（2007年11月1日)
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中科院秘密武器(全球防衛雜誌197期) 雄三研發秘辛 Hsiung Feng III Ramjet Antiship Missile 作者：高智陽 千呼萬喚始出來的雄風三型超音速反艦飛彈，終於在今年國慶國防展示中現身。由雄三外型可明顯看出其承襲「擎天載具」的血統，這也是中科院研發衝壓發動機多年來最具體的成果。要瞭解雄三研發始末，必須從中科院引進國外衝壓發動機技術，自行研改出弓二衝壓飛彈，再應用到擎天載具，最後落實成為雄三超音速反艦飛彈說起。 天弓衝壓飛彈 1980年黃孝宗出任中科院代院長後，大力推動衝壓發動機研發，並稱之為「超性能飛彈」。當時中科院在美國Marquardt 公司技術協助下，正在興建研發衝壓發動機所需的大型風洞。1981年中科院正式進行液體燃料衝壓發動機的先期研發工作，同年2月中科院也成立天弓計畫室，原本中科院衝壓發動機的研發就是要用於天弓飛彈(即最早構型的天弓二型地對空飛彈)上，因此就把衝壓發動機奠基研究計畫併入其中。天弓飛彈採用衝壓發動機的原始構想應是受 Marquardt 公司過去研發Bomarc衝壓發動機防空飛彈的影響。 弓二衝壓飛彈並非中科院首次研發衝壓發動機飛彈，1970年代中科院所發展的第一代衝壓發動機載具體積碩大，發動機與彈體構形分別設計，發動機外掛於彈體，顯示中科院研發的第一代衝壓發動機載具深受 Marquardt公司設計理念的影響，Marquardt 公司Bomarc 防空飛彈即是衝壓發動機掛於彈體外側的第一代設計。 1984年美國Marquardt 公司技術協助中科院興建的大型風洞完工。這座風洞有別於一般風洞，可在風洞內製造的氣流中引燃丙烷產生熱量，增加溫度，以模擬實際飛行的空氣密度，藉以了解飛行中燃燒現象和結果，這座風洞又稱熱風洞或高熵風洞。 這套地面試驗設備後來也運用在天弓、天劍、雄風、雷霆二千等計畫中，執行氣熱力環境模擬測試或絕熱材料驗證等試驗。除了風洞等地面測試設備外，中科院也陸續完成衝壓發動機渦輪泵、燃油閥、燃燒室、進氣道、燃油供應控制系統等關鍵組件的開發研製。 引進美國衝壓發動機技術 1984年年底美方又同意 Vought 公司（後來改為 LTV，即Ling-Temco-Vought）輸出衝壓發動機技術，使得中科院在衝壓發動機研發上再添助力。當時引進的是 Vought 公司研發的 ALVRJ（Advanced Low-Volume Ramjet，或稱 Air-Launched Low-VolumeRamjet）和其衍生的STM（Supersonic Tactical Missile，超音速戰術飛彈）衝壓發動機技術。 ALVRJ 計畫開始在1968年，是 Vought 公司接受美國海軍委託，所進行的小型飛彈衝壓發動機飛行測試。ALVRJ 第一次自由飛試是在1974年12月進行，由 A-7E 攻擊機於空中發射，測試速度超過2馬赫，射程超過70公里。ALVRJ 尾部的固體火箭加力器，只要5秒就可達到啟動衝壓發動機的速度。1976年進行4次成功的飛行測試，整個計畫告一段落。ALVRJ 全長4.57公尺，彈徑38公分，時速2735公里，最大射程超過160公里。 後來 LTV 公司提出一個以ALVRJ為基礎的戰術飛彈構想，即STM空對艦飛彈（外型類似 ALVRJ，但彈體較長），並參與美國海軍相關計畫競標，並在1979年4月進行第一次飛試。不過後來美國海軍並沒有持續推動STM案，改以發展次音速的戰斧巡弋飛彈。1983年 LTV 公司以ALVRJ/STM的設計，推出VTS-6 (Vought Target System 6)飛彈再度參與美國海軍SLAT (Supersonic Low-Altitude Target)計畫競標，但敗給同樣採用整合式火箭衝壓發動機的 Martin Marietta 公司的ASALM （Advanced Strategic Air-Launched Missile），不過後來 SLAT計畫被取消，並未有生產任何原型飛彈。 由於承襲美國Vought公司的ALVRJ/STM衝壓發動機技術，弓二衝壓飛彈的外型與STM就像是孿生兄弟，只是在進氣道上加裝4片小翼，擎天載具和雄三也都延續這個外型。不過因中科院無法克服衝壓發動機燃燒不穩定的問題，中科院最後放棄弓二衝壓飛彈的研發。 弓二衝壓飛彈研發失敗，在中科院內引發不少風波。因Vought公司衝壓發動機技術是由電子所引進的，而非已有研發基礎的飛彈火箭所，因此造成二所間的爭執。弓二衝壓飛彈遲遲無法突破技術瓶頸，還引發天弓計畫主持人陳傳鎬面告當時的參謀總長郝柏村，質疑Vought公司的衝壓發動機技術。當時陳傳鎬認為Vought公司並不會做衝壓發動機，這可能是因Vought公司研發的數款衝壓發動機飛彈都未受美軍採用而引發的質疑。 此外，弓二衝壓飛彈研發失敗，也引發中科院人員投書報社爆料，指責中科院高層決策錯誤，浪費時間和大量經費。1990年中科院人員投書報社指稱，中科院在10年前決定發展衝壓發動機地對空飛彈是一個嚴重錯誤的決策（即弓二衝壓飛彈），因為發展數年之後，才發覺模仿國外所發展的飛彈居然是空對艦飛彈（即指Vought公司的ALVRJ/STM），根本不能打飛機，必須重新設計，但是又困難重重，後來才發現歐美這30年來根本已不再採用衝壓發動機防空飛彈，於是中科院才轉而發展採用固體火箭發動機的天弓飛彈(弓二)，整個錯誤的決策，使得中科院浪費了數年的時間及數百億預算。 這篇投書當時還在報上引發一場筆仗，據中科院相關研發人員透露，這些質疑也激起後續研發衝壓發動機的「擎天計畫室」研發人員鬥志，促使他們奮發圖強，也才有後續的成果。 擎天計畫 雖然弓二衝壓飛彈研發失敗，中科院為延續原先衝壓發動機的研發能量，在1990年於飛彈火箭研究所成立「擎天計畫室」，針對已研發10年的液體燃料衝壓發動機載具的相關技術，進行系統整合，研發重心也轉成超音速反艦飛彈。1994年時擎天計畫室和雄風作業室合併，雄三研發計畫正式啟動。 這時中科院衝壓發動機技術研發重點為整合式火箭衝壓發動機系統（Integral Rocket/Ramjet Propulsion System），即助推的固體火箭加力器與續航衝壓發動機整合為一體，裝置於彈體內部的後段。位於彈體尾段的固體火箭加力器先燃燒，其固體藥柱燒完留下的空間就作為衝壓發動機的燃燒室，因而能節省飛彈的長度與體積，這種燃燒室又稱為突張（dump）燃燒室。而整合式火箭衝壓發動機也是Vought 公司的ALVRJ/STM 衝壓發動機的關鍵技術。 為了驗證衝壓發動機長程、高速的巡航性能，中科院研發出擎天MK-1載具，先後完成4次飛試驗證。 第1次自由飛行試驗是在固定控制翼狀況下，驗證各組件操作性能。載具發射後，依設定程序完成加速、固體火箭加力器脫離、衝壓發動機承接、點火等動作後，再加速到超音速飛行。載具到達預定目標區的射程和預估值極為接近。 第2次飛行試驗為中途導引、高空巡航飛行試驗。載具發射後，依序加速、脫節、衝壓發動機點火、開始飛行控制，並加速到巡航速度。爬升到巡航高度後，進行水平巡航飛行；巡航結束後，依照設定軌跡俯衝，成功結束任務。這次飛試是在1992年9月25日進行，為首度導引控制彈道飛行。 第3次飛行試驗為模擬攻艦飛彈的低－高－低彈道飛試。載具發射後，依照以往程序飛行，首見爬升至高空巡航，之後向低空俯衝，並調整速度，進入低空水平巡航相當距離後，載具以橫向高G水平轉彎，轉彎結束後，導控命令歸零，載具穩定飛行落海，成功完成任務。前3次飛試都在1994年前進行。 第4次飛試為驗證掠海飛行性能。載具點火發射後，依次進行脫節、俯衝、拉平，再以超音速於極低空不同高度掠海飛行，成功完成任務。 1996年中科院繼續進行擎天五號載具的超音速超低空掠海飛行試驗。雖然擎天五號配置的精密高度控制系統的軟硬體是中科院首次研發的成品，不過第一次飛試就成功發揮作用，所以擎天五號是以數倍音速的速度和數公尺高的終端彈道，成功完成第一次飛試，這時雄三已略見雛型。 擎天載具的演進 由於ALVRJ/STM是空射飛彈，而擎天載具是陸射，因此光靠擎天載具整合式火箭衝壓發動機的固體火箭加力器無法推動彈體達到啟動衝壓發動機的速度，因此中科院便在擎天載具(MK-1)後方加裝一節串接式固體火箭加力器。中科院網站曾公布這種加裝串接式加力器的擎天載具試射照片。不過因串接式加力器(長度約擎天載具彈體的一半)使得彈身大幅加長，不利輸送儲存，因此中科院後來將加裝於擎天載具尾部的串接式加力器，改為兩具側掛式加力器以縮短彈體，即MK-2構型。 由於這是中科院首次在飛彈彈體上加掛側掛式加力器，因此光要使側掛加力器同時脫離彈體就遇到不少困難，如：不能同時脫離或脫離後因氣流因素，使加力器回撞載具主體等，後來引進相關技術和人才才逐漸突破技術瓶頸，像原來是使用機械裝置使側掛加力器脫離彈體，但卻常因機械故障而無法同時脫離，後來改用爆炸脫離裝置，才解決這一難題，另外也修改側掛式加力器的外型，利用氣流以避免脫離後回撞載具主體。 另外，衝壓發動機噴嘴內壁矽酚絕熱層曾因長時間高溫焦化和剝蝕，無法達成熱防護目的。當時衝壓燃燒室內壁使用的絕熱材料是康寧公司(Dow Corning)的產品DC93-104，使用的絕熱材料就是矽酚。採用矽酚絕熱層的優點是熱防護設計較簡易，缺點則是絕熱層經一段高溫時間後即會焦化和剝蝕，無法長時間達成熱防護目的。由於衝壓發動機燃燒室需要長時間操作，後來中科院化學所自行研發出耐熱性高、熱傳導係數低、耐沖性佳及與金屬接著良好的「矽橡膠絕熱材料」，才解決問題。其他研發過程中遭遇的問題，還有加力器燃燒完畢，衝壓發動機無法順利接續點火；也曾遭遇燃燒不穩定，造成彈體振動等問題，不過最後都一一克服。 剖析雄三 雄三彈體外型與擎天載具差異不大，最大的差別就是加裝2隻側掛式加力器。這2隻側掛式加力器有一特徵，就是前端鼻錐罩並非正圓錐形，而略向外側偏移，目的在讓加力器在炸離彈體後，能利用氣動力往彈體外側帶離，避免回撞飛彈。 根據中科院測試記錄，雄三側掛式加力器在發射後4秒即燃盡脫離，而整合式火箭衝壓發動機的固體火箭加力器也幾乎是同時燃盡，衝壓發動機隨即接續點火，持續提供飛彈推力。 雄三彈體下方的長條狀凸起，可能是資料鍵接收天線和高度控制系統的高度計等裝置，後方還和管線罩結合。上方凸起物也是管線罩，功能在將管線繞過燃燒室，以控制尾翼。比對過去中科院發布的擎天載具照片，可發現擎天載具的管線罩在左右兩側，而雄三則改在彈體的上下，也較短因此並未延伸到彈體末端。 由於Vought公司的ALVRJ空射最大射程超過160公里，雄三雖然是艦射，但因有側掛式加力器助推，且體型更大，因此射程應不低於ALVRJ，不過這可能要採高空巡航模式才能達到。擎天載具最大巡航高度可達12公里，速度可達音速2倍多，雄三性能應差不多。 由於雄三射程，遠超過軍艦偵蒐範圍，因此接戰模式應和雄二反艦飛彈類似，即由海軍大成系統提供目獲資料，再輸入飛彈導控系統中。雄三終端導引應是採主動雷達導引，因超音速反艦飛彈在低空高速飛行，鼻錐罩會產生高溫，因此不能像雄二一樣裝置紅外線尋標器。 雄三彈頭推估可能和雄二差不多，不過因雄三為超音速反艦飛彈，即使彈頭重量與雄二相當，但加上超音速的動能，威力約為雄二2倍。雄三估計速度可達2馬赫，可大幅壓縮目標反應時間，且強大的動力能造成更大的破壞，但缺點是低空掠海飛行因空氣阻力大，燃料消耗多，射程受到一定限制，且也會造成信號處理時間過短無法實施再攻擊。 結語 雖然雄三超音速反艦飛彈已研發成功，但中科院精進擎天載具和擴大衝壓發動機應用的研發工作並未停下腳步，擎天載具的新構型將會是射程更遠、速度更快、威力更大的飛彈，也將是未來台灣軍方遠程打擊的新利器。 方塊： 擎天載具家族譜 Vought 公司研發的 ALVRJ／STM ↓ 弓二衝壓飛彈 ↓ 擎天載具MK-1、MK-2 ↓ ↘ 雄三超音速反艦飛彈 擎天MK-3載具 |