模塊化設(shè)計在艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置的應(yīng)用

劉永亮，任克亮，馬旭輪，穆永濤，武令偉

（中國船舶集團有限公司第七一三研究所，鄭州 450015）

當(dāng)前，中國海軍正朝深海遠洋作戰(zhàn)方向發(fā)展，艦 載垂直發(fā)射裝置作為艦上重要武器的組成部分，發(fā)揮著防空、反潛等重要作用[1-3]。隨著國內(nèi)外護衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦逐漸進入中修時代，國內(nèi)外海軍對艦載垂直發(fā)射裝置提出了更高需求。新型艦的設(shè)計要求模塊化程度高、設(shè)計費用及能效比低，作戰(zhàn)里程突破2000～3000 km；舊有艦艇維修和改造的要求是時間短、費用低。隨著電磁彈射基礎(chǔ)研究的深入，以電磁彈射為發(fā)射方式的艦載垂直發(fā)射裝置的研制成為必然。因此，模塊化設(shè)計在艦載垂直發(fā)射裝置的應(yīng)用顯得更為迫切。

艦載垂直發(fā)射裝置模塊化[4-6]是指在解決艦載垂直發(fā)射裝置貯存導(dǎo)彈和發(fā)射導(dǎo)彈的問題時自上而下逐層分成多個子模塊的過程，每個模塊具備獨特屬性，反映了艦載垂直發(fā)射裝置系統(tǒng)內(nèi)部之間的相互關(guān)系和特性，每個子單元模塊完成某種特定的功能，這些特定的功能按照系統(tǒng)要求組建統(tǒng)一整體，宏觀上通過普遍或特殊方法組裝成一體，完成整個艦載垂直發(fā)射裝置系統(tǒng)所要求的功能。

艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置是現(xiàn)代化水面艦艇的重要裝置，具備貯存、發(fā)射導(dǎo)彈、火箭助飛魚雷等功能，參與承擔(dān)水面艦艇防空反導(dǎo)、反潛、反艦、對陸攻擊等使命任務(wù)。美國裝載的MK41、MK57艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置[7-11]和國外的潛載戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈及巡航導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置型號[12-16]在研制過程中貫徹模塊化設(shè)計思想，能夠有效提高其通用化、系列化程度，同 時也能夠為其適裝性、維修性、保障性等設(shè)計創(chuàng)造有利條件。

1 模塊化設(shè)計原則

發(fā)射裝置模塊化設(shè)計[17-18]以其功能結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，充分借用現(xiàn)有產(chǎn)品的通用零部件，做好頂層分解，在方案設(shè)計階段就消除各功能模塊中可能存在的矛盾，提高設(shè)計效率，降低研制成本。將產(chǎn)品按功能分解成多個模塊化組件，一個模塊化結(jié)構(gòu)由多個單元組成，形成產(chǎn)品—功能模塊—單元三層結(jié)構(gòu)。模塊化結(jié)構(gòu)應(yīng)具有標(biāo)準(zhǔn)化接口，具有系列化、集成化、層次化、靈便化、通用化、互換性、相關(guān)性，遵循從小到大、由簡及繁的原則；遵循快速便捷安裝、拆卸和回收的原則；便于效率化流水化制造；易于長短距離輸送、吊裝和貯存。

2 基本概念

2.1 單元

單元是指最小可更換的零件、部件、組件及元器件等，是整體的基本結(jié)構(gòu)，是整體中自為一體的獨立單元。多個單元的有效組合形成模塊。如圖1所示。

圖1 單元分解結(jié)構(gòu) Fig.1 The unit decomposition structure

結(jié)構(gòu)件單元為焊接或螺接桁架結(jié)構(gòu)，由若干個立柱、橫梁、斜肋、加強筋及連接板組成，構(gòu)建成一個整體。運動機構(gòu)單元由多個零部件及電機裝配而成，主要包含開蓋機構(gòu)單元、壓緊機構(gòu)單元。艙口蓋單元是由蓋本體及其運動機構(gòu)組成的部件單元。噴淋管單元是以管式結(jié)構(gòu)為主體，以固定管夾、閥門開關(guān)、管狀接頭等附件構(gòu)成的集合體。導(dǎo)軌單元由彎板和內(nèi)襯組成。人行走道單元由踏板和支撐桿等組成。箱體單元主要由支撐架、正面板、減振器、安裝板、支撐板、各模塊罩體等組成?？刂瓢蹇▎卧捎≈瓢?、元器件、安裝板等組成。液壓動力單元主要由變量泵、溢流閥、減壓閥、單向閥、電磁轉(zhuǎn)向閥、換向閥、調(diào)速閥，油箱、油缸平衡閥，多級油缸、定位油缸、滑塊油缸、液壓絞車、液壓馬達、濾油器、空氣濾清器及軟管組成。起重臂單元主要由基本臂、主臂、伸縮臂、過線輥組件、吊鉤和壓繩器等組成，分別構(gòu)成變幅機構(gòu)、折疊機構(gòu)、伸縮機構(gòu)和卷揚機構(gòu)。升降平臺單元主要由升降平臺、滑塊組、授信儀組件等組成。

世界上多種軍艦的艦載垂直發(fā)射裝置中的熱發(fā)射或冷發(fā)射模塊都是通過上述各個單元組成的，如美國的驅(qū)逐艦朱姆沃爾特級艦、護衛(wèi)艦阿利伯克；中國的054A護衛(wèi)艦、052D驅(qū)逐艦、055大型驅(qū)逐艦；日本的摩耶級驅(qū)逐艦；俄羅斯的光榮級驅(qū)逐艦；英國的45型驅(qū)逐艦等。

2.2 模塊

艦載垂直發(fā)射裝置模塊是一種為了便于總裝、總調(diào)或使用、運輸、拆卸方便而設(shè)計制造的一體標(biāo)準(zhǔn)化、可更換的組合部件。它具有獨立成型、通用成型、交叉混合組合的特點；具有單一或多種功能和結(jié)構(gòu)，可以進行單個設(shè)計，可以為建造異樣化的系統(tǒng)提供功能或結(jié)構(gòu)組件[19-21]；具有自成一體的標(biāo)準(zhǔn)功能和結(jié)構(gòu)接口，通過易操作的連接形式實現(xiàn)與其他不同模塊的結(jié)構(gòu)與功能的集成，建造新的功能子集和結(jié)構(gòu)子集；具有通過逆向工程把單一模塊從復(fù)雜系統(tǒng)中分解出來的能力。

艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置主要由發(fā)射模塊、控制模塊和裝填模塊組成。發(fā)射模塊由結(jié)構(gòu)件單元、運動件單元、艙口蓋單元、噴淋管單元、導(dǎo)軌單元、人行走道單元等組成?？刂颇K主要由控制箱體單元和控制板卡單元等組成。裝填模塊主要由液壓動力單元、起重臂單元、升降平臺單元等組成。

圖2為艦載導(dǎo)彈發(fā)射裝置模塊分解結(jié)構(gòu)圖示，圖3為大型驅(qū)逐艦上垂直發(fā)射裝置的模塊分解圖，圖4、圖5為發(fā)射模塊的結(jié)構(gòu)件單元，圖6、圖7為以熱發(fā) 射和冷發(fā)射為發(fā)射方式的垂直發(fā)射裝置發(fā)射模塊的艙口蓋單元，圖8為艦載垂直發(fā)射裝置裝填模塊。

圖2 模塊分解結(jié)構(gòu)圖 Fig.2 The module decomposition structure

圖3 大型驅(qū)逐艦垂直發(fā)射裝置模塊分解圖 Fig.3 The vertical launch device module decomposition structure of china large destroyer

圖4 發(fā)射模塊的結(jié)構(gòu)件單元1 Fig.4 The structural component unit of launch module 1

圖5 發(fā)射模塊的結(jié)構(gòu)件單元2 Fig.5 The structural component unit of launch module 2

圖6 發(fā)射模塊的艙口蓋單元1 Fig.6 The hatchcover unit of launch module 1

圖7 發(fā)射模塊的艙口蓋單元2 Fig.7 The hatchcover unit of launch module 2

圖8 裝填模塊 Fig.8 The loading module

3 艦載發(fā)射裝置模塊化設(shè)計關(guān)鍵

3.1 艦載發(fā)射裝置模塊標(biāo)準(zhǔn)化

艦載發(fā)射裝置模塊化設(shè)計[22-24]主要指不同模塊的簡單或復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及相互之間接口的單一標(biāo)準(zhǔn)化，不同結(jié)構(gòu)模塊之間的聯(lián)接接口有效使用標(biāo)準(zhǔn)化最為重要。為了確保異種功能模塊的組合和同一功能模塊的互換，模塊應(yīng)具有可變化組合性和隨機異向互換性兩個特征，這兩個特征主要體現(xiàn)在接口上，必須提高其單一標(biāo)準(zhǔn)化、異型通用化程度。

3.2 艦載垂直發(fā)射裝置模塊的劃分

艦載垂直發(fā)射裝置模塊化設(shè)計應(yīng)縮減模塊的種類和數(shù)量并兼顧加工效率[25-27]，在滿足艦載垂直發(fā)射裝置發(fā)射導(dǎo)彈和貯存導(dǎo)彈要求的基礎(chǔ)上使垂直發(fā)射裝置的裝配安裝精度高、功能性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單易加工。因此，如何科學(xué)地做好模塊劃分，在模塊化設(shè)計中非常關(guān)鍵。艦載垂直發(fā)射裝置模塊在安裝、發(fā)射及貯存導(dǎo)彈功能結(jié)構(gòu)上具有單一有效性和組部件組成整體性，模塊要便于聯(lián)接緊固和拆裝，艦載垂直發(fā)射裝置各分系統(tǒng)模塊的拆解不能影響艦載垂直發(fā)射裝置系統(tǒng)的主要性能和功能。

4 未來電磁彈射模式下新型通用垂直發(fā)射裝置模塊化設(shè)計

隨著國內(nèi)在役航空母艦電磁彈射系統(tǒng)的應(yīng)用，已將艦載機成功彈射離艦，隨著航線電磁彈射系統(tǒng)的成功研制，為適應(yīng)下一代新型全電艦船和未來新型艦載中遠程導(dǎo)彈發(fā)射裝置、無人機電磁彈射發(fā)射裝置的發(fā)展需求[28-30]，需開展電磁彈射模式下通用垂直發(fā)射裝置的研究，為下一代新型全電艦船能夠裝載滿足新型導(dǎo)彈發(fā)射需求的通用電磁發(fā)射系統(tǒng)裝備提供技術(shù)支撐。通用電磁發(fā)射裝置能夠在導(dǎo)彈尺度不變的情況下有效提高導(dǎo)彈射程，為新型導(dǎo)彈的發(fā)展創(chuàng)造有利條件，同時能夠有效降低導(dǎo)彈發(fā)射對新型艦船的不利影響。

電磁彈射模式下新型通用垂直發(fā)射裝置功能結(jié)構(gòu)復(fù)雜龐大，需重點解決如何實現(xiàn)模塊化問題，在方案論證階段需做好頂層策劃，初步提出該發(fā)射裝置模塊的劃分，如：發(fā)射模塊、裝填/轉(zhuǎn)運模塊、電磁彈射模塊、通用發(fā)射控制模塊等。發(fā)射模塊主要由發(fā)射單元和控制單元組成；裝填/轉(zhuǎn)運模塊主要由裝填單元、轉(zhuǎn)運單元、控制單元等組成；電磁彈射模塊主要由彈射器單元、電源單元、儲能單元、控制單元等組成；通用發(fā)射控制模塊主要由配電單元、發(fā)射協(xié)調(diào)管理單元、通用發(fā)控單元、通用供電單元等組成。

5 艦載垂直發(fā)射裝置模塊化設(shè)計的效能與費用比

本文探討的效能與費用比是指艦載垂直發(fā)射裝置模塊化設(shè)計生產(chǎn)所需的效率與其設(shè)計生產(chǎn)周期內(nèi)耗費的時間和資金的比值。艦載垂直發(fā)射裝置在國內(nèi)艦載垂直發(fā)射武器系統(tǒng)研制體系內(nèi)屬于分系統(tǒng)，在同一型號研制周期內(nèi)，需求方或工業(yè)部門投資的費用有限。例如，護衛(wèi)艦全艦武器系統(tǒng)加艦體自身所花費的資金需要幾十億人民幣，驅(qū)逐艦花費資金約百億人民幣，而載裝艦載武器系統(tǒng)某個型號的導(dǎo)彈的研制時間約10年左右。在有限的費用內(nèi)（護衛(wèi)艦載垂直發(fā)射裝置研制周期內(nèi)耗費上千萬人民幣），艦載垂直發(fā)射裝置只有采用模塊化設(shè)計，不斷地提高設(shè)計效率和生產(chǎn)效率，才能將整個艦載垂直發(fā)射裝置研制時間控制在5年左右，從而大大提高效能與費用比。特別是已經(jīng)服役的護衛(wèi)艦和驅(qū)逐艦的艦載垂直發(fā)射裝置逐步進入修理期，模塊化設(shè)計很好地滿足了部隊需求，換裝周期短，修理費用減少。國際上首條服役的護衛(wèi)艦垂直發(fā)射裝置大修換裝工程僅花了5個月完成，耗費約幾百萬人民幣。艦載垂直發(fā)射裝置模塊化設(shè)計大大提高了不同型號艦艇的效能與費用比。

6 艦載垂直發(fā)射裝置模塊化設(shè)計與艦面環(huán)境適應(yīng)性

艦載垂直發(fā)射裝置模塊化設(shè)計需滿足艦面的環(huán)境適應(yīng)性、電磁兼容性、維修性的要求。艦面環(huán)境大部分是以高濕熱、高鹽霧、高霉菌為主，艦載垂直發(fā)射裝置在航行過程中會遇到不同的海況，一般的艦載垂直發(fā)射裝置控制模塊元器件要經(jīng)過環(huán)境應(yīng)力篩選，進行高低溫工作、貯存、循環(huán)試驗、沖擊與振動試驗、可靠性與維修性試驗等?？刂颇K（主要指電氣元器件及印制板）在裝艦前要按照國軍標(biāo)要求完成環(huán)境試驗，艦載垂直發(fā)射裝置在高海情航行、作戰(zhàn)狀態(tài)下要滿足相關(guān)維修性需求。另外，機械模塊和控制設(shè)備模塊必須能夠在高海況下正常工作且不被破壞；裝填模塊必須在高海況的艦面環(huán)境下滿足海上裝填要求。在艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置全壽命服役期間，機械模塊與控制模塊的環(huán)境適應(yīng)性，尤其是抗海水腐蝕性能與抗電化學(xué)腐蝕性能要強，艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置模塊化設(shè)計必須與艦面環(huán)境相適應(yīng)。

7 結(jié)束語

模塊化設(shè)計在艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置研制過程中的應(yīng)用，能夠有效提高其通用化和系列化程度，同時也能夠為其適裝性、維修性、保障性等設(shè)計創(chuàng)造有利條件，對降低研制風(fēng)險、縮短研制周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性、提高效能與費用比有重要意義。