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东五弹头是我国第一种洲际导弹弹头,与之前的型号相比,在再入防热、姿控、突防和核战斗部性能上都有新的突破。其一,弹头再入大气层时速度大,防热设计十分复杂;其二,为了对抗敌区反导系统,要设计涉及许多新概念的突防系统;其三,为了按程序释放多个诱饵,以及为了提高再入落点的精度,要变无控弹头为具有姿态控制系统和慢旋系统的有控弹头。  

洲际弹头研制首先要解决的是防热问题。1969年和1971年,东三和东四飞行试验中曾两次出现弹头防热问题解决不好导致试验失败。相比之下,洲际导弹的弹头系统的工作条件要严酷得多。洲际导弹弹头再入大气层时马赫数高达20-25,空气强烈压缩引起压力急剧上升,同时一部分动能转化为热能,温度也随之剧升。美苏在60年代设计第二代洲际导弹(如Titan II和R-36)弹头时为了解决气动加热问题,采用了大钝头锥形弹头,这种外形再入时形成的弓形激波可以带走较多的热流,但减速较快,不利于突防和提高落点精度。 

美国Titan II洲际导弹采用的大钝头锥形弹头Mk6, 重3.7吨,长3.1米,爆炸当量9 Mt  

东五弹头外形采用了小钝头锥外形,这种外形的弹头再入时减速较慢,有利于突防和提高落点精度,但气动加热较严重。东五弹头再入时,端头驻点压力达10MPa,驻点附近的滞止温度高达 8000-10000℃,弹头锥体表面温度3000-3500℃左右。这样严重的再入气动加热环境直接威胁着弹头的安全。防热材料的作用不仅要保证弹头在再入环境中免遭烧毁,而且在结构外形上应保持原设计的气动外形,保证弹头落点精度;对结构内部的装置应保持给定的温度范围,不致因热量传入过多而影响到有效载荷。弹头防热技术若不能突破,洲际导弹就无法研制成功。

弹头气动防热需要解决四个方面的问题:一,热环境预测,突出的是端头和窗口等局部严重加热部位的热环境和热增量预测;二,材料与结构设计,重点是严重加热部位,如端头高性能防热材料的研制、应用以及合理的材料匹配设计和热脆性材料热应力破坏问题等;三,防热设计效果预测和地面考核与评估试验;四,烧蚀外形变化对气动力特性,特别是飞行稳定性影响的预测与评估。

武器专用防护油(俗称“枪油”)是武器装备的重要擦拭和防护材料,对保持武器装备良好的技术状态和防止锈蚀、降低磨损、延长寿命等具有不可替代的重要作用。世界各国军方历来都十分重视武器专用防护油的研究与开发。最典型的就是越战后,美军针对传统润滑油型防锈油功能单一、性能不理想的问题,于1971年提出了一项名称为“PD-48”的采购计划,对产品性能提出了如下要求:(1)武器射击完毕后,能有效去除火药残渣、积炭和其他污染物;(2)能在高温、低温、雨淋等各种苛刻条件下,对武器系统提供可靠的润滑性,且不能发粘,不吸附灰尘;(3)能在高温、高湿、高盐雾、严寒或海水浸泡等各种气候和使用条件下,对武器系统提供良好的防护性。由此,引出了武器专用防护油由单一防护功能向清洁、润滑、防护多功能的转变。在经历近3年时间实验室研制及从M16步枪到火炮、装甲车辆等各种武器系统的试验和实战检验之后,美军方对BREAK-FREE公司研制的武器清洁润滑防护三用油(CLP)给予了高度评价,并依据该产品于1979年制订了军用标准MIL-L-63460,在其中明确规定:CLP可替代武器装备上原用的MIL-C-372 炮膛清洁剂(RBC)、VV-L-800 通用低温水置换型防锈润滑油(PL-S)、MIL-L-46000 半流体润滑剂(LSA)、MIL-L-14107 武器用低温润滑油(LAW)和MIL-L-3150 中质防锈润滑油(RBC)等产品。目前,CLP(北约产品代号:S-758)已在美国、澳大利亚、芬兰、加拿大、比利时等20多个国家得到广泛应用,其产品标准也已发展到MIL-L-63460D。

我军于20世纪80年代后期,开展了武器清洁润滑防护油的跟踪和研究工作,并参照MIL-L-63460D(1988)制定了武器清洁润滑防护三用油规范(GJB 2378-95)。但限于当时的技术水平,国内有关单位研制的样品在实际使用中仍存在一定问题,所以至今未能在部队推广应用。

1 研制技术指标

为提高武器装备的维护保养质量,笔者从2001年起对多功能武器专用防护油进行了专题攻关研究。产品的研制技术指标采用我军的武器清洁润滑防护三用油规范(GJB 2378-95),其与MIL-L-63460D(1988)[JP2]标准的主要差异是:根据国情,减少了推进剂反应产物防腐性、残余物的低温流动性和化学试剂检验试纸干扰性检测项目。具体内容见表1。

2 研制过程

2.1 筛选基础油

基础油是防锈油的基本组成部分,对产品理化性能有决定性作用。根据武器清洁润滑防护三用油的战术技术指标要求和预定用途,其基础油应具有优良的高低温性能、较大密度和与相关有机溶剂有良好的相溶性等特点,以满足武器系统在-45 ℃以上各种环境条件下的正常射击、油品中固体润滑剂的分散悬浮和油品清洁、润滑、防护三项功能的正常发挥。为此,课题组采集、分析了国内6家炼厂生产的8种矿物基础油和合成油,经大量筛选试验,确定了以质量分数90%环烷基矿物基础油和10%合成油为基本组分的复配基础油。部分基础油筛选试验结果如表2。

2.2 筛选防锈剂

防锈油中的油溶性缓蚀剂是由极性和非极性基团两部分组成的油溶性表面活性物质,通过在油-气界面和油-金属界面的定向吸附,减缓水、氧等腐蚀性介质向金属表面的侵入,从而起到缓蚀作用。目前国内外研究的油溶性缓蚀剂有数百种,但综合考虑其性能、制造工艺、成本、原料来源等各方面的因素,国内经常使用的只有一二十种。本研究在对各油溶性缓蚀剂配伍性能大量研究的基础上,确定了由磺酸盐、羧酸盐和酯类防锈剂及少量表面活性剂组成的,具有“超加合效应”的新型复合防锈剂体系,其在45号变压器油中以质量分数10%加入,湿热试验可达到1000 h以上,盐雾试验可达到60 h以上。

2.3 研制润滑剂

为了增加润滑油的润滑承载能力,增强润滑油的时效性、高温性、宽温使用性和恶劣条件下的使用性能,通常在润滑油中加入一定量的固体润滑剂。目前,在润滑油中使用最多的固体润滑剂有石墨、二硫化钼、氮化硼和聚四氟乙烯。由于PTFE(聚四氟乙烯)是迄今为止发现的摩擦系数最小的一种有机固体润滑材料,且耐温、无毒,同时较无机固体润滑剂易于在油中分散悬浮,因而选择PTFE作为通用装备防护油的固体润滑材料。但国内目前对于PTFE细粉的加工,多采用机械切割和研磨的方法,缺点是粒径大(5~30 mm),形状不规则,且含有金属粉沫等机械杂质,很难满足在润滑油中的使用要求。而PTFE水乳液,由于含水量在60%以上,加入油中后会影响油品其他性能,也极不稳定,无法使用。为此,本研究采用γ射线辐照、气流粉碎等先进加工技术,并通过分子表面改性,制备了粒径在200~400 nm,在油品中分散性能良好的PTFE润滑剂。

2.4 研制火药残渣清洗剂

火炮射击结束后,炮膛内会留下一层粘附力极强的火药残渣,如不及时清除,会严重腐蚀炮膛,缩短炮管的使用寿命。目前常用的方法是用大量肥皂水、碱性液等反复清洗擦拭,除积炭效果较差,且使用上受到很多条件限制。本研究依据“溶解度参数相近原则”,在大量试验验证基础上研制成功了由醚类、醇类、酯类物质和多种表面活性剂组成的JT火药残渣清洗剂。试验结果表明,该剂渗透力强,对清除炮膛内的火药残渣和粘附在武器装备上的其他污染物有良好效果。其在油品中加入8%~15%(质量分数)时,火药残渣的去除率就能达到98%以上。该剂的配方和制备技术已获国家发明专利(ZL 03143226.3)。

2.5 确定配方

在上述工作基础上,结合防护油组方基本原则,确定了武器清洁润滑防护三用油的配方。组成(以质量分数计)大致如下:基础油68.3%、粘度指数改进剂4%、复合防锈剂9%、抗氧剂1%、分散剂2%、JT清洗剂10%、PTFE润滑剂5.5%、表面活性剂0.2%。