潛射巡航導彈同心筒式垂直熱發射方案研究

田宇

（海軍駐8357所軍事代表室，天津 300308）

摘要：對潛射巡航導彈發射方式進行了論述，介紹了同心筒發射裝置的關鍵技術，針對巡航導彈水下熱發射和冷發射方式的優缺點進行了比較。

關鍵詞：潛射，導彈，垂直發射

Scheme research of submarine launched cruise missile concentric cylinder type vertical heat emission

Tian Yu

(Military Representatives Office of Navy in Tianjin 8357 Institute，Tianjin 300308，China)

Abstract： In this paper，the submarine-launched cruise missile launching discussed，introduces the concentric canister launcher key technology，according to the cruise missile Underwater Thermal Emission and cold launch the advantages and disadvantages are compared.

Keyword： submarine，missile，vertical launch

引言

潛艇水下發射巡航導彈分為魚雷管水平發射和發射井垂直發射。魚雷管水平發射分為有動力運載器發射、無動力運載器發射、導彈直接水中點火航行出水等。水下垂直發射巡航導彈具有發射深度大、攻擊隱蔽性好、導彈裝載密度大、發射效率高、攻擊火力強、全方位發射等突出優勢，是當今世界潛射巡航導彈的發展方向。

巡航導彈垂直發射有冷發射和熱發射兩種方式。冷發射需要采用彈射裝置，彈射力形成于發射筒內或特制的筒形裝置內，直接或間接傳遞給導彈后，推動導彈沿著定向器向前運動，完成發射過程。冷發射技術已比較成熟，發射裝置可靠性較高。冷發射一般需要有燃氣發生器等設備，使發射系統的設計比較復雜，同時彈射力加大了導彈的軸向過載。

潛射巡航導彈采用燃氣自排導式同心筒發射方式是一種新的技術，它的特點是導彈的通用性好，在魚雷管水平發射基本型的基礎上不進行硬件設備的重大調整，就能夠實現導彈的水下垂直發射，從而最大程度地實現導彈通用化和系列化。這樣，同心筒發射技術就成為潛射巡航導彈垂直發射的關鍵技術問題。

1 同心筒式發射技術的原理

1.1 同心筒的結構

同心筒式發射裝置采用雙層筒體結構，英國早在八十年代為垂直發射的海狼導彈研制的發射筒就是一種同心筒式發射裝置，直到九十年代初美國提出了這個概念。同心筒式發射裝置有可能代替現役的Mk41垂直發射系統，其用途更廣，可裝配各種艦艇，執行反艦、對陸攻擊、艦艇防空、反潛和海軍水面支援等任務。這種以模塊化設計為基礎的新型發射裝置將比現役的Mk41垂直發射系統具有更強的火力、靈活性和低的制造成本。

同心筒主要由內、外筒體、縱筋、底座、薄膜蓋、鎂帶鎖緊機構、插頭和電纜、擋流板等組成。四條縱筋呈90°方向均布支撐內外筒，內、外筒之間形成環形燃氣流排導空間。如圖1和圖2所示。

1.2 同心筒的工作原理和工作流程

1.2.1 同心筒的基本工作原理

同心筒水下垂直發射的工作原理大體是：內、外筒間的環行間隙作排泄燃氣的管道，助推器產生的燃氣通過同心筒擋流板中的孔，由一個半球形的端蓋使其折轉180度，進入環行間隙。通過改變擋流板上孔口的大小和結構型式，可以實現導彈的推力增值。

1.2.2 同心筒式發射裝置的工作流程

發射裝置主要由發射井、同心筒、筒蓋系統、均壓系統、注疏水系統、減震器等部分組成，在潛艇上垂直布置。為實現導彈水下干點火發射的技術狀態，發射技術流程大致如下。

（1）進入發射準備流程后，向發射井筒蓋與薄膜蓋的空間內注水；

（2）水注滿后（或注水的同時），向同心筒內充氣均壓，以實現筒內壓力與筒口外深水壓力的平衡；

（3）壓力平衡后，打開發射井筒蓋；

（4）助推器點火，在助推器噴出的燃氣流作用下，薄膜蓋被沖破，導彈在出筒過程中進入水介質；

（5）發射結束后，關閉發射井筒蓋，啟動注疏水系統將發射筒內的水排出；

（6）水下發射過程完成。

如取消發射，需先對發射筒內進行排氣，降低筒內的壓力，達到發射筒內充壓前的壓力狀態，最后通過注疏水系統排出發射井筒蓋內的水。

2 同心筒水下發射的優缺點及關鍵技術問題

2.1 同心筒水下垂直發射的優缺點

采用同心筒水下熱發射技術只要將魚雷管水平發射的巡航導彈簡單改動就可以實現，二者的主要區別在于發射方式和發射段，轉入巡航飛行狀態后是基本相同的。因此，實現水下垂直發射巡航導彈的重點工作是解決好垂直發射帶來的特有的技術問題，比如水下垂直發射裝置技術、水下垂直發射彈道控制技術、水下垂直發射慣導對準技術等。這樣，就能夠實現巡航導彈魚雷管發射、艦載垂直發射和水下垂直發射三型的通用，對于“三化”非常有好處。

采取熱發射方式，導彈出管后可以進行自主控制，出管速度不高，發射過程彈體承受的過載和沖擊相對較小，彈體不需加強，可以與魚雷管發射的巡航導彈和艦面垂直發射的巡航導彈通用，彈族技術狀態保持一致，有利部隊的使用和保障。熱發射的導彈在筒內點火，不需要出筒后再次點火，因此不會出現點火失敗砸艇問題，發射安全性好。

采用冷發射方式存在以下不利因素。

（1）對艇的安全性不好，一旦發射失敗，目前還沒有有效的措施避免砸艇。如果導彈意外點火，發射裝置內也無燃氣排導裝置，危險性大；

（2）采用冷發射水下點火方案，有失敗先例，風險較大；

（3）冷發射方式要求導彈出筒速度大，導彈在筒內要承受很大的過載和沖擊；

（4）發射時艙內壓力高，導彈面臨的發射環境更加惡劣；

（5）發射時彈上還要增加尾部保護罩，出管后還要考慮保護罩分離，增大了發射復雜程度。

當然，同心筒水下熱發射也存在一定的不足，主要是需要燃氣排導空間，導致發射筒尺寸有所增加，另外熱發射技術不如冷發射技術成熟。

冷、熱發射方式的優缺點比較如表1所以。

2.2 同心筒的關鍵技術問題

同心筒主要關鍵技術問題有：

（1）導彈、同心筒、發射井的匹配關系協調；

（2）與彈道導彈發射裝置共架發射的結構、電氣布置協調問題；

（3）同心筒燃氣流排導間隙的確定及導彈推力增值效果分析；

（4）滿足均壓和燃氣流沖破要求的薄膜蓋研制；

（5）減震方案和效果分析。

3 目前的研究成果

目前針對熱發射技術進行了一系列的研究工作，研究結果表明熱發射技術是可行的，并確定了發射筒參數和發射內彈道參數。主要研究成果簡單介紹如下。

3.1 發射系統的組成和結構方案

上面已經介紹了發射系統的組成和同心筒的結構方案，發射井系統的結構方案也已經明確，發射井系統由發射井、井蓋系統、垂直支撐裝置、橫向支撐裝置、管路、控制檢測系統等組成。

3.2 同心筒內外筒間隙的確定

發射筒采用同心筒雙筒結構，導彈助推器排出的燃氣流通過內外筒之間的間隙進行排導，水下垂直發射過程中流場特性極其復雜，助推器產生的高溫高壓燃氣流將薄膜蓋沖破后，水的慣性作用將嚴重制約燃氣流向筒外噴出，進入海水中的燃氣流將與水產生劇烈的熱交換，高溫氣體在泡內產生強烈的對流，不斷有海水被氣化生成氣泡，同時大量的氣泡在壓力的作用下破裂。同時由于燃氣受到阻塞，同心筒內壓力增加，在導彈后部形成附加推力，在附加推力和導彈助推器推力作用下導彈運動出筒。同心筒內彈道的設計應保證導彈達到一定的出筒速度要求，并且沖擊加速度和彈外表面壓力在導彈可承受的范圍之內。同心筒內外筒間隙的大小對發射內彈道有著顯著影響，間隙太大，增推效果不足，出筒速度偏低，間隙太小，增推效果過于明顯，筒內壓力過大，沖擊加速度過大，導彈無法承受，因此需要確定一個合適的間隙大小。為此進行了大量的燃氣流場仿真計算，對多種排導間隙情況進行了研究，并確定了合理的內外筒間隙值，使發射壓力和沖擊加速度不超過限定值。

3.3 沖擊特性分析

利用有限元計算軟件對同心筒的沖擊響應進行仿真計算。首先建立了導彈、同心筒的有限元計算模型，通過施加沖擊載荷，對結構進行瞬態響應分析，研究減振器的剛度、阻尼等參數對結構減振效果的影響。同心筒安裝在發射井上，沖擊載荷通過發射井、減振器傳遞到同心筒、導彈上。通過計算考核帶彈同心筒在增加減振器后的緩沖效果。

沖擊載荷屬于一個短時脈沖，脈沖的加速度幅值給定為30g，脈沖的作用時間給定為2ms，我們以半個周期的正弦波來模擬脈沖沖擊載荷。當潛艇遭受沖擊時先有脈沖加速的過程，而后受到水、潛艇結構阻尼等作用而減速直至沖擊結束。計算過程中減振器材料彈性模量和結構阻尼系數取了一系列的值，計算得到彈頭中心點的加速度響應。通過分析計算得出的結論是：導彈的沖擊相應能夠降到10g以下。

4 結論

通過同心筒垂直熱發射技術的研究，提出了潛艇垂直發射巡航導彈武器系統的方案。采用該種發射方式，可以實現潛艇魚雷管發射和水下垂直發射導彈的通用化，提高了導彈“三化”水平，研制工作量小，裝備部隊后保障性好。

通過研究證明同心筒水下熱發射技術上是可行的，基本能滿足導彈對發射壓力、發射沖擊、發射過載、出筒速度的要求，同時同心筒尺寸也能夠滿足潛艇裝載要求。這樣避開了冷彈射發射方式的大沖擊和高膛壓問題。

通過研究掌握了導彈水下垂直發射出筒全過程的數值模擬方法與技術。水下垂直發射數值模擬研究方面的突破具有重大的意義，它可以大幅減小縮比試驗和全尺寸試驗的次數，節省研制經費，縮短試驗周期。

參考文獻

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