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飛彈研發重中之重──推進系統

王皞天 2024年04月26日 07:00:00
雄風三型反艦飛彈的主彈體採用整合了火箭和衝壓引擎燃燒室的設計,兩側為助推火箭。(作者提供)

雄風三型反艦飛彈的主彈體採用整合了火箭和衝壓引擎燃燒室的設計,兩側為助推火箭。(作者提供)

飛彈的推進系統直接地決定了它的飛行特性。常見的推進系統有渦輪引擎、衝壓引擎和火箭引擎(以下皆指固體燃料火箭)等,那它們各自都有哪些特色呢?

 

這三者最根本的不同就是,渦輪引擎和衝壓引擎都屬於吸氣式(air breathing)引擎,它們藉由從外部吸入空氣,並將其壓縮以提高氧氣濃度後,和自身所攜帶的燃料混合,接著進行燃燒;而火箭引擎則是燃料和氧化劑都自行攜帶,故不需要吸收外部的氧氣,因此其燃燒效能不受飛行速度、高度影響。

 

渦輪引擎會藉由壓縮器來壓縮空氣,衝壓引擎則是藉由較高的飛行速度,讓進氣道直接壓縮空氣,接著燃燒室就可以進行燃燒,後方也不需要有渦輪的構造(因此就不用考慮渦輪的耐熱問題,和開後燃器極大化推力的戰機引擎有點類似),而是由噴嘴直接將氣流噴出。相較於渦輪引擎,衝壓引擎的內部構造不需要有轉動件(燃油幫浦除外)。

 

這就導致了一個重要的特徵:渦輪引擎和衝壓引擎的推進效率都和飛行速度有關,火箭引擎則否。渦輪引擎適合次音速或2馬赫以下的飛行,而且它有最高的推進效率,因此很多追求長射程,同時目標比較不具時間緊迫性的次音速飛彈都採用渦輪引擎,如雄二飛彈、萬劍彈。

 

採用渦輪引擎的萬劍彈。(作者提供)

 

衝壓引擎必須要有較快的飛行速度才能用進氣道壓縮空氣,因此它較有效率的飛行速度在2.5馬赫以上,但不超過6馬赫(3~5馬赫較佳)。在外型設計上,由於它一定是超音速飛行,所以它的進氣口設計就必須考量震波的生成型態(這和氣流全壓的損失量有關,也就是說會影響進氣的效率)和能吸入的氣流量,這點就和戰機的進氣口設計有些類似;不同的進氣口形狀、數量、在彈體外部的排列方式,還會影響到整個飛彈的阻力。

 

由於衝壓引擎必須要在較高的飛行速度下才能開始工作,所以通常陸射或艦射的衝壓引擎飛彈,都會加裝火箭助推器,或採取整合式的設計(Integral Rocket Ramjet),當彈體內裝填火箭推進劑的部分燃燒完之後,其所空出來的空間就直接當成是衝壓引擎的燃燒室,如雄三飛彈。這種整合式設計帶來的好處包括較低的巡航阻力,較小的體積、重量和彈體直徑;飛彈的尺寸大小,比如彈體直徑與長度,是會影響到發射載台的可適應性的。

 

火箭引擎屬於非吸氣式引擎,因此它的飛行速度和高度較無拘束,且高度和速度就算在短時間內大幅變化,也對飛彈本身的推力輸出較無影響,可以用來打擊高空,甚至接近外太空的目標,適合用於空對空飛彈或防空飛彈,如天劍一、天劍二、天弓三。此外,由於火箭發動機噴嘴噴氣速度較高、噴氣速度不受飛行速度影響,以及有較高的燃料質量流率,它的加速度性能是最好的,雷霆2000多管火箭就是一例。

 

然而,相較於渦輪引擎和衝壓引擎的氧氣是由外界大氣取得,火箭引擎除了要攜帶燃料外,還要自行攜帶氧化劑(實際上兩者是預先混合好的,統稱為推進劑,propellant);也就是說,在達到同樣推力的情況下,火箭需要消耗較多的推進劑。如果我們用比衝(specific impulse,每單位重量推進劑所帶來的衝量,或”推力/(推進劑質量流率*G值)”)來衡量飛彈的推進效率的話,那火箭的效率是較低的,不如吸氣式的渦輪引擎或衝壓引擎。這方面一個很明顯的例子就是,艦射型飛魚飛彈MM40 Block 2和Block 3,前者使用火箭引擎,後者改用渦輪引擎,在尺寸與重量差異不大的情況下,後者射程幾乎變成三倍。

 

對火箭引擎飛彈來說,它「推進劑重量/發射全重」的比值,會影響推進劑全部燃燒完畢後的飛彈最終速度,因此這也是個重要指標。

 

不同種類引擎在不同馬赫樹下的比衝。(作者製表)

 

從推進劑的角度來看,不同的填充方式(推進劑不一定是實心裝填、從尾部開始燃燒,可能是中間呈空心的環狀裝填,中空部分也未必是圓形,可以是星型中空或其他形狀),和不同填充方式的組合,都可以讓燃燒過程中,推進劑的燃燒表面積漸增、漸減或維持恆定,進而調控推力隨時間的變化情形。

 

推進劑的燃燒表面積還會影響到燃燒室的壓力,而燃燒室的壓力、「噴嘴面積/噴嘴前方最窄處的咽喉面積」和飛行高度,三者都會影響到比衝。

 

採用火箭引擎的陸劍二型和海劍二型飛彈。(作者提供)

 

推進系統是飛彈的基礎。有了推進系統後(能飛到那個高度、速度、射程),接下來就是靠飛彈的導引、導航與控制組件,去導引飛彈「撞」上目標。飛彈不像戰鬥機,一下要高空高速攔截,一下要靈活纏鬥(包含轉彎、俯衝、爬升等),它只要「撞」到目標就基本上結束了,由此可知,飛彈的推進系統,可說是整個飛彈研發的重中之重。

 

【延伸閱讀】: 國防利劍——雄風三、天弓三與萬劍飛彈的比較

 

【延伸閱讀】:戰術飛彈的氣動外型如何設計

 

※作者畢業於成功大學航空太空工程學系,著有《戰鬥機設計與運作原理》。




 

 

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