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中科院秘密武器(全球防卫杂志197期)

雄三研发秘辛

Hsiung Feng III Ramjet Antiship Missile

作者:高智阳

千呼万唤始出来的雄风三型超音速反舰飞弹,终于在今年国庆国防展示中现身。由雄三外型可明显看出其承袭「擎天载具」的血统,这也是中科院研发冲压发动机多年来最具体的成果。要了解雄三研发始末,必须从中科院引进国外冲压发动机技术,自行研改出弓二冲压飞弹,再应用到擎天载具,最后落实成为雄三超音速反舰飞弹说起。

天弓冲压飞弹

1980年黄孝宗出任中科院代院长后,大力推动冲压发动机研发,并称之为「超性能飞弹」。当时中科院在美国Marquardt 公司技术协助下,正在兴建研发冲压发动机所需的大型风洞。1981年中科院正式进行液体燃料冲压发动机的先期研发工作,同年2月中科院也成立天弓计画室,原本中科院冲压发动机的研发就是要用于天弓飞弹(即最早构型的天弓二型地对空飞弹)上,因此就把冲压发动机奠基研究计划并入其中。天弓飞弹采用冲压发动机的原始构想应是受 Marquardt 公司过去研发Bomarc冲压发动机防空飞弹的影响。

弓二冲压飞弹并非中科院首次研发冲压发动机飞弹,1970年代中科院所发展的第一代冲压发动机载具体积硕大,发动机与弹体构形分别设计,发动机外挂于弹体,显示中科院研发的第一代冲压发动机载具深受 Marquardt公司设计理念的影响,Marquardt 公司Bomarc 防空飞弹即是冲压发动机挂于弹体外侧的第一代设计。

1984年美国Marquardt 公司技术协助中科院兴建的大型风洞完工。这座风洞有别于一般风洞,可在风洞内制造的气流中引燃丙烷产生热量,增加温度,以仿真实际飞行的空气密度,藉以了解飞行中燃烧现象和结果,这座风洞又称热风洞或高熵风洞。

这套地面试验设备后来也运用在天弓、天剑、雄风、雷霆二千等计划中,执行气热力环境模拟测试或绝热材料验证等试验。除了风洞等地面测试设备外,中科院也陆续完成冲压发动机涡轮泵、燃油阀、燃烧室、进气道、燃油供应控制系统等关键组件的开发研制。

引进美国冲压发动机技术

1984年年底美方又同意 Vought 公司(后来改为 LTV,即Ling-Temco-Vought)输出冲压发动机技术,使得中科院在冲压发动机研发上再添助力。当时引进的是 Vought 公司研发的 ALVRJ(Advanced Low-Volume Ramjet,或称 Air-Launched Low-VolumeRamjet)和其衍生的STM(Supersonic Tactical Missile,超音速战术飞弹)冲压发动机技术。

ALVRJ 计划开始在1968年,是 Vought 公司接受美国海军委托,所进行的小型飞弹冲压发动机飞行测试。ALVRJ 第一次自由飞试是在1974年12月进行,由 A-7E 攻击机于空中发射,测试速度超过2马赫,射程超过70公里。ALVRJ 尾部的固体火箭加力器,只要5秒就可达到启动冲压发动机的速度。1976年进行4次成功的飞行测试,整个计划告一段落。ALVRJ 全长4.57公尺,弹径38公分,时速2735公里,最大射程超过160公里。

后来 LTV 公司提出一个以ALVRJ为基础的战术飞弹构想,即STM空对舰飞弹(外型类似 ALVRJ,但弹体较长),并参与美国海军相关计划竞标,并在1979年4月进行第一次飞试。不过后来美国海军并没有持续推动STM案,改以发展次音速的战斧巡弋飞弹。1983年 LTV 公司以ALVRJ/STM的设计,推出VTS-6 (Vought Target System 6)飞弹再度参与美国海军SLAT (Supersonic Low-Altitude Target)计划竞标,但败给同样采用整合式火箭冲压发动机的 Martin Marietta 公司的ASALM (Advanced Strategic Air-Launched Missile),不过后来 SLAT计划被取消,并未有生产任何原型飞弹。

由于承袭美国Vought公司的ALVRJ/STM冲压发动机技术,弓二冲压飞弹的外型与STM就像是孪生兄弟,只是在进气道上加装4片小翼,擎天载具和雄三也都延续这个外型。不过因中科院无法克服冲压发动机燃烧不稳定的问题,中科院最后放弃弓二冲压飞弹的研发。

弓二冲压飞弹研发失败,在中科院内引发不少风波。因Vought公司冲压发动机技术是由电子所引进的,而非已有研发基础的飞弹火箭所,因此造成二所间的争执。弓二冲压飞弹迟迟无法突破技术瓶颈,还引发天弓计划主持人陈传镐面告当时的参谋总长郝柏村,质疑Vought公司的冲压发动机技术。当时陈传镐认为 Vought公司并不会做冲压发动机,这可能是因Vought公司研发的数款冲压发动机飞弹都未受美军采用而引发的质疑。

此外,弓二冲压飞弹研发失败,也引发中科院人员投书报社爆料,指责中科院高层决策错误,浪费时间和大量经费。1990年中科院人员投书报社指称,中科院在 10年前决定发展冲压发动机地对空飞弹是一个严重错误的决策(即弓二冲压飞弹),因为发展数年之后,才发觉模仿国外所发展的飞弹居然是空对舰飞弹(即指 Vought公司的ALVRJ/STM),根本不能打飞机,必须重新设计,但是又困难重重,后来才发现欧美这30年来根本已不再采用冲压发动机防空飞弹,于是中科院才转而发展采用固体火箭发动机的天弓飞弹(弓二),整个错误的决策,使得中科院浪费了数年的时间及数百亿预算。

这篇投书当时还在报上引发一场笔仗,据中科院相关研发人员透露,这些质疑也激起后续研发冲压发动机的「擎天计画室」研发人员斗志,促使他们奋发图强,也才有后续的成果。

擎天计划

虽然弓二冲压飞弹研发失败,中科院为延续原先冲压发动机的研发能量,在1990年于飞弹火箭研究所成立「擎天计画室」,针对已研发10年的液体燃料冲压发动机载具的相关技术,进行系统整合,研发重心也转成超音速反舰飞弹。1994年时擎天计画室和雄风作业室合并,雄三研发计划正式启动。

这时中科院冲压发动机技术研发重点为整合式火箭冲压发动机系统(Integral Rocket/Ramjet Propulsion System),即助推的固体火箭加力器与续航冲压发动机整合为一体,装置于弹体内部的后段。位于弹体尾段的固体火箭加力器先燃烧,其固体药柱烧完留下的空间就作为冲压发动机的燃烧室,因而能节省飞弹的长度与体积,这种燃烧室又称为突张(dump)燃烧室。而整合式火箭冲压发动机也是Vought 公司的ALVRJ/STM 冲压发动机的关键技术。

为了验证冲压发动机长程、高速的巡航性能,中科院研发出擎天MK-1载具,先后完成4次飞试验证。

第1次自由飞行试验是在固定控制翼状况下,验证各组件操作性能。载具发射后,依设定程序完成加速、固体火箭加力器脱离、冲压发动机承接、点火等动作后,再加速到超音速飞行。载具到达预定目标区的射程和预估值极为接近。

第2次飞行试验为中途导引、高空巡航飞行试验。载具发射后,依序加速、脱节、冲压发动机点火、开始飞行控制,并加速到巡航速度。爬升到巡航高度后,进行水平巡航飞行;巡航结束后,依照设定轨迹俯冲,成功结束任务。这次飞试是在1992年9月25日进行,为首度导引控制弹道飞行。

第3次飞行试验为模拟攻舰飞弹的低-高-低弹道飞试。载具发射后,依照以往程序飞行,首见爬升至高空巡航,之后向低空俯冲,并调整速度,进入低空水平巡航相当距离后,载具以横向高G水平转弯,转弯结束后,导控命令归零,载具稳定飞行落海,成功完成任务。前3次飞试都在1994年前进行。

第4次飞试为验证掠海飞行性能。载具点火发射后,依次进行脱节、俯冲、拉平,再以超音速于极低空不同高度掠海飞行,成功完成任务。

1996年中科院继续进行擎天五号载具的超音速超低空掠海飞行试验。虽然擎天五号配置的精密高度控制系统的软硬件是中科院首次研发的成品,不过第一次飞试就成功发挥作用,所以擎天五号是以数倍音速的速度和数公尺高的终端弹道,成功完成第一次飞试,这时雄三已略见雏型。

擎天载具的演进

由于ALVRJ/STM是空射飞弹,而擎天载具是陆射,因此光靠擎天载具整合式火箭冲压发动机的固体火箭加力器无法推动弹体达到启动冲压发动机的速度,因此中科院便在擎天载具(MK-1)后方加装一节串接式固体火箭加力器。中科院网站曾公布这种加装串接式加力器的擎天载具试射照片。不过因串接式加力器(长度约擎天载具弹体的一半)使得弹身大幅加长,不利输送储存,因此中科院后来将加装于擎天载具尾部的串接式加力器,改为两具侧挂式加力器以缩短弹体,即MK -2构型。

由于这是中科院首次在飞弹弹体上加挂侧挂式加力器,因此光要使侧挂加力器同时脱离弹体就遇到不少困难,如:不能同时脱离或脱离后因气流因素,使加力器回撞载具主体等,后来引进相关技术和人才才逐渐突破技术瓶颈,像原来是使用机械装置使侧挂加力器脱离弹体,但却常因机械故障而无法同时脱离,后来改用爆炸脱离装置,才解决这一难题,另外也修改侧挂式加力器的外型,利用气流以避免脱离后回撞载具主体。

另外,冲压发动机喷嘴内壁硅酚绝热层曾因长时间高温焦化和剥蚀,无法达成热防护目的。当时冲压燃烧室内壁使用的绝热材料是康宁公司(Dow Corning)的产品DC93-104,使用的绝热材料就是硅酚。采用硅酚绝热层的优点是热防护设计较简易,缺点则是绝热层经一段高温时间后即会焦化和剥蚀,无法长时间达成热防护目的。由于冲压发动机燃烧室需要长时间操作,后来中科院化学所自行研发出耐热性高、热传导系数低、耐冲性佳及与金属接着良好的「硅橡胶绝热材料」,才解决问题。其它研发过程中遭遇的问题,还有加力器燃烧完毕,冲压发动机无法顺利接续点火;也曾遭遇燃烧不稳定,造成弹体振动等问题,不过最后都一一克服。

剖析雄三

雄三弹体外型与擎天载具差异不大,最大的差别就是加装2只侧挂式加力器。这2只侧挂式加力器有一特征,就是前端鼻锥罩并非正圆锥形,而略向外侧偏移,目的在让加力器在炸离弹体后,能利用气动力往弹体外侧带离,避免回撞飞弹。

根据中科院测试记录,雄三侧挂式加力器在发射后4秒即燃尽脱离,而整合式火箭冲压发动机的固体火箭加力器也几乎是同时燃尽,冲压发动机随即接续点火,持续提供飞弹推力。

雄三弹体下方的长条状凸起,可能是数据键接收天线和高度控制系统的高度计等装置,后方还和管线罩结合。上方凸起物也是管线罩,功能在将管线绕过燃烧室,以控制尾翼。比对过去中科院发布的擎天载具照片,可发现擎天载具的管线罩在左右两侧,而雄三则改在弹体的上下,也较短因此并未延伸到弹体末端。

由于Vought公司的ALVRJ空射最大射程超过160公里,雄三虽然是舰射,但因有侧挂式加力器助推,且体型更大,因此射程应不低于ALVRJ,不过这可能要采高空巡航模式才能达到。擎天载具最大巡航高度可达12公里,速度可达音速2倍多,雄三性能应差不多。

由于雄三射程,远超过军舰侦搜范围,因此接战模式应和雄二反舰飞弹类似,即由海军大成系统提供目获数据,再输入飞弹导控系统中。雄三终端导引应是采主动雷达导引,因超音速反舰飞弹在低空高速飞行,鼻锥罩会产生高温,因此不能像雄二一样装置红外线寻标器。

雄三弹头推估可能和雄二差不多,不过因雄三为超音速反舰飞弹,即使弹头重量与雄二相当,但加上超音速的动能,威力约为雄二2倍。雄三估计速度可达2马赫,可大幅压缩目标反应时间,且强大的动力能造成更大的破坏,但缺点是低空掠海飞行因空气阻力大,燃料消耗多,射程受到一定限制,且也会造成信号处理时间过短无法实施再攻击。

结语

虽然雄三超音速反舰飞弹已研发成功,但中科院精进擎天载具和扩大冲压发动机应用的研发工作并未停下脚步,擎天载具的新构型将会是射程更远、速度更快、威力更大的飞弹,也将是未来台湾军方远程打击的新利器。

方块:

擎天载具家族谱

Vought 公司研发的 ALVRJ/STM

弓二冲压飞弹

擎天载具MK-1、MK-2

↓ ↘

雄三超音速反舰飞弹 擎天MK-3载具

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