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国外舰载导弹垂直发射技术发展状况研究  

2008-04-08 21:22:42|  分类: 装备科技H |  标签: |举报 |字号 订阅

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一. 国外舰载导弹垂直发射技术发展概况

对舰载导弹垂直发射技术的研究始于60年代末,美、苏、英等国为了克服水面舰艇的导弹倾斜式发射系统反应时间长、发射速率低、载弹量少、发射方位受限等多种弊端,开始研究舰载导弹的垂直发射技术。但是由于当时的导弹体积过大,使垂直发射系统还不能够在实际中得以应用。70年代以来,随着微型计算机的发展、惯性仪表技术性能的得高、小型化和成本的降低,使战术导弹的垂直发射成为可能。目前世界上的舰载垂直发射系统主要有以下几种: 

1. 俄罗斯的SA-N-6舰空导弹和SS-N-19反舰导弹的垂直发射系统 

该垂直/斜置发射系统于1980年首先装备于前苏联的“基洛夫”级核动力巡洋舰上,随后又装备于“光荣”级大型巡洋舰上。它是世界上最早实现装舰的导弹垂直发射系统,有自己的独特之处。它在“基洛夫”级核动力巡洋舰前甲板下分别设置了两种阵列、不同形式的发射装置,位于前方的是4×4阵列的垂直发射装置,专供储存和发射SA-N-6导弹使用,用于舰艇防空。位于后方的是4×5阵列的斜置发射装置,全部为前倾45°~50°的SS-N-19远程超声速反舰导弹发射箱。“基洛夫”级核动力巡洋舰共载20枚SS-N-19反舰导弹,16枚SA-N-6舰空导弹,不再设弹库供再次装填用。 

2. 法、俄联合研制的VT-1型导弹垂直发射系统 

法国的汤姆逊—CSF公司已研制出响尾蛇VT-1型垂直发射导弹。据称,这种导弹的发射架是世界上迄今为止最小巧、质量最轻的发射装置。该公司与前苏联的法克尔设计局合作,后者研制的冷气弹射技术已广泛地应用于陆基和舰载导弹发射装置。响尾蛇VT-1导弹的冷气垂直发射预研始于1993~1994年间,与法克尔设计局签订一系列试验的协议是在1996年。从1997年开始,俄罗斯一直在准备响尾蛇防空系统VT-1型垂直发射导弹的发射试验,目前焦点集中在一个新的程序转弯模块上,该模块可使VT-1导弹在发射后飞向其预定的目标。有人建议这种垂直发射的响尾蛇导弹也可采用法克尔设计局设计的贮运发射箱。据汤姆逊—CSF公司的程序管理部门称,在不久的将来,法国也将开始进一步的系列实验。目前,此项目的所有技术指标已完成,导弹垂直发射样机也已准备投产。 

采用法尔克设计局的冷气弹射技术,VT-1导弹以大约40m/s的速度由弹射器从贮运发射箱中弹出,然后在甲板上方约40m(130英尺)高处由轻量型附助翻转模块使其转向。翻转模块主要是一个气体发生器,其侧向推力由VT-1的弹载计算机控制。导弹弹出后约1.5秒,导弹的主火箭发动机点火。稍后,程序转弯模块实施分离,从而保证其落在距发射平台至少100m之外。 

据汤姆逊—CSF公司称,垂直发射的响尾蛇导弹可以装入四个发射隔舱模块中,每一隔舱可备弹8枚、16枚、24枚或是2枚。该公司强调指出,由于导弹的火箭发动机在发射装置之外点火,不需要排导燃气气流,所以冷气弹射技术的一个主要优点就是发射架结构简单,重量轻巧且容易安装。该发射装置可携载8个装箱式VT-1导弹,其底面积为1.3m×0.9m,高为2.6m,包括导弹在内总重不超过2吨。响尾蛇VT-1导弹垂直发射架既适合在大型舰艇上安装,也适合在500吨级的小型舰艇上安装。 

 VT-1型垂直发射装置不需要对VT-1导弹本身作任何修改即可使用法尔克设计局设计现成的冷气发射技术。这种垂直发射系统保留了现役VT-1的所有优点,包括3.5Ma的飞行速度,35g的机动能力及8km的射程。新型响尾蛇导弹采用现役响尾蛇导弹的标准化点火控制系统,能像火炮控制系统一样动作,从而使VT-1垂直发射导弹特别适用于在快速攻击舰、巡逻艇和小型护卫舰上使用,它可以全新安装或对已有的发射架进行改装。 

3. 美国的MK41、MK48垂直发射系统及它们的改进型 

美国的MK41垂直发射系统是一种性能极高、并很有代表性的垂直发射系统。该系统是洛克希德 马丁公司于1977年为美国海军开始研制,1986年首先在“提康德罗加”级巡洋舰上服役,以后又在“阿利·伯克”级和“斯普鲁恩斯”级导弹驱逐舰等水面舰艇上服役。MK41采用了模块化设计,整个系统由8个或4个模块构成,每个模块又由8个模件组成,每个模件含8个导弹发射箱,因为起重机占去了3个发射箱空间,所以MK41储存导弹的总数是61枚或29枚,即8的倍数减去3。导弹的更换和储运一起进行。MK41一个模块的总高度为7.67米,长为3.16米,宽为2米。到目前为止,除了四联装的改进型海麻雀导弹外,MK41还可与下列导弹系统相配用:“标准”SM-2BlockⅡ、Ⅲ、ⅡA、ⅢB、Ⅳ和ⅣA防空导弹、垂直发射阿斯洛克反潜导弹、“战斧”陆地攻击型TLAM RGM-109A、C BlockⅡ、D BLOCKⅡ和Ⅲ、E BLOCKⅣ和H BLOCKⅣ导弹、RIM-7M和P型北约海麻雀导弹。另外,它还可以与下列系统兼容:宙斯盾Mk8型作战系统、加拿大“部落”级驱逐舰的Mk14武器指挥系统、荷兰的Karel Doorman级战舰上的水雷战控制系统以及澳大利亚海军的Celsius Teck 9LV-3作战系统。再之,MK41也用于ASWCS MK116-6、-7、-8型、ASWCS OYQ-102型、103型、和AN/SWG-3A、B和C型“战斧”武器控制系统。

MK48是美国雷锡恩公司研制的垂直发射系统,该系统同时用于日本、韩国及北约组织各国的海军舰艇装备,至90年代初该系统已装舰40多套,它可用于发射北约的RIM-7P、RIM-7M“海麻雀”及ESSM改进型“海麻雀”对空点防御导弹。 

目前,用于垂直型海麻雀导弹的MK48垂直发射系统有4种配置形式:MK48-0型适装在不同舰艇的装板上,已装备加拿大巡逻护卫舰和日本海上自卫队的Murasame级驱逐舰;MK48-1型发射装置适装于舱壁上(例如舰载直升机机库一侧),已装备荷兰皇家海军的“多罗门”级护卫舰;MK48-2型发射装置通常装在舰艇的上层建筑内,已装备希腊海军Hydra护卫舰和韩国的KDX驱逐舰;MK48-3型发射装置小七巧紧凑,主要用于1000吨以下的舰艇,已装备丹麦的SF-300型多用途巡逻艇。

目前,北约海麻雀项目办公室正对MK48垂直发射装置进行改进,以使其能够发射改进型海麻雀。 

据雷锡恩公司介绍,他们公司正与丹麦皇家海军一起研究改进型海麻雀的“双联装“制,将要用两个新的贮运发射箱代替现有的MK20贮运箱。 

双联装将使MK48的容量增加一倍。两个独立的贮运发射箱通过一个通用托板连成一个整体,装在同一个改进的燃气排导系统中,它是在MK48-3型的基础上改进的。

丹麦皇家海军的双联装方式主要是采用了新型的电子设备舱。MLC已转换为采用VEM的处理器,使用单板PC机、相关通讯处理器及接口插件。这样改型的模块化发射装置其一半结构位于甲板之下,而贮运发射箱和燃气排导系统则在甲板之上。MK48-3型发射系统使导弹燃气完全朝着导弹飞行的方向(垂直地)排放。贮运发射箱和排气系统的两个口盖把发射装置完全屏蔽起来。 

4. 英国的GWS-26 Ⅰ型“海狼”垂直发射系统 

在80年代初的马岛海战中,受到阿根廷“飞鱼”导弹重创的英国海军,痛定思痛,在战争之后,开始将其舰载“海狼”防空导弹的6联装倾斜发射装置改造成垂直发射系统。“海狼”导弹的垂直发射系统在设计上最具特色之处的是燃气排导系统,它与储运发射箱是一体的,即它的4个排气道分布在导弹的4个弹翼之间,发射击筒的底部是密封的,上端盖采用玻璃易碎盖,导弹点火后产生的高温、高速燃气流在发射筒底部拐180°弯后,人发射筒上端盖排出.这种设计与美国的MK41系统截然相反。MK41是在发射筒的下方专门设计燃气排放系统,以排导导弹点火后产生的高温高速气流。该系统已经装备于英国的23型护卫舰上。

5. 以色列的“巴拉克-1”垂直发射系统 

“巴拉克-1”垂直发射系统是以色列飞机工业有限公司和拉裴尔军备管理局从1979年开始研制的,1984年成功地进行了垂直发射试验。原计划于1991年进入以色列海军服役,但由于缺乏资金,工程进度拖延,到1993年才进行全尺寸生产。“巴拉克-1”采用了模块化设计,舰艇可以在甲板下装备一座或多座8联装的垂直发射装置。目前,“巴拉克-1”已装备于以色列的“雷谢夫”级导弹艇及“萨尔-5”级轻型护卫舰。此外,智利海军亦定购了“巴拉克-1”系统,以装备于购自英国的42型驱逐舰和“利安德”级护卫舰。 

二. 垂直发射技术的特点

1. 缩短系统反应时间,提高发射速率 

由于导弹在发射箱内经常处于待发状态,接到命令后可立即发射,不需要进行装填和瞄准目标,反应时间可缩短到2秒,发射速率可达1发/秒,而曾是世界上最先进的弹库装填式发射装置MK26的发射率是10秒2发。 

2. 有效利用空间,增大储弹量

舰载垂直发射系统一般采用模块化结构,模块化的组合不仅节省占用舰艇体积(可达2/3),还可根据舰艇的具体情况灵活配置,导弹数量可在12~122枚之间。 

3. 避开上层建筑的死角,实现无禁区发射 

导弹垂直发射后,靠指令控制转向目标方向,可有效地消除上层建筑的盲区,实现全方位发射。而回转式倾斜发射装置总存在一定的发射盲区。 

4. 易于实现标准化、通用化和系统化,提高作战效能 

模块化的垂直发射系统很容易实现标准化结构,进而使其通用化和系列化。同时在一个火力单元内可配置外型尺寸大致相同的反舰、反潜、防空导弹,以分别对付来自不同方向的目标,这样,作战效能也能大大提高。 

5. 武器系统结构简单,可靠性大大提高

垂直发射系统采用模块化结构,省去了回转式和弹库装填式发射装置中特有的复杂运动和控制部件,使发射装置的结构简单,可靠性大大提高,而维护工作量大大减少。同时整个系统安放在甲板下,不容易受到海水侵蚀和作战中敌火力破坏,可起家一步保证系统的可靠性。此外,还可降低成本、提高效费比。 

6. 安全节能 

因垂直发射装置上的主要运动部件仅仅是装甲舱盖,从而节省了大量电能。同时,除发射控制部件外,发射装置无需任何操作人员,增强了战时舰员的安全性。 

三. 垂直发射的关键技术 

要实现舰载导弹的垂直发射,必须首先解决一些关键技术。这些技术主要包括如下几项: 

1. 燃气排导技术

导弹垂直发射时,将产生大量带有固体微粒的高温、高速燃气流,其出口速度和温度可达2000米/秒和2000°C,对这种高温、高速燃气流处理不当,会损坏发射装置甚至引起导弹爆炸。因此设计一套能将导弹发射时产生的高温、高速燃气完全排放到大气中的燃气排导系统非常重要。 

为将燃气排导出去,国外垂直发射装置主要采取以下几种措施: 

(1) 安装安全控制门 为使导弹点火所在隔舱的燃气流不进入其它隔舱,在每个发射隔舱的下方安装具有特种功能的安全控制门。这种控制门在其它发射隔舱的导弹点火时处于关闭状态,只在本发射隔舱的导弹点火时,才在燃气流冲击下自动打开,排放燃气。当导弹飞离或发动机熄火后,又自动打开。

(2) 降低燃气所流经空间的增压 发动机排出的燃气流速度高、排量大,一部分从弹箱下方排出,一部分将在冲破后密封箱盖时被挡回,向弹箱上方流动,使导弹与箱体之间的空气压缩并向上运动,产生压力波。压力在弹箱内以超音速传播,并在越过激波处不连续。压力沿导弹园柱体传播时,由于弹体的对称性,作用于弹侧面的径向载荷总值为零,但在激波后面将给导弹施加一个加速度,这个突加载荷将以压力波方式通过弹体传播,使整个导弹及其内部元件产生径向和横向振动响应。

为减少燃气流对未点火导弹贮存环境(温度、振动等)的影响,设计燃气排导系统时,应尽量降低燃气流所经过的空间的增压,以免损坏发射装置或未点火导弹。

美国马丁·玛丽埃塔公司研制的MK-41发射装置的每个导弹隔舱有一个排气室和烟道,以排出导弹发射时产生的废气。当导弹点火时,发射箱开始增压,箱底盖开始打开,废气进入排气室。发射箱两端装有弹性密封盖,形成气密件,防止废气进入弹库空间。舱口打开机构采用弱连接,发动机意外点火时,能在极低压力(0.35kg/cm2)下自动打开,或者在舱盖电机发生故障时,保全导弹。

英国垂直发射海狼导弹系统的垂直发射装置的发射箱内的压力通风系统中设有气压室,控制气体进行压力通风,使燃气经过上升烟道垂直将废气排入大气。 

(3) 燃气流所经过的排导管道和表面,如弹箱下部、燃气排导管道、安全控制门等,都不同程度地受到高温、高速气流的冲刷,因此这些部位均应采用绝热防烧蚀材料进行防护。村料耐冲刷的次数至少应与发射单元的贮弹数目相同。

(4) 采取可靠措施,自动启动冷却水喷淋系统,向意外点火导弹进行喷水冷却。美国的MK-41发射装置的每个导弹隔舱有一个水冷系统,每个水冷系统各自有独立的阀门通往每个发射箱,当导弹弹头过热,或者发动机发生事故突然点火时,就用水冷却。此外还有一个独立的洒水器,可为其它弹库防火用。

2. 安全保障系统

该系统可保障导弹的储存安全。它主要包括自动喷淋系统、注水系统、通风系统、灭火系统和防冰系统等。

3. 推力矢量控制系统 

在导弹垂直发射的转弯阶段,依靠常用的气动力舵面和翼面提供控制力和力矩是不行的,必须采用推力矢量控制技术。推力矢量控制技术提供的控制力和力矩与导弹速度无关,低速下同样具有高效率,是垂直发射转弯阶段的最理想的控制方式。实现推力矢量控制的技术途径有燃气舵、二次喷射、摆动喷管和燃气发生器等。目前大多采用燃气舵方式。 

(1) 燃气舵推力矢量控制

燃气舵推力矢量控制是目前国外用得较广泛的一种控制方式。海麻雀、巴拉克—1都采用此技术进行控制。这种控制方式是把燃气舵安装地喷口上,并插入燃气流中,导弹发射后,它随弹上控制系统控制导弹飞行。

燃气舵的工作原理与空气舵完全相同,所不同的是,前者利用发动机喷管排出的燃气流来产生侧向力,后者依靠空气来产生侧向控制力。燃气舵通常与空气舵联在一起,用一套伺服系统驱动,使二者同步工作,以提供较大的侧向控制力。燃气舵与空舵气舵联用可获得较低的弹道最高点而具备低空拦截性能。

垂直发射型海麻雀导弹是在导弹发动机的尾喷管处加一个燃气舵,燃气舵控制装置由计算机组合程序、贮能器、模拟组合程序、燃气舵及热电池等部件组成。导弹垂直发射离开载舰桅杆一定距离后,燃气舵控制导弹按目标的方位在离发射高度61m的俯仰平面内完成自动转向,并逐渐进入攻击目标的弹道。导弹受燃气舵推力矢量控制,发射后经0.75秒,导弹以90转弯,进入目标平面,1.5秒后完成自动转弯。导弹抛掉燃气舵,并由弹上半主动导引头捕捉舰载照射/跟踪雷达照射到目标的回波信息,同时自动转换或由弹上自动驾驶仪制导。据估算,垂直发射型海麻雀导弹转弯时的横向过载为20~30g。 

巴拉克—1采用一台固体火箭发动机和一台装有燃气舵推力矢量控制系统的助推器,该系统可使导弹保持低速、低空飞行。当导弹加速到1.6Ma时,推力矢量控制系统自行脱落。导弹的四个燃气舵面和控制翼由伺服机构进行控制,为减少对舰船的冲击,导弹进行垂直发射时以较小推力脱离载舰。导弹发射0.6秒后,推力矢量控制系统把导弹从垂直弹道转向水平弹道。导弹转弯的横向过载大于25g。由于转弯半径小,导弹的最小射程仅为0.3~1km。 

燃气舵推力矢量控制的主要优点是结构简单、可靠,易于与气动舵结合,仅需四个舵面就可以进行全姿态的稳定与控制。主要缺点是与推力矢量喷管控制相比,它的推力损失较大,这主要是由喷气流的偏转或舵面漏气造成的。此外,还有燃气舵操纵效率随燃气舵烧蚀程度和装药温度变化等缺点。 

(2) 推力矢量喷管

推力矢量喷管靠直接转动喷管使推力产生横向分量。转动喷管包括挠性喷管和球窠喷管。挠性喷管用挠性装配法直接配到发动机后端;球窠喷管的阻塞圈和膨胀锥都安装在常平架上,绕喷管轴上的一个中心转动。 

推力矢量喷管的主要优点是能迅速改变导弹的方向,导弹转弯时间短,并能产生大工角。缺点是机构复杂庞大,增加了操纵系统质量,占用空间多,使喷管周围空间更狭小。更主要的是不能进行滚动控制,为解决滚动控制,必须采用双喷管结构,就更复杂了。

(3) 信号杆扰流器 

信号杆扰流器属于排气偏转,扰流器采用四个叶片,可以在火箭发动机出口平面内移动,阻塞部分出口,在喷管的膨胀锥内产生斜激波,引起压力不均匀,因而产生横向推力。最大横向推力限制在某一点,随着扰流片插入程度的增加,当所产生的斜激波在上流处碰到对面的喷管壁时,横向推力即可达到所控制点。扰流片采用液压传动机构,或电传传动机构传动。

垂直发射海狼导弹在尾部加装了一个英国宇航公司制造的采用信号杆扰流器的推力矢量控制系统,该系统中有四个可动叶片,由装备海狼导弹舰艇的舰载雷达或其它舰载设备把所获得的目标参数输给微机处理,操纵海狼导弹信号杆扰流器,使之产生必要的推力矢量,起到操纵舵的作用,控制导弹在离发射高度50米的俯仰平面内,完成程序转弯。 

信号杆扰流器的主要优点是促动力矩小,与其它推力控制方法相比,它的促动力矩要低得多。主要缺点是推力损失较大,据英国萨默菲尔德研究站等单位所作大量试验得知单叶片喷流偏转角为14°时,每偏转1°,轴向推力损失为百分之一。 

(4) 侧向喷管推进器 

侧向喷管推进器是在导弹重心附近配置一台发动机。导弹飞行时,发动机的燃气向位于重心附近的四个排气口喷射,利用燃气产生的控制力使导弹产生横向运动。法国宇航公司将该技术与气动力控制技术相结合用于SAN90系统。据报道导弹飞行中的最大可用过载可达50g。

4. 捷联惯导系统的采用 

垂直发射的防空导弹,其指令制导采用捷联姿态基准,即在捷联惯导系统中,仅有速率陀螺和计算机,无需加速度表,只进行导弹姿态计算,不需计算速率和位置。如英制“海狼”就采用这种捷联惯导姿态基准。 

 法国的SAN90武器系统和美国的爱国者地空导弹的改型T—16试验弹都是用捷联惯导系统做初制导。在初制导段由弹上捷联惯导系统将导弹引向目标,地面雷达通过指令将目标位置的最新信息送到惯性系统,随时校正导弹的飞行。海狼导弹上的捷联惯导系统可以测量导弹在俯仰、偏航和滚转三个轴上的角度增量和角度变化率,及沿导弹轴向的加速度和瞬时姿态,并用微机对惯导系统误差进行补偿。海狼导弹的捷联惯导系统主要由双轴动力调谐陀螺、线性加速度计和辅助电子设备组成。辅助电子设备包括模/数转换器,陀螺平衡回路和电源。线性加速度计用来测量沿导弹轴的加速度,动力调谐陀螺用来测量导弹的角度增量和角度变化率。 

相对于平台式惯导系统,捷联式惯导系统具有体积小、重量轻、精度高等优点,因此垂直发射小型战术导弹采用捷联式惯导系统测定导弹的瞬时姿态,通过计算机确定导弹的实时位置,得出导弹的射程和横向偏移量,校正因风和发动机干扰引起的横向偏差,使导引头在最佳位置开机,减少导引头捕捉目标的扫描时间,提高对目标的捕捉概率。 

5. 模块化结构设计 

 模块化结构可给导弹的储运、维护带来方便,同时会缩小系统体积、减轻系统质量,并容易形成标准化、系列化、通用化等。MK-41和“巴拉克-1”导弹垂直发射装置均是典型的模块化结构。SA-N-6是一种旋转式结构,一枚导弹发射完毕,需要系统的旋转机构转动一个弹位才可进行下一次发射,这使其可靠性和发射击率降低。

6. 导弹储运发射箱及其端盖设计 

导弹储运发射箱既是导弹储存运输的容器,又是导弹发射箱,而其端盖开启方式对导弹发射的成功是极其重要的。端盖一般采用三种方式:前端盖采用“穿通盖”,后端盖采用“吹破盖”;发射箱底部全部密封,前端盖采用“易碎盖”;机械开启。

7. 火控通道设计 

高发射率需要一定量的火控通道。采用相控阵雷达可令人满意地解决多枚导弹的跟踪制导问题。 

8. 吊装机构 

吊装机构应能地舰艇航行途中进行海上补给,以保证导弹的供应。目前,吊装机构的设计有两种形式:折叠状与导弹一起放在发射隔舱内;折叠起来放在甲板左右舷。

 

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