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中国新一代通用舰载垂直发射系统到底有多厉害?

归档日期:07-18       文本归类:导弹射向      文章编辑:爱尚语录

  中国的垂直发射系统研发起步虽晚但发展迅速,10年间已经推出三款,其中第三代国产垂直发射系统属于冷热共架型垂直发射系统,在解决热发射的排焰问题、冷发射的弹射功率等方面都有极大的优势。

  作为当前战舰中最重要的作战装备,垂直发射系统的诞生几乎改变了现代战舰的武器布置格局。

  中国在这一领域起步虽晚,但发展迅速,国产第三代垂直发射系统的列装,标志着中国已突破了多武器冷热兼容通用垂直发射技术难题,实现了在舰艇有限空间内高火力高密度发射多类型武器的可能。

  随着海战攻防对抗技术的发展,在海防中水面舰艇需面临的多批次、全方位、快速连续攻击的作战环境,对舰载导弹的作战性能提出了更高的要求。

  为了应对新的威胁,垂直发射技术(VLS)应运而生。与倾斜式发射架相比,垂发系统反应时间快、发射率高,在运行中无需转动发射架瞄准,并取消了装填系统,每枚导弹都在发射导轨上处于待发状态,切换弹种或遇故障弹能通过电子系统立刻切换而几乎无时间延误。

  垂直发射系统又分为垂直热发射和垂直冷发射,热发射也叫自力发射,即依靠导弹发动机点火产生的推力使导弹飞离发射箱,热发射的最大优点是发射箱本身无需承受高压,因而结构简单,质量轻;冷发射也叫外动力发射,即通过发射箱底部燃气发生器产生的高压燃气推动活塞将导弹弹射出发射箱,发射过程中发射装置要承受燃气发生器所产生的高压,还要保持良好的气密性,因而发射箱的结构复杂、质量增大。

  但冷垂发因不用面临火箭发动机的尾流烧灼,对导弹本身强度要求则相较热垂发更低。此外,冷垂发因为在导弹点火前就将推离出舰,即便是导弹意外点火也可通过外源动力直接弹出去,对发射装置和周围的设备破坏性比较小。

  因此,与外界所广泛认知有所不同的市,“冷”垂发相较“热”垂发的安全性更有优势。

  (“热垂发”相比“冷垂发”并非更安全,比如去年德国一艘F-124护卫舰的舰桥就因MK-41型热垂发里的导弹在点火后仍发射失败而被烈焰做了场BBQ)

  中国第一代舰载导弹垂直发射系统是装备于052C型导弹驱逐舰的H/AJK03型垂直发射系统。该系统采用“冷”发射方式,每发射单元可容纳6个一体式贮运发射箱。与外形相似的俄制RIF-M垂发系统相比,该型垂发虽也采用“左轮”式结构,但每个贮运发射箱均有独立发射口,发射响应速度更快。

  不过H/AJK03型垂直发射系统只考虑了发射HHQ-9区域防空导弹而通用型不足,且体积仍然偏大而适装性有限。

  于是,中国很快推出了第二代舰艇导弹垂直发射系统——H/AJK16型垂直发射系统。

  该系统与著名的MK-41系统一样采用热发射模式。与第一代系统相比,该系统可共架发射海HHQ-16防空导弹与鱼-8型火箭助飞鱼雷,从而极大地拓展了搭载舰艇的多任务能力。

  (由于H/AJK16型垂直发射系统较好的适装性、多用途性,该型垂发除装备新建的054A护卫舰,还应用于部分老旧驱逐舰的改装中,成为中国目前装备最多的一款垂发装置)

  H/AJK16型垂直发射系统的服役使中国舰载垂直发射武器系统迈入世界先进行列,不过该系统也有美中不足:内径较小,无法装备HHQ-9舰载远程防空导弹。

  随着各型导弹“重型化”、“大型化”的趋势愈发明显,内径较小也导致今后改装潜力有限,或导致新弹药的研发因不得不为兼容较小的发射器尺寸而在导弹尺寸与性能上“削足适履”。

  (如今因性能要求的不断提高,舰载导弹“长高长胖”的趋势愈加明显,即便是美军也曾为了今后能搭载体积更大的导弹而试图研发弹容量较MK-41仅3/4但内径更大的MLS垂发)

  伴随着导弹性能的提升,采用固推火箭发动机的导弹的推力与高温燃气烧灼程度也随之大幅提高。若从热垂发系统发射大型化导弹,这不仅会对发射平台舰面设备造成一定损害,还会导致舰面红外信号骤然增强而增大了被红外侦察发现平台位置的可能。此外导弹本身也需额外考虑高温环境下对弹体安全的影响。基于此,中国明确了下一代舰载垂直发射系统的发展方向:大型化、“冷、热”发射兼容。

  随052D型昆明号驱逐舰首次公开亮相的中国第三代舰载垂直发射系统可谓中国所列装多款垂发系统之集大成者。该型垂发最大的特点就是兼具冷、热两种发射模式:即可通过“冷弹射”方式发射HHQ-9远程防空导弹及今后各类体积更大的固推动力导弹,又可以“热发射”形式直接点火主发动机发射体积相对较小的HHQ-16及后继的新型中近程防空导弹以缩短响应时间、提高发射速率,还可以兼容鹰击-18反舰导弹、鱼-8/11反潜导弹等小推力固推仅用于提速、工作时间更短,排焰量相对较小的导弹。

  新一代冷热共架型垂直发射系统虽具有热发射模式,但与同样采用“热发射”的H/AJK16型垂直发射系统所不同的是,该新型垂直发射系统并未见到H/AJK16型所采用的公共排焰道。原因在于第三代新垂发采用了同心贮运发射筒(CCL)解决“热”发射模式下的排焰问题。

  (与H/AJK16型垂发(左)相比,国产第三代新垂发(右)外观上最大的区别就是取消了原先的公共燃气通道(红圈处))

  同心贮运发射筒很重要的特点,即取消了由多个发射筒公用的燃气排导通道而采用自持式燃气排导系统。它利用两个同心圆筒间的空隙作为燃气排放管道,燃气通过发射管底板的排气口排出。

  研发同心筒发射装置的关键问题之一就是解决导弹在发射过程中承受的高温问题。当高温燃气经过导流锥的作用后,会反向经由内外筒间隙向外排出,导弹在射出筒口瞬间,会一直被高温燃气射流包围产生表面加热作用,为降低高温高压燃气冲击烧蚀对导弹的影响,势必要考虑采用相应的散热降温手段。

  为在有限空间内降低发射时包围导弹的燃气的温度,中国科研人员将目光转向了高温燃气本身——通过气体动力学原理,以加速燃气流的方式给发射筒降温。从公开资料显示,中国改进了内外筒间隙形状,由大变小向中间收缩至一个窄喉,窄喉后又由小变大向外扩张至筒底。筒体中的气体受高压流入喷嘴的前半部,穿过窄喉后由后半部逸出,这种喇叭形状的构造又被称之为“拉瓦尔喷管”。

  这一架构可使气流的速度因喷截面积的变化而变化,当高速(不超过声速)的气流流经喉部时,气体被压缩导致速度急速增加,在喉部界面(称为临界截面)突破声速。在突破声速后在渐阔处速度依然能增加,从而获得超音速气流。而根据流动气体的等熵膨胀原理,当气流加速(作功)后,膨胀所做的功需以焓的减少为补偿,从而降低了出口气体温度。

  采用这种结构后,“热发射”导弹时的出口气体温度可降低至少30%,从而缓解对导弹与舰面设施的影响。较低的燃气温度与独立燃气排导通道,也使得国产第三代新垂发较MK-41、H/AJK16、“席尔瓦”等采用公共燃气排导通道的垂发全寿命成本更低、安全性更高。

  第三代新垂发中的“冷”垂发与中国此前列装的第一代国产(冷)垂发也有了进一步改进。

  由于HHQ-9B型防空导弹等新型导弹性能提升的同时尺寸重量相应增加,“冷”垂发的弹射功率也需有相应提升。但在相对紧凑的舰内空间与严苛的重心分布条件下,“冷”垂发装置体积重量需严格控制。然而,传统“冷”垂发装置提升功率却往往与控制体积重量相矛盾。

  (限制传统“冷”垂发装置长度的瓶颈在于活塞气缸(红圈处)的长度无法被轻易缩短,而导弹的长度则短于发射筒长度,造成了发射筒尺寸、重量的浪费)

  传统“冷”垂发所采用的活塞气缸式弹射装置,由于其结构的特殊性,导弹在发射筒内的实际受力行程不到发射筒长的一半,当提弹梁撞击到缓冲器后便与导弹分离,此后弹射装置对导弹便不起作用。这也导致提拉活塞的长度无法轻易“省下来”,否则就会因初速度不足影响导弹正常发射;而增加燃气发生药提高弹射力的方法,也会使导弹过载骤然增加而影响发射安全。

  中国研发者提出了双级气缸式弹射装置的设计方案: 其整体结构不变 ,而把弹射缸的长度尺寸减小为整个筒长的1/3左右,再把其中的活塞连杆机构做成活塞圆筒机构作为第一级;圆筒中再套接1个活塞连杆机构,作为弹射器的第二级。发射装置工作时,高压燃气首先进入弹射装置的第一级活塞圆筒机构,使其随着低压室压力的升高而向上运动;当第一级活塞撞到缓冲器止动后,高压燃气通过圆筒上的进气孔进入第二级活塞连杆机构,此时的低压室变为第二级活塞和第二级活塞之后的空间,随即第二级活塞向前运动,直至撞到缓冲器止动为止。

  另外气体的排放也有所不同 :原来的气体排放是在弹射缸的尾部开几排小孔,当活塞到达小孔位置后,弹射缸内的燃气开始释放,这样做的缺点是减小了弹射行程 ,双级气缸式弹射器的气体排放改为活塞冲出圆筒的顶部后,燃气从活塞与圆筒缝隙处释放,从而提高做功效率。

  通过上述手段,第三代新垂发的“冷”垂发装置在保障各独立单元发射功率的同时,使结构更加紧凑,在不降低发射性能的前提下确保了新系统的适装性。

  在国产第三代新垂发服役前,无论是美国的MK-41还是国产H/AJK16型垂发系统均以实现了“多弹共架”功能,但每次混搭不同导弹,却是项颇为费工费时的工程。

  如美国的MK-41垂发系统,装填“战斧”导弹需要72针连接器来控制工作电源和信号流通,以及1个单独的用于火工品的l6针连接器,装SM-2导弹则需要32针连接器,在容纳这两型导弹的运载适配器还装有145针的连接器。引入“鱼叉”、“海麻雀”,则需要给发射筒附加 400Hz电源线路而这都需要相当大的返修工作量,包括数千个接点、附加继电器、新的电源和反复校验。这使传统的垂发系统虽具有“多弹共架”的能力,但却无法根据任务属性灵活将导弹“即插即用”。

  一方面新垂发不再采用以往机电式程序器产生时间基准或继电器电路或门电路实现顺序控制逻辑,而是广泛采用国内日益发展、成熟的计算机控制技术,用灵活的软件语言编程生成时间基准和实现控制逻辑,使火控系统、发控系统和导弹之间均以数字化形式进行管控。在装填不同弹种时,针对多种不同型号导弹在不修改或少量修改程序代码的情况下即可实现“即插即用”。

  (相比“冷热共架”走在前面、但因种种原因而仍在纠结“多弹共架”的俄制垂发(左),国产第三代新垂发已实现“即插即用”,从而有极大的任务灵活性)

  而为满足垂发系统数字化、自动化对多种导弹实施发射控制,中国科研人员还引入了1153B总线技术,并且将发控系统对共架发射的筒弹的接口、发控系统所提供的电源标准化、通用化,满足共架发射的导弹及其贮运发射筒的供电发射需要,从而加快了火控系统对垂发内导弹的信息传输速度,提高了发控系统的性能,为国产第三代新垂发实现可控制多种导弹型号的通用化发控单元奠定了基础。

  随使国产第三代新垂发的装备,中国新型驱逐舰在装载武器种类、数量、火力密度大幅提高,实现了全方位攻防能力。而由于有着优秀的设计架构,国产第三代新垂发也将会随着中国不断涌现的新型舰载导弹,迸发出更加旺盛的生命力。

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