上述问题几乎都与天线罩介质材料有关,天线罩介质材料需满足众多要求,目前已开发出能满足不同需要的多种天线罩材料供选择。

◎“萨姆”-6导弹防空导弹防护头罩的材料选择

满足天线罩的电气性能需要 天线罩材料温度变化可能引起天线罩的中心工作频率偏移,因此有些材料不宜作为制导精度高的天线罩。此外要求天线罩各部位的电磁波透过性能必须均匀,才能保证制导波束频率和功率均匀恒定。

满足导弹实际工作环境要求 导弹天线罩材料虽然在稳定情况下性能稳定,但导弹天线罩工作都是在高速运动情况下,气动加热、加载都是在瞬间同时作用其上,以马赫数为2.6的中程防空导弹为例,在某一飞行弹道天线罩的瞬时加热速率高达120摄氏度/秒。这种加热沿罩壁和罩的轴向分别存在不同的温度,因此在选择材料时必须考虑瞬间工作状态对材料性能的影响,选择能在这种环境下稳定工作的材料。

满足电气及结构等综合性能 迄今尚没有一种材料能全面满足天线罩要求。每种材料既有优点,也有不足。设计人员必须保证主要性能,对局部不足可以通过设计上的补偿办法或材料改性等手段求得平衡。如消融硅材料具有热膨胀系数低、介电性能好等优点,但抗雨腐蚀能力差,因此在天线罩鼻锥处用金属等抗雨蚀性能较好的介质材料。可见天线罩的设计是平衡折中的过程。

满足可生产性和经济性 天线罩作为武器部件,性能必须稳定可靠。有些性能良好的天线罩材料就因其制造工艺上存在某些困难至今未被广泛用于天线罩生产。此外还应考虑天线罩的经济性,包括原料来源及生产成本等。

典型的陶瓷天线罩材料 天线罩材料通常包括有机天线罩材料和无机天线罩材料。其中,无机天线罩材料是指非金属耐高温的陶瓷材料,如氧化铝陶瓷、石英陶瓷、微晶玻璃等。陶瓷材料与纤维增强塑料相比具有如下特点:一是耐高温,大多数陶瓷材料耐热(指维持一定强度的温度极限)都在500摄氏度以上;二是宏观上它是均质体,用它制成天线罩罩体各部位电性能均匀一致;三是强度高,除石英陶瓷外,绝大多数陶瓷强度高、硬度大,设计时不必考虑抗雨蚀涂层。对于陶瓷材料的最大缺点——脆性,通过改性工作可以降低从而满足需要。陶瓷天线罩材料可分为氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷。前者有氧化铝陶瓷、石英陶瓷、微晶玻璃等,它们在防空导弹天线罩中得到广泛应用。非氧化物陶瓷主要有氮化硼和氮化硅等。

上述材料中,氧化铝陶瓷强度高,硬度仅次于金刚石,是陶瓷天线罩材料中最硬的,用它制作天线罩不存在雨蚀问题。其主要缺点是高的热膨胀系数和弹性模量限制了它的抗热冲击性,因而只能用于速度小于或等于3马赫的防空导弹上,已被成功地用于“麻雀”和“响尾蛇”等导弹上。

微晶玻璃是20世纪50年代中期美国康宁公司发现的一种新型无机材料。它是借助控制晶化的方法,使特定组成的透明玻璃形成无数直径很小的微小晶粒,从而获得性能优异的不透明瓷质材料,因在结构上与陶瓷相似,故也称为玻璃陶瓷。微晶玻璃具有耐高温、高强度、膨胀系数低以及介电常数随温度和频率的改变变化小等天线罩所需的综合性能,在上世纪60年代就被广泛用来代替氧化铝制造马赫数在3~4的多种型号防空导弹天线罩。

石英陶瓷主要成分是常见的二氧化硅,但由于采用陶瓷材料制造方法,所得到的是不透明的陶瓷质材料,故称石英陶瓷。石英陶瓷的电气性能对频率与温度的变化十分稳定,而且其具有突出的抗热冲击性,这使其成为马赫数大于5的高超音速导弹唯一可用的天线罩材料。石英陶瓷以它出色的性能、低廉的成本受到重视并已用于多型导弹上,美国的“爱国者”、意大利的“阿斯派特”等导弹都采用石英陶瓷天线罩。

“标准”2防护头罩碰撞事故分析

飞行中的天线罩承受着由空气动力和纵向或横向加速度引起的机械应力,因此天线罩材料必须有足够的机械强度和适当的弹性,机械强度应明显大于作用其上的诸应力叠加后之最大应力。但防空导弹天线罩陶瓷材料毕竟是一种脆性材料,它在静拉伸载荷作用下,在弹性变形阶段结束后会立即发生断裂。这就是台“标准”2防护头罩碎裂的原因。

从前面分析可以看出,开裂后的导弹防护头罩不但可能导致罩内敏感导引头元器件受潮、霉变,而且可能造成导弹罩在高速飞行中在气动压力作用下解体,导致天线部件受损,甚至破坏导弹飞行稳定,最终导致打击偏差甚至飞行失败。可见,精密的导弹头罩被碰撞后造成的后果十分严重,并非台海军轻描淡写的那样。

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