導(dǎo)彈發(fā)射裝置單筒方案探討

張曉東，陳軍峰

（1．海軍裝備部，北京100841;2．中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，河南鄭州 450015）

1 導(dǎo)彈發(fā)射裝置傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介

導(dǎo)彈發(fā)射裝置的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)為雙筒結(jié)構(gòu)，即主要由內(nèi)筒、外筒及相應(yīng)的筒間密封裝置組成。外筒上、下部與耐壓殼體焊接，內(nèi)筒為懸掛式或懸浮式結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外筒間以允許有一定位移量并具有密封功能的密封環(huán)連接。

以懸掛式結(jié)構(gòu)為例，該種結(jié)構(gòu)發(fā)射裝置有以下特點(diǎn):

1）懸掛式內(nèi)筒為“柔性體”，筒間減震墊與減震適配器組成兩級水平減震系統(tǒng)，以滿足沖擊振動負(fù)荷對導(dǎo)彈的作用。

2）由于內(nèi)筒已具有水氣密作用，布置在筒間的電氣設(shè)備，對水密性能不需要做過多考慮。

3）若內(nèi)筒意外進(jìn)水（或發(fā)射工質(zhì)氣體），外筒還具有第二道屏障作用（筒間密封環(huán)以下部分除外，因該部分只有外筒），從而在一定程度上增大了彈艙內(nèi)部的安全性。

2 單筒方案的提出及特點(diǎn)

2.1 必要性分析

雙筒結(jié)構(gòu)存在如下問題:

1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜。開孔多，而且很多是雙重開孔，特別是需要對彈操作的開孔，在外筒上也要留出相應(yīng)開孔，如檢查孔、空調(diào)孔等;串聯(lián)接口多，敷設(shè)在內(nèi)筒外壁上的橡膠軟管和電纜，除一端需要和內(nèi)筒的連接保持密封外，另一端還要保持和外筒的密封連接，因而增加了系統(tǒng)的串聯(lián)接口，不僅增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，降低了操作的可達(dá)性，也增加了安裝和操作難度，降低了系統(tǒng)的可靠性。

2）質(zhì)量、體積大。作為發(fā)射裝置的主體，發(fā)射筒雙筒結(jié)構(gòu)大大增加了裝置的體積和整體外形尺寸，并增加了外筒的孔蓋及眾多管路、電纜的穿壁結(jié)構(gòu)，這些因素加在一起使發(fā)射裝置總體質(zhì)量大大增加。

3）空間利用率低。由于采用雙筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外筒之間除需要布置若干筒間減震墊以滿足水平減震要求外，還需要布置空調(diào)管、注水管等多條管路及電纜，故雙筒間距不能太?。ㄖ辽傩枰菅b軟管、電纜，安裝筒間密封環(huán)），從而造成內(nèi)、外筒內(nèi)徑差較大，因而橫向空間利用率較低。

4）筒間管路和電纜總裝可達(dá)性差，安裝難度大，維修困難。按照導(dǎo)彈的要求，在內(nèi)筒內(nèi)部需要保持適當(dāng)?shù)臏亍穸?，空調(diào)管路需要較大通徑以滿足氣體對管路的流量要求，而其安裝則受到筒間距離的嚴(yán)格限制，因而總裝難度大大增加。若筒間軟管或某些電纜意外損壞，維修性極差或不可維修，即便采用特殊方法進(jìn)行維修，維修后的性能也難以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，不能完全滿足使用要求。

5）全筒（主要指內(nèi)筒）氣密檢查直觀性差。在做全筒氣密檢查時(shí)（指關(guān)閉筒蓋，封閉內(nèi)筒壁上所有開孔或通道，對發(fā)射工質(zhì)氣體作用的內(nèi)筒及筒間密封環(huán)以下的外筒內(nèi)部充氣檢查），除外筒底段外，只能通過壓力變化判斷發(fā)射筒是否漏氣，這就造成即使某些開孔密封面出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，由于外筒的存在不能直接觀察漏氣點(diǎn)可能導(dǎo)致誤判誤查，從而在一定程度上影響了檢查的直觀性和判斷的準(zhǔn)確性。

6）造價(jià)及全壽命周期費(fèi)用昂貴。發(fā)射筒的主體材料是以昂貴的專用高強(qiáng)度鋼組成，由于采用雙筒結(jié)構(gòu)，材料用量相對較大，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修困難，制造、維修費(fèi)用增加，因而不僅造成全套導(dǎo)彈發(fā)射裝置造價(jià)高昂，也使系統(tǒng)的全壽命周期費(fèi)用相應(yīng)增加。

2.2 可行性探討

由以上論述可以看出，雙筒結(jié)構(gòu)的發(fā)射裝置的確存在著一些不足，根據(jù)以上分析，提出了如下2種單筒方案:

1）懸掛式單筒方案

艙內(nèi)保留外筒底段的單筒結(jié)構(gòu)，舷外部分為懸掛式雙筒結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 導(dǎo)彈發(fā)射裝置單筒方案1Fig．1Single launcher tube program of missile launching system（one）

考慮到艙內(nèi)支承環(huán)以上外筒部分不受發(fā)射壓力和極限潛深下的海水壓力作用，艙內(nèi)外筒底段（指筒間減震墊以下部分）為單筒結(jié)構(gòu)，艙外部分為懸掛式雙筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒懸掛基體—艙外部分的“外筒”或稱“杯形管節(jié)”作為潛艇導(dǎo)彈艙的承力構(gòu)件。內(nèi)筒采用法蘭結(jié)構(gòu)懸掛在外筒筒口，水平減震系統(tǒng)采用減震適配器與筒間減震墊組成的兩級水平減震方案，取消艙內(nèi)筒間減震墊以上的外筒筒體，只保留艙外及筒間減震墊以下部分，原筒間密封環(huán)及減震墊位置不變，內(nèi)筒外壁上敷設(shè)的降噪保溫墊不變，筒蓋及筒口水密裝置與發(fā)射筒接口不變。

該種方案有如下幾個(gè)主要特點(diǎn):

①結(jié)構(gòu)大大簡化，系統(tǒng)可靠性增加，操作方便。取消艙內(nèi)筒間減震墊以上的外筒后，該部分外筒上的某些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的開孔隨之取消，而空調(diào)管、注水管等管路及電纜在去掉與外筒連接的穿壁結(jié)構(gòu)后，連接形式也將得到簡化和改善。

②質(zhì)量大幅度減輕。據(jù)粗略估算，每套發(fā)射裝置質(zhì)量可以減輕約30%，由于發(fā)射裝置數(shù)量多，全艇減小的質(zhì)量總數(shù)就很可觀，這對提高潛艇的整體性能將十分有利。

③空間利用率提高。隨著艙內(nèi)減震墊以上外筒的取消，一方面，該部分孔蓋開蓋所用空間將全部省出，另一方面，原需穿過外筒的轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)將變得簡單，尺寸也將相應(yīng)減小，發(fā)射筒的外部實(shí)際占用空間減小，因此發(fā)射裝置空間利用率將得到相應(yīng)提高。

④操作可達(dá)性好，安裝、維修方便。以空調(diào)管路的安裝為例，當(dāng)采用雙筒結(jié)構(gòu)時(shí)，由于通徑大，外筒壁上開孔又小，出外筒接頭無法拉出筒外，安裝時(shí)需要在狹小的內(nèi)、外筒間內(nèi)使內(nèi)、外聯(lián)接法蘭對準(zhǔn)，對本來有一定柔性的空調(diào)軟管的長度公差要求極為苛刻，而且安裝時(shí)不能目視而只能憑感覺，操作不便，安裝難度極大。使用中如果發(fā)現(xiàn)軟管本體或與內(nèi)筒連接處漏氣，則除了拔出內(nèi)筒外，極難維修。若去掉外筒，上述裝配時(shí)出現(xiàn)的情形將會完全避免或可得到很大改善，在局部結(jié)構(gòu)經(jīng)過簡單調(diào)整后，管路的維修將不再需要拔出內(nèi)筒就可以實(shí)施，因而系統(tǒng)的維修性將會得到質(zhì)的改善。同時(shí)，該方案也有利于導(dǎo)彈測控電纜的安裝和維修。

⑤全筒氣密檢查直觀。在做全筒氣密檢查時(shí)，除通過壓力表讀數(shù)變化判斷是否漏氣外，還可以通過視覺、聽覺和觸覺器官直接觀察，因而判斷迅速、準(zhǔn)確、直觀。

⑥造價(jià)降低。每套發(fā)射裝置質(zhì)量減輕30%左右，可節(jié)約大量材料費(fèi)用。另外，部分外筒取消后，筒上結(jié)構(gòu)得到簡化或改善，如筒間軟管的長度公差要求可以放寬，成品報(bào)廢率將大大減小，加工制造費(fèi)用也將大幅度降低。這些措施實(shí)施后，全部發(fā)射裝置節(jié)約的成本總和將十分可觀。

該方案保留了內(nèi)筒的懸掛方案，保留了“柔性”內(nèi)筒，水平減震系統(tǒng)由減震適配器與筒間減震墊兩級組成，在極限潛深下發(fā)射裝置受艇體變形影響小。當(dāng)潛艇處于極限潛深時(shí)耐壓殼體受壓，使發(fā)射筒產(chǎn)生彈性變形，由于內(nèi)筒實(shí)際上是懸掛在艙外外筒上的“柔性體”，該變形不會傳遞給導(dǎo)彈。此時(shí)其外壁一般不再適合作為與艇體相對固定設(shè)備的基座，當(dāng)必須作為基座時(shí)，該設(shè)備需要以柔性形式與艇體連接。

2）固定式單筒方案

艙內(nèi)、外全部為單筒結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 導(dǎo)彈發(fā)射裝置單筒方案2Fig．2Single launcher tube program of missile launching system（two）

該方案為完全取消外筒，只保留內(nèi)筒作為惟一發(fā)射筒。由于減震適配器本身已能完成水平減震要求，實(shí)際上不需要采用懸掛方案的兩級水平減震系統(tǒng)，因此，不保留“柔性”內(nèi)筒及減震墊的減震功能，而只采用減震適配器一級水平減震系統(tǒng)方案是完全可行的。該方案總體特點(diǎn)是發(fā)射筒筒底及上部與潛艇的耐壓殼體焊接，在發(fā)射筒外壁上全部敷設(shè)保溫降噪層，保留筒蓋圍欄與發(fā)射筒的法蘭聯(lián)接形式，聯(lián)接面以下的發(fā)射筒不分段，發(fā)射裝置的其余部分基本不變。該方案利用單一的發(fā)射筒既能承受發(fā)射壓力和極限潛深下的海水壓力作用，又能作為潛艇彈艙的承力構(gòu)件。

該方案主要特點(diǎn)如下:

①結(jié)構(gòu)得到徹底簡化，系統(tǒng)可靠性增加，操作更加方便。與雙筒方案相比，外筒取消后，外筒壁上的所有開孔將隨之全部取消，而空調(diào)管、注水管等管路及電纜去掉與外筒連接的穿壁結(jié)構(gòu)后，結(jié)構(gòu)也會得到簡化或改善。

②質(zhì)量得到最大限度減輕。據(jù)粗略估算，每套發(fā)射裝置質(zhì)量可以減少約50%，由于發(fā)射裝置數(shù)量多，因而全艇減小的總質(zhì)量將非?？捎^，這對提高潛艇的整體性能將更為有利。

③空間利用率進(jìn)一步提高。隨著外筒的取消，外筒及其上孔蓋開蓋所用空間將全部省出，發(fā)射筒的外部實(shí)際占用空間更為減小，發(fā)射裝置空間利用率將得到進(jìn)一步提高。當(dāng)發(fā)射筒首、尾向間距不變時(shí)，彈艙總長亦可相應(yīng)減小，彈艙空間利用率也將隨之得到提高。

④可達(dá)性更好，安裝、維修更加方便。此特點(diǎn)同方案1基本相同，而范圍更加擴(kuò)大，包括了發(fā)射筒艙內(nèi)、外所有部分。

⑤全筒氣密檢查更加直觀。在做全筒氣密檢查時(shí)，除通過壓力表讀數(shù)變化判斷是否漏氣外，所有接口均可以通過眼、耳、手等器官直接觀察，因而判斷迅速、準(zhǔn)確，更加直觀。

⑥造價(jià)更低。每套發(fā)射裝置質(zhì)量減輕約40%，可節(jié)約的材料費(fèi)用更多，外筒取消后，筒上結(jié)構(gòu)得到徹底簡化或改善，加工制造費(fèi)用也將降至最低。由此帶來發(fā)射裝置的總體造價(jià)將大幅度降低。

固定式單筒方案只采用減震適配器一級水平減震系統(tǒng)方案，與雙筒方案相比變化較大。結(jié)構(gòu)上的主要變化是在發(fā)射筒的外壁上全部敷設(shè)保溫降噪層，保留筒蓋圍欄與發(fā)射筒的法蘭聯(lián)接形式，聯(lián)接面以下的發(fā)射筒不分段，內(nèi)壁需要機(jī)加工，發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)上可以實(shí)現(xiàn)。由于單筒與耐壓殼體焊接為一體，當(dāng)潛艇處于極限潛深時(shí)耐壓殼體受壓，使發(fā)射筒產(chǎn)生一定的彈性變形，該變形可能會傳遞到導(dǎo)彈上并造成危害，為了消除這種危害，需要調(diào)整適配器的適配量以滿足發(fā)射筒最大變形時(shí)的適配要求，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，必要時(shí)可采取適當(dāng)措施提高發(fā)射筒的剛度。

當(dāng)內(nèi)筒內(nèi)徑尺寸不變時(shí)，垂直減震裝置支承基座還需要進(jìn)一步小型化設(shè)計(jì)，發(fā)射裝置的初始容積將會有所減小，據(jù)估算，這種改變不會影響發(fā)射動力系統(tǒng)的性能。此時(shí)，發(fā)射筒上、下部分別與耐壓殼體焊接固定，其外壁仍然適合作為筒上設(shè)備的基座。

3 主要研究內(nèi)容

與雙筒結(jié)構(gòu)相比，單筒方案需要共同研究的內(nèi)容如下:

1）發(fā)射筒上個(gè)別設(shè)備的局部加強(qiáng)問題。隨著外筒的局部（方案1）或全部取消（方案2），發(fā)射筒的薄弱結(jié)構(gòu)需要加強(qiáng)，可以有效彌補(bǔ)單筒結(jié)構(gòu)的不足。

2）筒上設(shè)備開放式連接結(jié)構(gòu)研究。主要是研究如何簡化或改善筒上設(shè)備與艇上設(shè)備的連接方法和形式。

3）發(fā)射裝置可靠性、維修性、安全性設(shè)計(jì)研究。主要研究通過綜合考慮，解決在各部分結(jié)構(gòu)簡化、有利于操作和維修的同時(shí)不降低整體性能，尤其是發(fā)射裝置的可靠性和安全性。

4）發(fā)射裝置與艇上設(shè)備的匹配性研究。主要研究隨著結(jié)構(gòu)的變化帶來某些接口尺寸或位置的變化。

此外，對于方案1，還需要進(jìn)行筒上設(shè)備安裝基體研究。對于方案2，還需要開展以下研究:

1）極限潛深下潛艇耐壓殼體變形對發(fā)射筒及導(dǎo)彈的影響關(guān)系;

2）艙外發(fā)射筒的降噪保溫技術(shù);

3）垂直減震裝置小型化;

4）發(fā)射裝置的初始容積減小后滿足發(fā)射內(nèi)彈道要求;

5）艙外的管路、電纜等設(shè)備的穿艙技術(shù)。

4 關(guān)鍵技術(shù)及其解決方案

方案2還需要解決以下關(guān)鍵技術(shù):

1）極限潛深下潛艇耐壓殼體變形對發(fā)射筒及導(dǎo)彈的影響關(guān)系研究。潛艇在極限潛深狀態(tài)時(shí)耐壓殼體受壓，使發(fā)射筒產(chǎn)生彈性變形，通過計(jì)算機(jī)建立仿真力學(xué)模型，可以準(zhǔn)確計(jì)算出最大變形量，并與適配器的壓縮適配量綜合考慮，必要時(shí)可采取適當(dāng)?shù)拇胧┨岣甙l(fā)射筒的剛度以控制該變形量，以消除極限潛深下潛艇耐壓殼體變形對發(fā)射筒及導(dǎo)彈的影響。

2）艙外發(fā)射筒的降噪保溫技術(shù)研究。由于發(fā)射筒在艙外長期浸泡于海水中，因此，直接采用普通的粘彈性降噪保溫墊是不可行的，因?yàn)樵搲|有吸水作用，吸水后不易起到保溫作用。因此可以考慮在發(fā)射筒外壁先粘貼一層隔熱性能良好的復(fù)合材料（如玻璃鋼），外面再粘貼一層艇體外消音瓦的方案，以分別滿足隔熱和降噪要求。

3）垂直減震裝置小型化研究。發(fā)射筒全部采用單筒后，筒底部安裝空間將相對減小，支承環(huán)和減震器要小型化，減震器和歸零壓機(jī)只能非對稱布置，減震性能和歸零性能也需要進(jìn)一步研究。

4）發(fā)射裝置的初始容積減小后對發(fā)射內(nèi)彈道的影響研究。單筒方案將帶來筒底部初始容積的相對減小，對動力系統(tǒng)內(nèi)彈道將產(chǎn)生一定的影響，對此需要進(jìn)行分析計(jì)算并采取有效措施，以滿足導(dǎo)彈的內(nèi)彈道參數(shù)要求。

5 單筒方案應(yīng)用前景展望

通過以上分析可以得出結(jié)論，在設(shè)計(jì)中采用單筒方案將進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)射裝置的整體結(jié)構(gòu)，提高其總體性能。值得注意的是，本文所述2種方案在實(shí)際工程研制的應(yīng)用上也要根據(jù)具體情況有所側(cè)重。

當(dāng)用于改裝在造產(chǎn)品或研制其改進(jìn)型產(chǎn)品時(shí)，推薦采用第1種方案。該方案可以在彈、筒接口基本不變，艇、筒接口不做大的調(diào)整的前提下，大幅度減輕發(fā)射裝置的總質(zhì)量，并且基本不需要新技術(shù)。在根據(jù)使用工況對個(gè)別環(huán)節(jié)局部加強(qiáng)后，該方案不會降低整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和安全性，卻能在總裝時(shí)的可達(dá)性、使用中的維修性等方面得到很大改善，從而有效降低發(fā)射裝置的全壽命周期費(fèi)用。

當(dāng)用于新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)，建議采用第2種方案。該方案可以使發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)得到徹底簡化，系統(tǒng)可靠性進(jìn)一步增加，操作更加方便，質(zhì)量得到最大限度的減輕，空間利用率大大提高，可達(dá)性更好，安裝、維修更加方便。利用該方案可使導(dǎo)彈潛艇在耐壓殼體直徑不變的前提下，彈艙的發(fā)射裝置也能容裝直徑更大的導(dǎo)彈，因此具有廣闊的應(yīng)用前景和深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

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［4］海軍裝備論證研究中心．美國海軍武器裝備手冊［M］．北京:解放軍出版社，2000．

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