台“霍克”导弹为什么会爆炸?

  2017年6月22日,台军在屏东九鹏基地实施联合精准飞弹射击操演时,两枚“霍克”防空导弹偏离方向当场爆炸,这一情况一经媒体披露即在岛内引起巨大反响。在发生“雄风”3误射、“标准”导弹碰裂一系列事件后,此次“霍克”导弹偏航爆炸再次引发外界对台现有武器状态和维护水平的广泛质疑。那么,“霍克”导弹的固体火箭发动机构造是怎样的?火箭固体燃料的选择又有什么样的要求?这次“霍克”导弹为什么会偏航爆炸呢?

  “霍克”防空导弹发射爆炸情况

  目前“霍克”导弹是台军的主力防空导弹武器,其导弹阵地沿台岛环形部署,担负岛上中程防空任务。今年6月22日早上8点,台军在屏东县九鹏试验基地进行“霍克”导弹实弹发射时,2枚“霍克”导弹在发射后发生爆炸,爆炸区域为管制地区,未造成人员伤亡。外界猜测此次事件将对台军防空导弹更新产生一定影响。

  为了及时消除影响,台军召开记者会声称,这些导弹按照美军规范定时维修,质量没有问题,但很快承认由于导弹发动机药柱变质导致侧燃,使导弹偏离轨道,导弹启动自毁装置引爆。对于这一解释,九鹏地区民众并不买账,他们认为明知导弹老化仍坚持打靶,是没有将周边民众生死放在眼里。实际上,在明知“霍克”导弹超期服役导致部件老化危险的情况下,台军仍组织该型导弹的操演实属无奈。

  “霍克”防空导弹的引进与部署“霍克”导弹为全天候、超音速、中程地空导弹,可以拦截飞机、飞航导弹和战术弹道导弹,主要用于要地防空,也可用于野战防空。1951年前后,美国决定发展机动性能好的中、低空反飞机导弹系统,由美国国防部委托美国陆军导弹司令部负责研制,主承包商为雷锡恩公司,1954年7月开始研制,1958年基本定型投产,1960年初开始装备部队,代号为MIM-23A。为使“霍克”跟上战场变化,美国紧接着开始了对“霍克”的改进,改进型代号为MIM-23B,1964年提出方案,1969年6月生产,1972年11月装备部队。台军自1964年购进大量1、2型“霍克”导弹,1995年开始第三代改进型“霍克”导弹的改装工作,对导引头和电子系统进行了改造,并未对发动机等进行更新。

  “霍克”3型防空导弹最大射程约45千米,部署中以连作为独立火力单元。1个“霍克”3连包括6部牵引式3联装发射车、1部搜索雷达和1部火控雷达,台军现有约13个“霍克”3导弹连环岛部署。此次试验演训的九鹏基地是台军各式导弹和火箭武器的试验、组装及研制基地,是岛内唯一的导弹试射场,被台军称为“亚洲最大的导弹基地”。台军也计划用自研的“天弓”3型防空导弹替换全部“霍克”3导弹,但由于“天弓”3进度缓慢,至少还需要3~5年才能“堪用”,因此已经老化的“霍克”3导弹不得不坚持服役参加例行操演。那么,台军对导弹发动机药柱变质的解释是否靠谱?这些问题要从“霍克”导弹的发动机谈起。

  “霍克”导弹发动机的结构与原理“霍克”导弹发动机的设计发展大致经历了两个阶段,在这两个阶段分别采用了不同的结构设计,其也反映了固体火箭发动机技术的发展。

  结构改进典型的固体火箭发动机通常有五个主要部分:燃烧室、喷管、药柱、药柱支承装置和点火装置。其中,燃烧室是容纳装药并供药柱燃烧的地方;药柱支承装置包括头部弹性支持件等,它们在燃烧室内对药柱起支持和固定的作用;点火装置是在发动机起动时,首先点燃,为药柱的燃烧造成必要的压力和温度;喷管可使燃烧后产生的气体进行膨胀加速。

  早期的“霍克”导弹发动机采用串联装药内孔燃烧的M22E7型双推力火箭发动机,1959年后改为同心装药的M22E8型,燃烧时间25~32秒。发动机中间的点火系统为电起爆装置,它装有机械式安全与解除保险装置。1964年美国在基本型“霍克”的基础上开始研制改进型“霍克”,动力系统换成M112型双推力固体火箭发动机,随后的多个改进型都采用M112型发动机。该发动机主承包商为航空喷气通用公司,为一种单室双推力发动机,长2.78米,直径为0.356米,总质量为395千克,携带295千克的聚氨酯固体燃料。发动机经过改进后,体积减小而推力有所增加,巡航工作时间也加长,射程从基本型的32千米增加到40千米。

  工作原理“霍克”导弹作为防空导弹主要用于快速拦截敌机。为了使它能既快又准地摧毁目标,最早通常都采用双推力发动机的两级火箭结构。第一级为推力大而工作时间短的助推器(也称起飞发动机),第二级为推力较小而工作时间较长的主发动机(也称续航发动机)。这种两级火箭结构有可分离的和不可分离的两种。射程远的高空防空导弹常采用可分离结构,射程近的低空和超低空导弹常采用不分离结构,亦即采用双推力发动机。过去防空导弹主发动机多采用液体火箭发动机,而目前一般采用固体火箭发动机,这就使两级结构有可能融为一体,但仍需同时具备起飞和续航推动两种能力。通常续航发动机要一直工作到导弹击中目标时为止。

  最初的导弹发动机双推力设计通常采用双室结构,起飞发动机室在后,续航发动机室在前,两者共用壳体,用中间底将它们分开。起飞发动机通常采用燃烧速度较快的内燃药柱(即从燃药柱中心向外侧燃烧),续航发动机则常采用推力小但燃烧速度稳定的端燃药柱(即从药柱的末端向前端燃烧)。有时为解决续航发动机的排气问题,还会采用带长尾导管的喷管结构,尾导管内有绝热衬层。起飞发动机则采用与弹轴成一定夹角的倾斜喷管。

  高空防空导弹的主发动机常采用铸装低燃速的内燃药柱或铸装的、高燃速的端长尾导管的喷管结钩。助推器则通常采用自由装填的内外燃药柱或铸装的高燃速内燃药柱的结构形式。前者可在一个燃烧室内装填多根药柱,故又称单燃烧室式,后者则采用多燃烧室。低空和超低空防空导弹发动机多为双推力发动机。起飞级的推力主要由星形药柱来提供,采用铸装式结构;续航级的推力则由含细银丝的端燃药柱来提供。燃烧室壳体内壁用绝热层来防护,两级药柱由中间点火器同时点燃。

  “霍克”导弹采用了单室双推力发动机,使用了两种固体燃料,两种燃料先后燃烧,产生不同的推力。此次台“霍克”导弹在发射后很快偏航,那么,助推药柱发生了什么异常会导致药柱侧燃而被引爆呢?这就要从导弹固体火箭发动机的燃料选择说起。

  导弹固体发动机的燃料选择

  “霍克”导弹的助推剂燃料主要是聚氨酯类固体燃料,那么,“霍克”导弹为什么要使用这种燃料?总的来看,影响固体燃料选择的因素主要有以下几种。

  能量特性通常来说,远程火箭用的发动机应采用能量尽量高的推进剂,如高能复合推进剂和改性双基推进剂,近程火箭可选用能量稍低,而其它性能优越(如经济性好,可大量、连续生产,贮存性能好)的推进剂,如一般双基推进剂。“霍克”导弹采用的聚氨酯类就属于高能量燃料,其可以使“霍克”导弹在确保体积不增大的情况下,发射后很快达到所需要的速度和高度。

  燃烧特性导弹助推器推力大,工作时间短,要求高燃速的推进剂,而主发动机推力中等,工作时间长,要求燃速低的推进剂。为此,科研人员通过燃料配比设计使推进剂的燃速可以调节。例如,对于一般双基药可用加入燃烧催化剂和改变其含量的方法来调节燃速;复合药和改性双基药可以采用加入燃烧催化剂和改变其含量的方法来调节燃速,又可以用改变氧化剂颗粒大小和颗粒匹配的方法来调节燃速。因此,复合药和改性双基药的燃速通常有较宽的可调范围,可在不同场合下使用。不过对于固体火箭发动机燃料来说,增大燃速比降低燃速易于实现。

  力学特性固体火箭发动机燃料的力学特性包括燃料药柱的延伸率、抗拉强度、抗压强度和松弛量等。通常情况下,推进剂的延伸率在低温下最低,而机械强度则在高温下最低。因此,应以低温下的延伸率和高温下的机械强度来评定推进剂的力学特性。一般来说,双基药和改性双基药的低温延伸率是低的,但高温下具有高的机械强度。复合药在低温下通常具有相当高的延伸率,但高温下的机械强度却较低。这一特性看似复杂,实际与发动机燃料的加工制造和维护使用密切相关。其可能造成燃料柱受到撞击震动、热胀冷缩和湿度变化而发生变形,甚至断裂,特别是有些断裂可能发生在燃料柱内部而被忽略,这种机械裂纹对其燃烧过程控制危害非常大。

  危险特性双基药和改性双基药的危险性属于同一类,它们通常具有燃烧性能,可以引爆,其主要成分之一是硝化甘油,它是一种烈性炸药,在生产过程中危险性较大。复合药安全性优于双基药。它们通常只具有燃烧性能,然而其氧化剂有可能发生爆轰反应。含铁的推进剂燃烧产物有剧毒,通常只在远程导弹的末级上考虑采用。双基药和改性双基药冲击感度高,而复合药冲击感度低。但复合药的摩擦感度却高于双基药。可见每种燃料都有自己的危险特性,这可能造成使用和维护中的要求不尽相同。

  双基药可以大量连续生产,通常有长期生产的工业基础,因此它的价格通常比复合药低。

  除此以外,在选择推进剂时还可能提出无烟、易于点燃等要求。可见,每一种推进剂都难以同时满足上述全部要求,只能根据主要要求来选择。总的来看,双基燃料推进剂一是可连续、大量生产,二是机械强度高,三是火焰温度低,四是长期贮存有良好的安全性,五是对潮湿环境不敏感,因此在各种小型发动机和小型战术导弹上得到了广泛应用。复合燃料推进剂一是能量比较高,二是可直接浇注在燃烧室壳体内,因而能够制造出大直径的药柱,三是燃速可以在较宽的范围内调节,四是火焰温度比双基药高,但比改性双基药低,易于解决材料问题,五是燃烧室压力低,壳体轻,六是推进剂在低温下仍有相当好的力学特性等等。因此,它在各类战术导弹和远程战略导弹中获得了广泛的应用。

  由此可见,“霍克”导弹采用的聚氨酯类复合燃料属于较为先进的固体燃料类型。这种推进剂在常温和高温下有良好的力学特性,但低温力学特性较差,且对湿气敏感。除了“霍克”导弹外,许多导弹都采用了这种推进剂,如美国的“民兵”、“北极星”、“大力神”等洲际弹道导弹。虽然“霍克”导弹采用的这种燃料有诸多优点,但是其在长期频繁战备周转和较长服役时间的情况下,机械性难以得到保证,台湾地区的高湿环境对聚氨酯类复合燃料的湿度敏感性也是极大考验,对台军的维护保养也提出了更高要求,因此燃料异常情况在所难免。

  导弹固体发动机的燃料维护

  经过长期储存,导弹固体火箭发动机中的燃料质量和性能又如何检查,以便维护和筛选呢?在实践中,这种检查方式有物理的、化学的等很多种,但最常见和较为可靠的有以下几种。

  取样检测这是最常见和可靠的检查方式,通常定期从导弹燃料中取样,送往化学实验室化验进行组分和性态分析评估,这种方式需要打开燃料柱包覆,并提取足够的化验样品,虽然这种方式可靠直观,但是其有时需要暴力破坏,导致被检燃料柱无法继续使用,因此这种方式无法覆盖到每枚导弹。在“霍克”导弹检测中台军也大量使用抽检取样方式。

  整弹抽检这种方式也较为常见和简单,主要是从考察对象中抽取一定数量的样品进行实弹打靶,再通过期望计算得到整批次产品的质量状况预测。美国和俄罗斯每年都进行大量的导弹发射,除了训练以外,很大因素就是检测库存导弹的储存状态。

  透视检查X光检查就是不破坏导弹燃料药柱包覆而通过X光来检查固体燃料内部结构,避免发生断裂和裂纹。

  试验失败的原因分析

  服役时间过长导致燃料变化台军从上世纪80年代后开始引进“霍克”3防空导弹,该导弹大部分是从60年代就服役的“霍克”1改进而成,而火箭发动机燃料并未更新,也就是说该导弹的燃料生产时间至今已达40余年,而固体燃料导弹寿命只有10~20年,且需要对储存温度、湿度、存储状态等精心控制,例如,导弹储存中需要定期翻滚调整放置方向,以避免因重力影响导致药柱变形或内部包覆物粘连等。此外,由于该导弹年代久远,相关部件也不再生产,台军为维持“霍克”导弹运行,在相关零部件欠缺的情况下,将部分导弹拆解,用拆解零件来维持其余导弹的战力。虽然台军也在一直升级该型导弹,但整体状况堪忧。实际上早在2007年5月的“汉光”演习中,就发生过“霍克”导弹发射后失控坠地起火的情况,还曾发生过台军“汉光”演习展示中“霍克”导弹连续两枚脱靶的情况,其中1枚离架后就坠地,并发现导弹有裂痕;而此前还发生过导弹回转飞向记者观礼台的情况。而从报道看,此次“霍克”导弹刚发射就开始不规则飞行,应该是燃料化学性质变化导致燃速不稳定。

  演练频繁导致燃料柱开裂由于“霍克”导弹系统不断辗转岛内各阵地值班,导弹系统频繁野战机动并展开和撤收,发生机械振动和撞击,加之“霍克”导弹的固体复合燃料对潮湿环境不适应,都可能造成燃料药柱的变形和内部的断裂和裂纹。台军使用X光透视检查只是抽样,并不能全部覆盖,而且这种透视检查对于超期服役时间近1倍的导弹来说检测可靠率并不高。而这种开裂或裂纹现象对固体燃料导弹是致命的。“霍克”导弹发动机采用了两种燃料同心圆设置,即燃烧面从内向外扩展,而燃烧面一旦遇到裂纹马上变成新的燃烧面,使发动机燃烧室内压力迅速扩大失控,甚至爆炸。实际上此次“霍克”偏航爆炸很可能是由燃料药柱开裂造成的。

  维护纪律涣散,导致缺陷发动机难以剔除实际上各国固体燃料导弹发动机发生性态变化和燃料药柱开裂的情况都有,关键是采用严格的检核程序和技术及时剔除问题发动机。但是从台军近期情况看,在信仰迷失和纪律涣散的情况下,再严格的程序规范都形同虚设。2008年4月曾发生由于未按正常保养程序操作,导致1枚“霍克”导弹掉落地面,所幸导弹未处于发射状态,掉落地面受到重击也没有引爆,但两面主翼刮损,1面尾翼掉落,鼻锥的雷达天线罩尖端破损,导致导弹无法修复而报销。媒体透露这是当时“霍克”导弹部队半年内发生的第3起因未按程序操作所发生的意外。除“霍克”外,台军其它导弹事故也从未间断。2016年7月1日,台军“金江”号巡逻舰在进行演习时,就曾误射1枚“雄风”3型反舰导弹。2017年1月,台军1枚“标准”2导弹弹头罩开裂,台军宣称不会影响导弹性能。除在导弹维护保养上管理混乱外,台军的军纪水平也令人堪忧。在这种情况下发生“霍克”导弹事故并不意外。

  文/安子行

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