同心發(fā)射筒研究現(xiàn)狀

邊金堯，徐松林，錢海鷹

(中國人民解放軍91550部隊，遼寧 大連 116023)

0 引言

同心筒式垂直發(fā)射裝置(Concentric canister launcher，CCL)作為一種結(jié)構(gòu)簡單、高發(fā)射速度、能增大艦載攻/防導(dǎo)彈載彈量且不受發(fā)射扇面約束的發(fā)射裝置，具有壽命周期成本低、人員配備少、體積小、質(zhì)量輕、造價更低等優(yōu)點，有望用于突擊作戰(zhàn)、地面攻擊、防空作戰(zhàn)、艦艇自衛(wèi)作戰(zhàn)、反潛戰(zhàn)、水面作戰(zhàn)及海軍水面火力支援作戰(zhàn)等不同場合，已成為潛、艦載導(dǎo)彈武器發(fā)射系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。

同心筒式垂直發(fā)射裝置實際上是由垂直熱發(fā)射裝置發(fā)展而來的，其最大的優(yōu)點是每個發(fā)射筒都自成系統(tǒng) (自帶排焰通道)，可以獨立地完成從儲運到發(fā)射的全過程，而不需要其他輔助設(shè)備。同心筒式垂直發(fā)射裝置由同心發(fā)射筒、分布式電氣設(shè)備和艦載武器模塊3部分組成，其關(guān)鍵技術(shù)是同心發(fā)射筒結(jié)構(gòu)技術(shù)、自主折轉(zhuǎn)燃氣流排導(dǎo)與防護技術(shù)，以及分布式“即插即用”式電子控制技術(shù)。

本文從結(jié)構(gòu)組成、工作原理、多筒布局方案來介紹同心發(fā)射筒，并從發(fā)展方向、燃氣流排導(dǎo)方案、導(dǎo)流板設(shè)計和燃氣開蓋技術(shù)等方面闡述燃氣流排導(dǎo)的研究成果，建議我國發(fā)展同心筒式垂直發(fā)射裝置。

1 同心發(fā)射筒

1.1 單筒主要組成和排燃原理

自力發(fā)射導(dǎo)彈所使用的同心筒以結(jié)構(gòu)簡單而著稱，其結(jié)構(gòu)包括約束導(dǎo)彈的內(nèi)筒、約束排焰的外筒、實現(xiàn)燃氣轉(zhuǎn)向的半球形端蓋、可調(diào)節(jié)的推力增大器和內(nèi)外筒間的聯(lián)接件——縱梁，如圖1所示［1］。具有不同功能的內(nèi)筒布置示意圖如圖2所示。同心筒的內(nèi)筒和外筒是2個同心圓筒，其中內(nèi)筒對導(dǎo)彈起支撐和導(dǎo)向作用。縱梁對內(nèi)筒起支撐作用，也是外筒與內(nèi)筒間的連接部件。內(nèi)筒、外筒與縱梁所圍起來的空間構(gòu)成了火箭熱力發(fā)射時的燃氣排導(dǎo)通道(簡稱燃氣道)。同心筒底部的半球形端蓋對火箭燃氣起導(dǎo)向作用，為了減輕重量，將端蓋做成半球形。通過調(diào)節(jié)同心筒內(nèi)筒底板上推力增大器開孔大小，可實現(xiàn)對燃氣排放推力的控制。

當(dāng)導(dǎo)彈發(fā)動機工作時，高速高溫燃氣流流經(jīng)推力增大器，在導(dǎo)流端蓋處轉(zhuǎn)向180°反流向上流向內(nèi)、外筒之間的燃氣排導(dǎo)通道，并從同心發(fā)射筒上端排出。改變內(nèi)筒底板處推力增大器孔口的大小可控制燃氣排放產(chǎn)生的推力［2－3］。

1.2 多筒

1.2.1 布局方案

為了提高火力密度和戰(zhàn)斗力，可以利用CCL自帶燃氣排導(dǎo)通道的特點容易地實現(xiàn)一筒/箱多彈，即在同一發(fā)射單元可以裝載1個大型的CCL發(fā)射筒，也可以裝載多個小型CCL發(fā)射筒。當(dāng)采用方形或圓形截面發(fā)射單元時，可供選擇的一筒/箱多彈方案包括:2合1方案、3合1方案和4合1方案。各方案的可行性圖解如圖3和圖4所示。從圖3可知，當(dāng)選擇方形發(fā)射單元時，一筒/箱多彈的3合1方案存在結(jié)構(gòu)干涉，此方案不可行，而2合1方案和4合1方案具有可行性。從圖4可知，當(dāng)選擇圓形發(fā)射單元時，一筒/箱多彈的2合1方案、3合1方案和4合1方案均具有可行性。假設(shè)大型CCL發(fā)射筒外徑為D，小型的CCL發(fā)射筒外徑為d，根據(jù)幾何關(guān)系可得大發(fā)射筒和小發(fā)射筒間的尺寸關(guān)系 (見表1)。

表1 大發(fā)射筒和小發(fā)射筒間的尺寸關(guān)系Tab.1 Size relation between large and small launching-canisters

從表1可知，在一筒/箱多彈方面，方形發(fā)射單元只有2種組合，圓形發(fā)射單元可以容納3種組合。當(dāng)大型CCL發(fā)射筒外徑相同時，方形發(fā)射單元能容納的小CCL外徑尺寸大于圓形發(fā)射單元所能容納的小CCL外徑尺寸。因此，相對而言，方形發(fā)射單元可以裝載較大的導(dǎo)彈，換句話說，如果導(dǎo)彈尺寸一樣的話，方形發(fā)射單元的占用面積較小;而圓形發(fā)射單元可以獲得較大的靈活性，除了一筒/箱一彈方式以外，其余方式所容納的導(dǎo)彈尺寸都偏小。從通用化和的標(biāo)準化等實際應(yīng)用角度考慮，裝載較大的導(dǎo)彈比裝備更多尺寸種類的發(fā)射筒更有意義。

1.2.2 布局實例

同心發(fā)射筒結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間少，安裝數(shù)量靈活，適裝性強，多采用陣列形式［4］組成同心筒式垂直發(fā)射裝置模件，裝備于船舶甲板上，如圖5所示。由于每個同心發(fā)射筒獨立完成燃氣排導(dǎo)，因而對鄰近導(dǎo)彈發(fā)射筒沒有任何影響，圖6為英國“海狼”導(dǎo)彈發(fā)射實況?！昂＠恰睂?dǎo)彈的垂直發(fā)射筒既是發(fā)射管又是貯運包裝箱，具有重量輕、結(jié)構(gòu)堅固、可重復(fù)使用等特點?！昂＠恰睂?dǎo)彈垂直發(fā)射裝置在設(shè)計上將4個排氣道分布在導(dǎo)彈的4個彈翼之間，實現(xiàn)燃氣排導(dǎo)系統(tǒng)與貯運發(fā)射箱的一體化設(shè)計，不僅簡化了燃氣排導(dǎo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，而且使整個發(fā)射裝置體積小、重量輕、適裝性好。該種發(fā)射裝置可以1個發(fā)射箱為單元組合出多種配置形式，靈活布置于機庫兩側(cè)或上層建筑。

2 燃氣流排導(dǎo)

在同心發(fā)射筒發(fā)射導(dǎo)彈過程中，發(fā)動機噴出的高溫、高速和高質(zhì)流量的氣－固兩相燃氣要經(jīng)過燃氣流排導(dǎo)系統(tǒng)才能排入大氣，而保證發(fā)射筒及發(fā)射平臺的安全。因此，燃氣流排導(dǎo)是同心發(fā)射筒的關(guān)鍵技術(shù)。英國的同心筒式發(fā)射裝置已成功裝備部隊，但未檢索到國外有關(guān)燃氣流排導(dǎo)的研究成果。由于我國在同心筒式發(fā)射裝置研究方面起步較晚，目前在同心發(fā)射筒燃氣流排導(dǎo)方面檢索到多為科研性成果，尤其以北京理工大學(xué)的研究成果居多。

2.1 發(fā)展方向

2001年，92941部隊的谷榮亮［5］從箱式垂直發(fā)射系統(tǒng)燃氣流的危害和基本特征分析了合理排導(dǎo)燃氣的必要性，比較了內(nèi)導(dǎo)流和外導(dǎo)流2種燃氣流排導(dǎo)方式，指出燃氣流外排導(dǎo)的局限性，認為燃氣流內(nèi)排導(dǎo)由于具備結(jié)構(gòu)簡單、空間利用率高、通用性強、安全性高等優(yōu)點，適合于垂直發(fā)射燃氣流的合理排導(dǎo);尤其是同心筒式發(fā)射裝置燃氣流的排導(dǎo)將成為箱式垂直發(fā)射系統(tǒng)燃氣流排導(dǎo)的發(fā)展方向。

2007年，鄭州機電工程研究所的韓煜宇等［6］從結(jié)構(gòu)特性入手對燃氣流公共排導(dǎo)和同心筒式燃氣排導(dǎo)的性能進行了分析比較，指出公共排導(dǎo)發(fā)射裝置在適裝性、備彈量等方面有一定優(yōu)勢，同時通過多年的研制和改進，公共排導(dǎo)發(fā)射裝置的可靠性、安全性指標(biāo)現(xiàn)在也己達到了較高水平;而同心筒技術(shù)在燃氣排導(dǎo)性能、可靠性、安全性等方面占優(yōu)，且綜合成本較低。并提出，在選擇技術(shù)方案時不但要考慮到2種發(fā)射技術(shù)自身的性能特點，還要綜合考慮到具體的使用環(huán)境，如艦艇的類型、艦上的安裝位置等諸多因素。

從兩位學(xué)者的研究成果可知，前者提到的燃氣外排導(dǎo)與后者提到的燃氣公共排導(dǎo)都是以美國的MK41為例進行分析的，指出了其優(yōu)缺點;而同心筒技術(shù)作為新興種垂直發(fā)射技術(shù)在性能上明顯占優(yōu)，將成為導(dǎo)彈垂直熱發(fā)射的重點發(fā)展方向。

2.2 燃氣排導(dǎo)方案

2004年，北京理工大學(xué)機電工程學(xué)院的傅德彬等［7］采用數(shù)值模擬方法，對影響同心筒自力發(fā)射排氣效果的內(nèi)外筒間隙、內(nèi)筒收縮段和頭部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)等因素進行分析，并提出了優(yōu)化設(shè)計方案。結(jié)果表明，合適的內(nèi)外筒間隙是燃氣流排導(dǎo)的關(guān)鍵;利用發(fā)射筒底部的內(nèi)筒收縮段可以有效改善燃氣排導(dǎo)效果;采用發(fā)射筒頭部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)可以有效改善抽吸作用對導(dǎo)彈發(fā)射環(huán)境的影響。2005年，苗佩云等［8］指出，保證燃氣流的高度欠膨脹狀態(tài)是確定合理內(nèi)外筒間隙值的條件;為降低對發(fā)射筒的沖擊力可在筒底安裝導(dǎo)流錐。

2007年，姜毅等［9］指出，內(nèi)筒尾部設(shè)計收縮段可對反射燃氣流起到遮擋作用，使溫度相對較低的空氣能夠在筒內(nèi)停留較長時間;在筒口加設(shè)計導(dǎo)流段可將燃氣導(dǎo)向周圍讓出導(dǎo)彈飛行通道，還可以降低筒口引射作用，減少筒底燃氣反射，可以達到減少從筒口抽吸入燃氣的量，降低導(dǎo)彈與內(nèi)筒間氣體溫度，有效改善導(dǎo)彈發(fā)射環(huán)境。鄭州機電工程研究所的何朝勛等［10］指出，隨著內(nèi)外筒間隙的增大，燃氣排導(dǎo)變得更順暢;導(dǎo)流格柵結(jié)構(gòu)僅對導(dǎo)流型面上部空間的流場有影響;導(dǎo)流格柵結(jié)構(gòu)、導(dǎo)流型面和底座高度對遠離導(dǎo)流型面的排煙道流場影響很小;隨著底座高度的增加，正沖點處的壓力和溫度值降低。

哈爾濱工程大學(xué)航天工程系的熊永亮等［11］指出，當(dāng)欠膨脹噴管流加速噴出時，燃氣射流因沖擊內(nèi)筒壁而形成撞擊激波。在較強的撞擊激波作用下燃氣流向彈體形成燒蝕彈體的旁泄流。導(dǎo)彈在同心發(fā)射筒內(nèi)發(fā)射瞬態(tài)過程的數(shù)值模擬結(jié)果表明:當(dāng)筒口氣流雍塞時，就會有旁泄流產(chǎn)生;而當(dāng)筒口不出現(xiàn)雍塞時，旁泄流明顯減弱。

2.3 沖擊效應(yīng)

2007年，北京理工大學(xué)宇航學(xué)院的藺翠郎等［12］針對艦載導(dǎo)彈同心筒發(fā)射裝置，考慮了發(fā)射筒結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，燃氣流的高溫、高速等特點，以及筒內(nèi)燃氣流場流動與換熱的強耦合性，建立了燃氣流與發(fā)射筒間的換熱模型。通過對筒內(nèi)燃氣流場的全流場非穩(wěn)態(tài)的數(shù)值模擬，得到了鉻鎳耐熱鋼筒壁處具有很大梯度的燃氣溫度，最高達2744 K。這個溫度場的非穩(wěn)態(tài)特性在筒壁上產(chǎn)生了嚴重的熱沖擊，從而引起對材料強度和剛度具有很大影響的熱應(yīng)力/應(yīng)變。

2011年，馬艷麗等［13］為研究導(dǎo)彈發(fā)射過程中燃氣射流對同心筒和彈體的熱沖擊和動力沖擊效應(yīng)，計算了含Al2O3顆粒的氣－固兩相流場的壓強和溫度，并將計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進行了對比，一致性較好。發(fā)射過程中燃氣射流給后端蓋造成了嚴重的沖刷和燒蝕。增加內(nèi)外筒間隙，內(nèi)筒溫度先變小后變大。在導(dǎo)彈發(fā)動機噴管出口遠離后端過程中，后端蓋處的壓強逐漸降低。

2.4 燃氣降溫度

2005年，北京理工大學(xué)機電工程學(xué)院的苗佩云等［8］對燃氣降溫提出了2種方案:一是改進發(fā)射筒結(jié)構(gòu)使筒內(nèi)流場溫度分布均勻，避免產(chǎn)生高溫區(qū);二是在發(fā)射筒底預(yù)先注入一定量的冷卻水，當(dāng)導(dǎo)彈點火時高溫燃氣的熱量被冷卻水吸收，達到對燃氣降溫的目的，但未對水降溫效果進行分析。

為解決同心筒垂直熱發(fā)射裝置的導(dǎo)彈在發(fā)射過程中承受溫度過高的問題，2010年，馬艷麗等［14］提出一種在同心筒底部設(shè)置水室的濕式發(fā)射方式，在發(fā)射時或發(fā)射前一段時間往水室注入液態(tài)水，發(fā)射時通過水室中的液態(tài)水汽化吸熱來降低導(dǎo)彈表面的溫度。數(shù)值計算結(jié)果表明，采用標(biāo)準同心筒時，導(dǎo)彈在筒內(nèi)外運動過程中表面溫度始終都很高;采用引射同心筒時，導(dǎo)彈在筒內(nèi)運動時表面溫度較低，出筒后溫度升高;而采用濕式同心筒時，水的汽化降溫作用使得導(dǎo)彈在整個運動過程中表面溫度均較低。

2.5 導(dǎo)流板設(shè)計

在同心筒發(fā)射導(dǎo)彈過程中，從燃氣流排導(dǎo)系統(tǒng)排出的高溫燃氣在抽吸作用進入內(nèi)筒，從而使導(dǎo)彈周圍溫度過高，很容易造成彈體燒蝕。為使已排出發(fā)射筒的高溫燃氣不進入內(nèi)筒，可在同心發(fā)射筒口對高溫燃氣進行導(dǎo)流。2006年，哈爾濱工程大學(xué)的楊春英等［15］研究了在同心發(fā)射筒口加弧形導(dǎo)流板的方式，提出了一種有效改善筒內(nèi)熱環(huán)境的導(dǎo)流板形式，并推薦導(dǎo)流板距筒口的最佳距離在0.5～2倍于內(nèi)外筒間隙比較合適。由于筒口導(dǎo)流板設(shè)計引進了外界冷空氣，內(nèi)外筒間隙燃氣的溫度顯著下降。這樣就避免了同心筒發(fā)射過程中，導(dǎo)彈周圍處于燃氣流中，較高溫度的惡劣環(huán)境對導(dǎo)彈儀器的不良影響。

2.6 開蓋技術(shù)

采用同心筒發(fā)射的導(dǎo)彈，通常在發(fā)射筒內(nèi)就開始對目標(biāo)進行搜索，所以采取撞擊或炸碎方式的開蓋方式，會對導(dǎo)彈導(dǎo)引部分產(chǎn)生不良影響。同心筒發(fā)射時排放到空中的燃氣具有較強的能量，可以為燃氣開蓋提供動力。因此同心筒發(fā)射導(dǎo)彈時選擇自動開蓋［16］。

在國外，以色列的Viper導(dǎo)彈采用燃氣壓力將蓋整體吹向一邊的整體拋蓋式開蓋;俄羅斯的C－300導(dǎo)彈采用燃氣將箱蓋吹碎成數(shù)小塊后向各方向拋出的氣碎蓋式開蓋［17］。在國內(nèi)，北京理工大學(xué)機電工程學(xué)院的苗佩云等［18］于2004年分析了4種燃氣開蓋方案:易碎蓋方案、內(nèi)外筒偏心蓋方案、半導(dǎo)流錐方案和各向異性材料發(fā)射筒蓋方案，并用數(shù)值方法模擬了各種方案的筒內(nèi)復(fù)雜三維流場。計算結(jié)果表明，4種方案均具有可行性。經(jīng)試驗驗證，各向異性材料的發(fā)射筒蓋方案能按預(yù)先期望的方向整體飛出。

3 發(fā)展同心筒式垂直發(fā)射裝置的建議

同心筒式垂直發(fā)射裝置的設(shè)計思想源于1973～1974年間美國提出的“結(jié)構(gòu)簡單、高發(fā)射速度、能增大艦載攻/防導(dǎo)彈載彈量且不受發(fā)射扇面約束”的設(shè)計理念，具有壽命周期成本低、人員配備少、體積小、質(zhì)量輕、造價更低等優(yōu)點。為增強艦艇飽和攻擊能力和抗飽和攻擊能力，最大程度地提高艦艇載彈量和導(dǎo)彈發(fā)射速率，可以采用易進行標(biāo)準化、模塊化和通用化設(shè)計的同心發(fā)射筒發(fā)射裝置作為我國艦載導(dǎo)彈的新一代垂直發(fā)射技術(shù)。若將垂直發(fā)射裝置以隔艙形式沿艦船兩舷布置，為艦船提供一個防護殼體，阻止或減少外部爆炸的損壞，就可以避免甲板集中式彈庫被擊中后給艦船帶來的致命災(zāi)難，從而提高艦艇的生存能力。

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