美苏冷战时期,苏联为对抗美国航母编队对其领土纵深的威胁,始终重视潜射反舰导弹的发展,并于上世纪60年代研制出世界上第一种从潜艇发射的战术导弹SS-N-7反舰导弹。美国则是在“埃拉特”事件之后才开始重视潜射战术导弹的研制,并于1969年提出“鱼叉”导弹潜艇鱼雷管发射方案,该型号于1979年服役。后来,在潜射“鱼叉”导弹的技术基础上,很快实现了“战斧”导弹潜艇鱼雷管发射。这样,美国在战术导弹水下发射技术领域迅速追赶上苏联。继美国和苏联之后,1985年法国实现“飞鱼”反舰导弹水下发射。英国则先后引进了美国的潜射“鱼叉”导弹和“战斧”对陆攻击导弹。瑞典目前正在进行RBS-15反舰导弹从潜艇上发射的研制。
战术导弹水下发射技术非常复杂,潜射导弹要经过发射管发射、水下航行和出水三个重要阶段。由于水的密度是空气的800倍,因此导弹在水下航行时,需要考虑到许多重要因素,如附加质量力和浮力的影响;导弹水下点火产生的高温、高速燃气喷射在不可压缩的水介质中,将引起流态和压力场的变化;导弹穿越水面的一刹那,将受到高海情下波浪的冲击;当导弹冲入空中时,由于飞行介质的突变,将引起整个动力环境的急剧变化,其特点是在水/气交界处时间短、变化快、变化因素多,动力环境复杂。这些因素将对导弹的运动产生影响,往往引起剧烈的冲击和振动,甚至导致弹体结构的破坏和控制系统的失灵。因此,要实现战术导弹的水下发射,需要考虑导弹的出管(鱼雷管或专用发射管)速度、导弹在发射管内的弹道、水中弹道和出水弹道等重要问题。目前,战术导弹水下发射技术尚未形成很成熟的理论,许多问题需要通过试验来解决。因此,在研制各种潜射战术导弹时,应首先研究和解决试验技术和试验设备问题。目前,各国的水下发射试验通常经历小比例模型弹水池静态发射试验、全尺寸模型弹水下静态发射试验、全尺寸导弹水下静态发射试验这一试验过程。
潜射方式浅谈
潜射导弹的发射装置主要为标准鱼雷管水平发射装置和专用垂直发射装置。按照导弹的封装形式可分为“干”发射和“湿”发射。“湿”发射不采用密封的运载器,导弹以裸弹的形式在水中航行,只进行局部防水处理和装设必要的约束卡(套)。“干”发射将导弹装在运载器内,运载器从潜艇中射出并在水中航行,一直将导弹送至水面。运载器可分为有动力和无动力两种类型,两者的主要区别是在水中航行有无动力推进,弹道有无控制。
标准鱼雷管水平发射,采用无动力运载器导弹装在无动力运载器中(“干”发射),从标准鱼雷管发射,水中弹道靠运载器的尾翼控制,以一定角度浮出水面后助推器点火。美国“鱼叉” (UGM-84)和“海长矛”导弹采用这一方案。
标准鱼雷管水平发射,采用有动力运载器导弹装在有动力运载器中,从鱼雷管发射,靠运载器的火箭发动机推出水面,水中弹道有制导。法国的“飞鱼”SM-39和俄罗斯的SS-N-21反舰导弹采用这种方案。
标准鱼雷管发射,无运载器采用标准鱼雷管发射,无运载器(“湿”发射),导弹靠弹上助推器推进和进行水下制导。美国“战斧”导弹采用这一方案。
垂直发射或大倾角发射采用专用垂直发射管,依靠发射管内的弹射动力装置将导弹弹射出发射管,而后弹上助推器把导弹推出水面(“湿”发射)。美国垂直发射的“战斧”导弹和俄罗斯的SS-N-19导弹采用这种方案。
典型型号解说
潜射“鱼叉”反舰导弹和“海长矛”反潜导弹
潜射“鱼叉”反舰导弹采用无动力运载器的“干”发射方式。运载器射出鱼雷管后,水平向前运动,同时释放尼龙绳,当尼龙绳张紧时就会将约束卡拉脱,折叠尾冀展开,运载器便在浮力和尾翼的综合控制之下以450仰角爬升至水面。运载器出水时,顶端的出水压力传感器发出信号,抛掉头盖,同时导弹助推器点火,导弹以10g的加速度从运载器中飞出。随后,导弹展开弹翼和尾翼,继续爬升,在最高点抛掉助推器,启动涡喷发动机,弹上控制系统开始工作,控制导弹按预定程序飞向目标。
“海长矛”反潜导弹也采用无动力运载器。该运载器与“鱼叉”导弹运载器最显著的区别是,为达到高强度、低密度要求,采用了复合材料和六层蜂窝夹层结构。运载器与导弹的质量比达到1:4,大大增加了浮力,提高了运载器的出水速度,并稳定了出水姿态。运载器从鱼雷管发射出来后可以从水平状态变为基本垂直姿态升至水面。出水后,头罩与运载器分离,导弹发动机点火实现弹器分离。为防止冲击,运载器的各支撑点上都有冲击减震衬垫。
潜射“飞鱼”反舰导弹和SS-N-21巡航导弹
为使“飞鱼”导弹适应现有的鱼雷发射管发射,其弹上计算机增加了一片存储器,用于提供运载器水下运行弹道、运行姿态和空中飞行弹道、飞行姿态的控制指令。同时弹翼、尾翼均采用折叠翼。
“飞鱼”导弹发射时,启动鱼雷管内的气压投射系统将运载器加速投射出鱼雷管。在离发射潜艇10~12米处,运载器发动机点火,运载器进入有控运行状态,以450仰角向水面爬升。出水时,弹上控制系统根据出水传感器的信息,通过燃气舵操纵运载器向水平方向转弯。出水后约1.5秒,运载器离水面高度已达20米,与水平面的角度为120时,运载器抛掉头盖,弹射装置启动,将导弹加速推出运载器。导弹离开运载器后,弹翼、尾翼展开,弹上发动机点火,导弹继续爬升,弹上控制系统控制导弹按程序飞向目标。
SS-N-21导弹运载器的水中姿态靠发动机的喷管进行矢量控制。运载器出水后,头罩在距水面约30米的高度上靠爆炸螺栓起爆与主体分离,同时弹载主发动机点火,导弹进入空中弹道,运载器落入水中。
无运载器、鱼雷管水平发射“战斧”导弹
“战斧”导弹的战技术指标决定了“战斧”导弹的尺寸比“鱼叉”导弹要大,如果采用运载器发射,鱼雷发射管的有效容积不够。因而“战斧”导弹没有采用运载器,而是将“鱼叉”导弹的无动力运载器简化为结构简单得多的钢制密封保护筒。该方案有几个设计目的。首先,这种密封容器为导弹提供防震保护,使其免受水下近距爆炸所产生的震动影响。同时还可提供运输、储存、装填和装卸时的保护。另外,还可以使导弹适用于其它发射平台,提高通用性。但是这样一来,运载器的一些功能就要由导弹本身来完成。如导弹要进行防水设计,要能够承受发射深度上的破坏性压力,以及由于不具有正浮力还要有水下助推装置等。为将“战斧”导弹装入保护筒,并尽量减小容器的直径,导弹的进气口也设计成可隐藏进弹体内,进气口的外面用可抛掉的水密盖加以密封,以便导弹保持适于水下航行的流体动力学外形。导弹出水后,这个密封盖与折叠翼槽盖一起抛掉,进气口由弹簧机构弹出。在导弹后部从折叠尾翼到助推器尾部也装有一个可抛的密封套筒,其外径与弹体外径相近。它一方面对折叠的尾冀起约束作用,另一方面又对助推器起密封作用,以防海水进入发动机,同时保持弹体良好的水力学外形。导弹出水时,一个起爆装置在压力传感器的作用下起爆,将导弹尾部的水密套筒抛掉,不再受约束的折叠尾翼靠弹簧机构打开。
发射时,将保护筒和导弹一起装入鱼雷发射管,待导弹在鱼雷管中与保护筒分离并发射出鱼雷管后,再将保护筒从鱼雷管中抛出。这样一来发射后留下的保护筒既不占据潜艇宝贵的空间,而且还回避了弹器分离的难题。
钢制保护筒由筒体、头罩、底板、套筒和滑道等部分组成。保护筒总重410千克,里面有薄弹性衬垫。弹体与弹性衬垫之间有微小的晃动空间,间隙中填充0.07MPa干燥的氮气。导弹通过一个拉索与保护筒相连,拉索长12.2米。
潜艇标准鱼雷管发射“战斧”导弹的过程大致如下:发射前先将导弹装在保护筒中,然后装进鱼雷发射管,再由MK117 射击指挥仪对导弹进行检查,调整制导设备。发射时,切断把导弹固定在保护筒上的两个紧固螺栓,解除对导弹的束缚。之后打开活门,让海水从保护筒后注入,接着利用液压投射系统将导弹从保护筒中推出。导弹冲破保护筒前盖离开鱼雷发射管时,后边拖着的拉索受拉时,助推器上的拉索开关解除保险,使助推器点火。导弹在水中的运动由助推器上的燃气舵推力矢量控制系统控制。导弹出水后,抛掉发动机进气口和折叠翼槽上的盖及导弹与助推器间的水密罩。四个尾翼展开后,助推器随之熄火,涡轮喷气发动机进气口从腹部伸出,发动机开始工作。
专用垂直发射装置发射“战斧”导弹
美国“洛杉矶”级攻击核潜艇原来只能用鱼雷管发射带核弹头的“战斧”对陆攻击导弹,后来“战斧”增加常规弹头后,使用量增加,于是在艇首耐压舱内加装了能够容纳12枚“战斧”导弹的MK45垂直发射装置,使每艘潜艇装弹量从8枚增加到20枚。MK45由12个垂直发射管组成,每个发射管由筒体、前盖、后盖、垂直支撑装置、侧向支撑垫、发射密封装置和气体发生器组成。导弹靠发射管中燃气发生器产生的推力弹射出发射管,而后靠自身助推器射出水面。出水后,由弹上微处理机控制装在助推器喷管后面的燃气舵进行推力矢量控制,使导弹迅速转弯并按预定弹道飞行。在水中,“战斧”导弹是裸弹,因而在其折叠翼槽处和主发动机进气口处均装有水密盖;在折叠翼前部至助推器尾部装有水密整流罩.以保持良好的水力外形和防止海水侵入,并起到约束作用。这些装置在导弹出水后按预定程序抛掉。
大倾角发射装置发射SS-N19导弹
从第一个潜射战术导弹SS-N-7的发射装置到目前装备“奥斯卡”级攻击核潜艇的SS-N-19导弹发射装置,俄罗斯研制了世界上独一无二的潜艇大倾角导弹发射装置。“奥斯卡”级攻击核潜艇上装备有24枚SS-N-19导弹,分两列配置,每列12枚导弹。导弹发射筒布置在潜艇两侧的耐压壳体与非耐压壳体之间,以400角倾斜布置。每两个发射筒共用一个发射井舱口。井孔呈长方形,长约6米,宽3米,并盖可以向外翻折,也可以是水平导轨滑动式的。
发射方案的“正反面”
标准鱼雷管发射,采用运载器方案
采用运载器发射战术导弹的优点是:发射深度上的水压及水密问题由运载器解决要比由导弹解决容易一些;密封防水的运载器为导弹提供了干燥的良好环境,并且可抗冲击。但采用标准鱼雷管发射战术导弹会受鱼雷管尺寸的限制,而且需要解决好弹器分离问题。
无动力运载器其优点是:能够寂静发射,因而可提高攻击潜艇的隐蔽性;运载器无动力、无尾翼、无舵面,因而流体动力外形简单,容易设计。但无动力运载器主要靠正浮力滑行至水面,因而出水速度较低,稳定性较差。美国“海长矛”导弹运载器采用复合材料、蜂窝结构就是为了提高运载器的正浮力和出水速度,从而提高运载器出水姿态和导弹初始姿态的稳定性。
有动力运载器其优点是:上浮靠的是本身所带发动机的动力,因此,运载器在水中的机动能力比较强,提高了对敌舰的突袭能力;运载器与导弹在距海面20~30米高度分离,从而避开了分离时的波浪干扰及其它因素的影响;有动力运载器的出水速度大,约为无动力运载器出水速度的2~3倍,因此弹的姿态相对稳定;发射深度范围较宽,可从潜望镜深度到潜艇最大下潜深度,但不能在海底发射,因为运载器没有正浮力,离开发射管后先下沉后拉高。其缺点是发动机在水下的噪音比较大,不利于潜艇的隐蔽。
标准鱼雷管发射,无运载器方案
采用“湿”发射,导弹水下航行由助推器提供动力,增加了导弹的出水速度和抗海浪干扰能力,提高了导弹出水姿态的稳定性,特别是避开了采用运载器方案的水面弹器分离这一难题。但是,无运载器方案使导弹结构复杂,导弹要进行防水设计,要能承受发射深度上的破坏性压力,以及由于不具有正浮力还要有水下助推装置等,而且水下助推器的噪音破坏了潜艇发射导弹时的隐蔽性。
垂直发射方案
该方案的优点是:能够使潜艇存储更多的导弹,以配置潜潜、潜舰、潜空和对陆攻击多种武器;能使潜艇在作战时不受导弹发射角的限制,不用进行占位机动就能发射,提高了快速反应能力;不仅能对目标进行全方位攻击,而且能对多目标同时进行导弹多方位攻击;可以提高导弹的出筒速度,使导弹以最短的路径冲出水面,出水稳定性好,抗海浪干扰能力强;导弹离艇之后可以直接爬升至水面,不需要像鱼雷管发射那样由水平转到倾斜爬升弹道的过程,弹道简单,可靠性高。不足之处是,导弹助推器在水下的噪音大,不利于潜艇的隐蔽。而且需要在潜艇有限的容积内设计和配置专用垂直发射管,这就需要建造新潜艇或改造旧潜艇。垂直发射的导弹还要具有出水后向目标方向转弯的能力。
倾斜发射方案
采用该方案有利于大型战术导弹超长发射装置在潜艇上的布置。而且导弹发射时容易加速,更有利于起飞,同等条件下,推力亦可小些。此外,导弹以一定角度发射,直接爬出水面,无需再进行由水平转到倾斜爬升弹道的控制,而且一旦导弹点火失败,还可以避免导弹回落砸艇的危险。
技术问题不容忽视
导弹离开发射管的速度导弹能安全离管和离艇,必须有足够的离管速度。如果离管速度过低,由于艇艏扰流和平台侧壁的影响,可能会使导弹或运载器与发射管口,甚至艇艏外壳碰撞。特别是无动力运载器,低速发射不仅会严重影响整个水弹道性能,还有可能造成其主要依靠流体动力展开的尾翼无法按设计要求迅速展开。但离管速度又不能过高,否则导弹或运载器在发射瞬间及出管后可能会因所受载荷太大,使尾部结构(如舵面、尾翼)和部分元器件(如压力出水传感器)受损。美/俄等国一般选择比鱼雷高一些,约15米/秒,如“鱼叉”导弹运载器的离管速度约为15.24米/秒。
水下耐压与密封技术由于水的密度约为空气的800倍,因而增大了导弹在水下航行时所承受的压力,而且随着发射深度的增加,导弹承受的压力也随之增加。因此,水下发射的导弹要具有耐水压能力和防止海水浸入其内部。对于有运载器的方案,耐压和密封容易解决。对于裸弹潜航的导弹,在结构设计时就需认真考虑耐压和密封问题。“战斧”导弹采用的堵盖和整流罩,除了能约束进气口、弹翼和尾冀外,还起密封作用。据报道,“战斧”曾有三次潜艇发射试验均因水密性问题而导致失败。
水中弹道的控制潜射战术导弹与潜射弹道导弹的不同之处是前者水中弹道可以控制。采用无动力运载器的“鱼叉”导弹是通过操纵运载器尾部的一对鳍使运载器从水平方向转为450仰角向上爬行,爬行过程靠自身的浮力上升,不改变航向。英国在引进潜射“鱼叉”导弹之后,对其运载器进行了改进,尾鳍用氮气瓶的氮气进行气动操纵,由定时机构执行舵的偏转,可实现三维空间弹道向水面爬行,转到与射向呈900 的方向上,增加了潜艇发射时的隐蔽性。
采用有动力运载器的“飞鱼”SM39导弹则是通过水下助推器的推力矢量控制系统来实现水中弹道控制的。因运载器本身有动力,弹道更为灵活。水下发射时可不对准目标,导弹从鱼雷管射出后,可向艇的任一侧以100米的转弯半径转过900,然后再以450的出水角爬升到水面,在距潜艇150~200米处出水,因此潜艇隐蔽性更好。
出水转换与弹器分离导弹/运载器由水中潜航进入空中之后,原来水力操纵装置已不再适于在空气环境中使用,特别是导弹离开运载器后必须立即展开弹冀,改用气动力操纵控制飞行,这一过程称为出水转换。“鱼叉”运载器靠浮力升至水面时,出水速度只有7.6~10.7米/秒,因此运载器头部一露出水面,助推器马上点火,抛掉头盖,导弹靠尾部助推发动机的推力从运载器中飞出,折叠弹翼也随之展开,然后靠气动力控制飞行。而“飞鱼”SM39导弹靠有动力的运载器爬升至水面,运载器的出水速度高达20米/秒,导弹出水后靠运载器中的弹射装置从运载器中弹出。随之折叠弹翼展开,助推发动机点火,导弹开始靠气动力控制飞行。
“战斧”导弹采用“湿”发射,其助推器的推力矢量控制系统既适合于水中环境,也适合于在大气环境中使用,因此导弹出水转换有一个较长的过程(0.6秒)。其顺序是:导弹出水后,抛掉发动机进气口盖、折叠弹翼的翼槽盖和导弹与助推器之间约束尾翼的整流罩。先使四个控制尾翼展开,以取代燃气舵控制导弹,转入水平飞行。助推器熄火后,进气道打开,主发动机点火,弹翼随之像折刀一样展开,完全转变成由气动力控制弹翼操纵导弹飞行。
减振系统设计潜射导弹发射筒一般是在筒壁的内表面和弹体的外表面之间采用减振垫或者是密封垫来进行减振。主要有以下几个功能:横向支撑导弹;发射箱受到冲击或振动时对导弹起到减振作用;导弹发射时起到导向作用;还能对导弹燃气流起到密封作用。减振垫安装方法有两种:一种是装在发射筒的内表面,导弹发射时,留在发射筒内;另一种是安装在导弹的外表面上,可与导弹一起从发射筒内射出。
垂直发射技术目前,国外水下垂直发射的战术导弹均采用“湿”发射方式。裸露的导弹在水中弹道的控制、导弹的承压和水密设计,弹翼的折叠和展开等技术是需要解决的关键技术。此外,还需要解决导弹的发射动力。目前,国外普遍采用燃气发生器作为弹射动力源,这种方式可以避开燃气流在艇上排导的难题。垂直发射还需要解决导弹出水后向目标方向的转弯问题,目前主要采用的是惯性制导和燃气流推力矢量控制技术。
目标探测要使潜射导弹具有摧毁目标的实战能力,还必须配备与导弹射程相适应的目标探测手段。对于水下发射的近程导弹,主要靠潜艇上的声呐设备进行目标探测。例如,装有“鱼叉”导弹的潜艇均装备了MK113或更先进的MK117火控系统。MK113主要包括多种主、被动声呐设备,另外还有雷达、潜望镜等。主动声呐的定向探测距离可达65千米,全向探测距离达15千米,被动声呐的全向探测距离可达176千米。目标的数据和潜艇的运动数据经MK-130数字计算机处理或直接传送至“鱼叉”导弹数据处理机。对于远程导弹,仅靠潜艇本身现有的声呐探测设备不能满足要求,这就需要提高声呐的探测距离,或采用艇外探测措施。例如潜射“战斧”导弹,当目标离发射潜艇的距离超过100千米时,就采用现有的区域搜索雷达、预警机和海洋监视卫星组成的综合探测系统探测目标。探测的目标数据传送给地面数据处理中心进行分析处理,然后再经过卫星传送至潜艇。
俄罗斯SS-N-19远程反舰导弹的射程可达550千米,采用的目标探测方式与潜射“战斧”导弹相似。它采用网络传感器技术获取目标信息,并对导弹飞行实施自主控制。潜艇将侦察机、直升机、陆基与海基探测器联合组网,甚至将卫星获取的目标信息进行融合,解算目标数据,进行多路径的任务规划,控制导弹进行攻击。