一種新型潛用魚雷管模塊化發(fā)射裝置及貯運(yùn)系統(tǒng)

鐘宏偉，韓 雪，周 輝，陳 芳

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七○五研究所，云南 昆明 650118)

0 引言

二戰(zhàn)后，潛艇的水下作戰(zhàn)模式越來越多樣化，比如:曾以“獨(dú)狼行動”重創(chuàng)水面艦艇的“大灰狼”潛艇因攜帶各類傳感器及遙控裝置而衍變成一種水下網(wǎng)絡(luò)武器系統(tǒng)。受新技術(shù)發(fā)展的影響，潛艇的作戰(zhàn)任務(wù)也發(fā)生了重大變化，已從一種簡單的水下小型快艇 (最初原型艇是德國造的XXI型)發(fā)展成一種威震四海的水下作戰(zhàn)平臺。隨著各種聲吶系統(tǒng)的不斷發(fā)展使得潛艇的深海作戰(zhàn)變得簡易可行，這當(dāng)然也對潛艇的武器裝備——尤其是潛用武器的魚雷管發(fā)射裝置產(chǎn)生了重要影響，也提出了更新、更高的要求。早期的魚雷管發(fā)射裝置一般都是在給定的潛望深度利用壓縮空氣來發(fā)射魚雷，而今在研的各類新一代發(fā)射系統(tǒng)利用新技術(shù)可在幾百米潛深進(jìn)行發(fā)射，且配備在潛艇耐壓殼內(nèi)的武器貯運(yùn)系統(tǒng)可以自動、靈活地對各型魚雷、導(dǎo)彈、水雷、UUV、蛙人運(yùn)載器、IDAS集成發(fā)射箱 (筒)及專用設(shè)施進(jìn)行貯存、轉(zhuǎn)運(yùn)及裝載［1］。

當(dāng)前，基于魚雷管的潛用武器發(fā)射裝置具有很多先進(jìn)性，除能發(fā)射魚雷外，還能發(fā)射多種導(dǎo)彈及水雷。各國研發(fā)出的多型正發(fā)射系統(tǒng)已逐漸列裝到現(xiàn)役潛艇中，在研的新一代發(fā)射裝置所開展的各種發(fā)射系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)則朝著操作更簡單、靈活和快速的方向發(fā)展。而今的武器貯運(yùn)系統(tǒng)為更能滿足現(xiàn)役潛艇在多樣化軍事斗爭中各種武器和有效載荷不同需求也進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 魚雷管模塊化發(fā)射裝置發(fā)展概述

無論是核動力潛艇還是常規(guī)潛艇，如何對潛艇內(nèi)空間有效使用始終是首先要考慮的問題。未來潛艇在朝著更加小型化和無人化的方向發(fā)展，為使?jié)撏軌蚋鶕?jù)任務(wù)選擇所需的戰(zhàn)術(shù)武器，空間設(shè)計(jì)更是一個非常重要的問題。一種新辦法就是集成一個方便靈活的武器發(fā)射艙 (箱)模塊，并將該多功能艙置于潛艇耐壓殼外，這樣可以有效解決潛艇有效空間占用的問題，這是未來魚雷管發(fā)射裝置的一種發(fā)展趨勢。為滿足此要求，歐美各國都在進(jìn)行這方面的設(shè)計(jì)研究，而一種模塊化多用途裝載發(fā)射箱(筒)新概念裝置正是符合這樣的設(shè)計(jì)概念，它是德國HDW公司為下一代潛艇研發(fā)的魚雷管武器發(fā)射裝置提出的。

由于受到戰(zhàn)后政策限制，德國潛艇的排水量都較小 (小于420 t)，因此在潛艇設(shè)計(jì)上追求的是一種緊湊結(jié)構(gòu)的思想，而作為艇上的魚雷管發(fā)射裝置設(shè)計(jì)也須按此要求，并成為其重要的工程化目標(biāo)。德國憑借其自航管魚雷發(fā)射裝置方面的研發(fā)優(yōu)勢，所建造的小型潛艇能夠裝備8具全尺寸大小的標(biāo)準(zhǔn)魚雷管發(fā)射裝置。因此德國在潛艇的小型化方面是世界上做得最好的國家之一。這種新型發(fā)射裝置的最大優(yōu)點(diǎn)在于可根據(jù)現(xiàn)役或未來潛艇的不同外形來設(shè)計(jì)所需的魚雷發(fā)射管裝置，它是以集成的方式，布置在各級別潛艇艇首，用不同發(fā)射系統(tǒng)組成的魚雷發(fā)射管裝置來發(fā)射不同種類的各型武器;同時與之配套的還在魚雷發(fā)射管裝置后部安裝有一套武器貯運(yùn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將按需求自動地對艇上武器進(jìn)行裝卸及儲存。

1)用于209型潛艇的壓縮空氣魚雷管氣動彈射系統(tǒng)。裝有8具自航式魚雷管發(fā)射裝置，用專用設(shè)備還可發(fā)射導(dǎo)彈并布放水雷 (出口到南非的209型潛艇已裝備此裝置)。

2)用于212A型潛艇的液壓機(jī)械發(fā)射系統(tǒng)及沖壓式發(fā)射系統(tǒng)。裝有6具液壓平衡式魚雷發(fā)射管，帶有1套發(fā)射魚雷用低噪聲特性液壓發(fā)射系統(tǒng)，可用于發(fā)射各型導(dǎo)彈和水雷、魚雷 (出口到以色列的潛艇已裝備此裝置)。

3)用于214型潛艇的自航式發(fā)射系統(tǒng)。裝有8具自航式魚雷發(fā)射管裝置，其專用設(shè)備可發(fā)射導(dǎo)彈及布放水雷。

4)用于未來216型潛艇的多種方式發(fā)射系統(tǒng)。根據(jù)任務(wù)需求定制相應(yīng)系統(tǒng)，可發(fā)射各種武器、水下運(yùn)載器、特種作戰(zhàn)模塊等［2］。

這里要說明的是:以上所有發(fā)射系統(tǒng)都適用于集成組合式的潛射交互式攻防系統(tǒng) (IDAS)，這就是說無論什么水下常規(guī)武器只要采用該集成組合發(fā)射筒方式皆可在水下進(jìn)行發(fā)射。

2 潛艇魚雷管發(fā)射裝置主要系統(tǒng)

2.1 氣動彈射系統(tǒng)

借助于壓縮空氣，并在武器氣動彈射指揮單元(裝置)的控制及監(jiān)控下，武器氣動彈射系統(tǒng)(WES)可用來發(fā)射各型導(dǎo)彈及魚雷。該系統(tǒng)主要部件包括高壓氣瓶、氣體發(fā)射閥、氣密環(huán)及武器氣動彈射指揮裝置等［3］(見圖1)。

圖1 武器氣動彈射系統(tǒng)Fig.1 Weapon expulsion system

2.2 液壓平衡發(fā)射系統(tǒng)

液壓平衡發(fā)射系統(tǒng) (WDS，見圖2)布置在潛艇兩側(cè)左右舷，其工作原理是通過受壓的海水流進(jìn)裝有武器的發(fā)射管后部，由液壓驅(qū)動水缸活塞從而使3具發(fā)射管發(fā)射武器 (一次發(fā)射1枚，通過打開相應(yīng)密封閥來選擇用哪一發(fā)射管發(fā)射武器)，該發(fā)射系統(tǒng)可在潛艇的整個潛深范圍內(nèi)進(jìn)行武器發(fā)射，可發(fā)射各型魚雷及導(dǎo)彈。

在“201010”課堂模式實(shí)踐過程中，發(fā)現(xiàn)這種教學(xué)模式絕對不是定式，不是一成不變，而應(yīng)該是變式，應(yīng)該隨著章節(jié)的知識點(diǎn)去分配時間，特別是必修1自然地理，地理復(fù)習(xí)的時候老師要多講一點(diǎn)，因此從這個角度來看，不能一刀切。

圖2 液壓平衡發(fā)射系統(tǒng)Fig.2 Water discharge system

2.3 沖壓活塞系統(tǒng)

新型的氣動沖壓式發(fā)射裝置是把魚雷發(fā)射管的下部支撐導(dǎo)軌用帶有滑槽的發(fā)射箱代替，這種滑槽發(fā)射箱通過推桿活塞后的密封墊來密封，該活塞的一端與沖壓推桿相連接，而另一端則接到要推動的武器上。沖壓活塞系統(tǒng) (TPS)所需推力全部通過壓縮空氣瓶提供，并通過作用到這個氣/水發(fā)射缸上的壓力帶動活塞做功 (見圖3)，推動需發(fā)射的魚雷及導(dǎo)彈出管。

圖3 沖壓活塞式發(fā)射系統(tǒng)Fig.3 Trust piston system

2.4 液壓機(jī)械系統(tǒng)

這種液壓機(jī)械系統(tǒng) (TCS，見圖4)是專門用來發(fā)射導(dǎo)彈及水雷的裝置，其工作原理是通過1根鋼繩的一端來拉動輸送滑板，而鋼繩另一端借助1個差動液壓缸來拉動，且滑板臂與武器連接在一起。所需壓力來自1臺活塞式液壓儲能器，并通過液壓泵將該壓力傳遞到輸送板上。對導(dǎo)彈的發(fā)射速度或是布放水雷的方式則通過發(fā)射管控制系統(tǒng)來實(shí)施控制和監(jiān)控。

3 魚雷管模塊發(fā)射裝置構(gòu)成

3.1 采用模塊化系統(tǒng)集成

未來能滿足特種作戰(zhàn)要求的小型潛艇將會采用模塊化系統(tǒng)集成的方式來構(gòu)建潛艇，相關(guān)的模塊化發(fā)射裝置配有適于各類武器的發(fā)射管，安裝在潛艇的耐壓殼外，根據(jù)需求選擇相應(yīng)發(fā)射管來發(fā)射各型魚雷、水雷、無人潛航器 (UUV)、魚雷對抗措施(TCM)，(含軟硬殺傷及誘餌)以及潛射交互系統(tǒng)(IDAS反艦/空魚雷或?qū)?［4］。這些系統(tǒng)已集成模塊艙，潛艇無需進(jìn)塢就可方便地安裝所需裝配的位置 (一般裝在艇首的上層區(qū)域)，該系統(tǒng)的下部還裝有1套集成的多功能模塊艙室，該艙室的一端直接連通進(jìn)潛艇前端耐壓殼內(nèi)艙壁 (見圖5)以方便特種作戰(zhàn)武裝蛙人和有效載荷在潛艇內(nèi)的直接進(jìn)出。

圖5 多功能甲板 (或艙室)式模塊集成方案Fig.5 Flexible solution in deck/multifunction chambor

3.2 采用靈活多變的甲板 (或艙室)式模塊集成解決方案

如圖5所示的這種靈活多變甲板式模塊集成方案為潛艇武器發(fā)射提供了更大的發(fā)展空間。這種甲板 (或艙室)式模塊可以承受武器裝載時的沖擊載荷 (因裝有減振裝置)，安裝在艇首部，與潛艇外殼形成一個整體，為艇體集成的一結(jié)構(gòu)部分，按照這樣的設(shè)計(jì)理念，該發(fā)射裝置啟用時不會受到潛艇作戰(zhàn)深度變化的限制。

該裝置使得無論在干式或濕式耐壓環(huán)境下裝載武器成為可能。當(dāng)海水注入有良好氣密性的發(fā)射裝置內(nèi)，取得壓力平衡后，可同時打開魚雷發(fā)射管的前后管兩端蓋，這樣海水能更加通暢地流進(jìn)管內(nèi)，采用這種方式將會極大地改善自航式魚雷 (或?qū)?的發(fā)射功效 (主要指在聲學(xué)和武器發(fā)射速度方面)。

1)采用甲板式模塊集成的發(fā)射裝置。它使得潛艇可靈活根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)選擇所需戰(zhàn)術(shù)武器成為可能。為方便安裝，該裝置設(shè)計(jì)在潛艇吃水線上方，只有在裝置的電氣及液壓連接完成后才將該裝置安裝推進(jìn)到潛艇殼體間的密封箱體內(nèi)，這樣系統(tǒng)就做好了承接下一作戰(zhàn)任務(wù)的準(zhǔn)備。

2)采用艙室式模塊集成的發(fā)射裝置。如圖5所示的多功能艙室模塊集成方案可以看作是一個帶出入閘門的縱向柱體 (可變徑)艙，這是一個外徑尺寸較大的一個艙室。它的出現(xiàn)為潛艇作戰(zhàn)擴(kuò)展了更多的功能，潛艇可以根據(jù)需求來準(zhǔn)備所列任務(wù)的功能模塊。從表1可看出，這些任務(wù)模塊使得潛艇更方便地成為某種多功能及用途的作戰(zhàn)平臺。

表1 魚雷管發(fā)射裝置可集成的各型艙室 (或甲板)式模塊Tab.1 An integrated solution in deck/multifunction chamber module for waopon tube

這里要說明的是:這種C-型可坐沉式武器模塊指的是從潛艇上發(fā)射出去后，它可坐沉到海底長期伺服，并獨(dú)立執(zhí)行任務(wù)。當(dāng)任務(wù)完成后，該武器模塊可回收進(jìn)發(fā)射艇，或是用打撈艇對模塊進(jìn)行回收。

3.3 模塊化發(fā)射裝置的主要特點(diǎn)

采用這種靈活方便的模塊化設(shè)計(jì)方案制造的發(fā)射系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn):① 潛艇執(zhí)行任務(wù)更加靈活，可在任意海區(qū)進(jìn)行發(fā)射或布放武器;②武器裝載更方便，可在碼頭對艇裝載各種功能模塊;③武器互換更為簡便，潛艇即便在海上也可方便互換各種武器模塊;④艇內(nèi)無需再加儲運(yùn)系統(tǒng)，武器模塊集成本身已經(jīng)成為一種儲運(yùn)系統(tǒng);⑤艇上無需裝彈沉箱，各型武器已裝載在作戰(zhàn)或發(fā)射系統(tǒng)模塊內(nèi);⑥艇耐壓殼上無焊接工作，發(fā)射系統(tǒng)與艇體已集成為一體;⑦艇上無需武器配重鐵塊，所裝載的武器和有效載荷已成為艇上的配重塊;⑧現(xiàn)役武器皆可整裝集成 (各型魚雷、“戰(zhàn)斧”導(dǎo)彈、IDAS及各型水雷);⑨組合式配重鐵塊有望推行，便于對發(fā)射的武器進(jìn)行配重;⑩ 使武器與反魚雷對抗措施(TCM)模塊化成為可能;○11各型甲板式模塊具有良好減震性，增加了武器裝載的安全性;○12可同時打開發(fā)射管的前后管蓋，注水更加暢通和快捷。

4 潛艇武器貯運(yùn)系統(tǒng)的發(fā)展

4.1 現(xiàn)役武器貯運(yùn)系統(tǒng)

一般來講，潛艇在其耐壓殼內(nèi)需有1套武器貯運(yùn)系統(tǒng)與魚雷管發(fā)射裝置相配，它可用來對各型魚雷、導(dǎo)彈、水雷、IDAS集成發(fā)射箱 (筒)及專用設(shè)施進(jìn)行貯存、轉(zhuǎn)運(yùn)及裝載。

這套武器貯運(yùn)系統(tǒng)主要由歸屬傳送裝置的各類托架 (板)和既可在水平向，也可在垂直向傳送的推動裝置所構(gòu)成。組成整套系統(tǒng)的兩大功能部件對武器進(jìn)行裝載的工作原理是:由具有垂直及水平轉(zhuǎn)送功能的各種裝置組成的武器裝運(yùn)入口單元組件系統(tǒng)負(fù)責(zé)將要發(fā)射的武器轉(zhuǎn)運(yùn)至魚雷發(fā)射管端蓋處，再由具有水平縱向傳送功能托架裝置組成的單元組件系統(tǒng)將位于魚雷發(fā)射管前端的武器入口單元組件托架上的武器逐級移送進(jìn)魚雷發(fā)射管內(nèi)。所集成的水平縱向傳送單元組件上的每個托架皆可完成魚雷管的武器裝載過程，并借助跑兔裝置 (見圖6)將武器沿縱向移動到托架的尾端，由于魚雷發(fā)射管與傳送托架間存在一段間距，為跨接這段距離在武器與跑兔裝置間手動聯(lián)接了1段推桿。

圖6 跑兔式托盤Fig.6 Pallet with rabbit

要把武器從潛艇外裝載進(jìn)艇通常有2種不同的辦法，一是對要裝載的武器從艇首通過魚雷管直接裝載進(jìn)魚雷的貯運(yùn)系統(tǒng) (見圖7);二是通過以一定傾角伸出到上層甲板外的武器托架對要裝載的武器承接下來裝進(jìn)魚雷發(fā)射管 (見圖8)。

圖7 艇首裝載Fig.7 Bow embarkation

圖8 上層甲板裝載Fig.8 Uppor deck embarkation

4.2 新型武器貯運(yùn)系統(tǒng)

本文討論的新型武器貯運(yùn)系統(tǒng)主要是基于德國214級艇提出的“武器傳送系統(tǒng)研究與發(fā)展”研發(fā)項(xiàng)目來論證，其研究目的是要研發(fā)一種新型甲板式托架的武器貯運(yùn)系統(tǒng) (見圖9)，該托架傳送單元組件要具有全自動的水平縱向與垂直傳送功能，系統(tǒng)可以配備各型常規(guī)艇。

圖9 新一代魚雷貯運(yùn)系統(tǒng)裝載過程Fig.9 Loading process of the new qeneration torpedo transport and stowage system

這種新型武器貯運(yùn)系統(tǒng)與現(xiàn)役武器貯運(yùn)系統(tǒng)相比，僅從設(shè)計(jì)層面考慮就提出了更高的要求，即要做到:占用空間及總重量最小化;裝載時間最優(yōu)化;人機(jī)改良工程化;各型武器使用通用化。

通過采取下列方案，獲得滿足上述要求的一些求解:創(chuàng)建一種無需人工操作的自動裝載系統(tǒng);貯運(yùn)系統(tǒng)總重約1300 kg/托架 (除去托架重，可大約減少200 kg);適用于口徑483 mm和533 mm的各型武器。

采用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)武器的自動裝載過程 (或稱武器縱向傳送過程)主要有2個步驟:①使多級套筒推桿氣缸移動到位;②使推桿傳動系統(tǒng)移動伸展。

具體工作原理是:首先將多級套筒氣缸移動到要推動武器的位置，接下來將推桿傳動系統(tǒng)打開并啟動推桿機(jī)構(gòu)。該推桿傳動系統(tǒng)除要把武器沿發(fā)射管方向前行推動外，還要能自動解脫與多級套筒氣缸的液壓連接。在確保推桿沒有油壓損失后，推桿傳動系統(tǒng)才開始所謂的第2步武器傳送移動，通過將多級套筒推桿的逐級不間斷伸展將武器推送進(jìn)發(fā)射管內(nèi)。這個工作原理很像1根可伸縮的連桿天線，以這樣的方法即可獲得自動化程度更高的1套武器貯運(yùn)系統(tǒng)。

5 結(jié)語

通過以上的討論及研究，新型魚雷管模塊式發(fā)射裝置不但要滿足常規(guī)武器發(fā)射，還要滿足特種作戰(zhàn)需求，這是發(fā)射裝置的一個總體發(fā)展趨勢。未來無論是攻擊型核潛艇、常規(guī)潛艇或是執(zhí)行特種作戰(zhàn)任務(wù)的微型潛艇 (袖珍艇，大排量無人潛航器)將會采用模塊化組合方式集成構(gòu)建水下系統(tǒng)作戰(zhàn)平臺，安裝在潛艇耐壓殼外并形成模塊化武器發(fā)射系統(tǒng)的魚雷發(fā)射裝置將會滿足不同種類武器的發(fā)射需求，是一種重要的武備系統(tǒng)，其發(fā)射的武器包括:水雷、UUV、TCM或IDAS等［5］。將發(fā)射裝置集成安裝在潛艇首部，并與潛艇外殼形成一個整體，成為艇體結(jié)構(gòu)的一部分，這是發(fā)射裝置設(shè)計(jì)理念的一個創(chuàng)新。為節(jié)約裝彈時間，武器采用既可從潛艇上甲板也可從艇首裝載的方式直接將武器裝載進(jìn)發(fā)射裝置內(nèi)，以降低對武器的沖擊。新型武器貯運(yùn)系統(tǒng)是一種發(fā)展模式，實(shí)現(xiàn)多類武器共架、共庫、共發(fā)射是雷/彈發(fā)射裝置一種發(fā)展趨勢;為節(jié)約潛艇水下發(fā)射裝置的占用空間、改裝費(fèi)用及提高發(fā)射利用率，美、德等國大力發(fā)展的模塊式、一體式發(fā)射裝置將是未來發(fā)射系統(tǒng)的基本方向，未來潛用魚雷管發(fā)射裝置除能發(fā)射魚雷、導(dǎo)彈、水雷外，還用來釋放各型UUV、特種作戰(zhàn)蛙人輸送艇、誘餌、移動水聽基陣等［6］。

［1］JAMES P.The Better diesel-electric submarine:new option for and new problems of modern non-nuclear subs［J］.Naval Force Journal，2010(3):46 －56.

［2］SVEN K.Class 216 －cutting edge technology for long mission profiles［J］.Naval Force Journal，2011(S):22 －25.

［3］HELMUT R.New development in weapon tube sets and torpedo transport and stowage systems［J］.Naval Force Journal，2011(S):38 －41.

［4］PETER H.Class 210 mod-a future-orientated submarine design［J］.Naval Force Journal，2011(S):26－29.

［5］KLAUS E M.Interactive deffence and attack system for submarine(IDAS):new capability for submarine［J］.Naval Force Journal，2011(S):29 －31.

［6］ZHONG Hong-wei.Current status of torpedo launching equipment system and key technologies for submarine［Z］.Kunming:Torpedo＆Launching Editorial Department of The 705 Research Institute of CSIC，2012.