冲压喷气发动机在导弹上的应用

彭圻基
对于重量相同的导弹,采用冲压喷气发动机比采用固体火箭发动机攻击力要大出一倍 多。因此,在导弹设计中采用冲压喷气发动机有着很大的吸引力。但是,在过去很长一段时 间里,由于冲压喷气发动机尺寸太大,难以用在空空导弹上,因此空空导弹很少采用这种动 力装置。目前冲压喷气发动机的发展已经取得了重大突破,可以研制出适用于超视距空空导 弹的小型冲压喷气发动机。 英国国防部目前正在为英国皇家空军的欧洲战斗机2000招标研制超视距空空导弹。 在这诚冉谐炭湛盏嫉┯*较高的峰值速度,而冲压喷气发动机则有较高的巡航速 度。在使用空空导弹作战时,能量多就意味着生存力强。 英国宇航公司的一位军事顾问认为,目前的中程武器由于总能量不够,无法完成杀伤高 度机动灵活目标所需的机动动作,因此,这些武器的有效杀伤区相对较校根据经验,在超视 距作战中,导弹需要至少有3倍于目标的机动能量,才能杀伤目标。也就是说,如果目标以 10g的加速度过载跃升进行规避机动时,导弹需进行30g的加速度过载转弯机动方能杀 伤目标。 有消息表明,在英国皇家空军进行的苏27飞机及其导弹与携带AIM-120B导 弹的欧洲战斗机2000的对抗模拟中,后者明显处于下风。这也说明,需要为欧洲战斗机 装备一种在超视距上有更大有效杀伤区的导弹。一般来讲,超视距作战的距离在40公里左 右。下一代超视距空空导弹的作战距离将可能在100公里左右。 除了绝对射程增加外,更重要的是采用火箭助推器/冲压喷气主发动机可以扩大有效杀 伤区。采用冲压喷气主发动机的空空导弹有可能使有效杀伤空域增大两倍,并在这一空域仍 有很高的杀伤概率。 采用冲压喷气发动机后,导弹性能虽然提高了,但成本也要加大,约是固体火箭发动机 方案的两倍。但是,由于火箭/冲压喷气型导弹在超视距作战中有很多优点,因此成本的增 加显得并不重要。因为多花点钱改进动力装置以提高导弹的攻击力总比在空战中损失一架价 值4000多万美元的战斗机要合算。 参加英国超视距空空导弹竞争的两大阵营已经形成。一个以英国宇航公司(现为马特 拉·英国宇航动力公司)为首,包括意大利的阿列尼亚公司、德国的戴姆勒奔驰宇航公 司、国的GEC马可尼公司和瑞典的萨伯公司,推出流星导弹参加投标;另一个由休斯英国 公司牵头,用AIM120先进中程空空导弹的冲压喷气发动机型(未来中程空空导弹)参 与竞争,合作伙伴有法国宇航公司、福克公司、肖特公司和汤姆逊肖恩公司。 冲压喷气发动机的优点之一是设计简单,仅有进气道、燃烧室、燃料喷嘴和燃料贮箱几 个主要部分,不需要活动部件。由于冲压喷气发动机在开始工作前需加速到约2马赫,这需 要与固体助推器一起使用。助推器目前一般采用整体式无喷管方案。 冲压喷气发动机总的设计原则都是一样的,但具体设计方案依据所选用的燃料和燃烧过 程而定。未来中程空空导弹采用直接喷射冲压发动机,而流星导弹则准备采用掺硼的固体冲 压喷气发动机方案。 冲压喷气发动机的一个主要优点是它燃烧时使用的是大气中的氧而不是自带的氧化剂。 需解决的问题是要随着气压变化,亦即根据高度对燃烧过程进行控制。 对这一问题最简单的解决方案就是不进行调节,南非的肯特隆和索姆切姆公司最初采用 的就是这种办法。这种办法大大简化了设计问题,但要使冲压喷气发动机在最佳状态工作 时,导弹就要在极为有限的高度范围内飞行。肯特隆公司的最初方案是使空空导弹先在特定 的高度走廊飞行,将高度问题留在末段,此时冲压喷气发动机的性能已显得不太重要。鉴于 该方案的缺点,索姆切姆公司已开始研制一种主动机械阀装置作为节门使用。 法国宇航公司确定了4种冲压喷气发动机基本设计方案,即自调节固体推进剂冲压喷气 发动机,掺硼固体推进剂冲压喷气发动机,直接喷射冲压喷气发动机以及可调液体冲压喷气 发动机。在休斯公司牵头的投标阵营中,法国宇航公司负责研制推进系统。 法国宇航公司在为休斯公司的未来中程空空导弹研制推进系统的过程中进行了几项研究 工作。80年代末90年代初,该公司完成了适于空空导弹的小口径冲压喷气发动机(SP C)研究工作。该公司还是马特拉公司等于1990到1995年间实施的拉斯第克(Ru stique)自调节冲压喷气发动机项目的分包商。在1988到1990年间,法国宇 航公司在SPC1计划中研究了将ASMP导弹的冲压喷气发动机改小后用于空空导弹的可行性。 在这一方案中,两个进气道相差90°而不是180°。尽管这一方案从技术上讲是可行 的,但从费用上来讲,将小型的ASMP发动机用于战术空空导弹是行不通的。 在SPC2计划中,法国宇航公司研究了改变燃料喷射结构的可行性,将燃料喷嘴从A SMP进气道的弯管处移到燃烧室的前部。这一方案在技术上同样是可行的,但调节所用的 电磁阀太重而且费用太高。 继SPC项目之后,法国宇航公司对冲压喷气发动机采用复合材料进行了研究,以降低 费用。另外还研究了一种简化的燃料贮箱、费用低廉的增压系统和一种紧凑的直接喷射系 统。后来,这一项目并入了1994年开始实施的简单调节冲压喷气发动机(SRS)项目 中,目的是充分利用法国宇航公司近年来在小口径冲压喷气发动机研究方面的成果。 通过研究,法国宇航公司倾向于液体直接喷射冲压喷气发动机方案和在SRS项目中研 究的调节技术。该公司认为可调式固体冲压喷气发动机之所以不适合,是因为其技术风险以 及研制和生产费用都很高。自调节冲压喷气发动机适用于反辐射导弹,但不适用于空空导 弹。这是由其固有的高度制约因素决定的。马特拉公司更主张采用在MPSR计划中开发出 来的“自调节”方案。MPSR计划的试验弹的调节是通过对大气压力变化敏感的流率来实 现的。 用在ASMP导弹可调液体冲压喷气发动机,从技术上来讲是可行的,但从经济上也是 不可行的。 法国宇航公司的直接喷射冲压喷气发动机方案,是在燃料贮箱内使用了一个弹性叶片。 该叶片与一个减压阀相连,燃料通过一个四喷嘴组件送入燃烧室。 在选择推进方案时,法国宇航公司也曾考虑过采用掺硼或铝等金属添加剂的固体推进 剂,然而这样一来便存在着容易被敌方探测到的危险。因为未燃烧的金属粒子具有良好的雷 达散射特性,排出的羽烟容易被雷达探测到。此外,在导弹飞行中段,羽烟中未耗尽的金属 粒子会影响发射载机与导弹之间的制导数据传输。因此,使用掺硼推进剂的动力装置有很高 的技术风险。 德国宇航公司下属的动力装置制造商贝恩切米公司负责为流星导弹研制冲压喷气巡航发 动机。该公司不赞成法国宇航公司的主张,并已给德国国防部写信表示反对法国宇航公司对 掺硼固体冲压喷气发动机所持的观点。 贝恩切米公司声称,对于掺硼固体冲压喷气发动机面临的技术风险,该公司已进行过几 次技术验证,证明是没有问题的。至于羽烟中残存的金属粒子问题,该公司称到目前为止已 进行的试验令人鼓舞,结果并不像法国宇航公司所说的那么坏。 贝恩切米公司争辩说,固体冲压喷气发动机有较高的燃料密度,因此,在相同的空间 中,后者可有更多的推进剂能量。 该公司还声称,他们之所以选用固体冲压喷气发动机,是因为小口径液体冲压喷气发动 机在高空飞行剖面上的燃烧稳定性不好,英国宇航公司的海标枪导弹使用的冲压喷气发动机 就有这方面的问题。另外,未来中程空空导弹选用了JP10作为巡航发动机的燃料,但是 由于这种燃料具有腐蚀性,是否适于长期贮存令人怀疑。 预计英国国防部将在今年7月宣布哪种方案中标。究竟哪家中标,哪一种方案能在竞争 中占上风,我们将拭目以待。 上一期我们讨论了冲压喷气发动机的优点、设计方案以及英国超视距空空导弹的招标情 况。本期我们再介绍一下冲压喷气发动机在各种导弹上的应用情况。
超视距空空导弹
对增程超视距空空导弹需求的日益增长,必然促使导弹设计部门寻求将冲压喷气巡航发 动机作为空空导弹的动力装置。英国皇家空军的未来中程空空导弹并不是第一种采用冲压喷 气发动机方案的导弹。 早在几年前,美国海军曾经实施过一项先进空空导弹(AAAM)计划,准备用其来替 换AIM54不死鸟导弹。这项计划要求在导弹的射程和末段运动特性方面都要有所提 高,这就需要采用一种混合型动力装置。当时美国的公司提出了冲压喷气发动机和固体发动 机两种方案。 通用动力公司和西屋公司提出了一种固体发动机方案,采用一台助推器和一台双脉冲主 发动机,但需解决分离和点火方面的问题。休斯和雷锡恩公司提出了一种整体式火箭冲压喷 气发动机方案,但是这种方案只有一个进气道,与两进气道或四进气道设计方案相比,末段 机动性要差。 最后美国海军虽然取消了这项计划,但它仍然需要一种替换不死鸟的导弹。休斯公司用 冲压喷气发动机改型的AIM120先进中程空空导弹正好可以满足其需要。 在未来中程空空导弹竞争中,英国宇航公司推出了一种与其S225X导弹一样的双推 力固体火箭发动机方案。这种方案存在的问题是,采用固体发动机不如冲压喷气发动机射程 远。由于这一问题的存在,再加上要求这种导弹装在欧洲战斗机2000的凹进处,这就意 味着固体发动机设计方案会因射程不够而遭到淘汰。 欧洲的法国、德国和瑞典等国都已表示对增程超视距武器感兴趣。南非和以色列都在研 究冲压喷气发动机技术在空空导弹上的应用。1987年晚些时候,南非的索姆切姆公司开 始研究冲压喷气发动机技术,并已在阿尔坎特潘靶场进行了几次冲压喷气发动机试验飞行器 试飞。这种试验飞行器装在其设想中的远程战术导弹上,将主要用在南非肯特隆公司研制的 射程在100公里以上的S突击者空空导弹上。 以色列拉斐尔武器局的马诺尔分部也在研究冲压喷气发动机技术。以色列和南非以前在 导弹研制方面有过合作,两国很可能共同研制过冲压喷气发动机。 俄罗斯的导弹设计局还对冲压喷气发动机在空面导弹和面空导弹上的应用很感兴趣。 文佩尔导弹设计局的冲压喷气发动机型R77导弹(AA12)已至少在苏27 飞机上进行了5次发射试验。 俄罗斯空军需要一种超远程导弹,好像已经选中了诺瓦托尔导弹设计局的KS-172设 计方案。KS172方案与上述通用动力公司和西屋公司的先进空空导弹方案有异曲同工 之妙,它是一种由一台固体助推器和一台“常规”固体火箭发动机提供动力的导弹。
战略空面武器系统
在西方诸国中,法国从40年代末起一直致力于发展采用冲压喷气发动机的空射型防区 外导弹;而美国在40年代后期和50年代也进行过冲压喷气发动机试验,后来优先发展了 涡轮喷气发动机,再后来为空射型防区外武器选用了涡轮风扇发动机。 法国于1986年开始装备法国宇航公司的ASMP中程核导弹,该弹同时在法国空军 和海军服役。法国主张采用冲压喷气发动机、速度达2到3马赫的导弹作为其“准战略”核 武器,而美国选用的是巡航导弹,因此,法国的武器要昂贵得多。法国认为这笔开支是值得 的,因为高马赫数/高空武器是突破敌防空系统的最好工具,特别是所用的平台和导弹数量 都很少。 法国还一直在研究将冲压喷气发动机和超音速燃烧冲压喷气发动机技术用于防区外武 器。法国空军打算用ASLP来替换ASMP。ASLP采用液体冲压喷气发动机,射程增 加了。为此,法国宇航公司和法国国家宇航研究院开始实施切夫伦(Chefren)技术 演示计划。该计划的目标之一是制造一种具有高度隐身特性的武器。 法国研制ASMP后继型的计划已推后了许多,目前法国宇航公司正在研制ASMP 加,而不是ASLP。法国宇航公司已对更先进的布局进行了研究,其中包括为满足飞行速 度5马赫以上的空射型战略导弹的需要而设计的MARS超音速燃烧冲压喷气发动机导弹。 将冲压喷气发动机/超音速燃烧冲压喷气发动机用于防区外武器,目前在美国又重获支 持,现正在进行几项研究工作。 俄罗斯一直对冲压喷气发动机方案感兴趣,并正在研究将该技术用于空射型战略武器 上。彩虹导弹设计局在1995年的莫斯科航展上展出了GELA试验飞行器,但对外只是 说该计划是为了探索高马赫数冲压喷气发动机方案。从设计上看,该计划的目的很可能是研 制一种空射型战略巡航导弹,来接替已取消的ASX19考拉计划。不过,GELA好 像已遭受了与ASX19同样的命运。
反辐射导弹
德国的BGT公司在1996年6月的柏林航展上披露了其阿拉米斯(Aramis) 反辐射导弹的设计方案。这项计划一开始由德法两国共同实施,后来法国退出了。该弹 采用双模导引头和冲压喷气发动机。 阿拉米斯计划旨在为法国空军的阿玛特和德国使用的美制AGM88哈姆两种反辐射 导弹研制一种替换型号,预计于2006年服役。作为压制敌方防空(SEAD)系统的武 器,该弹选用冲压喷气发动机,这是很有吸引力的,但也存在不少问题。采用这种方案,可 以使射程增加,而不必使重量也成比例增加。阿拉米斯的设计重量约200到250公斤, 而阿玛特重550公斤,哈姆重360公斤。阿拉米斯的发射重量也比目前唯一列装的冲压 喷气发动机型反辐射导弹,即俄罗斯的Kh31P(AS17氪),要轻得多,后者的 重量约600公斤。 由于阿拉米斯的重量比哈姆要轻,因此,德国空军的狂风战斗机可载带4枚阿拉米斯导 弹,而通常情况下,该机只能载带2枚哈姆导弹。这样一来阿拉米斯导弹的载机除了可以携 带反辐射导弹外,还可以携带自卫武器,从而扩大了飞机的作战能力。 法国认为,第二代反辐射导弹虽然能够对付防空监视雷达,但就对导弹瞄准雷达的反应 能力来说,对飞机的保护能力太差。正是因为这一原因,促使法国加紧研制冲压喷气巡航发 动机,以使导弹的飞行平均速度加快。 采用被动雷达导引头的反辐射导弹的缺点之一是在导弹发射以后和到达目标区之前,雷 达发射机可能已关机。目前的反辐射导弹采用两种技术来解决这一问题。雷达关机时,哈姆 导弹可恢复到记忆方式,而英国宇航公司的阿拉姆导弹则进入带伞待机飞行状态。阿拉姆所 采用的方法,可使雷达关机时间尽可能长,并可在雷达开机后进行攻击。 除了哈姆导弹外,美国目前还没有公开表示需要新一代的反辐射导弹,不过,有一些计 划可能是在进行反辐射导弹研制。美国空军和海军将来肯定需要一种比AGM88哈姆导 弹有更快的平均速度的武器。俄罗斯除了Kh31外,好像也在研制反辐射导弹,并且很 可能选用冲压喷气巡航发动机作为动力装置。
面空和面面导弹
前苏联的SA6和SA4都采用了冲压喷气发动机,所不同的是,SA6使用的 是固体推进剂,而SA4使用的是煤油。 当固体火箭推进剂技术得到发展以后,面空导弹一般很少采用冲压喷气巡航发动机。 不过,南非的肯特隆公司目前正在为其SAHV面空导弹系统研制冲压喷气发动机型导 弹,中国台湾也在研制冲压喷气发动机型天弓面空导弹。 冲压喷气发动机在面面导弹上已得到了较好的应用。俄罗斯目前至少装备了一种采用冲 压喷气发动机的舰射型反舰导弹。在前苏联解体时正在进行的项目,有些很可能仍在实施。 俄罗斯彩虹设计局的3M80(SSN22晒斑)是一种采用冲压喷气发动机的大 型反舰导弹,据报道这种导弹于80年代服役。该弹的发射重量4吨多一点,射程达120 公里。它在攻击末段的速度达2马赫,可在约7米的攻击高度采取预编程规避机动,对舰船 极具威胁。俄罗斯的另一家导弹设计局机械制造科学生产联合体正在研制雅克红(Yakh ont)导弹。这也是一种采用冲压喷气发动机的反舰导弹,其岸射型称为堡垒(Bast ion)。这两项计划的目前进展情况尚不清楚。 机械制造科学生产联合体还可能负责SSN19沉船反舰导弹的研制工作。目前还 没有SSN19的详细资料,不过,从近来的图片上看出,该弹采用了环形冲压喷气发 动机进气道。 法国宇航公司在反舰导弹的研制中发挥了其冲压喷气发动机方面的专长。该公司在法国 政府的支持下,正在研制飞鱼导弹的后继型新一代反舰导弹(ANNG)。 法国宇航公司将根据一项2亿美元的研制合同,为新一代反舰导弹研制维斯塔(Vesta) 试验装置并定于2001年开始进行发射试验。新一代反舰导弹将用来装备欧洲的地平线护 卫舰。 美国海军以前一直优先发展亚音速系统(如麦道公司的捕鲸叉)来满足其对反舰导弹的 要求。现在美国海军已开始寻求捕鲸叉导弹的后继型,并正在考虑多种方案,是否仍采用亚 音速导弹目前尚不得而知。