趙芳，王太江，陳欽，任澤斌

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 設備設計及測試技術研究所，四川 綿陽 621000)

0 引言

通常而言，壓縮空氣彈射系統(tǒng)主要由高壓儲氣罐(或壓縮氣瓶組)、供氣閥門、供氣管道、彈射筒(或稱作動筒)、制動機構等組成，應用領域的不同使得彈射系統(tǒng)具體結構形式存在差異，但其工作基本原理是一致的：被彈射物體置于彈射筒內，利用高壓儲氣罐或壓縮氣瓶組儲存彈射能量，經供氣閥門控制進入彈射筒底部，當發(fā)射筒底部壓力形成的總推力超過被彈射物重力與彈射阻力(包括摩擦力)的總和之后，被彈射物開始運動，并在迅速增大的筒內壓力作用下高速運動后彈射出筒，如需回收彈射筒內彈射裝置，則通過出口設置的制動裝置制動減速回收[1-3]。

壓縮空氣彈射系統(tǒng)采用常溫壓縮空氣作為彈射工質，彈射過程中不會產生高溫及有毒有害氣體，系統(tǒng)使用安全性高、成本低、無污染；系統(tǒng)原理相對簡單，通用性好；此外，系統(tǒng)彈射時間短，壓縮空氣瞬間釋放的能量較大，使得系統(tǒng)彈射速度快。憑借上述諸多優(yōu)點，壓縮空氣彈射系統(tǒng)廣泛應用于?；?、陸基、空基武器系統(tǒng)等領域，包括魚雷發(fā)射、導彈與火箭的冷發(fā)射、火箭彈冷發(fā)射及無人機彈射等[4-6]。

考慮到壓縮空氣彈射的多用途性及多種類性，特定需求的壓縮空氣彈射系統(tǒng)應用及研制需要借鑒國內外已有的成功經驗。本文對壓縮空氣彈射具體的應用研究領域進行了概述，并對其在應用領域中存在的技術難點及發(fā)展趨勢進行了簡要分析，研究工作為行業(yè)內的學者們提供借鑒參考。

1 應用領域

1.1 海基武器系統(tǒng)

壓縮空氣彈射(基本系統(tǒng)原理如圖1所示)最初主要用于魚雷的外力發(fā)射，所謂外力發(fā)射[7-9]，也稱冷發(fā)射，是相對自力發(fā)射而言，自力發(fā)射指的是魚雷(也可指彈射物，包括導彈、火箭、彈藥等)通過自身攜帶的推進劑產生推力來獲取速度；而外力外射，指的是發(fā)射依靠外部動力(文中指壓縮空氣)使魚雷(被彈射物)彈出發(fā)射裝置，到達一定距離后，魚雷自身點火而實施發(fā)射。

圖1 壓縮空氣彈射系統(tǒng)原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of compressed-air ejection system

早在1866年，英國工程師羅伯特-懷特黑德成功研制出第一枚魚雷，該魚雷利用高壓儲罐中的高壓空氣來帶動單螺旋槳推進，實現(xiàn)艇速3 m/s，射程180～640 m[7-9]。常規(guī)的魚雷氣動發(fā)射系統(tǒng)包括壓縮空氣系統(tǒng)(充氣閥、過濾器、高壓氣瓶、安全閥、發(fā)射閥)、緩沖器、前蓋氣路互鎖閥、助推器(伸縮式沖壓器)、電磁閥、魚雷制動器及氣路互鎖閥、排氣閥及相關連接管路組成[7-9]。系統(tǒng)基本原理為：采用壓縮空氣作為彈射動力源，發(fā)射時壓縮空氣通過發(fā)射閥控制進入伸縮沖壓器內，實現(xiàn)膨脹作功，使沖壓器快速伸出，進而推動武器出管；自航發(fā)射時沖壓器打開魚雷扳機栓，并啟動魚雷電機工作，帶動螺旋漿旋轉產生推力，實現(xiàn)自航發(fā)射[7-9]，魚雷發(fā)射實物圖如圖2所示。

圖2 魚雷發(fā)射實物圖Fig.2 Torpedo launch photo

隨著科學技術的不斷進步，各類新型的彈射技術應用到海陸空武器系統(tǒng)中，但魚雷中的壓縮空氣彈射系統(tǒng)憑借其自身優(yōu)勢，現(xiàn)今仍然廣泛服役于各國海軍的魚雷發(fā)射裝備中，典型代表型號是美國的MK-32型魚雷發(fā)射裝置，該魚雷發(fā)射氣瓶容積為0.015 m3，工作壓力為8.5～14 MPa，發(fā)射的主要魚雷型號為口徑324 mm的MK-44型，魚雷出口速度達到13 m/s[10-12]。

壓縮空氣彈射在?；淦飨到y(tǒng)中的另一項重要應用在于艦載、潛載導彈的冷發(fā)射；采用壓縮空氣彈射導彈，不需要考慮燃氣尾流對彈射裝置帶來的沖刷、燒蝕及導流等問題，發(fā)射物體可靠近彈射裝置。此外，導彈采用冷發(fā)射技術，可以大幅提高自身的出筒速度，大大提升潛載、艦載導彈的攻擊性能[4]。

典型的應用案例包括美國的“喬治-華盛頓”號潛艇裝備的“北極星A-1”潛射導彈(發(fā)射過程如圖3所示)，采用了MK-15型壓縮空氣彈射系統(tǒng)，該系統(tǒng)氣源由16個超高壓壓縮空氣鋼瓶提供，壓縮空氣總儲存量達到了15 m3，通過高壓空氣的彈射，導彈出水速度達到49 m/s，明顯提升了導彈的打擊能力[13-16]；此外，俄羅斯SS-N-27，SS-N-19等反潛導彈均采用了垂直冷發(fā)射系統(tǒng)；我國現(xiàn)有的054A型護衛(wèi)艦同樣采用了壓縮空氣彈射裝置[1]。

1.2 陸基武器系統(tǒng)

采用壓縮空氣作為彈射工質，工作原理較為簡單，但彈射效率較低，常規(guī)的彈射對象質量在數十噸甚至更大，造成彈射消耗大量的空氣，導致彈射系統(tǒng)龐大而笨重，因此早期的壓縮空氣彈射系統(tǒng)不適宜用于陸基武器系統(tǒng)的機動發(fā)射，但可應用于導彈的地下井發(fā)射[1]。蘇聯(lián)第4代液體遠程導彈SS-17，SS-18及SS-19均采用了井下冷發(fā)射方式，通過壓縮空氣提供的彈射動力源，將裝于托座上的導彈推出井口，實現(xiàn)托座與彈體的脫離，之后導彈發(fā)動機再點火飛行[3,15]。

圖3 “北極星A-1”潛射導彈發(fā)射圖Fig.3 North Star A-1 missile launch photo

隨著陸基武器系統(tǒng)及壓縮空氣彈射技術的發(fā)展，壓縮空氣彈射的應用從最初的導彈井下冷發(fā)射拓展至超近程防御武器系統(tǒng)發(fā)射、無人機彈射等。

超近程防御武器系統(tǒng)的名詞概念起源于坦克裝甲車輛的防御，是一種用于打擊或摧毀距離被保護目標200 m范圍內的子母彈、末敏彈等相關威脅物的武器防衛(wèi)系統(tǒng)，例如榴彈炮及大口徑火箭炮等[10,17]。超近程防御武器系統(tǒng)采用壓縮空氣作為彈射動力源，相對于自力發(fā)射，其優(yōu)勢在于避免了彈藥推進劑燃燒帶來的燃氣射流沖擊問題，在提高彈藥的初速與有效載荷的同時，又不會產生較大的紅外特征，而且還滿足超近程防御作戰(zhàn)反應速度快、紅外特征小等要求[10,17]。常用的超近程防御武器系統(tǒng)壓縮空氣彈射裝置如圖4所示，該裝置通過電磁鐵閉鎖機構來控制發(fā)射，基本工作原理在于：彈藥在閉鎖體的作用下緊貼壓縮氣瓶泄流口處的薄膜膜片，由此控制高壓氣體；發(fā)射時，電磁鐵首先通電，銜鐵向左移動，手柄與閉鎖體則在失去銜鐵約束后向上運動，此時彈藥不再受閉鎖體約束，造成壓縮空氣沖破膜片進入發(fā)射管的內彈道部分，進而推動彈藥運動[17-18]。

圖4 發(fā)射裝置結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of the launcher structure

自美國陸軍通信部隊于1918年研制出第一架無人機至今，無人機已逐漸成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中不可或缺的一部分，并扮演著極其關鍵的作用[19-21]；在無人機執(zhí)行任務的過程中，起飛與著陸過程尤其重要，特別是無人機發(fā)射方式的選取直接影響了無人機能否平穩(wěn)起飛直至升空；無人機現(xiàn)有的發(fā)射方式多樣化，包括手拋、彈射、空中投放及火箭助推等[19-20]。而彈射起飛是一種零長度起飛方式，具有全地形適應能力，已經成為無人機的一種標準配置[21]。

無人機壓縮空氣彈射是一種以高壓氣體作為無人機彈射起飛的動力源的發(fā)射方式，該彈射系統(tǒng)通常由空氣壓氣機、高壓儲氣罐、氣壓動作筒、復位動作筒、加速滑輪組、阻尼器、滑軌車及鎖定裝置等部件組成[21](如圖5所示)；其主要工作流程為：初始狀態(tài)，無人機通過鎖定裝置鎖死在導軌車上；準備階段，空氣壓氣機開始工作，向高壓儲氣罐充入所需壓縮空氣；發(fā)射階段，啟動無人機發(fā)動機，油門處于最大位置，鎖定裝置隨即開鎖，高壓儲氣罐內的壓縮空氣通過供氣管路進入氣壓動作筒，推動活塞快速運動，此時活塞的運動帶動加速滑輪組以更大的行程與更快的速度運動；由于加速滑輪組末端綁定在導軌車上，它的運動會帶著滑軌車在導軌車上加速，當到達末端位置后，無人機加速至起飛速度，從滑軌車上脫離；氣壓動作筒到達行程末端后與阻尼器發(fā)生碰撞，使得氣壓動作筒的速度在一定時間內降低至0，這時無人機的彈射過程結束；復位階段，復位動作筒把氣壓動作筒推到起始位置后鎖定，等待下一次彈射[21]。

圖5 無人機氣壓彈射裝置原理圖Fig.5 Schematic diagram of compressed-air ejection device for UAV

1.3 空基武器系統(tǒng)

壓縮空氣彈射在空基武器系統(tǒng)中的主要應用在于機載武器的彈射[22-24]。機載武器指的是從飛機上投射用于攻擊戰(zhàn)術目標的武器裝備，根據其作戰(zhàn)用途與技術特點，可分為炸彈、火箭彈及航空槍炮彈等非制導武器，以及空空導彈、空地導彈、機載巡航導彈及精確制導炸彈等制導武器；作為關鍵子系統(tǒng)之一，機載武器彈射系統(tǒng)是飛機武器系統(tǒng)的核心組成部分，是連接機載武器與飛機的重要橋梁，是執(zhí)行任務作戰(zhàn)指令、實現(xiàn)機載武器分離、保證系統(tǒng)最終完成任務的重要環(huán)節(jié)[22-24]。

機載武器彈射系統(tǒng)的主要動力源包括耐高壓氣瓶里儲存的高壓空氣及拋放彈燃燒產生的高壓燃氣2種[25-28]。相對于高壓燃氣動力源而言，高壓空氣彈射裝置壓力平穩(wěn)、可控，環(huán)保無污染，低成本，便于維護，可重復使用，能提高戰(zhàn)機的出動效率[25]。

基于壓縮空氣的機載武器彈射系統(tǒng)主要由高壓氣瓶、彈射作動筒、氣動控制閥以及附屬連接管道等組成(不考慮鎖定機構，彈射系統(tǒng)原理如圖6所示)[29]。以導彈彈射為例，彈射基本流程為：彈射導彈前，導彈處于掛飛狀態(tài)，彈身的前后吊掛通過夾緊機構固定在活塞桿上，活塞桿則通過支撐機構約束，保證不會移動；彈射導彈時，氣壓傳動首先解鎖支撐活塞桿的機構，活塞桿則在高壓氣體的作用下開始運動，當運動到一定位置后，活塞桿端部夾緊導彈吊掛的機構解鎖，而活塞桿則繼續(xù)頂推導彈，直到活塞桿受到行程限制后與吊掛分離，導彈在慣性作用下遠離掛載飛機[29-30]。

圖6 機載氣壓彈射裝置原理圖Fig.6 Schematic diagram of airborne compressed-air ejection device

2 壓縮空氣彈射系統(tǒng)關鍵技術

上述簡單綜述了壓縮空氣彈射系統(tǒng)在各類武器系統(tǒng)中的應用，總結發(fā)現(xiàn)，各應用中壓縮空氣彈射系統(tǒng)的主體結構基本一致，但特定領域關注的關鍵技術不盡相同，總的來說，主要包括超高壓氣瓶設計技術、彈射內彈道設計技術以及機載氣壓動力源系統(tǒng)設計技術等。

2.1 超高壓氣瓶設計技術

從冷發(fā)射技術彈射動力系統(tǒng)的發(fā)展歷程來看，各種彈射系統(tǒng)都有過自己的快速發(fā)展期，但往往受到當時技術水平的限制，快速發(fā)展后又出現(xiàn)停滯的現(xiàn)象[1]。

壓縮空氣彈射系統(tǒng)彈射效率較低，彈射需消耗大量的空氣，加之耐高壓氣瓶材料及工藝的限制，早期的壓縮空氣彈射系統(tǒng)裝置龐大而笨重，造成實際應用的局限性，特別是限制了壓縮空氣彈射在空基與陸基中的使用情況。因此，亟需開發(fā)研制超高壓氣瓶，滿足氣源系統(tǒng)小型化要求。璩金超[31]及楊風波[32]開展了氣瓶壓力對彈射速度的影響研究，結果表明對于相同氣瓶容積條件下，增大氣瓶壓力可以有效提高系統(tǒng)的彈射速度，進一步說明在滿足系統(tǒng)彈射速度的前提下，增大氣源壓力可以有效縮小彈射系統(tǒng)的規(guī)模。氣瓶壓力對彈射速度的影響如圖7所示。

圖7 氣瓶壓力對彈射速度的影響Fig.7 Influence of gas cylinder pressure on ejection velocity

因此，為滿足壓縮空氣彈射系統(tǒng)小型化要求，必須開發(fā)新一代的超高壓氣瓶，除了保證高可靠性及耐高壓以外，還需滿足體積小、輕量化等要求。隨著工業(yè)技術的快速發(fā)展以及理論的突破和創(chuàng)新，阻礙壓縮空氣彈射技術發(fā)展的氣瓶小型化問題得到了部分解決，復合材料氣瓶已成為一種新型的壓縮空氣彈射使用氣瓶，并致力于高伸長率、耐高溫、高韌性及多功能等高性能方向發(fā)展[33]。應用較為廣泛的是采用碳纖維纏繞鋁合金內膽氣瓶(示意圖如圖8所示)，該氣瓶具有鋁合金材料密度低、密封優(yōu)良、加工性好、延展性好及抗裂紋增強性能好等特點，同時兼?zhèn)涮祭w維重量輕、比模量與比強度高、安全性好及可設計性強等優(yōu)點，使得氣瓶能夠實現(xiàn)高疲勞壽命、高承壓、耐腐蝕、質量輕等優(yōu)良性能的完美結合[33-34]。

同時，超高壓氣瓶的應用又帶來了新的問題，主要包括成本高、經濟性差，尤其是氣瓶體積的增大會大大提高氣瓶的制造成本，因此無法徹底解決氣瓶的小型化問題，壓縮空氣彈射系統(tǒng)的應用仍然受阻。下一步超高壓氣瓶的發(fā)展方向需統(tǒng)籌考慮氣瓶材料、制造工藝及成本等因素，從根本上解決氣瓶小型化問題。

2.2 彈射內彈道設計技術

壓縮空氣彈射作用時間很短，氣源壓力較高，瞬時流量大，因此彈射系統(tǒng)的彈射方案選取與內彈道總體設計是一個技術難點，關乎到彈射系統(tǒng)的彈射性能、發(fā)射安全性能及作戰(zhàn)能力等。

在壓縮空氣彈射過程中，針對彈射物體的運動規(guī)律、氣體流動規(guī)律及彈射裝置高、低壓室壓力變化規(guī)律等內彈道特性的研究十分重要，將直接影響到內彈道的設計[35-41]。

壓縮空氣彈射對應的工況較為惡劣，氣源壓力遠大于空氣臨界壓力，溫度遠偏離于玻義耳溫度，如采用理想氣體模型設計彈射的內彈道參數將帶來很大偏差(參考圖9所示)，且這種偏差對熱力過程中的質量與能量的影響是不可忽視的，由此設計得到的內彈道參數也將失去意義，必須考慮高壓空氣真實氣體效應，結合熱力學定律及運動學定律開展內彈道動力學分析研究[40]。

此外，氣源壓力、初始溫度、彈射系統(tǒng)結構參數等均會對內彈道性能造成較大影響，在開展壓縮空氣彈射內彈道設計的過程中，對這些因素進行影響分析不可或缺。氣源壓力的增大會相應加劇高壓空氣對彈射裝置低壓室內壁的沖擊，同時使得彈體過載變化更為劇烈，不利于彈射物平穩(wěn)出筒，但另一方面，較高的氣源壓力可提高彈射裝置的彈射力。因此，在彈體過載能力允許、發(fā)射筒低壓室內壁強度足夠的前提下，可適當提高氣源壓力，進而提升系統(tǒng)的彈射性能；發(fā)射筒筒徑的增大會使低壓室溫度下降得更快，壓力變化更為平緩，峰值更低，因此在開展發(fā)射筒筒徑設計時，需綜合考慮筒內低壓室氣體對筒內壁的影響及推力的實現(xiàn)[36]。

2.3 機載氣壓動力源系統(tǒng)設計技術

隨著世界新軍事變革及武器系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)的機載氣壓動力源系統(tǒng)人工充氣一定程度上延長了戰(zhàn)斗準備時間，增加了機載彈射裝置的維護成本，已無法適應現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需求。因此，發(fā)展機載氣壓動力源系統(tǒng)的自動充氣技術是機載壓縮空氣彈射裝置的重點發(fā)展方向，同時也是提升機載武器的響應時間及戰(zhàn)斗力的重要保證。

可實現(xiàn)自動充氣功能的彈射系統(tǒng)原理結構如圖10所示，主要包括空氣增壓機、高壓氣瓶、調節(jié)閥、電磁閥、作動筒與解鎖機構等部件及附屬管道，主要工作過程為：充氣過程，當氣源壓力傳感器檢測到高壓氣瓶壓力低于設定壓力時，空氣增壓機開始通電工作，將常壓空氣壓縮并儲存到高壓氣瓶中，壓力達到指定值以后，空氣增壓機停止工作；發(fā)射過程，當系統(tǒng)接到發(fā)射指令后，高壓氣瓶中的氣體在電磁閥的控制下通過導氣管進入低壓室，一部分繼續(xù)沿著導氣管流入前、后作動筒，另一部分則進入開鉤活塞腔室，推動開鉤活塞快速運動直至掛鉤解鎖，解鎖后，前、后作動筒推動航空彈藥快速離開載機[42-43]?；厥者^程，作動筒到達行程終點后，

圖10 帶自動充氣功能的彈射系統(tǒng)原理圖Fig.10 Schematic diagram of compressed-air ejection system with automatic inflatable function

電磁閥關閉，作動筒排氣桿被推出，向外排氣，使得作動筒內部壓力迅速降低，同時在回收彈簧力的作用下迅速回到初始位置[25,29-30]。彈射結束后，氣源壓力傳感器再次檢測到氣瓶內壓力低于預先設定值，反饋給控制器，控制器控制空氣增壓機工作，實現(xiàn)自動充氣，為下一輪彈射做好準備，由此節(jié)約了地面準備時間[25]。

3 結論與展望

壓縮空氣彈射憑借其瞬間膨脹性大、爆發(fā)力強、能量密度高及綠色安全無污染等優(yōu)勢，廣泛應用于武器系統(tǒng)各個領域。未來，隨著工藝制作水平、內彈道優(yōu)化設計技術及機載氣壓動力源自動充氣技術等技術的發(fā)展，壓縮空氣彈射技術將會打破現(xiàn)有的阻礙，開啟發(fā)展新紀元，成為未來武器系統(tǒng)發(fā)射領域內重要一員，應用前景包括但不限于以下領域：

(1) 持續(xù)應用于?；淦飨到y(tǒng)，包括魚雷及海對陸、海對空導彈的冷發(fā)射；

(2) 拓展應用于超近程防御武器系統(tǒng)，包括榴彈炮、大口徑火箭炮等武器的彈射；

(3) 發(fā)展自動充氣技術，推動壓縮空氣彈射在機載武器彈射中的應用；

(4) 積極探索解決壓縮空氣彈射系統(tǒng)存在的體積龐大、笨重等問題，提升壓縮空氣彈射系統(tǒng)在車載、井基導彈冷發(fā)射中以及無人機彈射起飛中的應用。