艦載導彈垂直發射裝置精確安裝與測量技術研究

何朝勛，劉俊州，張 宏，付廿立

(鄭州機電工程研究所，河南 鄭州450015)

0 前 言

導彈作為現代精確打擊武器的一種，在國家戰略中具有非常重要的地位。而其技術發展的一個重要方向則是提高打擊精確度。導彈通過垂直發射裝置進行姿態定位和發射，發射裝置的安裝精度對導彈發射時的初始精度造成影響，決定導彈攻擊目標的精確度和殺傷效能。

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

導彈垂直發射裝置的精度直接影響著導彈發射初始彈道，因此導彈總體對發射裝置精度提出了很高要求。由于發射裝置結構龐大，其精度只能在車間總裝時采用測量儀器和測量工裝靠人工進行測量和調整，確保精度控制在設計要求范圍內，但是由于測量方法費時費力，調試難度大，效率低。

隨著艦載導彈垂直發射裝置發射彈種的多樣性以及發射的多通道特征，使得船體結構開口尺寸大、基座尺寸大且精度要求高，導致船體結構設計和施工中的精度控制非常困難，設備安裝難度逐漸變大，質量控制難度提高，致使安裝調試周期長，效率不高。現有的測量方法對環境條件及船體的姿態要求苛刻，即使在船臺上測量也必須在晚上進行。在塢內船處于半坐墩狀態時，由于對船體的姿態要求高，使得精度測量工作變得難以實施。

由于機械加工誤差影響，艦上安裝基座與基準平臺之間存在水平誤差角，而出廠時導軌與發射裝置基準面之間也存在垂直度誤差，從而使安裝后導軌與主基準平臺之間存在垂直誤差角。同樣，由于導軌相對發射裝置基準的方位誤差、安裝基座的方位誤差、安裝對準工藝等因素使得發射裝置導軌方位與艦首尾線之間也存在方位誤差角。這些誤差可能會導致導彈垂直發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對這些誤差進行測量，并根據測量結果對發射裝置的精度進行精確調整，確保發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度和剛性，但畢竟不是一個絕對剛體。盡管在發射裝置的安裝部位一般都進行加固，但在艦船自身載荷、海浪作用和溫度變化等外部環境及應力作用下，船體仍將會發生幾何形變。為消減由船體變形給需要精確姿態信息的裝備帶來的誤差，在安裝基座附近設置了局部基準，但是船體變形引起的垂直發射裝置導軌精度的變化，難以通過底部的局部基準進行精確補償，會對導彈的初始精度造成影響。若船體變形造成發射筒（箱）定位導軌精度超出設計指標，則可能影響導彈命中精度。因此需要定期對發射裝置導軌的垂直度進行檢測，在導彈初始航姿裝訂中提供合適補償，確保導彈的命中精度。由于海上動態環境的復雜性，目前還沒有一種適用的進行發射裝置精度測量的方法與裝置能完成測量工作。

1 國外發展現狀與發展趨勢

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

MK41型導彈垂直發射裝置8個模塊在艦上的安裝空間如圖1所示，整個發射裝置基本都安裝于01甲板下的艙室中。發射裝置各模塊充氣增壓室底面上的安裝腳是通過機械襯墊和墊片安裝固定到艦船的相應安裝基座上的。在用螺栓固定后，機械襯墊焊接到艦船安裝基座上。機械襯墊的平行度為0.05 mm。發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，但發射裝置主要靠底部的安裝基座提供支撐。合金鋼板與發射裝置及艦艇01甲板的連接方式如圖2所示。發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]。吊裝時為保證發射裝置底部與彈庫安裝基座的精確對準，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，并用鋼板尺測量發射裝置頂部側面與鋼琴絲的對準誤差，誤差在1/25 in（1 mm）以內就可確保發射裝置底部的定位銷與安裝基座的銷孔對正，此時就可將模塊完全下放到位。

MK48導彈垂直發射裝置通過支撐結構的側向安裝接口將發射裝置安裝到艦艇的艙壁上（見圖3），艦艇的連接部分設有緩沖機構，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平臺小于30′，并涂覆防止電化腐蝕的防腐劑，在安裝發射裝置情況下，艙壁的固有頻率大于20 Hz。MK57導彈垂直發射裝置也采用整體吊裝的方式進行安裝（見圖4）?！跋癄柾摺苯Y構類似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。

國外導彈垂直發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有很多的研究。在測量的精度方面，德國蔡司公司生產的坐標測量儀的精度可以達到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，達到了4.7 nm的精度，耶魯大學的Garcia-Sanchez Daniel等設計了1套基于卡西米爾力的儀器和測量方案，實現了對微觀表面的平面度測量，測量精度達到了2 nm。在工業應用方面，Lo S, Chiu J, Lin H.[2]提出過一種使用激光散斑結合數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]設計了 1 套用于檢測銑削表面平面度的機器視覺系統。瑞典Damalini公司生產有Easy-Laser系列激光對中儀系統，顯示單元內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系列產品測量距離達到40 m測量精度為0.1 mm。美國光動公司采用獨特的雙光束設計，研制出1套平面度測量系統，分辨率為0.01 μm，可以保證高準確度的要求[5]。

近年來國外很多學者對各類平行度測量方法做了大量的研究和創新，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，利用波長可調的激光以及相應的軟件算法，可同時測量多個面。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分別用機械探針和干涉儀測量了標準量塊的平行度[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）使用現有的儀器和帶指示器的測量架對基準實際線和被測實際線進行測量，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、測量結果精確度高等優點。國外對平面度、平行度和垂直度的測量向著高精度、動態、數字化方向發展，可自動處理大量的測試數據。

2 國內現狀

我國的導彈垂直發射裝置大都采用分體吊裝的方式，采用對刻線的方法進行初對準，為確保安裝精度，還需進行整體或局部調整。

關于平面度測量國內也有一些研究。在測量精度方面，中國科學院的朱文使用激光跟蹤儀檢測大型精密零件，測量精度達到了0.03 mm。北京機床研究所研制出了PG-1高精度平面度測量系統，用于導電的中等尺寸工件，測量精度能達到0.1 μm。在工業應用方面，東華大學的方波等把液平面作為測量基面，設計了1套以干涉儀為基礎的測量系統。武漢科技大學的鄒春龍等利用平面度三維重構的方法實現了數字化平面度的測量。

國內對于平行度的測量研究有：2006年，北京理工大學的宋勇等提出用五角棱鏡結合旋轉機構建立理想基準平面的方法來測量平行度和垂直度[9]。

國內對于平面度、平行度以及垂直度的測量一直處于跟隨國外發展的狀態，其測量精度以及設備的穩定性、應用對象與國外相比差距很大，基本上處于實驗室階段，未大范圍開展實際應用。

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

由以上可以看出：

1）國內對于導彈垂直發射裝置快速精確安裝調試方法的研究很少，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，且未經實踐檢驗其合理性和可信性；

2）未充分考慮生產車間總裝調試、艦上的安裝裝配、服役后復雜的力學環境等整個過程對發射裝置精度誤差的影響；

3）有必要建立較全面的數學模型，對影響發射裝置精度的因素進行全面深入研究，在此基礎上深入開展發射裝置精度測量與控制理論的研究，具備動態測量能力，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，最終實現導彈垂直發射裝置的精確安裝調試。

3 存在的差距和問題

綜上所述，代表國際先進水平的MK41，MK57，“席爾瓦”導彈垂直發射裝置，都采用整體吊裝，安裝效率較高；我國的導彈垂直發射裝置在安裝調試時靠刻線進行初始對準，需二次調整，安裝裝配精度不高；精度測量方法受限，測量效率需要提高，難以適應艦艇建造周期的需求。本文圍繞國內外現狀進行綜述與研究，為改進發射裝置安裝測量技術提供借鑒，可進一步開展關于動基座下的精度測量問題的研究