某發(fā)射裝置隱形設(shè)計研究與分析

王鵬飛，余建成，陳祥龍

（國營第四四五廠，浙江 杭州，310024）

0 引言

在現(xiàn)代化軍事設(shè)備中，隱形具有十分重要的意義。被發(fā)現(xiàn)等于被消滅，同規(guī)模的軍艦，隱形軍艦在制敵先機、本身隱蔽性占據(jù)巨大優(yōu)勢，而武器的隱形對于軍艦隱形具有重大意義。隱形化、模塊化、自動化和信息化“四化”設(shè)計，是現(xiàn)代艦艇發(fā)展的趨勢[1]。為適應(yīng)新型艦艇的隱身化、模塊化要求，發(fā)射裝置必須實現(xiàn)隱身性和模塊性的要求。對于隱形要求最徹底的解決方式是在平時隱藏于甲板之下，滿足艦艇對武器設(shè)備隱形性能的要求，作戰(zhàn)時自動顯露發(fā)射管組，進入發(fā)射狀態(tài)，對某武器進行自動點火發(fā)射，實現(xiàn)某武器的布陣攔截功能[2]。

由于隱形性能的要求，現(xiàn)代艦艇對艦面設(shè)備的外形提出越來越嚴格的要求，艦面布置簡潔明了，盡量減少多余凹凸布置成為艦艇設(shè)計的潮流[3]。如瑞典的“維斯比”級（見圖1）[4]、新加坡的“可畏”號（見圖 2）[5]、法國“地平線”級（見圖 3）[6]、英國的 45型[7]等艦艇都堪稱雷達隱身的典范，其共同特點是除進行了隱身防護的主炮，在艦面上幾乎見不到其余武器的存在。因此軍艦可進行更自由的外形設(shè)計，以規(guī)避雷達檢測[8]。

圖1 “維斯比”號Fig.1 HMS Visby

圖2 “可畏”號Fig.2 HMS Formidable

圖3 “地平線”號Fig.3 Horizon class Destroyer

本方案基于上述需求，提出了一型平時可完全隱藏于甲板之下，作戰(zhàn)時能自動伸出甲板，進行自動點火發(fā)射的模塊化發(fā)射裝置。

1 研究方案

1.1 方案確定

為實現(xiàn)發(fā)射裝置在默認位置時處于甲板之下的艙室中，在工作時自動顯露于甲板進行發(fā)射，有2種可行的解決方案。

第1種方案是將傳統(tǒng)發(fā)射裝置安裝于可上下升降運動的升降平臺上。平時，升降平臺處于低位狀態(tài)，發(fā)射裝置隱藏于甲板之下；戰(zhàn)時，由升降平臺帶動發(fā)射裝置向上運動，使其顯露于甲板之上。發(fā)射裝置根據(jù)任務(wù)需要對來襲目標發(fā)射某武器進行布陣攔截。該方案的優(yōu)點是可以實現(xiàn)發(fā)射裝置在平時隱藏，戰(zhàn)時正常工作的需求。其不足之處：1）增設(shè)了升降平臺，系統(tǒng)的復雜程度增加，可靠性降低；2）為保證升降平臺的上下運行升降平臺需要保證適當?shù)拈g隙，發(fā)射裝置在發(fā)射過程中的火箭尾焰推力會引起振動情況，影響發(fā)射裝置的精度；3）為滿足發(fā)射裝置的全自動裝退彈功能，發(fā)射裝置在每次裝退彈工作時，升降平臺需要進行升降運動，增加了運動環(huán)節(jié)，耗費時間，快速反應(yīng)能力降低。

第 2種方案是調(diào)整發(fā)射裝置的俯仰運動中心的位置，使得發(fā)射裝置在平時航行狀態(tài)時處于甲板之下的艙室內(nèi)部，在戰(zhàn)時發(fā)射裝置能夠滿足俯仰和旋回的射界要求，發(fā)射管組自動伸出甲板位置。

該方案在傳統(tǒng)發(fā)射裝置成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上改進完成，研制風險較小，改動量不大，可以滿足發(fā)射裝置在平時狀態(tài)時的隱藏，及在戰(zhàn)時狀態(tài)時的發(fā)射功能。其主要缺點是由于俯仰中心的改變，發(fā)射裝置具有較大的偏載現(xiàn)象，通過恰當?shù)脑O(shè)計，偏載情況可以得到解決。

1.2 研究方案

通過對研究方案的分析對比，方案2在系統(tǒng)組成簡便性、工作過程可靠性以及實現(xiàn)的方便性上優(yōu)于方案1。

如圖4所示，發(fā)射裝置主要由基座、旋回模塊、發(fā)射管組組成。其旋回俯仰轉(zhuǎn)軸設(shè)置于發(fā)射裝置靠后的位置，在發(fā)射裝置進行俯仰運動時，發(fā)射管可以抬升至較高的位置，發(fā)射管顯露于甲板外側(cè)對來襲魚雷目標發(fā)射某武器進行布陣攔截。

圖4 隱藏式模塊化發(fā)射裝置Fig.4 Concealed modular launcher

為使該方案能夠順利實現(xiàn)，必須滿足發(fā)射裝置的射界要求，即發(fā)射裝置俯仰角為15°～60°內(nèi)，發(fā)射裝置最低發(fā)射管的發(fā)射路線高于艙室的最低開口。最高發(fā)射管在發(fā)射角為最大俯仰角時，不會與艙室內(nèi)壁出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。在滿足上述要求的條件下，發(fā)射裝置的偏心情況應(yīng)最小，發(fā)射裝置的擾動半徑最小。

該方案的特點是，如圖5所示發(fā)射裝置在默認狀態(tài)下，俯仰處于-90°，可以實現(xiàn)全自動裝退彈、自動點火以及進行模塊化更換發(fā)射裝置的各部件，具有較高的快速反應(yīng)能力和較好的維護保養(yǎng)性能。

圖5 發(fā)射裝置處于默認狀態(tài)（非戰(zhàn)斗狀態(tài)）Fig.5 Launcher in default state（non-combat state）

根據(jù)研究方案要求，尋求滿足研究方案條件的數(shù)學關(guān)系，如圖6-7所示。設(shè)發(fā)射管組的長度為L，寬度為k，設(shè)艙室的長度和寬度均為m，發(fā)射裝置俯仰中心偏離旋回中心的距離為x，俯仰中心距離安裝平面的高度為y。

圖6 發(fā)射管組Fig.6 Launch tube group

圖7 數(shù)學模型參數(shù)設(shè)定Fig.7 Mathematical model parameter setting

基于：1）發(fā)射裝置運行過程中不會與艙室發(fā)生干涉；2）發(fā)射裝置的俯仰角度滿足射界要求；3）滿足上述 2條件的 X、Y的最小值，即發(fā)射裝置掃動半徑最小、發(fā)射裝置偏載最小。

建立數(shù)學模型如下：

由式（1）可得：

將式（4）代人式（2）、（3），可得 x，y的取值范圍，根據(jù)需要選取 x，y的最小值即可得到能夠滿足上述功能要求的發(fā)射裝置最小偏載，最小掃動半徑的結(jié)構(gòu)形式。

根據(jù)要求實現(xiàn)發(fā)射裝置全自動輸退彈、自動點火，有無彈指示等功能以及發(fā)射裝置口徑情況，同時考慮設(shè)計、拆卸余量，發(fā)射管組（長度，L=1 790 mm；寬度，K=980 mm），當x≈80 mm，y≈900 mm時，發(fā)射裝置各指標可處于較為理想的狀態(tài)。

發(fā)射裝置處于該尺寸時，發(fā)射裝置可隱藏于長和寬均為2 600 mm，高度為2 330 mm的艙室中。發(fā)射裝置各狀態(tài)如圖8-10。

圖8 發(fā)射裝置處于最大射角（俯仰60°）狀態(tài)Fig.8 Launcher at the maximum firing angle（pitch angle 60°）

2 技術(shù)難點分析

隱藏型模塊化發(fā)射裝置可實現(xiàn)默認狀態(tài)下處于甲板之下的艙室中，解決隱形問題，適合現(xiàn)代艦船發(fā)展方向。但由于改變了發(fā)射裝置俯仰旋轉(zhuǎn)中心，帶來了偏載問題。某發(fā)射裝置需要在跟蹤的同時實現(xiàn)對某武器的發(fā)射，因此動態(tài)跟蹤精度是該型發(fā)射裝置著重需要解決的難點問題。

圖9 發(fā)射裝置處于最小射角（俯仰20°）狀態(tài)Fig.9 Launcher at the minimum firing angle（pitch angle 20°）

圖10 發(fā)射裝置隱藏于甲板之下（俯仰-90°）Fig.10 Launcher hidden under the deck（pitch angle -90°）

由于隱藏型模塊化發(fā)射裝置工作方式和工作環(huán)境與常規(guī)發(fā)射裝置基本一致。可以通過類比分析的方式研究隱藏型模塊化發(fā)射裝置解決動態(tài)跟蹤精度的可行性。

如圖11所示，十二聯(lián)裝發(fā)射裝置在以 6-7-5-8-4-9-3-10-2-11-1-12的順序發(fā)射，發(fā)射 6號管時，發(fā)射裝置具有較大的俯仰偏載情況產(chǎn)生，某武器在發(fā)射時，其尾焰的主要作用區(qū)域在發(fā)射管直徑的4倍口徑的圓形區(qū)域內(nèi)。由于6號管是第一發(fā)射管發(fā)射，圓形區(qū)域所覆蓋的5號發(fā)射管處于有彈狀態(tài)，對6號管發(fā)射時的尾焰起到阻礙作用。根據(jù)圖11分析，4倍發(fā)射管口徑的圓形區(qū)域中，起到對尾焰阻礙作用的面積約占35%。從偏載力矩的角度考慮，M=0.35×748.1×S×P對尾焰阻礙作用的面積約，其中S為4倍發(fā)射管口徑的圓的面積，P指某武器發(fā)射時產(chǎn)生平均壓強。

圖11 常規(guī)發(fā)射裝置發(fā)射負載情況Fig.11 Launch load of 12-tube launcher

分析隱藏型模塊化發(fā)射裝置如圖12所示，發(fā)射裝置發(fā)射時，第4號發(fā)射管發(fā)射時的偏載最嚴重。此時若3、5、2、6號發(fā)射管處于有彈狀態(tài)，4倍發(fā)射管口徑的圓形區(qū)域中，形成阻力的面積約占 60%，此時偏載力矩為 M=0.6×715×S×P≈429×S×P＞261.84×S×P。

圖12 隱藏型模塊化發(fā)射裝置動態(tài)載荷分析Fig.12 Dynamic load analysis of concealed modular launcher

為解決該問題，可以適當設(shè)置發(fā)射裝置的發(fā)射順序，設(shè)置當引起發(fā)射裝置最大偏載的發(fā)射管4號管發(fā)射時，其相鄰的 3、5、2、6號發(fā)射管處于無彈狀態(tài)。在這種情況下，4倍口徑的圓形區(qū)域中，形成阻力的面積約為 38%，此時偏載力矩為M=0.37×715.0×S×P≈264.55×S×P，與十二聯(lián)裝發(fā)射裝置6號管發(fā)射時所形成的偏載力矩基本持平。

綜合上述分析，隱藏型模塊化發(fā)射裝置在適當?shù)脑黾影l(fā)射裝置剛度以及驅(qū)動電機功率的情況下，設(shè)置適當?shù)陌l(fā)射順序，能夠滿足發(fā)射裝置的動態(tài)跟蹤精度要求。

3 結(jié)束語

發(fā)射裝置的隱形是軍艦隱形的重要條件之一。魚雷發(fā)射裝置隱形，即非戰(zhàn)時狀態(tài)隱藏于甲板之下，可采用偏置旋轉(zhuǎn)中心方案，帶來的偏載問題，可采用調(diào)整炮管發(fā)射順序來減小偏載引起的精度問題。