垂直發射多用途導彈發展現狀與研究方向*

劉鈞圣，曾 望，湯江河，付 博，譚天漢，王齊雙

(1 西安現代控制技術研究所，西安 710065；2 63963部隊，北京 100000)

0 引言

隨著科學技術的飛速發展，武器裝備也在不斷更新換代。現代陸軍作戰的使命已較以往發生重大變革。多用途導彈就是在現代陸戰直接推動下、在與裝甲力量對抗中逐步產生并快速發展的，多用途導彈通常可裝配于輪式高機動車輛、履帶式車輛、兩棲登陸車輛等多種武器系統平臺。具備對作戰環境高度適應能力，可在視距內及視距外打擊地面及空中目標。目前，國內外比較典型的多用途導彈主要有美國的“標槍”、“海爾法”，俄羅斯的“短號”、“AT-4”，法德聯合研制的“米蘭”，英國的“硫磺石”，以色列“長釘”等[1-2]。導彈的外形及詳細參數見圖1、表1。

表1 典型多用途導彈技術參數

從第一代反坦克導彈有線制導到現代第三代、第四代紅外成像、激光、毫米波復合制導，從單兵使用的輕型、近程到現代的適應各種發射平臺、可打擊空中及地面目標的多用途導彈，不論是毀傷效能及打擊精度都得到大幅提高[3]。現代比較典型的國內外多用途導彈均采用傾斜發射方式，傾斜發射方式在作戰時需提前調整發射方向進行射向對準，與現代化戰爭追求快速反應能力、高性能控制、全向攻擊能力、高彈藥裝填密度等目標存在偏差。為提高陸軍車載導彈在現代陸戰場的適應能力，創新提出的將垂直發射技術應用于車載多用途導彈武器系統方案是一條新的途徑。垂直發射方式具有作戰響應時間短、彈藥裝填密度高、可全向攻擊等優點[4]，能夠更好的適應現代陸戰場目標類型多樣、時敏性強的特點。

圖1 典型多用途導彈外形

1 垂直發射導彈現狀

20世紀60年代末，垂直發射技術被首先應用于艦載防空導彈系統中。80年代初，蘇聯首先在基洛夫級核動力巡洋艦上裝備了SA-N-6艦空導彈垂直發射裝置[5]。與此同時，美國也完成了MK41型導彈垂直發射裝置的陸上試驗并后續裝備于巡洋艦和驅逐艦上。隨后，以色列、意大利等國也開始了在艦空導彈中使用垂直發射技術并陸續裝備部隊。

由于垂直發射導彈使得武器系統具有載彈量大、發射效率高、響應時間短、全方位打擊、通用化、模塊化設計、發射盲區小等諸多優點，近年來一些國家已經將艦載垂直發射導彈應用于垂直發射系統，如英國的“海狼”、以色列的“巴拉克”、“海麻雀”、美國的標準系列垂直導彈、俄羅斯道爾M1/M2武器系統等。目前國際上幾種主要垂直發射導彈系統如表2所示。

垂直發射技術在艦載導彈及地面防空導彈領域已經形成大量裝備，垂直發射技術在應用上有以下優點[6]：

a) 可全方位攻擊

垂直發射導彈具備360°全方位攻擊能力，能夠對射程范圍全方位區域內的目標實施打擊。該能力在海外作戰、空突作戰、空降作戰等作戰區域態勢不明朗，無法確定敵軍部署方向時，為射程范圍內的友軍提供火力支援，對局部戰場態勢的塑造具有重要意義，可滿足未來陸軍全域作戰的需求。

表2 國外垂直發射導彈系統

b) 無需行戰轉換

垂直發射導彈完成上電準備后即具備發射條件，能夠在發射平臺短停或行進過程中對目標實施打擊，無需行戰轉換，獲取目標信息后，可在3 s內完成導彈發射。該能力可為前突作戰的友軍提供伴隨火力支援，改變現有突擊作戰的接觸式作戰模式，實現局部的非對稱作戰態勢，并可有效提高發射平臺的戰場生存能力。

c) 平臺移植性強

垂直發射系統易于實現標準化結構，并可將發控裝置、數據鏈系統、指揮通訊系統、供電系統與導彈集成設計在一個模塊化發射裝置內，并留有標準接口，可快速移植于快速移植至各種有人、無人、水面平臺或直接放置在地面進行無人值守作戰。戰時，可將導彈系統模塊加裝至皮卡等非戰斗車輛，構成機動打擊系統，彌補軍用發射平臺生產周期長的問題。

d) 裝填密度高

垂直發射導彈系統發射裝置占用空間小，裝填密度高，可最大程度的利用發射平臺空間，例如，在陸軍中型高機動平臺上，可裝載不少于20枚20 km級垂直發射導彈。隨著單個平臺載彈量的提高，可有效降低作戰任務剖面內對彈藥運輸裝填車等彈藥補給設備的依賴。同時，垂直發射裝置單個發射平臺內的彈藥均可以發射，無需對備用彈進行裝填。

e) 發射裝置復雜度低

垂直發射導彈系統發射裝置結構簡單，無需對目標進行同步跟蹤和瞄準，發射架不用調轉，發射裝置不需要升降裝置和方位、俯仰伺服系統。減少了地面系統的電子系統和傳動機構，發射平臺的可靠性(如MTBF等技術指標)可有效提高；發射平臺的生產成本及日常維護、保養費用也隨之減少，導彈系統全壽命周期成本較低。

21世紀初，美軍將垂直發射技術應用于多用途導彈領域，準備用未來戰斗系統(LCS)取代現有陸戰裝備，其中重要組成部分為非直瞄發射系統(NLOS-LS)，即“網火”導彈系統。它率先采用網絡中心的概念，應用模塊化設計，將大型武器裝備系統分散到一系列較小、較輕的平臺上，在精確導引火力支持系統統一指揮和控制下，快速、精確、高效的對目標實現打擊。“網火”導彈系統配裝的導彈為精確攻擊導彈(PAM)和巡飛攻擊導彈(LAM)，其中，PAM導彈主要負責重型裝甲和工事目標，同時具備對空打擊能力；LAM巡飛彈飛行速度大于0.4Ma，射程超過200 km，可在戰場上空盤旋45 min，為PAM導彈提供目標支持和打擊效果評估。“網火”導彈系統采用箱式垂直發射方式，一個發射單元可組裝16枚精確攻擊導彈和巡飛攻擊導彈，該發射單元可放置于地面、輪式車輛、履帶式車輛等平臺。網火導彈系統導彈裝填密度高、作戰響應迅速、可全向攻擊，代表了陸軍精確攻擊導彈的先進水平和發展方向。

圖2 開環試驗原理框圖

2 垂直發射關鍵技術

2.1 垂直發射方式

現有的垂直發射系統的發射方式一般冷發射和熱發射兩類[7]，熱發射是指導彈依靠自身發動機產生的推力飛離發射裝置的發射方式，冷發射是指借助輔助動力將導彈從發射筒中彈射出去，當導彈到達一定高度后再點燃主發動機的發射方式。

熱發射方式導彈產生的燃氣從發射單元的煙道中排出，美國、以色列及歐洲的大多數國家一般采用這種發射方式，如美國的MK41、英國的“海狼”等。熱發射方式每枚導彈都有獨立的排氣和排熱系統，導彈之間不會互相影響，通用性好，可裝填對空、對陸、反艦等多種類導彈。同時由于發動機點火后才能出筒，能夠保證導彈快速轉向，安全性好。熱反射方式的缺點在于需設置專門排氣煙道及防高溫設施，系統裝置復雜、技術要求高、后期維護較困難。

圖3 海狼艦對空導彈熱發射

冷發射也稱彈射，導彈擊發后導彈在發射筒內由高壓氣體助推出筒，達到一定高度后發動機點火，導彈持續飛行完成發射。以俄羅斯為代表的國家多采用此類發射方式，如俄羅斯的SA-N-6、SS-N-19等采用此類發射方式。冷發射技術最大的優點是可以無需熱發射燃氣排導系統，設備簡單，占用空間小，節省發動機能量，射程遠；同時可免除熱發射帶來的極為復雜的燃氣排導問題，有利于導彈在集束中的布置。缺點主要是彈射裝置設計復雜，對于重量比較大的導彈，冷發射推力不足不易實現。

冷發射技術和熱發射技術各有優缺點。熱發射技術發射時產生高溫燃氣，需要設計隔熱排氣煙道，同時發動機火焰對車載相關設備易造成損壞。而冷發射技術相對熱發射技術發射裝置體積小，有利于提高車載武器裝填密度，增加單車載彈量。相對來說，冷發射技術更適合在車載垂直發射多用途導彈中應用。在工程實踐中，垂直彈射內彈道技術、輕質密封易碎蓋技術、輕型一體化設計技術是冷發射技術在車載垂直發射導彈中應用的關鍵

2.2 快速轉彎技術

多用途導彈垂直發射出筒后面臨的關鍵性問題為垂直快速轉彎，在導彈飛行初期由于速度較小，空氣舵操縱效率低，為了達到射面對準和快速轉彎的目的，一般采用推力矢量控制技術和直接力控制技術。

1.2.1 直接力控制技術

直接力控制技術在航空航天技術領域應用范圍較廣，廣泛應用于航天飛機、飛船、動力攔截器、衛星姿態調整等。直接力控制技術通過布置在飛行器不同位置的微型發動機產生推力調整飛行器姿態，使飛行器機動能力和響應速度得到大幅提高。直接力控制技術的難點在于設計制造推力可控的微型發動機，而且對控制系統要求較高，需要在合適的時間啟動微型發動機調整彈體姿態。同時直接力控制技術一般布置于彈體前側，對導引頭及電子部件沖擊較大，故在多用途導彈應用中需要解決的問題還比較多，應用較困難。

圖4 直接力轉彎控制

2.2.2 推力矢量控制技術

推力矢量控制技術指將導彈的飛行推力從彈軸平行方向引向其他方向的技術，在多用途導彈中可以應用的主要有燃氣舵、矢量噴管和擾流片。

a) 燃氣舵

燃氣舵最早應用于彈道導彈飛出大氣層，空氣舵失效后通過燃氣舵控制導彈姿態。為了實現空氣舵舵效不足情況下的快速轉彎，燃氣舵近年來被引入冷發射導彈慢速情況下的快速轉彎。燃氣舵具有結構簡單、響應速度快和不受飛行速度影響的特點，非常適合于在多用途導彈中應用。其缺點是燃氣舵工作在溫度高達1 000 ℃以上高溫燃氣流中，對燃氣舵材料要求較高。如何讓燃氣舵在擁有良好的抗燒燭和沖刷性的同時,具有較小的質量是垂直發射導彈的重要研究方向。

g) 矢量噴管

矢量噴管直接改變發動機噴射燃氣流的方向，早期大多應用于垂直起降戰機上，分為二維矢量噴管及三維矢量噴管。矢量噴管最大考驗在于噴管偏轉部分的高溫問題，持續高溫沖刷會對噴管材質產生損傷并失去矢量控制效果。矢量噴管由于增加了額外的伺服作動機構，體積較大，小型化困難，不適宜在小型多用途導彈中應用。

圖5 燃氣舵示意圖

h) 擾流片

擾流片安裝在發動機噴口處，通過向噴口內的平移改變噴口形狀，引起壓力在噴口分布不均勻，造成發動機推力偏心，產生側向力使導彈快速轉彎。擾流片方案改變了發動機噴口面積，造成發動機推力損失較大，不適于在導彈中應用。

2.2.3 大迎角飛行控制技術

垂直發射導彈在低速快速轉彎時，會出現

40°～50°的大攻角飛行狀態。在該狀態下，導彈氣動力呈現強烈的非線性及姿態通道耦合特性；彈體側向力和偏航力矩空氣動力系數大小和方向變化劇烈；出現控制面耦合現象，對稱控制面在相同偏轉角條件下將產生不同的控制力[9]。在垂直發射多用途導彈研制過程中，應以風洞試驗為基準，建立較為準確地耦合項模型，引入解耦算法，采用多維變參、滑模變結構控制等技術，解決氣動力非線性問題。

通常來說，當彈體迎角較小時采取控制面解耦算法，當迎角較大時采用推力控制技術。為解決俯仰/偏航、滾動通道的耦合作用問題，可采用模型參考時變全程滑態變結構控制方法[10]，已有仿真結果表明，該控制方法具有良好的魯棒性和較高的控制效率。另外，梁雪超等[11]設計了基于彈體“過載+角速度+角度”三回路自動駕駛儀，將氣動參數的變化等效為動力參數的攝動，為工程應用提供了有效解決方案。

圖6 大攻角氣動仿真

2.2.4 行進間發射技術

行進間發射能力是未來戰爭對陸軍武器提出的發展需求，其研究涉及到車輛行駛動力學和導彈發射動力學。車輛行駛運動學主要研究車輛的受力和運動規律，并以行駛安全性和便捷性為研究內容。導彈發射動力學主要研究導彈發射過程中的受力和運動規律。

為解決垂直發射導彈系統在支援戰車上的行進間發射問題，對支援戰車和不同路面等級進行數學建模，建立仿真模型進行動力學仿真，評估在不同運動速度不同路面平整度的前提下，導彈發射出筒的初始擾動和初始姿態，從理論上評估行進間發射對導彈的影響。

在此基礎上，通過行進間動態傳遞對準，對載車定位定向與導彈的初始航向偏差進行預估，并通過載車傳感器對戰車在真實路面上的行駛環境進行摸底，通過行進間發射匹配試驗和行進間飛行試驗，驗證行進間發射的可行性。

圖7 行進間發射技術

2.2.5 動態傳遞對準技術

傳遞對準是為解決支援戰車運動條件下彈上慣性導航裝置初始姿態的獲取問題而設計。受支援戰車動過程中的加速度、振動等環境擾動，很難獲得理想的水平面內的水平投影分量。傳遞對準算法以支援戰車高精度定位定向裝置作為參考，通過比較定位定向裝置和彈載慣導裝置測量的比力、角速度或其它導航信息，估計出彈載慣導裝置相對于定位定向裝置的安裝誤差角，進而根據定位定向裝置輸出的姿態信息，確定出慣性導航裝置初始姿態。

3 垂直發射多用途導彈發展趨勢

隨著信息化戰爭的不斷發展，垂直發射多用途導彈越來越成為陸戰場上的尖兵利器，總結近年來國內外關于垂直發射多用途導彈的發展，結合未來軍事裝備發展需求，其研究方向主要有以下幾點：

a) 模塊化設計

垂直發射多用途導彈趨勢模塊化設計，多發導彈集成為一個發射單元。發射單元可在無人值守、輪式車輛、履帶式車輛等平臺上快速移植，適應不同平臺對武器裝備的作戰需求。

b) 多彈種共架發射

隨著科技發展和軍事技術不斷進步，陸戰平臺作戰方式發生很大變化，同一作戰平臺需能夠打擊不同類型目標，同時需具備自主偵察能力。采用共架發射可將反坦克導彈、巡飛偵察彈等多種類導彈集成于同一發射平臺，共架發射實現對目標偵察、打擊、效果評估等多種作戰目標。

同時由于箱裝導彈易于移植平臺，可在陸軍、空軍和海軍中通用，裝備適用性強。

c) 網絡化無人值守區域控制

基于網絡信息功能的垂直發射多用途導彈，可利用信息技術進行互聯互通和動態整合，通過協同感知、突防、搜索、定位、攻擊和評估，滿足不同環境、距離、目標的作戰需求，形成體系化作戰能力。無人化是未來戰爭的一個重要發展趨勢，模塊化箱裝垂直發射導彈單元具有可空投、易部署、發射裝置耗能少等特點，是實現邊境、島礁等區域實現長時間無人值守、區域封控的有效途徑。

d) 多目標同時打擊

垂直發射導彈單元可實現對任何方向上多種多個目標打擊能力，可實現導彈交接班控制。同時模塊化想裝導彈單元可由第三方操縱使用，可對導彈彈道進行規劃控制等。

e) 偵察/打擊一體

在無通信提供目標信息時，垂直發射多用途導彈能夠利用自身的巡飛攻擊導彈前出偵察及攻擊，具有臨時信息通訊節點的功能。選取彈道特征點

f) 射程、平臺系列化發展

隨著戰略和戰術打擊范圍不斷擴大，精確制導武器打擊范圍不斷向遠程化發展，逐步研制火力打擊范圍可覆蓋50 km的垂直發射多用途導彈武器系統，形成遠中近梯次火力配系。并可進行一彈多平臺、一平臺多彈的方向發展，可上裝履帶平臺、輪式高機動平臺、兩棲平臺、無人平臺、艦艇平臺等多種發射平臺，使武器的通用化水平不斷提升。

4 結束語

垂直發射技術具有作戰反應時間短、單個火力單元載彈量大、具備全方位目標打擊能力等優勢，在多用途導彈領域有極優異的應用前景。箱裝垂直發射導彈實現導彈共架發射，區域控制，多目標同時打擊可大幅提高武器系統的作戰使用效能，是未來陸軍作戰武器的重要發展方向。