台灣衝壓推進飛彈研發簡史/雄風三型超音速反艦飛彈

在2007年10月10日國慶閱兵中首度公開亮相的雄風三型超音速反艦飛彈。

成功號(PFG─1101)飛彈巡防艦發射雄風三型反艦飛彈的畫面。 

雄風三型在屏東九鵬基地進行試射的畫面。 

雄風三型從屏東地面發射升空的照片。

(上與下二張)2013年台北世貿國際防衛展中展出的岸基版雄風三型反艦飛彈的機動發射車。

(上與下)裝置於發射箱內的雄風三型反艦飛彈,攝於2013年台北世貿國際防衛展。

(上與下二張)雄風三型反艦飛彈彈體,攝於2016年11月12日左營基地。

 

(上與下二張)在2000年代後期,成功級飛彈巡防艦陸續換裝混合雄風二型/三型反艦飛彈的發射器組,

每組裝置兩枚雄風二型與兩枚雄風三型。此為成功號(FFG-1101),攝於2016年11月12日左營基地。

錦江級巡邏艦昌江號(PG-615)的後甲板,在2010年代前期加裝兩組雙聯裝雄風三型反艦飛彈發射器。

攝於2016年11月12日左營基地。

機動式雄風二/三型反艦飛彈發射車,發射架上可兼容雄風二型或三型反艦飛彈

(照片中安裝了兩組雙聯裝雄風二型飛彈發射器)。

 

主要資料來源:全球防衛雜誌229期:「絕密的毒蝎反擊利器─擎天載具之捶妖計畫」

──by captain Picard


 

衝壓發動機簡介

衝壓發動機(Ram Jet)是一種結構簡單、沒有任何活動組件的噴射發動機,此概念最早由法國人Ren Lorin在1913年提出,然而當時的材料科技與推進技術都不可能立刻實作這個理論。相較於火箭推進器,一般的液態燃料衝壓發動機完全不需要攜帶氧化劑,直接吸收大氣中的氧氣進行燃燒;相較於渦輪發動機,衝壓發動機沒有渦輪壓縮機。衝壓發動機的結構包括衝壓進氣道、燃燒室 以及尾噴管,只靠進氣道對空氣進行加壓。 衝壓發動機無法直接在靜止狀態開始工作,而需先由外界的動力獲得初速,使氣流源源不絕地高速進入進氣口 ;最初氣流進入進氣口前相對於彈體是超音速,在進氣口處形成一個斜震波(Oblique Shock/Weak Oblique Shock),氣流通過斜震波時被壓縮減速(仍在超音速),進入進氣口時遇上一道正震波(Normal Shock)而繼續被壓縮並降至次音速;接下來,如果是收斂-擴散(Convergent-divergent)進氣道(截面積先變小再變大),次音速氣流的速度將隨截面積的改變而先加速再減速(一路都維持次音速),壓力則與速度成反比,先下降再升高,最後進入燃燒室;如果是收斂(Converging)進氣道,次音速將在之中加速到超音速,壓力下降,但緊接著又遇到一個正震波而使壓力突升、減至次音速,才進入燃燒室。無論如何,進入燃燒室內的都是經過加壓、增溫的次音速氣流,噴入燃油混合燃燒產生高溫高壓氣體,離開燃燒室後通過收斂-擴散噴嘴(Converging-Diverging Nozzle)將氣流再加至超音速向後噴出。

衝壓發動機必須加至超音速才能開始工作,因為進氣道的氣流壓力必須高於燃燒室的壓力,否則外界空氣將無法進入燃燒室。如果衝壓發動飛彈由戰鬥機攜帶,則可直接獲得初速,如由地面或海面發射,則需加裝額外的著推器先讓飛彈點火升空並加至額定速度,才能運作。相較於火箭發動機,液態燃料衝壓發動機理論上在2至6倍音速的範圍內是當前各種推進系統中效能最好的,而且持續燃燒時間長,燃燒速率還可透過燃油供應方法來控制。一般固態火箭的燃燒作用時間都很短,一口氣將所有燃料燃燒殆盡,作為防空飛彈時還能先往上爬升將能量換成位能,但對於需要長時間低空飛行、轉向的反艦、陸攻飛彈就不適合了;而衝壓發動機不僅燃燒時間長且可控,而且氧化劑完全取自外界,飛彈本身只需攜帶燃料,所以在相同體積情況下可獲得比固態火箭更大的射程。相較於同樣有射程長、燃燒可控、不需額外攜帶氧化劑的渦輪發動機相較,衝壓發動機能在超音速持續運作(渦輪發動機只能以次音速飛行),而且不需要壓縮機,結構較為簡單。 由於防空飛彈是往空氣較為稀薄的高空直竄,所以還能依靠固態火箭獲得百餘公里的長射程,但對於全程大部分時間都在空氣阻力大的中、低高度的反艦飛彈而言,採用火箭推進的次音速飛魚反艦飛彈的最大射程都只有70~80km等級,遑論超音速;如果使用渦輪發動機,雖能達到超過100km以上的掠海射程,但只能在次音速飛行;如果希望持續推動反艦飛彈以超過2馬赫的速率飛行100km以上,則只有燃燒行程長的衝壓發動機才辦得到。

由於衝壓發動機需要透過進氣道等手段將超音速氣流降至次音速才能進行燃燒,所以當航速越來越高時,能量損失也越顯著,而能量損失的型態之一就是變成熱能;當衝壓飛彈的速率增加到3、4馬赫時,在氣流減速過程產生的能量釋放將使燃燒室溫度、壓力過高,液態燃料一進入燃燒室便立刻分解而無法進行燃燒。為了突破這個傳統衝壓發動機的物理瓶頸,各國相關航太領域遂研究燃燒室在超音速氣流下進行燃燒的技術,稱為Supersonic Combustion Ramjet(SCRamjet),其進氣道為收斂構型,氣流一路被加至超音速,壓力一路降低,最後進入燃燒室;由於氣流進入燃燒室的時間相當快,所以SCRamjet改用液態氫化合物作為燃料,其燃燒速度比傳統燃油快得多,而且釋放的熱量是後者的兩倍;而SCramjet的噴嘴則取消收斂段,只保留擴散段,使得噴出的氣流進一步加速。SCramejet有許多非常困難的技術瓶頸,包括材料耐熱、機體低阻力造型、進氣道口氣流邊界層控制,以及如何使進氣抵達燃燒室時保持超音速(也就是不讓震波產生)等等。SCRamjet是21世紀歐美俄諸多航太先進國家的重點研究項目,用於未來的超高速飛行器、高速飛彈等;在1990年代至21世紀初期,SCRamjet技術實驗已經有6至10馬赫的成功試飛紀錄。

除了採用液態燃料的典型衝壓發動機外,還有一種固態導管火箭也是衝壓發動機的一種。 固態導管火箭雖是一種固態火箭,但由於本身固體燃料所含的氧化劑較少,大部分仍取自大氣中,所以又稱為固態燃料衝壓發動機。固態導管發動機的燃料含有少量氧化劑 (含鎂、鋁、硼等金屬顆粒),運作時將燃料燃燒成富燃料氣體,稱為第一次燃燒;之後將這些富燃料氣體導入燃燒室,與進氣道引進的增壓空氣混合進行第二次燃燒 ,在高速從彈尾噴出以獲得推力。與液態燃料衝壓發動機相同,固態導管火箭也可控制燃燒速率,例如歐洲各國合作的流星飛彈有高達11段的油門控制。相較於液態燃料衝壓發動機,固態 導管火箭發動機構造更簡單,體積重量更低,加上持續燃燒時間遠高於傳統固態火箭,所以爭相被歐美俄拿來作為新一代中程空對空飛彈的動力系統,其不可逃逸射程遠高於現有的固態火箭空對空飛彈;此外,液態衝壓發動機的燃油必須事先儲存於他處, 飛機升空整備階段才注入飛彈,而且火災危險性較高,而固態衝壓發動機無論使用便利性與安全性都比較優良。當然,固態導管火箭發動機的燃料與燃燒技術難度比液態衝壓發動機更高 ,成本高昂,現階段造價幾乎是同推力傳統固態火箭發動機的十倍以上;此外,固態導管火箭的煙跡過大(其排放煙霧顆粒較粗),不僅容易過早暴露飛彈行蹤,也可能影響飛彈資料鏈的傳輸。

中科院研發衝壓發動機肇始

馬夸特公司的CIM-10A/B防空飛彈,衝壓發動機採外掛設計,彈體十分巨大。

早在1970年代後期,中山科學研究院飛彈火箭研究所一組就 展開了衝壓發動機的研究,所需要的大型風動與相關地面測試設施則由負責氣動力的二組研製。 當時中科院選擇衝壓發動機作為研究方向,是打算用於即將展開的長程防空飛彈(後來成為天弓計畫)上,而且衝壓發動機結構簡單,不需要渦輪,初步評估認為這對當時連汽車引擎都不會做的台灣而言,是個較易切入的方向。中科院展開衝壓發動機的發展後,很快便與美國馬夸特(Marquardt)公司展開合作。馬夸特公司 在衝壓發動機以經有數十年的耕耘,從1950年便建造了衝壓發動機地面測試 設施,並研發出可供飛彈使用的衝壓發動機;在1951年發射的X-7火箭上,便裝置了該公司研發的衝壓發動機,此型發動機被用於波音公司為美國空軍研發的波馬克(Bomarc)系列防空飛彈上,這是部署在美國本土準備攔截蘇聯戰略轟炸機的長程防空飛彈,編號包括IM-99A/B以及後來改良的CIM -10A/B。CIM-10A/B從1959年進入美國空軍服役,都使用兩具衝壓發動機,CIM -10A速率2.8馬赫,射程達400km,射高20000m,而CIM-10B速率提高為3馬赫,射程高達710km,射高30000m,於1972年除役。 此外,馬夸特公司也曾在1953年研發供格拉曼公司Rigel超音速巡航飛彈使用的衝壓發動機,此飛彈係針對美國海軍的需求而研發,不過Rigel計畫後來 遭到取消。而在1956年,美國政府委託渥特(Vought)公司 (後來成為Ling-Temco-Vought公司,LTV)研發冥王(Pluto)超音速低高度陸攻飛彈(Supersonic Low-Altitude Missile,SLAM),衝壓發動機部分也是由馬夸特研發;不過日後考量到彈道飛彈擁有更好的威力、攻擊範圍與突防能力,冥王這種全程以3馬赫高速在300m高度飛行的衝壓飛彈便在1964年7月遭到取消。

馬夸特公司首先協助中科院建立大型測試風洞,於1984年完成。有別於普通風洞,由於是作為衝壓發動機裝備測試,為了模擬實際高速飛行中的空氣密度以及飛行中的燃燒現象,故必須在風洞氣流中加入丙烷引燃,增加溫度,所以這座風洞又稱 為熱風洞或高熵風洞;日後中科院進行「天弓」、「天劍」、「雄風」飛彈以及「雷霆2000」多管火箭計畫時,都利用這座風洞執行氣熱力環境測試以及絕熱材料 測試等實驗。在1980年,台灣聘請經驗豐富的旅美航太專家黃孝宗回中科院擔任二組的顧問,與當時中科院二組組長陳傳鎬攜手合作,陳傳鎬也是日後天弓飛彈的計畫主持人。黃孝宗在抗戰期間的1942年畢業於武漢大學機械工程系,1945年進入美國麻省理工學院就讀,1950年代參與美國航太工業發展,曾先後參與美國國防系統、阿波羅登月計畫、太空梭研發計畫;黃孝宗日後成為中科院代院長,先後主持過IDF經國號戰鬥機、天弓防空飛彈、雄風反艦飛彈等台灣主要國防計畫,堪稱台灣航太國防事業的國寶級靈魂人物,並在1988年12月因研發IDF的功績榮獲頒發特種大綬寶鼎勳章(此勳章至今只有蔣介石與黃孝宗二人曾獲得)。在1980年,中科院二所用於研發衝壓發動機的大型風洞已進入組裝測試的最後完成階段,不過黃孝宗仍對此提供不少建議。除了風洞等地面測試設備 之外,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研發。

在1981年2月,當一所正進行液態燃料衝壓發動機先期研發工作時,天弓飛彈計畫室也正式成立;而原本就是預定作為天弓防空飛彈動力系統的衝壓發動機研發團隊,順理成章地併入計畫室之中。顯然,天弓飛彈初期有意師法馬夸特公司研發的CIM-10A/B衝壓推進防空飛彈,然而當時中科院尚無法突破衝壓發動機的技術關卡,所以天弓計畫只得先採用傳統固態火箭發展天弓一型,並在美國RCA公司協助下完成了以長白相位陣列雷達為主體的偵測、射控體系。雖然天弓二型仍打算採用衝壓發動機,以獲得比天弓一型更高的射程,但由於衝壓發動機技術不過關而難以實現,天弓二型最後還是以多加一節固態火箭的方式延長射程。

美國沃特公司的ALVRJ整合式火箭衝壓發動機測試載具,掛載於A-7攻擊機的掛架上。

1984年,美國方面同意前述的沃特公司向台灣輸出衝壓發動機技術,為當時陷入瓶頸的中科院衝壓發動機研發案帶來一線曙光。在1968年,渥特公司開始為美國海軍進行一項小型飛彈衝壓發動機測試項目,名為先進緊致型衝壓發動機(Advanced Low-Volume Ramjet,ALVRJ),又稱為空射緊致型衝壓發動機(Air-LaunchedLow-Volume Ramjet) 。ALVRJ採用整合式火箭衝壓發動機系統(Integral Rocket/Ramjet Propulsion System)技術,也就是把固態助升火箭與續航衝壓發動機整合為一體,設置於彈體內部後段,固態助升火箭先燃燒,燃燒完畢之後留下來的空間就成為衝壓發動機的燃燒室,如此便能節省飛彈的體積與重量,此種燃燒室又稱為突擴(dump)燃燒室。 由於擁有內置式固態助升火箭,飛機能在較為寬鬆的加速條件下發射飛彈,可以節省機上燃料。ALVRJ發射後,內置式固態火箭助推器只需燃燒5秒的時間,就能加速至可啟動衝壓發動機的速度。整合式火箭衝壓發動機系統的主要關鍵技術是從固態火箭工作完畢到衝壓發動機點火運作的轉換期間;由於固態助升火箭與衝壓續航發動機的噴嘴直徑不同,一開始必須在衝壓發動機噴嘴裡套上一個直徑較小的噴嘴,在固態火箭工作期間使用;固態助升火箭燃燒完畢之後的瞬間,就把這個噴嘴拋棄,緊接著衝壓發動機點火啟動。

早在1960年,前述的馬夸特公司便在美國空軍委託下進行整合式火箭/衝壓發動機試射,然而當時在助升火箭燃燒完畢、點燃衝壓發動機的轉換過程並不成功,助升火箭燃料耗盡後無法在彈體還是超音速的情況下啟動衝壓引擎, 原因之一是因為火箭噴嘴與衝壓發動機噴嘴的形狀不同,而 轉換過程之中必須瞬間調整噴口形狀;而這種轉換技術就成為整合式火箭/衝壓發動機的最大難關。在1974年12月,ALVRJ載具由A-7E攻擊機攜帶,在中國湖試驗場進行首次空中試射,測試中速率超過2馬赫,射程超過70km。在1976 年,ALVRJ成功進行了4次飛行測試,計畫圓滿告一段落,總計整個計畫製造了六枚測試彈體。ALVRJ載具全長4.57m,直徑38cm, 重量約1100kg,飛行速率2735km/hr,最大射程超過160km,其體積重量與魚叉飛彈差不多。LTV公司後來 以ALVRJ為基礎,推出一種超音速空對地飛彈參與美國海軍超音速戰術飛彈(STM)計畫;渥特公司的STM提案長度大於最初的ALVRJ載具,在1979年4月進行第一次 飛行測試。不過美國海軍隨後取消了STM計畫,轉而支持次音速的戰斧巡航飛彈,原因可能是STM使用的液態燃料因為安全起見,平時必須儲存於航艦上,戰機出擊前才注入飛彈,使用上相當不便。

爾後美國海軍又提出一項低空超音速靶機(Supersonic Low-Altitude Target-SLAT)計畫,以模擬前蘇聯各式超音速反艦飛彈的彈道來驗證防空系統效能,LTV公司以ALVRJ/STM為基礎,在1983年推出VST-6超音速靶機方案,但後來敗給同樣採用整合式火箭衝壓發動機的馬丁.馬里塔(Martin Marietta)公司的先進戰術空射飛彈(Advanced Strategic Air-Launched Missile,ASALAM)的衍生型;由於VST-6已經胎死腹中,美國政府遂同意LVT將ALVRJ的相關技術出售給台灣。雖然中科院是單向引進STM的技術,但渥特公司也與中科院交流了衝壓發動機研究的相關研發成果,包括先前建造的熱風洞等測試設施。 不過引進渥特的技術卻在中科院內部引發風波,因為STM的技術是由中科院電子所引進,而非原先已引進馬夸特技術並有研發基礎的飛彈火箭所,導致兩個所之間發生猜忌爭執,期間陳傳鎬甚至直接向參謀總長郝柏村面告,質疑渥特公司的衝壓發動機技術是否可靠,這可能是因為該公司幾個衝壓飛彈計畫都沒受到美國軍方青睞之故。

擎天計畫

雖然 中科院在1984年引進了渥特公司的技術,但由於預算分配、計畫執行優先順序的關係,中科院直到1990年才在飛彈火箭研究所成立衝壓發動機研發單位,名為「擎天計畫室 」,結合過去十年來所有液態燃料衝壓發動機的相關技術,進行系統系統整合以及載具實際飛行測試。 在1990年擎天計畫室成立之初,一位中科院人員投書指稱,中科院在1980年決定發展衝壓推進防空飛彈是個嚴重的錯誤,因為發展數年後才發現模仿的對象是空射反艦飛彈(應指渥特公司的STM),發射初速天差地別,根本不能直接由地面發射來打飛機,必須重新設計;爾後中科院才發現歐美國家早就不用衝壓發動機當作防空飛彈的動力,所以轉而發展以固態火箭推動的天弓飛彈,浪費了數年時間與數百億預算。這篇報導隨即在報紙上引發正反兩方的筆戰,因為中科院一開始打算在天弓飛彈上使用的衝壓發動機技術是來自於馬夸特公司的CIM-10A/B衝壓推進防空飛彈而非渥特的STM,而且中科院研究衝壓發動機十年來也有一定的成績,如此的指控實在相當不公平。當時這些質疑也激起擎天計畫室相關人員的鬥志,奮發努力完成了後續的測試作業。不同於先前的研究方向,擎天計畫室主要是針對反艦飛彈進行開發,以衝壓發動機作為超音速反艦飛彈動力系統是個相當先進的技術,提高反艦飛彈航速將大幅縮減敵艦的反應時間,增加攔截難度並擴大破壞力;除了衝壓發動機本身的技術之外,飛彈如何在緊迫的接敵時間內確實完成搜索與鎖定,並控制高速彈體準確擊中目標,也是一大考驗。在1994年,擎天計畫室與中科院研發反艦飛彈的「雄風計畫室」合併,而這種新型超音速反艦飛彈就是所謂的「雄風三型」。

擎天MK-1衝壓發動機測試載具,外型與ALVRJ神似,彈尾連接了一具大型固態助升火箭。

在擎天計畫展開之前,中科院已經根據從馬夸特公司引進的技術,進行了載具飛行測試;此種載具沿用馬夸特CIM-10A/B的技術,將衝壓發動機外掛於彈體之外,所以體積十分巨大。至於擎天計畫室成立後製造的第一代載具──擎天MK-1則採用ALVRJ的技術,將衝壓發動機整合入載具體內,使得體積更為緊 。

擎天MK-1的尾部加裝一個傳統的大型外接式助升火箭,連接於彈體後部,推動飛彈升空、燃燒殆盡後隨即拋棄;顯然擎天MK-1試飛時,整合衝壓發動機尚未研製完成,所以升空階段暫時使用外接的固態火箭。與ALVRJ相同,擎天MK-1的彈體四周總共設置四組進氣道,並且只在彈尾設置一組十字形控制面。設置四條進氣道是因為飛彈在彈道終端需進行高G迴避運動,四個進氣道可確保飛彈無論朝哪個方向偏航時,即便有一至二個進氣道無法正常進氣,其餘仍能順利進氣 ,較不受飛彈姿態或外在風向影響,但多了兩個進氣道難免增加一些重量與風阻。法國ANF超音速反艦飛彈(已凍結)以及MBDA的流星(Meteror)固態導管火箭中程空對空飛彈只使用兩個進氣道,飛彈轉向進氣問題則透過更複雜的飛控軟體來解決,在飛彈轉向之前先旋轉彈體,使一個進氣口位於飛彈外側(相對於迴轉中心)。

擎天MK-1總共進行了四次飛行實驗,第一次試射純粹是為了測試彈體、發動機與各組件的基本性能,載具發射後依照控制程式進行加速、固態助升火箭分離、衝壓發動機點火等動作,再加速到超音速,控制面全程都處於鎖定狀態,沒有任何航向修改,而此次試射中載具的射程與原先預估值十分接近。第二次試射於1992年9月25日進行,是擎天MK-1第一次進行彈道控制試飛,主目的在於驗證中途導引及高空巡航測試,載具發射後依序進行加速、助推器分離、衝壓發動機點火、開始飛行控制、加到巡航速度,爬升到指定的巡航高度後進行水平巡航飛行,巡航結束後依照預設的航道俯衝,測試圓滿完成。第三次試射則是模仿反艦飛彈的低-高-低彈道,載具發射後仍先爬升至高空巡航,飛行一段時間後向低空俯衝並調整速度,進入終端低高度水平飛行一段時間,最後載具以橫向高G轉彎,完成後控制指令歸零,載具穩定飛行落海,圓滿完成任務。前三次試飛都在1994年以前完成。第四次試飛主要用於驗證掠海飛行性能,載具點火發射後,依序進行分離、俯衝、拉平動作,再於極低空進行不同高度的掠海飛行,最後也成功完成任務。擎天MK-1的最大巡航高度可達12000m,速率超過2馬赫。

1999年中科院成立30週年院慶展出的擎天MK-2載具,堪稱雄風三型的前身。

擎天MK-1成功之後,擎天計畫室緊接著又推出第二代衝壓發動機載具──擎天MK-2。相較於在後方外接大型固態助升火箭的擎天MK-1,擎天MK-2改用前述的整合衝壓發動機,同時在彈體兩側加掛兩個體型較小的拋棄式固態助升火箭,兩者聯合工作,讓飛彈升空加速到衝壓發動機可以點火啟動的速度;改用側掛式助升火箭使得擎天MK-2載具的發射長度縮短,連帶使日後飛彈發射箱的長度降低。前述美國渥特公司的ALVRJ是空射飛行載具,發射時已有飛機的初速,而擎天MK-2從地面發射,光靠整合在衝壓發動機燃燒室的固態助升火箭不足以讓載具升空並達到衝壓發動機點火速度,所以還需要額外的外掛式固態助升火箭來協助(如果要完全靠整合在衝壓發動機燃燒室的固態火箭升空,固態火箭本身就必須加大,連帶使整個衝壓發動機燃燒室和整枚飛彈都必須放大,設計上不見得合理)。擎天MK-2遇到的一大技術難關,就是如何讓彈側兩個助升火箭能正確地脫離彈體;早期發現的問題包括兩個助推器不能同時脫離、脫離時受到外界氣流影響使助推器撞擊彈體等;後來中科院在引進相關技術與人才後,逐漸解決了這些技術難題,例如原本使用機械裝置連結側掛式助升火箭,但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個問題,因為爆炸時機的控制較為簡單容易,而且爆炸時的向外推力便足以避免助推器脫離後回頭撞上彈體。依照日後中科院新新季刊的資料,擎天MK-2載具的整合式衝壓發動機相關設計在民國87年(1998年)完成。

在1996年,第一個擎天MK-2載具──擎天5號進行超音速超低空掠海飛行測試,此載具上裝備了中科院剛剛研發完成的高精密度控制系統,不過第一次試射便獲得成功;最後擎天5號以數公尺高的超音速終端掠海攻擊彈道,完成了擎天MK-2的首度試射。擎天計畫曾遭遇的主要難題包括:衝壓發動機噴管內壁矽酚絕熱層因高溫高壓而焦化、剝蝕,無法長時間達到熱防護目的,飛行不到100km便失去作用墜海,此外也曾遇到燃燒不穩定導致彈體出現振動等問題,這些難關最後都被中科院一一化解,順利完成了150km級的超音速飛行。中科院宣稱,目前該院衝壓發動機噴管的絕熱技術,足以承受持續超音速飛行300km的高熱。

在1999年中科院成立30週年院慶時,首度公開展出擎天MK-2載具,外觀上簡直就是STM的翻版。

固態管道火箭的研發

除了液態燃料衝壓發動機之外,中科院也在1981年開始研發固態管道火箭推進系統,主要就是著眼於此系統兼具固態火箭簡單可靠、方便安全的長處,以及液態燃料衝壓發動機的高比 衝值、燃燒時間長等優點。在1983年7月,中科院展開「固態管道火箭奠基研究」計畫,以建立基本研究能力及系統設計分析能力, 在自行研製的同時也引進國外技術,在1987年7月,中科院接續成立「固態管道火箭應用及基本研究」計畫,不僅完成了基本型固態管道火箭載具自由飛行測試, 同時也進行長燃時遠程飛行試驗彈的研發。在1990年7月,中科院再成立「組合式固態管道火箭研究」計畫,將類似ALVRJ/STM的整合式衝壓發動機引擊 技術應用在固態導管火箭上,其中最關鍵的就是助升火箭與固態衝壓發動機轉換的技術。整體而言,中科院在固體管道火箭進氣道、燃燒室及氣體產生器等關鍵技術開發,也都有一定的成果。

雄風三型超音速反艦飛彈

2006年初曝光的成功號上層結構照片,大型發射箱就是用來容納雄風三型。

(上與下)成功級飛彈巡防艦發射雄風三型、飛彈升空瞬間的畫面。

雄風三型在試射中命中靶船的瞬間。

根據媒體與國防部的消息,台灣從1990年代末期左右開始進行雄風三型的試射,初期曾歷經失敗,至2001年4月在屏東九鵬測試場首度試射成功。 雖然如此,雄風三型性能仍不穩定,隨後仍歷經多次失敗。在2004年中旬,中科院更換雄風飛彈研發計畫主持人,並在已退休的前雄風計畫主持人韓光渭院士引鑑下,聘用一位已經退休的資深國防專家回鍋擔任總顧問,並全權負責雄風三型的研發案;在隨後兩個月內,新到任的總顧問帶領團隊徹底檢查所有研發、試射程序以及飛彈每一項設計,終能排除問題。在2004年9月,雄風三型進行飛彈射控行電測試,隨後在11月發射不含戰鬥部的全功能遙測彈;在2004年11月的試射中,由於原訂日期天氣晴朗無雲,飛彈發射後容易遭到各國情報衛星或中共情報監測船掌握,遂順延到雲層厚的第二天才試射,並一舉成功。隨後,雄風三型又進行作戰測試評估(OT&E)。雄三飛彈遇到的主要技術挑戰包括:飛彈在掠海飛行時,由於低空的空氣密度高,相對阻力較大,對飛彈發動機持續運作並保持超音速,構成了極大的考驗;其他難題還包括高速情況的目標辨識、高速下的高G水平轉彎等,這些都是超音速飛彈必定面臨的重大技術難關。雄風三型的導引方式應為中途慣性導航以及終端主動雷達導引,根據目前透露的資料,其慣性導航系統能預先輸入轉折點,使攻擊路徑的多樣性增加。

在2006年初,一批成功級飛彈巡防艦首艦成功號(FFG-1101)的照片在網路上廣泛流傳;在照片中,成功號原本的四聯裝雄風二型反艦飛彈發射器被撤除了右邊兩管,換成另外兩管長度與寬度更大的發射箱,大部分的明眼人立刻判斷這就是雄風三型飛彈的發射器,這是第一個關於雄三飛彈的曝光照片 。照片中發射箱採用可開啟式艙門,顯示此飛彈仍在測試中,採用活動式艙門以利重複裝填(一般反艦飛彈在出廠時則以易碎材質密封發射口,平時不必拆封保養,發射時飛彈直接衝破易碎材質離開發射管)。

據說原本軍方希望能將雄風三型的尺寸縮減到與雄風二型相似的地步,以相容於原本雄風二型的發射器內 。但飛彈微型化絕非一件易事,先前只有法國遭凍結的ANF超音速反艦飛彈被要求縮減至與飛魚飛彈相當的體積,最後中科院無法達成(過度縮小就無法滿足有效射程指標);而之所以雄風二型、三型共架且數量各半,應該是考量到雄風三型體積、重量、成本都較高,如果全換成雄三,不僅會使成功級上層結構過重,實戰方面也比較不經濟。

雄風三型反艦飛彈彈尾特寫,注意兩側助推器上的可折疊式穩定面。

在2007年10月10日,台灣於國慶典禮中罕見地舉辦了暌違十年的閱兵式,有多種中科院新推出的飛彈亮相,除了天弓三型防空飛彈之外,最受矚目的就是「千呼萬喚始出來」 、首度公開亮相的雄風三型。當天展出的雄風三型構型有如擎天MK-2載具的實彈化版本,載具兩側加掛兩具固態火箭助升器,兩具助升火箭兩側各有一組可折疊的穩定翼 (飛彈本身的彈翼不能折疊),不過這對側掛助升火箭並未使雄風三型的正面截面積大幅增加 。兩具助升火箭的前錐向飛彈外側的方向收縮,使得助推器脫離時,氣流阻力會使之自然向外側離開,類似的設計也出現在其他國家幾種衝壓飛彈的助推器上。依照雄風三型發射升空階段的影像,飛彈本體的噴嘴也有噴出火焰,顯示雄風三型沿用擎天MK-2載具的整合式衝壓發動機技術,衝壓發動機燃燒室內的固態火箭與彈體兩側的外掛式助升火箭聯合工作,讓飛彈升空並加速到衝壓發動機可以點火的速度。根據當天現場公布的畫面推出,雄風三型的大略長度約在5.7m左右 ,直徑約40cm,長度比起原版的ALVRJ大上一號,直徑則差不多;原本ALVRJ在空射情況下擁有160km的射程,如果原封不動地改成陸基、艦基發射,由於發射初速的天壤之別,射程數字勢必大幅縮水,所以雄風三型顯然需要攜帶更多的燃料。此外,ALVRJ只是一個配備推進系統的飛行載具,雄風三型則是配備導引段與戰鬥部的完整實彈,體積重量勢必加碼。

根據雄風三型的尺寸,估計其長度約6m,重量應在1500~1800kg之間。以這樣的尺寸與重量,即便是台灣空軍籌載能力最大的F-16戰鬥機,要掛載也顯得吃力,更何況美國始終不准台灣修改F-16的操作介面來相容於中科院研發的飛彈 ;所以除非中科院另外開發相容於IDF的縮小版,否則現階段雄風三型推出空射型的可能性不高,首先服役的是艦載與岸射版。依照某些說法,雄風三型飛行速度約2.2馬赫 ,以全程低空飛行的射程約150km,採用低─高─低彈道時射程可延長至200km左右。 艦載部分,最初台灣海軍似乎認為在購入紀德級飛彈驅逐艦之前,既有的成功級、康定級、濟陽級的噸位都不適合承載比雄風二型更大更重的雄風三型飛彈;不過在2006年起,台灣海軍還是開始陸續為全部的成功級換裝雄風三型飛彈 ,原本位於上層結構的八枚雄風二型之中,四枚換成雄風三型。 除了成功級之外,從2010年起,12艘錦江級巡邏艦中的7艘也開始陸續加裝四枚雄風三型反艦飛彈,其中資江號(612)率先在2010年 完成改裝。為了配合雄風三型,中科院也配合開發出能兼容於雄風二型/三型飛彈發射箱的支撐架,使用共通的信號纜線。

依照後續消息,雄風三號的量產與部署計畫稱為「追風」,總預算達118億9300多萬新台幣,從2007到2013年編列執行,到2013年度生產120枚,第一階段安裝於8艘成功級飛彈巡防艦和7艘錦江級巡邏艦上(每艘各四枚),此外還發展 出車載的機動岸射版 。而台灣從2012年開始執行的迅海大型雙體飛彈快艇,也以雄風三型飛彈為主要武器。依照民國102年度(2013年)中央政府總預算,雄風三型飛彈計畫總經費為119億新台幣,並在2014年結案。

由於西方的ANF等超音速反艦飛彈都因預算緣故遭到凍結,因此雄風三型 遂成為全球第一種由非蘇聯體系所研發部署的超音速反艦飛彈,使台灣海軍的反艦攻擊能力大幅增加,意義非凡。

雄風三型研製初期曾使用一些外國廠商的組件(例如雷達尋標器),但由於美國管制與干預甚緊,一家合作的國外公司被美國洛馬集團購併後就停止與中科院的合作(中科院支付的款項也無法追回),因此日後中科院包括雄三等國產飛彈的所有組件都實現國產化。

增程版雄風三型

依照2011年8月台灣立法院國防委員會委員林郁方的透露,中科院正在研發雄風三型的陸射版,擁有更大的戰鬥部與燃料槽、更大的速度以及更遠的射程。在2012年11月,消息傳出中科院在2012年10月 進行增程版雄風三型的測試工作,包括在綠島與蘭嶼上空進行繞行,驗證了最大飛行距離,並在戰術測試中成功命中目標。增程版雄風三型的彈體尺寸與重量都比原版雄風三型增加,射程據說增為300公里 以上,飛行速度據說至少為3馬赫。在2012年10月,增程型雄三展開前期飛行測試,包括在綠島與蘭嶼上空進行繞行,以驗證最大飛行距離,計劃在2017年前能完成測試項目。

在2016年7月底,消息傳出國防部將增程型雄風三型的最終測試與量產計畫報請剛上任兩個月的蔡英文總統並獲得批准;據說先前在馬英九執政時代,增程型雄風三型的最終測試與量產計畫一直以「經費不足」為由而擱置。雄風三型增程型的研發與量產計畫稱為「蟠龍計劃」,在2017年中進行作戰測試,如一切順利達成則於2018年進行量產,初步生產60枚。射程超過300公里的雄風三型增程型可由陸基固定或機動部署,在台灣北部、南部的陣地就能涵蓋整個台灣海峽。

依照2016年7月底的消息,台灣軍方參謀本部原本規劃在7月進行的「國軍105-1三軍聯合實彈射擊操演」中,排定海軍艦艇射擊雄三飛彈,讓新上任的蔡英文總統瞭解雄三飛彈的作戰性能,進而批准增程型雄風三型的最終測試與量產計畫。在7月1日,台灣海軍發生誤射雄風三型飛彈並擊中漁船的意外(見下文),導致雄風三型飛彈試射延期,但此次誤射卻意外展現了雄三飛彈的作戰性能,因此國防部報請蔡英文總統核定後,確定了重新啟動雄三增程型飛彈的最終作戰測試與量產計劃。

依照2016年9月上旬送交立法院審理的民國106年度(2017年)國防預算書,海軍編列的預算中,以「機動飛彈車」案為名,將海軍「海鋒」岸基反艦飛彈中隊從固定式陣地全面升級為成存活率較高的機動飛彈中隊(原固定陣地仍保留),相關項目包括擴建機動陣地、購入機動飛彈發射車系統及雄風二型飛彈延壽建等,總經費136.8億新台幣,分7個年度(民國106至112年,2017至2023年)執行,民國106年度首先編列1億7181萬6000元新台幣此批購置的反艦飛彈機動飛彈車以增程型雄三為主並搭配雄二反艦飛彈(車上發射架可相容這兩種反艦飛彈),海軍表示此案完成後,包含現有固定式陣地及機動反艦飛彈陣地,全台周邊海域都涵蓋於雄三、雄二反艦飛彈的射擊區域內。

在2017年6月於屏東九鵬基地實施的「民國106上半年度三軍聯合精準飛彈射擊」項目中,海軍發射兩枚雄風三型反艦飛彈,一枚順利命中擔任靶船的除役戰車登陸艦,但另一枚在發射升空、拋棄固態助升火箭並轉入低空掠海巡航時,突然發生滾動墜入海中。事後中科院檢視當天拍攝的影片,與各項電子搖測數據比對,確認是這枚飛彈內部系統有瑕疪所造成;參謀本部針對各項缺失要求改正,並於下半年度精準飛彈射擊再進行驗收。在2017年11月下旬,屏東九鵬基地試射一枚雄三飛彈成功,有新聞指出這是中科院「蟠龍計劃」增程雄三的作戰測試展示,海軍代表全程陪同,其飛行距離達400公里(中間有轉折);然而,此消息隨後就遭到軍方否認。

機動式雄風二/三型岸防飛彈系統的射控指管車。

機動式雄風二/三型岸防飛彈系統的指揮車。

機動式雄風二/三型岸防飛彈系統的後勤車,上有野戰炊事設施。

 

金江艦誤射雄風三型事件

遭到雄風三型飛彈誤擊的翔利升號漁船,上層駕駛室遭到貫穿,顯示此時飛彈

尋標器已經啟動並進入終端攻擊模式,以掠海彈道飛向漁船。由於漁船上層採用木質等輕材料,

飛彈撞擊駕駛室後半穿甲戰鬥部引信未能觸發 ,而直接從駕駛室後方飛出。

 

在2016年7月1日上午8時15分,停泊在左營軍港內的錦江級巡邏艦金江號(PG-611)誤射一枚雄風三型反艦飛彈,並擊中 在澎湖東南外海作業的翔利升號漁船(詳見錦江級巡邏艦一文)。此次意外的起因是該艦相關操作人員違反常規操作流程,在飛彈發射器接上火線的情況下,於系統迴路檢查後忘記將系統從「作戰模式」切換回「模擬模式」,該艦飛彈中士在無長官監督的情況下逕自在戰情室操作演練以準備接下來的甲類操演,沒有意識到系統仍在作戰模式且接上火線,導致飛彈射出並依照該中士任意設置的目標區加以攻擊。這起事件反應出艦上官兵沒有嚴格遵守作業流程操作,對系統熟悉度與訓練都需要改進,且雄風三型飛彈操作介面的防呆防錯也不甚充足。

然而,這也間接展示雄風三型飛彈的性能;比起實彈測試的情況相較,這次發射是在沒有各項準備的情況下意外觸發,飛彈以二馬赫以上的高速進入目標區搜索,並靠著自身的雷達尋標器鎖定了一艘雷達回跡甚小、高度甚低且正在移動的小型近海漁船,難度比起測試時的條件更高(測試時使用雷達回跡大得多的船艦目標,艦體更高使飛彈不容易錯過,而且船艦處於靜止狀態);但雄風三型仍沒有錯過並直接貫穿漁船駕駛室,只因為近海漁船採用輕而脆弱的玻璃纖維材料,沒有觸發飛彈的半穿甲戰鬥部引信。 依照翔利升號漁船遭到飛彈撞擊的模式,飛彈從駕駛台正面穿入,從後方較低的位置穿出,可以推測當時雄風三型約是以30度的俯角向下俯衝;這樣的角度會遭到海面回波顯著的干擾,而雄風三型的主動雷達仍能有效鎖定小型漁船,顯示性能不俗;而這似乎也顯示雄風三型採用較高的彈道,終端時以一定角度俯衝而下撞擊目標。

對於錦江級巡邏艦而言,艦上的雄風三型飛彈射控系統都儲存了幾個預先設定的預定目標區,這是因為錦江級擔負防禦任務,作業範圍通常不會離岸太遠,艦上飛彈的攻擊範圍也大致固定;只要確認敵方大致進入什麼預定目標區,就選定該目標區並發射雄三飛彈,讓飛彈在預定目標區自行搜索目標。此外,錦江級本身沒有能力自行發現與標定水平線以外的敵方目標,使用預設目標區也能簡化搜索作業。而成功級飛彈巡防艦等配備雄三飛彈的一級艦的活動範圍廣大,本身有完善的目標搜索以及資料傳輸能力,因此不需要設置預定的目標區。此次金江號誤擊事件就是因為在操作時選擇了其中一個預設的目標區,飛彈升空後才會飛向澎湖南方東吉島附近海域並在此處搜索目標。當然另一方面,此次誤射也等於暴露出海軍其中一個預定的作戰區的座標範圍(原本為機密)。

在2017年10月初,消息傳出台灣海軍以經採取多項措施防止類似的誤射飛彈事件,包括採取更嚴格的的操作規範。雄三飛彈的操作介面已經修改,分成作戰模式(實彈)、作戰測試模式、訓練模式(不接上火線接頭)等三種,每種模式都有一組不同的密碼,如有操作錯誤時,系統就會發出警告提醒,避免再次發生人員分不清訓練與實彈射擊模式的問題。雄三飛彈相關設備除了加裝「防呆、防誤觸」的措施外,雄三發射箱的電箱前也以紅色膠帶張貼警告標示。

 

衝壓發動機與陸攻飛彈

除了雄風三型之外,外界也盛傳中科院可能以衝壓發動機的技術研製長程地對地戰術飛彈。 第一個蛛絲馬跡是在郝柏村著作的「八年參謀總長日記」一書中提到:「1986年6月21日中山科學院黃孝宗代院長來見,認為幹元案應恢復研發,此乃依圖形識別制導的巡航導彈,我有衝壓發動機研製能力,及發展戰略性遠端導彈之潛力,於是同意恢復,但由於敏感性,不得與外商合作 」。這段文字首度透露軍方很早便有利用衝壓發動機技術研發中/遠程對地飛彈的意圖。

正當擎天計畫緊鑼密鼓進行期間,中科院也在1992年同時利用地面設備,模擬液態燃料衝壓發動機在高空高速環境下 的最低點火能力研究。當時中山科學院模擬了三個3個環境條件,第一是衝壓發動機載具在高度2000m、飛行速度2.7馬赫時進行點火,這剛好是固態助升火箭 耗盡、衝壓發動機啟動的時候;第二是飛行速度3.2馬赫、高度22000m,也就是衝壓發動機載具進入巡航階段時;最後則是進行 全空域極限點火測試,載具飛行速度在3.2~4馬赫,飛行高度16000~25000m,所有測試都能達到點火要求。此外,中科院還曾為了飛彈氣動力研究,進行過「高超音速氣動力設計能力研發」計畫,包括建立台灣第一個高超音速震波風洞,並建立從次音速到高超音速、低空至極高空飛行、簡單外型至複雜外型、軸向分離至側向分離、傳統翼面控制以及向量推力等技術的研發測試能力。而這些研究的確顯示了中科院把衝壓推進長程地對地飛彈作為未來的研究項目之一,雖然這只是地面環境測試,但也為將來的可能發展奠定良好基礎。

短程彈道飛彈的威力與速度都大於中程衝壓飛彈,但由於使用拋物線彈道,只要偵測到初期彈道就能迅速推算彈道路徑與可能落點,進而展開攔截計畫;然而衝壓推進地對地飛彈的飛行模式類似飛機,無法預測其飛行路線,加上3至4馬赫的飛行速度使敵方反應時間大幅減少。雖然衝壓戰術飛彈無法如一般巡航飛彈般採用地貌飛行躲避雷達,但是較小的體積仍使敵方雷達較難鎖定(相較於戰鬥機),而且比巡航飛彈高得多的速度又使敵方防空系統反應時間大幅縮短,且難以反制;此外,衝壓飛彈的體積比彈道飛彈小,更適合採取機動部署或掩體部署,彈性很大。所以能高空高速穿透敵方防空網、迅速打擊戰術目標的高速衝壓飛彈,在未來仍是大有可為的。美國正計畫以SCRamjet發展出速度6~10馬赫的超高速戰術飛彈,用來對付一些突然出現、攻擊時機稍縱即逝的敵方戰術目標,例如機動的彈道飛彈發射車、指揮中心等。

不同於次音速的巡航飛彈,衝壓推進地對地飛彈以至少3、4馬赫的高速飛行(使用SCRamjet的飛彈更快), 所以能使用的導引與飛行方式有限,例如難以採用與巡航飛彈類似的地貌飛行,紅外線導引系統也因為高速飛行、與低空高密度大氣的摩擦生熱而難以實用,光憑主動雷達則無法從複雜地形回波中分辨出目標。法國的ASMP空對地衝壓推進飛彈採用慣性導航,而美國下一代 超音速衝壓空對地飛彈則結合了GPS與慣性 導航。由於台灣無法獲得GPS的精碼,因此採用衝壓推進的超音速對地飛彈的精確度勢必較差,不過對於機場或港口等大面積目標,搭配子母彈或油氣彈,則仍能有效遂行任務。然而,以台灣隔著海峽的防禦性作戰型態,如要以飛彈採取攻擊,勢必都以中國大陸的固定目標為對象,則衝壓飛彈的射程威力不如彈道飛彈,續航力與精確度不如巡航飛彈,地位比較尷尬。在2000年代,中科院關於對地、對艦飛彈的計畫除了雄風三型超音速反艦飛彈之外,另一種則是雄風二型E巡航飛彈 (代號「戟隼」),並沒有任何超音速衝壓地對地飛彈被公眾知悉;而雄三亦有兼具對地飛彈功能的傳聞,所謂採用高拋彈道則射程可達600km云云,隨後已經被證實是誤傳,而雄三的大小、威力也不會是一種稱職的專業對地飛彈。 在2012年5月,台灣軍方高層透露雄風2E已經完成量產與部署,彈體長度在介於雄風三型與美國戰斧飛彈(約6.25m)之間,首先部署於岸基陣地,未來可能發展出艦射型等其他版本。