艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置精確安裝與測量技術(shù)研究

何朝勛，劉俊州，張 宏，付廿立

(鄭州機(jī)電工程研究所，河南 鄭州450015)

0 前 言

導(dǎo)彈作為現(xiàn)代精確打擊武器的一種，在國家戰(zhàn)略中具有非常重要的地位。而其技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向則是提高打擊精確度。導(dǎo)彈通過垂直發(fā)射裝置進(jìn)行姿態(tài)定位和發(fā)射，發(fā)射裝置的安裝精度對導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)的初始精度造成影響，決定導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)的精確度和殺傷效能。

艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置是安裝在水面艦艇上用于儲存和發(fā)射艦用導(dǎo)彈的武器裝備，它是艦載導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的重要組成部分。導(dǎo)彈裝于儲運(yùn)發(fā)射筒（箱）中，與儲運(yùn)發(fā)射筒（箱）一起裝入垂直發(fā)射裝置的儲存位置，到位后，由發(fā)射裝置上的導(dǎo)軌以及壓緊機(jī)構(gòu)對儲運(yùn)發(fā)射筒（箱）進(jìn)行約束固定，使得發(fā)射筒（箱）中的導(dǎo)彈垂直度和方位與發(fā)射裝置導(dǎo)軌的垂直度以及方位保持一致。在導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)，依據(jù)導(dǎo)彈在垂直發(fā)射裝置的精度，艦導(dǎo)航系統(tǒng)以及雷達(dá)的相關(guān)信息等，對導(dǎo)彈進(jìn)行航姿裝訂，確保命中目標(biāo)。

導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置的精度直接影響著導(dǎo)彈發(fā)射初始彈道，因此導(dǎo)彈總體對發(fā)射裝置精度提出了很高要求。由于發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)龐大，其精度只能在車間總裝時(shí)采用測量儀器和測量工裝靠人工進(jìn)行測量和調(diào)整，確保精度控制在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，但是由于測量方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，調(diào)試難度大，效率低。

隨著艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置發(fā)射彈種的多樣性以及發(fā)射的多通道特征，使得船體結(jié)構(gòu)開口尺寸大、基座尺寸大且精度要求高，導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工中的精度控制非常困難，設(shè)備安裝難度逐漸變大，質(zhì)量控制難度提高，致使安裝調(diào)試周期長，效率不高?，F(xiàn)有的測量方法對環(huán)境條件及船體的姿態(tài)要求苛刻，即使在船臺上測量也必須在晚上進(jìn)行。在塢內(nèi)船處于半坐墩狀態(tài)時(shí)，由于對船體的姿態(tài)要求高，使得精度測量工作變得難以實(shí)施。

由于機(jī)械加工誤差影響，艦上安裝基座與基準(zhǔn)平臺之間存在水平誤差角，而出廠時(shí)導(dǎo)軌與發(fā)射裝置基準(zhǔn)面之間也存在垂直度誤差，從而使安裝后導(dǎo)軌與主基準(zhǔn)平臺之間存在垂直誤差角。同樣，由于導(dǎo)軌相對發(fā)射裝置基準(zhǔn)的方位誤差、安裝基座的方位誤差、安裝對準(zhǔn)工藝等因素使得發(fā)射裝置導(dǎo)軌方位與艦首尾線之間也存在方位誤差角。這些誤差可能會導(dǎo)致導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置安裝后的最終精度超差，因此必須在安裝過程中及時(shí)對這些誤差進(jìn)行測量，并根據(jù)測量結(jié)果對發(fā)射裝置的精度進(jìn)行精確調(diào)整，確保發(fā)射裝置安裝后的最終精度滿足要求。

艦船自身具有很高的強(qiáng)度和剛性，但畢竟不是一個(gè)絕對剛體。盡管在發(fā)射裝置的安裝部位一般都進(jìn)行加固，但在艦船自身載荷、海浪作用和溫度變化等外部環(huán)境及應(yīng)力作用下，船體仍將會發(fā)生幾何形變。為消減由船體變形給需要精確姿態(tài)信息的裝備帶來的誤差，在安裝基座附近設(shè)置了局部基準(zhǔn)，但是船體變形引起的垂直發(fā)射裝置導(dǎo)軌精度的變化，難以通過底部的局部基準(zhǔn)進(jìn)行精確補(bǔ)償，會對導(dǎo)彈的初始精度造成影響。若船體變形造成發(fā)射筒（箱）定位導(dǎo)軌精度超出設(shè)計(jì)指標(biāo)，則可能影響導(dǎo)彈命中精度。因此需要定期對發(fā)射裝置導(dǎo)軌的垂直度進(jìn)行檢測，在導(dǎo)彈初始航姿裝訂中提供合適補(bǔ)償，確保導(dǎo)彈的命中精度。由于海上動(dòng)態(tài)環(huán)境的復(fù)雜性，目前還沒有一種適用的進(jìn)行發(fā)射裝置精度測量的方法與裝置能完成測量工作。

1 國外發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

國外導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置在艦上的安裝，始于20世紀(jì)60年代末至70年代初。目前國外裝備量較大以及新型的導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置主要有美國的MK41，MK48，MK57以及歐洲的“席爾瓦”[1]。

MK41型導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置8個(gè)模塊在艦上的安裝空間如圖1所示，整個(gè)發(fā)射裝置基本都安裝于01甲板下的艙室中。發(fā)射裝置各模塊充氣增壓室底面上的安裝腳是通過機(jī)械襯墊和墊片安裝固定到艦船的相應(yīng)安裝基座上的。在用螺栓固定后，機(jī)械襯墊焊接到艦船安裝基座上。機(jī)械襯墊的平行度為0.05 mm。發(fā)射裝置各模塊艙口蓋總成邊緣利用厚1.9 cm、材料為HY-80合金鋼板與艦船的01甲板相連，連接方式為先螺接后焊接，以便水密，但發(fā)射裝置主要靠底部的安裝基座提供支撐。合金鋼板與發(fā)射裝置及艦艇01甲板的連接方式如圖2所示。發(fā)射裝置各模塊在艦上的安裝采用整體吊裝方式，即用吊車和專用吊具將模塊垂直吊入到艦艇的安裝位置[1]。吊裝時(shí)為保證發(fā)射裝置底部與彈庫安裝基座的精確對準(zhǔn)，在頂部的01甲板上開口采用了拉鋼琴絲法，橫向和縱向都用鋼琴絲拉緊，并用鋼板尺測量發(fā)射裝置頂部側(cè)面與鋼琴絲的對準(zhǔn)誤差，誤差在1/25 in（1 mm）以內(nèi)就可確保發(fā)射裝置底部的定位銷與安裝基座的銷孔對正，此時(shí)就可將模塊完全下放到位。

MK48導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置通過支撐結(jié)構(gòu)的側(cè)向安裝接口將發(fā)射裝置安裝到艦艇的艙壁上（見圖3），艦艇的連接部分設(shè)有緩沖機(jī)構(gòu)，以吸收艦艇的沖擊。要求安裝基座的垂直度相對與武器基準(zhǔn)平臺小于30′，并涂覆防止電化腐蝕的防腐劑，在安裝發(fā)射裝置情況下，艙壁的固有頻率大于20 Hz。MK57導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置也采用整體吊裝的方式進(jìn)行安裝（見圖4）?！跋癄柾摺苯Y(jié)構(gòu)類似MK41，在艦上的安裝采用整體吊裝的方式，其安裝后的方位誤差控制在1mrad以內(nèi)。

國外導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置安裝主要采用整體吊裝方式，在吊裝過程中在頂部采用鋼琴線和鋼板尺就可以確保發(fā)射裝置底部的定位銷和基座的銷孔配合，通過定位銷和銷孔的配合就可以保證安裝到位的方位精度。

在國外對于平面度的測量已經(jīng)有很多的研究。在測量的精度方面，德國蔡司公司生產(chǎn)的坐標(biāo)測量儀的精度可以達(dá)到0.9 μm，美國的Vannoni M使用斜入射的光波，采用迭代算法測量平面度，達(dá)到了4.7 nm的精度，耶魯大學(xué)的Garcia-Sanchez Daniel等設(shè)計(jì)了1套基于卡西米爾力的儀器和測量方案，實(shí)現(xiàn)了對微觀表面的平面度測量，測量精度達(dá)到了2 nm。在工業(yè)應(yīng)用方面，Lo S, Chiu J, Lin H.[2]提出過一種使用激光散斑結(jié)合數(shù)字圖像處理測量銑面平面度的方法。Babu G D,Babu K S, Gowd BUM 等[4]設(shè)計(jì)了 1 套用于檢測銑削表面平面度的機(jī)器視覺系統(tǒng)。瑞典Damalini公司生產(chǎn)有Easy-Laser系列激光對中儀系統(tǒng)，顯示單元內(nèi)置了全部軸對中和幾何測量程序，可以完成多種幾何測量。其中，D600-D670系列產(chǎn)品測量距離達(dá)到40 m測量精度為0.1 mm。美國光動(dòng)公司采用獨(dú)特的雙光束設(shè)計(jì)，研制出1套平面度測量系統(tǒng)，分辨率為0.01 μm，可以保證高準(zhǔn)確度的要求[5]。

近年來國外很多學(xué)者對各類平行度測量方法做了大量的研究和創(chuàng)新，面對面平行度公差的測量精度不斷提高。2009年，美國ZYGO公司推出了新型的大口徑Verifire MST系列波長移相干涉儀，利用波長可調(diào)的激光以及相應(yīng)的軟件算法，可同時(shí)測量多個(gè)面。2005 年，意大利的 Maurizio Vannoni和 Giuseppe Molesini提出一種利用ZYGO大口徑平面干涉儀來檢測平行平板平行度的方法[6]。2007年，Maurizio Vannoni與Roberto Bertozzi分別用機(jī)械探針和干涉儀測量了標(biāo)準(zhǔn)量塊的平行度[7]。2010年，Deepa Joshi等提出用高頻超聲波脈沖來測量平行平板類工件的平行度[8]。

按照測量原理來分，目前的垂直度的測量方法主要有2種方法：1）使用現(xiàn)有的儀器和帶指示器的測量架對基準(zhǔn)實(shí)際線和被測實(shí)際線進(jìn)行測量，這種方法操作簡單，適合中小零件以及短距離垂直度的測量；2）激光測量，這種方法主要采用夫瑯和費(fèi)單縫衍射原理，屬于非接觸測量，可以克服一般測量方法的缺欠，并具有測量裝置簡單、操作方便、測量結(jié)果精確度高等優(yōu)點(diǎn)。國外對平面度、平行度和垂直度的測量向著高精度、動(dòng)態(tài)、數(shù)字化方向發(fā)展，可自動(dòng)處理大量的測試數(shù)據(jù)。

2 國內(nèi)現(xiàn)狀

我國的導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置大都采用分體吊裝的方式，采用對刻線的方法進(jìn)行初對準(zhǔn)，為確保安裝精度，還需進(jìn)行整體或局部調(diào)整。

關(guān)于平面度測量國內(nèi)也有一些研究。在測量精度方面，中國科學(xué)院的朱文使用激光跟蹤儀檢測大型精密零件，測量精度達(dá)到了0.03 mm。北京機(jī)床研究所研制出了PG-1高精度平面度測量系統(tǒng)，用于導(dǎo)電的中等尺寸工件，測量精度能達(dá)到0.1 μm。在工業(yè)應(yīng)用方面，東華大學(xué)的方波等把液平面作為測量基面，設(shè)計(jì)了1套以干涉儀為基礎(chǔ)的測量系統(tǒng)。武漢科技大學(xué)的鄒春龍等利用平面度三維重構(gòu)的方法實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化平面度的測量。

國內(nèi)對于平行度的測量研究有：2006年，北京理工大學(xué)的宋勇等提出用五角棱鏡結(jié)合旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)建立理想基準(zhǔn)平面的方法來測量平行度和垂直度[9]。

國內(nèi)對于平面度、平行度以及垂直度的測量一直處于跟隨國外發(fā)展的狀態(tài)，其測量精度以及設(shè)備的穩(wěn)定性、應(yīng)用對象與國外相比差距很大，基本上處于實(shí)驗(yàn)室階段，未大范圍開展實(shí)際應(yīng)用。

耿晨剛等[10]提出一種運(yùn)用激光跟蹤儀檢測某發(fā)射架導(dǎo)軌精度的方法，但該方法對測量的環(huán)境條件要求較高。邵兵等[11]提出利用測距儀差分原理檢測；采用數(shù)字激光自準(zhǔn)直儀解決發(fā)射筒各架體的垂直度測量。通過不確定度分析與計(jì)算，驗(yàn)證了該理論的正確性。邵兵等[12]提出一種定位導(dǎo)軌精度測量方法，利用高精度航姿測量系統(tǒng)完成測量數(shù)據(jù)的采集，進(jìn)行離線計(jì)算處理得出定位導(dǎo)軌精度。利用該方法可以提高導(dǎo)彈的初始航姿裝訂精度。

由以上可以看出：

1）國內(nèi)對于導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置快速精確安裝調(diào)試方法的研究很少，近年來主要以安裝后的測量方法理論研究為主，各精度測量方法的適用范圍又很有限，且未經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)其合理性和可信性；

2）未充分考慮生產(chǎn)車間總裝調(diào)試、艦上的安裝裝配、服役后復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境等整個(gè)過程對發(fā)射裝置精度誤差的影響；

3）有必要建立較全面的數(shù)學(xué)模型，對影響發(fā)射裝置精度的因素進(jìn)行全面深入研究，在此基礎(chǔ)上深入開展發(fā)射裝置精度測量與控制理論的研究，具備動(dòng)態(tài)測量能力，提高測量方法的全面性、合理性、適用性、快速性和精確性，解放人力，提高效率，最終實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置的精確安裝調(diào)試。

3 存在的差距和問題

綜上所述，代表國際先進(jìn)水平的MK41，MK57，“席爾瓦”導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置，都采用整體吊裝，安裝效率較高；我國的導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置在安裝調(diào)試時(shí)靠刻線進(jìn)行初始對準(zhǔn)，需二次調(diào)整，安裝裝配精度不高；精度測量方法受限，測量效率需要提高，難以適應(yīng)艦艇建造周期的需求。本文圍繞國內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行綜述與研究，為改進(jìn)發(fā)射裝置安裝測量技術(shù)提供借鑒，可進(jìn)一步開展關(guān)于動(dòng)基座下的精度測量問題的研究