劉永亮,任克亮,馬旭輪,穆永濤
(中國船舶集團有限公司第七一三研究所,鄭州 450015)
導彈已成為現(xiàn)代作戰(zhàn)艦艇的主要武器,導彈發(fā)射系統(tǒng)的先進程度直接影響艦艇的戰(zhàn)斗力。現(xiàn)代海戰(zhàn)要求各個作戰(zhàn)單元有較好的武備通用性,以實施水面、水下和空中目標的防御和對抗攻擊,而導彈是現(xiàn)代海戰(zhàn)作戰(zhàn)制勝最主要的武器和打擊手段,如何使導彈合理快速、可靠、準確、安全發(fā)射,先進、高效、安全的發(fā)射技術及其裝置起著至關重要的作用,影響著戰(zhàn)爭的勝負。艦艇導彈發(fā)射裝置的功能是存放和發(fā)射艦載導彈[1-3],讓導彈鎖定目標后能夠迅速指向目標,第一時間發(fā)射,并朝目標飛去。艦艇導彈發(fā)射裝置已發(fā)展了多年,以美國、俄羅斯為代表的國家,走在了技術的前列。
固定式導彈發(fā)射裝置是艦載導彈發(fā)射裝置中技術最為簡單的一種。也正因為如此,固定式導彈發(fā)射裝置成了目前各種艦載導彈發(fā)射裝置中運用最為廣泛的一種,并沿用至今,仍有多款現(xiàn)役主戰(zhàn)艦艇使用固定式導彈發(fā)射裝置。
固定式發(fā)射裝置是將一個固定架支起一套導彈發(fā)射筒,沒有其余配套設施。其安裝位置靈活,可以安裝在兩側船舷、艦橋后、機庫上方,有時還能臨時安裝在飛行甲板上。固定式導彈發(fā)射裝置結構簡單,通用性強,適裝范圍廣。大到萬噸巡洋艦,小到百噸的導彈快艇上,都可見到固定式發(fā)射裝置。如國外的俄羅斯956EM 現(xiàn)代級、光榮級和無畏級驅逐艦固定式發(fā)射裝置[4-7],如圖1 所示。
圖1 俄式956/956EM 現(xiàn)代級驅逐艦的固定發(fā)射裝置Fig.1 Russian 956/956E modern destroyer fixed launcher
固定式反艦導彈發(fā)射裝置,通常布置在艦橋后方平臺,朝向為艇艦兩側船舷。在攻擊目標時,船需要根據(jù)目標位置調整位置,選擇自己的一側船舷對準目標,然后才能有效保證導彈的精度。但其風險較高,艦艇體積大,機動性差,調整位置的時間長,容易被敵方搶先發(fā)射摧毀。艦艇側面積大,相對于正對目標時,雷達反射面積更大,容易被鎖定和擊中。前蘇聯(lián)提出正面布置方式,如俄羅斯現(xiàn)代級、光榮級和無畏級驅逐艦,可有效降低雷達探測風險。
由于艦船排水量的限制,艦船在海上的機動性相對陸地上的發(fā)射車、坦克等較差。20 世紀30 年代至50 年代,各國的造船水平存在差異,導彈的速度和射程相對21 世紀前20 年的水平存在較大差距,固定式發(fā)射裝置解決了國內外艦船上發(fā)射導彈有無導彈發(fā)射裝置的問題。因為其結構簡單,體積大,經(jīng)濟成本相對低廉,得到國內外海軍的青睞。其缺點是,由于固定式發(fā)射裝置結構簡單,不能有方位的轉動,導致其作戰(zhàn)的距離較近,在發(fā)現(xiàn)目標后進行打擊過程中,發(fā)射裝置本身的跟蹤性、靈敏性較差,對導彈機動性要求較高,從而導致了只能在給定目標的情況下,才能釋放打擊威力,主要應用在反艦方面。
朝正面安裝雖然不用將側面面向目標,但仍需艇艦調整位置來實現(xiàn)導彈指向目標,跟蹤目標機動性及效率不高。類比艦炮,將導彈安裝一個“炮塔”,導彈自行旋轉來指向目標,回轉式導彈發(fā)射裝置為此出現(xiàn)。
回轉式發(fā)射裝置包含有可轉動的發(fā)射架,可以根據(jù)目標參數(shù),在武控系統(tǒng)的命令下自動調整發(fā)射架角度,使導彈快速指向目標,不用特意調整艦艇自身的位置。
回轉式發(fā)射裝置有一個可轉動的發(fā)射架,可以根據(jù)目標參數(shù),在武控系統(tǒng)的命令下自動調整發(fā)射架角度,使導彈快速指向目標,這樣就不用特意調整艦艇自身的位置[8-9]。
隨著導彈速度及射程的提高,艦船在防御方面,除了適應較大的反艦導彈外,從空中打擊艦船的需求進一步提高,艦空導彈便應運而生。在艦空導彈領域,艦空導彈的體積較小,射程遠,射界廣,為了適應防空導彈,客觀上需要一種射界廣,機動性能好,能夠快速反應,安裝體積小,載艦安裝位置靈活的發(fā)射裝置,于是,回轉式發(fā)射裝置產生了。在固定式發(fā)射裝置的基礎上,增加了回轉、俯仰性能。反艦導彈一般體積大,導致發(fā)射裝置體積也大,只能安裝在艦艇中部,前后都為船體結構,無法安裝在艦艏或者艦艉。回轉式發(fā)射裝置體積小,其機械結構更為靈活,可以安裝在艦艏或者艦艉,射界明顯增加。另外,回轉式發(fā)射裝置在艦空導彈領域實現(xiàn)了海上再裝填。其備彈放置在發(fā)射裝置后的甲板下,導彈消耗完畢后,可直接裝填。可攜帶更多導彈,戰(zhàn)斗力更加持續(xù)。
20 世紀70 年代,美國海軍為應對近程攔截高超音速導彈的需求,研制了“海拉姆”回轉式發(fā)射裝置(如圖2 所示),一個自動化較高的近程防空系統(tǒng),具有極高的機動性,導彈采用紅外/無源制導方式,射程可達8 km,可有效攔截高超音速反艦導彈、戰(zhàn)斗機和無人機等高速空中目標。
圖2 “海拉姆”導彈發(fā)射裝置及裝填Fig.2 "HLM" missile launcher and loading
回轉式發(fā)射裝置在一定時期只能承擔中近程的艦對艦任務,傳統(tǒng)的回轉式發(fā)射裝置主要定位是打擊大中小型水面艦船。由于傳統(tǒng)的導彈制導精度低,回轉式發(fā)射裝置也承擔著一定的防空任務。隨著防空導彈及巡航導彈速度的增大,制導精度的提高,導彈種類的增多,客觀上要求回轉式發(fā)射裝置的反應效率要快,打擊范圍要廣,反導精度要高。回轉式發(fā)射裝置的回轉系統(tǒng)、俯仰系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、調平系統(tǒng)、制導系統(tǒng)、隱身性要有一新的突破。
回轉式發(fā)射裝置只能承擔中近程的反艦和防空任務,不具備反潛的功能,由于其裝載的反艦導彈體積小,導彈本身的射程近,使其不具備打擊遠程目標的能力。固定式發(fā)射裝置和回轉式發(fā)射裝置都安裝在艦船的甲板面上,隱身性較差,客觀上要求對海洋環(huán)境的環(huán)境適應能力較強。
臂式發(fā)射裝置是在回轉式發(fā)射裝置的基礎上配備了一臺自動裝彈機和存放導彈的彈庫,實現(xiàn)打一裝一功能,提高了裝彈的自動化程度。單臂發(fā)射架主要有俯仰和水平2 個運動方向[10]。臂式發(fā)射裝置主要裝載中遠程艦空和反艦導彈,均配有自動化裝彈裝置,相對于固定式發(fā)射裝置和回轉式發(fā)射裝置在裝彈方面節(jié)省了大量人力,提高了攔截艦空導彈的發(fā)射效率。臂式發(fā)射裝置裝載的導彈推力大,彈身長,制導精度高,自動化裝填速度快,具備中遠程打擊艦艇和防空導彈的能力,尤其是在打擊驅逐艦和航母上能力凸顯。因為臂式發(fā)射裝置配備有自動化裝填裝置,導致其占有艦船彈庫的體積較大,機電結構復雜靈巧,一旦被擊中,彈藥庫損失不可估算,有可能波及至整個艦船的安全性,維修維保周期長,要求艦員級及基層級的維修水平較高。
其中俄羅斯的“施基利”就是單臂式導彈艦空導彈武器系統(tǒng)(如圖3 所示),其內部是一架體型較大的自動裝彈機和多枚SAN-7 艦空導彈,這套復雜的機械結構和配套占去了甲板下大部分的空間。整套發(fā)射系統(tǒng)反應時間不超過20 s,可高效攔截反艦導彈和反空導彈?!笆┗敝饕钶d艦空導彈,載彈24枚,是一型專注艦空的單一功能發(fā)射系統(tǒng)。“施基利”早期采用SA-N-7 型艦空導彈,后期改用SA-N-12 型艦空導彈,射程提升到38 km,最大飛行速度為3.6馬赫,末端采用半主動雷達制導?!笆┗钡母┭龇秶鸀?°~+70°,調整速度為90~100 (°)/s,水平方向可進行360°旋轉,導彈發(fā)射時間為10 s。
圖3 俄羅斯施基利發(fā)射裝置及彈庫內部Fig.3 Russia' Skiri launcher and interior of ammunition depot
美國的MK-13 也是單臂式艦空導彈發(fā)射裝置(如圖4 所示),MK-13 能夠搭載SM-1 艦空導彈、“魚叉”反艦導彈等多種導彈,是一型艦空反艦兼顧的多功能發(fā)射系統(tǒng),其彈藥艙為2 個同心圓形的旋轉結構,內圈裝彈16 枚,外圈裝彈24 枚,總計可容納40 枚各型導彈。MK-13 系統(tǒng)彈藥艙能夠辨識64 種導彈,并且處理與存放其中7 種,每一種數(shù)量可以按需搭配。MK-13 配備了SM-1 系列艦空導彈,其中SM-1 MR、SM-1 MR Block V 的最大射程分別為38、46 km,最大飛行速度2 馬赫,發(fā)射時間為10 s,采用全程半主動雷達制導。MK-13 的俯仰范圍為-15°~+95°,調整速度為45 (°)/s,水平方向也可進行360°旋轉。
孕產婦于入院后由護理人員介紹院內環(huán)境、責任護理人員、主管醫(yī)生等,為孕產婦制定飲食計劃,規(guī)劃好作息時間,對孕產婦提出的問題耐心詳細地解答,告知其在分娩中可能遇到的各種情況,提高孕產婦對分娩的認識度。
圖4 美國海軍MK-13 發(fā)射裝置Fig.4 U.S. Navy MK-13 launcher
臂式發(fā)射裝置實現(xiàn)了自動裝填之后,進一步需求是直接把備彈從彈庫內垂直射出,在空中調整姿態(tài),使導彈指向目標。這樣不僅解決了裝填問題,且導彈指向目標更快,射界覆蓋360°,放置在艦艏的導彈也可攻擊后方目標。此客觀需求導致垂直發(fā)射裝置的出現(xiàn)。
垂直發(fā)射裝置能直接把導彈從彈庫內垂直發(fā)射出去,然后在空中調整姿態(tài),使導彈指向目標。在箱彈裝填到位后,導彈指向目標更快,射界覆蓋360°,放在艦艏的導彈也能攻擊后方目標。國內外比較先進的艦艇其主力導彈(尤其是艦空導彈)都采用垂直發(fā)射[11-12]。垂直發(fā)射裝置優(yōu)點:打擊速度快,導彈直接發(fā)射出來,追蹤目標靠雷達全方位掃描指引,能減少反應時間;貯彈量大,是具有發(fā)射功能的彈庫;發(fā)射流程簡化,可靠性高[13];發(fā)射裝置安裝在甲板下面,隱身性好。
國內外垂直發(fā)射裝置不同于固定式、回轉式和臂式發(fā)射裝置,結構上均采用模塊化設計、安裝和拆卸,分為發(fā)射單元、控制單元、裝填單元等。其發(fā)射方式分為冷熱2 種,貯彈量大,貯彈類型多,反應效率快,射界廣,在海上基本無死角,能同時裝載艦空、艦潛、艦艦導彈,承載艦對空、艦對艦、艦對潛近中遠多重任務。因為箱彈為垂直裝填,垂直發(fā)射裝置可在碼頭起重機及海上裝填起重機上配合下,進行快速有效地箱彈裝填[14]。
垂直發(fā)射裝置系統(tǒng)在安全性方面存在一些缺陷,由于垂直發(fā)射的導彈貯存在發(fā)射箱內,如果導彈火箭發(fā)動機有問題,易造成發(fā)射任務失敗[15-19]。如果導彈未出筒,殘留彈體會在發(fā)射筒內劇烈燃燒;如果導彈飛出發(fā)射筒,但動力不足,導彈可能隨即下落,砸在甲板上。
美國和俄羅斯海軍在20 世紀80 年代配備了垂直發(fā)射裝置。全球第一型批量裝備的艦載垂直發(fā)射裝置是蘇聯(lián)的核動力巡洋艦上的“利夫”,美國“宙斯盾”艦上裝備的MK-41 型垂直發(fā)射系統(tǒng)也在其列,如圖5和圖6 所示?!袄颉贝怪卑l(fā)射裝置衍生自陸基S-300系列艦空導彈,在1979 年裝備于2 艘核動力導彈巡洋艦。美國的MK-41 垂直發(fā)射系統(tǒng)1986 年在巡洋艦上實現(xiàn)了首裝。
圖5 俄羅斯“利夫”垂直發(fā)射裝置Fig.5 Russian "Liv" vertical launcher
圖6 美國MK-41 垂直發(fā)射裝置Fig.6 U.S. MK-41 vertical launcher
發(fā)射裝置貯存筒彈時,發(fā)射單元通過支撐圓筒上的貯彈導軌約束筒彈支腳,為筒彈提供側向定位和固定;通過回轉盤上的筒彈支承座和壓緊機構為筒彈提供軸向支承和固定。發(fā)射裝置發(fā)射導彈時,發(fā)射顯控柜接收由發(fā)控機柜轉發(fā)的武控系統(tǒng)指令,控制發(fā)射單元液壓站驅動液壓鉸鏈將相應艙口蓋迅速開啟到位,為導彈飛離提供通道。同時,發(fā)射顯控柜向發(fā)控機柜實時回送艙口蓋狀態(tài)和其他狀態(tài)信息。當導彈發(fā)動機或筒內彈射器意外點火時,導彈可憑自身動能沖開剪切式應急蓋飛出彈庫。美國MK41 垂直發(fā)射裝置是可以發(fā)射多種導彈的熱發(fā)射導彈垂直發(fā)射裝置,通用性好[20]。
垂直發(fā)射裝置在進攻和防御方面扮演著重要角色。垂直發(fā)射裝置可裝載多型號、多用途導彈,導彈射界可覆蓋10~2 000 km,通用性強[21-29]。隨著無人作戰(zhàn)體系的發(fā)展和電磁彈射技術的發(fā)展,垂直發(fā)射裝置在能源彈射動力方面還以蒸汽或液壓彈射為主,對電磁彈射的儲能模塊、發(fā)射模塊等還是一片空白。美國采用的導彈適配發(fā)射裝置的研制體系,發(fā)射裝置的接口是公開的,導彈在設計和適配的過程中會有很大的開放性。
美國海軍在“朱姆沃爾特”級驅逐艦的基礎上進行“未來巡洋艦”的規(guī)劃發(fā)展時,結合艦空反導的需求,規(guī)劃了2 款新概念垂直發(fā)射裝置,以充分利用其5 層甲板高度所帶來的潛能。
第一款是“模塊化發(fā)射系統(tǒng)”(MLS),如圖7所示。與MK-41 的熱發(fā)射方式不同,MLS 采用冷發(fā)射方式,技術來源于潛射彈道導彈的發(fā)射系統(tǒng),相當成熟可靠。冷發(fā)射方式還可以減少艦艇維護時的工作量,降低艦艇紅外特征,避免導彈點火后卡在垂直發(fā)射裝置內造成的破壞,同時對更大更重的導彈也有更好的兼容性。傳統(tǒng)的設計理念為,口徑為一固定值,高度可調,從而制約了垂直發(fā)射裝置的使用潛力和貯彈量。MLS 采用模塊化設計,不限定貯運發(fā)射箱的口徑,解放了導彈的尺寸。其中的標準型MLS 口徑比MK-41 更大,6 單元的標準型MLS 空間和面積與8 單元MK-41 相近,這為現(xiàn)役安裝MK-41 的水面艦艇返裝MLS 提供了方便,也讓未來發(fā)展的新導彈無需再硬性考慮和MK-41 的兼容性;而非標準型MLS則可以根據(jù)導彈量身定制,用于發(fā)射遠程彈道導彈這樣的超大型導彈。標準型和非標準型MLS 之間更換方便,碼頭有吊車保障即可完成,平衡了艦艇載彈量和垂直發(fā)射裝置使用潛力間的矛盾。
圖7 模塊化發(fā)射系統(tǒng)Fig.7 Modular launch system
第二款則是電磁垂直發(fā)射裝置,如圖8 所示。相比傳統(tǒng)冷發(fā)射方式,電磁垂直發(fā)射裝置使用線圈加速,導彈的加速曲線更為平緩和穩(wěn)定,發(fā)射力度的調節(jié)也更為精確,還有可觀的升級潛力[35-37]。美國已在國家實驗室進行電磁垂直發(fā)射裝置的研究,并用原理樣機展示了發(fā)射導彈的可行性。由于技術原因,美國2 款電磁垂直發(fā)射裝置從2010 年后被擱置,停留在了圖紙和原理樣機的階段,得以讓MK-41 繼續(xù)稱霸美國海軍的水面艦艇。
圖8 電磁垂直發(fā)射裝置Fig.8 Electromagnetic vertical launcher
2020 年,美國海軍加大了對“常規(guī)全球打擊通用高超音速導彈”的研發(fā),其彈徑大于762 mm,MK-41 和MK-57 垂直發(fā)射裝置無法兼容,為此“模塊化發(fā)射系統(tǒng)”(MLS)重啟是最佳選擇,“模塊化發(fā)射系統(tǒng)”(MLS)大概率會成為美國海軍的下一代垂直發(fā)射裝置。另一方面,電磁垂直發(fā)射雖然理論上要比冷發(fā)射方式的“模塊化發(fā)射系統(tǒng)”MLS 更加先進,但是只在十幾年前做過縮比原理樣機,許多關鍵技術未經(jīng)過有效試驗驗證。因此,電磁垂直發(fā)射作為中近期的下一代垂直發(fā)射是不切實際的想法,可能在未來50 年作為解決方案安裝在后續(xù)的大型水面戰(zhàn)斗艦上。
4 種發(fā)射裝置的發(fā)展是循序漸進的,其結構由簡單到復雜,貯彈類型由單一到多種,作戰(zhàn)范圍由近中程到近中遠及超遠程,作戰(zhàn)半徑由局部到全方位,作戰(zhàn)效率由低到高,裝填補給能力由人工到智能,裝填地點由碼頭到海上。在能源方面,發(fā)射裝置逐步以適應裸彈及箱彈裝填至發(fā)射裝置利用導彈化學能發(fā)射為主,向適應全艦船發(fā)射裝置以電磁彈射導射為主的轉變,以電磁為基礎的通用垂直裝置是各國發(fā)射裝置發(fā)展的必然。
電磁彈射模式下通用垂直發(fā)射技術研究需重點解決以下問題:電磁彈射模式下不同類型導彈通用發(fā)射問題;實現(xiàn)相比現(xiàn)役通用垂直發(fā)射系統(tǒng)相同的發(fā)射率;實現(xiàn)彈庫內導彈快速姿態(tài)轉換及裝填轉運;提高通用電磁發(fā)射系統(tǒng)可靠性、電磁兼容性;實現(xiàn)模塊化。
國外的艦載發(fā)射裝置已經(jīng)實現(xiàn)了模塊化、系列化和通用化,垂直發(fā)射裝置以其射界大、反應快、可靠性好的優(yōu)點,裝載于在役的主力戰(zhàn)艦上。傾斜發(fā)射裝置在近程末端防空方面可提前指向目標,減少導彈機動時間,提升末端攔截概率,是垂直發(fā)射裝置的有效補充。另外,國外在艦載發(fā)射裝置上已經(jīng)實現(xiàn)無人機的發(fā)射及回收,無人艇已有小型垂直發(fā)射裝置的安裝,并進行了海上實航導彈發(fā)射試驗,形成了中遠程無人作戰(zhàn)體系。在電磁彈射方面,國外的電磁彈射發(fā)射裝置仍停留在原理樣機方面,在實驗室只進行了儲能、發(fā)射等單項性能試驗,未開展工程階段的研制試驗。隨著無人作戰(zhàn)體系和電磁彈射技術的發(fā)展,艦載導彈發(fā)射裝置逐漸向無人和電磁彈射垂直發(fā)射裝置上邁進,無人控制技術、大容量電容技術、儲能技術等將是艦載垂直發(fā)射裝置將來突破的難點和方向。國外發(fā)射裝置合理的艦面布局、前衛(wèi)的發(fā)射方式值得國內借鑒。