某發(fā)射裝置隱形設(shè)計(jì)研究與分析

王鵬飛，余建成，陳祥龍

（國(guó)營(yíng)第四四五廠，浙江 杭州，310024）

0 引言

在現(xiàn)代化軍事設(shè)備中，隱形具有十分重要的意義。被發(fā)現(xiàn)等于被消滅，同規(guī)模的軍艦，隱形軍艦在制敵先機(jī)、本身隱蔽性占據(jù)巨大優(yōu)勢(shì)，而武器的隱形對(duì)于軍艦隱形具有重大意義。隱形化、模塊化、自動(dòng)化和信息化“四化”設(shè)計(jì)，是現(xiàn)代艦艇發(fā)展的趨勢(shì)[1]。為適應(yīng)新型艦艇的隱身化、模塊化要求，發(fā)射裝置必須實(shí)現(xiàn)隱身性和模塊性的要求。對(duì)于隱形要求最徹底的解決方式是在平時(shí)隱藏于甲板之下，滿足艦艇對(duì)武器設(shè)備隱形性能的要求，作戰(zhàn)時(shí)自動(dòng)顯露發(fā)射管組，進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)，對(duì)某武器進(jìn)行自動(dòng)點(diǎn)火發(fā)射，實(shí)現(xiàn)某武器的布陣攔截功能[2]。

由于隱形性能的要求，現(xiàn)代艦艇對(duì)艦面設(shè)備的外形提出越來(lái)越嚴(yán)格的要求，艦面布置簡(jiǎn)潔明了，盡量減少多余凹凸布置成為艦艇設(shè)計(jì)的潮流[3]。如瑞典的“維斯比”級(jí)（見(jiàn)圖1）[4]、新加坡的“可畏”號(hào)（見(jiàn)圖 2）[5]、法國(guó)“地平線”級(jí)（見(jiàn)圖 3）[6]、英國(guó)的 45型[7]等艦艇都堪稱雷達(dá)隱身的典范，其共同特點(diǎn)是除進(jìn)行了隱身防護(hù)的主炮，在艦面上幾乎見(jiàn)不到其余武器的存在。因此軍艦可進(jìn)行更自由的外形設(shè)計(jì)，以規(guī)避雷達(dá)檢測(cè)[8]。

圖1 “維斯比”號(hào)Fig.1 HMS Visby

圖2 “可畏”號(hào)Fig.2 HMS Formidable

圖3 “地平線”號(hào)Fig.3 Horizon class Destroyer

本方案基于上述需求，提出了一型平時(shí)可完全隱藏于甲板之下，作戰(zhàn)時(shí)能自動(dòng)伸出甲板，進(jìn)行自動(dòng)點(diǎn)火發(fā)射的模塊化發(fā)射裝置。

1 研究方案

1.1 方案確定

為實(shí)現(xiàn)發(fā)射裝置在默認(rèn)位置時(shí)處于甲板之下的艙室中，在工作時(shí)自動(dòng)顯露于甲板進(jìn)行發(fā)射，有2種可行的解決方案。

第1種方案是將傳統(tǒng)發(fā)射裝置安裝于可上下升降運(yùn)動(dòng)的升降平臺(tái)上。平時(shí)，升降平臺(tái)處于低位狀態(tài)，發(fā)射裝置隱藏于甲板之下；戰(zhàn)時(shí)，由升降平臺(tái)帶動(dòng)發(fā)射裝置向上運(yùn)動(dòng)，使其顯露于甲板之上。發(fā)射裝置根據(jù)任務(wù)需要對(duì)來(lái)襲目標(biāo)發(fā)射某武器進(jìn)行布陣攔截。該方案的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射裝置在平時(shí)隱藏，戰(zhàn)時(shí)正常工作的需求。其不足之處：1）增設(shè)了升降平臺(tái)，系統(tǒng)的復(fù)雜程度增加，可靠性降低；2）為保證升降平臺(tái)的上下運(yùn)行升降平臺(tái)需要保證適當(dāng)?shù)拈g隙，發(fā)射裝置在發(fā)射過(guò)程中的火箭尾焰推力會(huì)引起振動(dòng)情況，影響發(fā)射裝置的精度；3）為滿足發(fā)射裝置的全自動(dòng)裝退彈功能，發(fā)射裝置在每次裝退彈工作時(shí)，升降平臺(tái)需要進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)，增加了運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)，耗費(fèi)時(shí)間，快速反應(yīng)能力降低。

第 2種方案是調(diào)整發(fā)射裝置的俯仰運(yùn)動(dòng)中心的位置，使得發(fā)射裝置在平時(shí)航行狀態(tài)時(shí)處于甲板之下的艙室內(nèi)部，在戰(zhàn)時(shí)發(fā)射裝置能夠滿足俯仰和旋回的射界要求，發(fā)射管組自動(dòng)伸出甲板位置。

該方案在傳統(tǒng)發(fā)射裝置成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上改進(jìn)完成，研制風(fēng)險(xiǎn)較小，改動(dòng)量不大，可以滿足發(fā)射裝置在平時(shí)狀態(tài)時(shí)的隱藏，及在戰(zhàn)時(shí)狀態(tài)時(shí)的發(fā)射功能。其主要缺點(diǎn)是由于俯仰中心的改變，發(fā)射裝置具有較大的偏載現(xiàn)象，通過(guò)恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，偏載情況可以得到解決。

1.2 研究方案

通過(guò)對(duì)研究方案的分析對(duì)比，方案2在系統(tǒng)組成簡(jiǎn)便性、工作過(guò)程可靠性以及實(shí)現(xiàn)的方便性上優(yōu)于方案1。

如圖4所示，發(fā)射裝置主要由基座、旋回模塊、發(fā)射管組組成。其旋回俯仰轉(zhuǎn)軸設(shè)置于發(fā)射裝置靠后的位置，在發(fā)射裝置進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)，發(fā)射管可以抬升至較高的位置，發(fā)射管顯露于甲板外側(cè)對(duì)來(lái)襲魚(yú)雷目標(biāo)發(fā)射某武器進(jìn)行布陣攔截。

圖4 隱藏式模塊化發(fā)射裝置Fig.4 Concealed modular launcher

為使該方案能夠順利實(shí)現(xiàn)，必須滿足發(fā)射裝置的射界要求，即發(fā)射裝置俯仰角為15°～60°內(nèi)，發(fā)射裝置最低發(fā)射管的發(fā)射路線高于艙室的最低開(kāi)口。最高發(fā)射管在發(fā)射角為最大俯仰角時(shí)，不會(huì)與艙室內(nèi)壁出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。在滿足上述要求的條件下，發(fā)射裝置的偏心情況應(yīng)最小，發(fā)射裝置的擾動(dòng)半徑最小。

該方案的特點(diǎn)是，如圖5所示發(fā)射裝置在默認(rèn)狀態(tài)下，俯仰處于-90°，可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)裝退彈、自動(dòng)點(diǎn)火以及進(jìn)行模塊化更換發(fā)射裝置的各部件，具有較高的快速反應(yīng)能力和較好的維護(hù)保養(yǎng)性能。

圖5 發(fā)射裝置處于默認(rèn)狀態(tài)（非戰(zhàn)斗狀態(tài)）Fig.5 Launcher in default state（non-combat state）

根據(jù)研究方案要求，尋求滿足研究方案條件的數(shù)學(xué)關(guān)系，如圖6-7所示。設(shè)發(fā)射管組的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為k，設(shè)艙室的長(zhǎng)度和寬度均為m，發(fā)射裝置俯仰中心偏離旋回中心的距離為x，俯仰中心距離安裝平面的高度為y。

圖6 發(fā)射管組Fig.6 Launch tube group

圖7 數(shù)學(xué)模型參數(shù)設(shè)定Fig.7 Mathematical model parameter setting

基于：1）發(fā)射裝置運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)與艙室發(fā)生干涉；2）發(fā)射裝置的俯仰角度滿足射界要求；3）滿足上述 2條件的 X、Y的最小值，即發(fā)射裝置掃動(dòng)半徑最小、發(fā)射裝置偏載最小。

建立數(shù)學(xué)模型如下：

由式（1）可得：

將式（4）代人式（2）、（3），可得 x，y的取值范圍，根據(jù)需要選取 x，y的最小值即可得到能夠滿足上述功能要求的發(fā)射裝置最小偏載，最小掃動(dòng)半徑的結(jié)構(gòu)形式。

根據(jù)要求實(shí)現(xiàn)發(fā)射裝置全自動(dòng)輸退彈、自動(dòng)點(diǎn)火，有無(wú)彈指示等功能以及發(fā)射裝置口徑情況，同時(shí)考慮設(shè)計(jì)、拆卸余量，發(fā)射管組（長(zhǎng)度，L=1 790 mm；寬度，K=980 mm），當(dāng)x≈80 mm，y≈900 mm時(shí)，發(fā)射裝置各指標(biāo)可處于較為理想的狀態(tài)。

發(fā)射裝置處于該尺寸時(shí)，發(fā)射裝置可隱藏于長(zhǎng)和寬均為2 600 mm，高度為2 330 mm的艙室中。發(fā)射裝置各狀態(tài)如圖8-10。

圖8 發(fā)射裝置處于最大射角（俯仰60°）狀態(tài)Fig.8 Launcher at the maximum firing angle（pitch angle 60°）

2 技術(shù)難點(diǎn)分析

隱藏型模塊化發(fā)射裝置可實(shí)現(xiàn)默認(rèn)狀態(tài)下處于甲板之下的艙室中，解決隱形問(wèn)題，適合現(xiàn)代艦船發(fā)展方向。但由于改變了發(fā)射裝置俯仰旋轉(zhuǎn)中心，帶來(lái)了偏載問(wèn)題。某發(fā)射裝置需要在跟蹤的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)某武器的發(fā)射，因此動(dòng)態(tài)跟蹤精度是該型發(fā)射裝置著重需要解決的難點(diǎn)問(wèn)題。

圖9 發(fā)射裝置處于最小射角（俯仰20°）狀態(tài)Fig.9 Launcher at the minimum firing angle（pitch angle 20°）

圖10 發(fā)射裝置隱藏于甲板之下（俯仰-90°）Fig.10 Launcher hidden under the deck（pitch angle -90°）

由于隱藏型模塊化發(fā)射裝置工作方式和工作環(huán)境與常規(guī)發(fā)射裝置基本一致?？梢酝ㄟ^(guò)類比分析的方式研究隱藏型模塊化發(fā)射裝置解決動(dòng)態(tài)跟蹤精度的可行性。

如圖11所示，十二聯(lián)裝發(fā)射裝置在以 6-7-5-8-4-9-3-10-2-11-1-12的順序發(fā)射，發(fā)射 6號(hào)管時(shí)，發(fā)射裝置具有較大的俯仰偏載情況產(chǎn)生，某武器在發(fā)射時(shí)，其尾焰的主要作用區(qū)域在發(fā)射管直徑的4倍口徑的圓形區(qū)域內(nèi)。由于6號(hào)管是第一發(fā)射管發(fā)射，圓形區(qū)域所覆蓋的5號(hào)發(fā)射管處于有彈狀態(tài)，對(duì)6號(hào)管發(fā)射時(shí)的尾焰起到阻礙作用。根據(jù)圖11分析，4倍發(fā)射管口徑的圓形區(qū)域中，起到對(duì)尾焰阻礙作用的面積約占35%。從偏載力矩的角度考慮，M=0.35×748.1×S×P對(duì)尾焰阻礙作用的面積約，其中S為4倍發(fā)射管口徑的圓的面積，P指某武器發(fā)射時(shí)產(chǎn)生平均壓強(qiáng)。

圖11 常規(guī)發(fā)射裝置發(fā)射負(fù)載情況Fig.11 Launch load of 12-tube launcher

分析隱藏型模塊化發(fā)射裝置如圖12所示，發(fā)射裝置發(fā)射時(shí)，第4號(hào)發(fā)射管發(fā)射時(shí)的偏載最嚴(yán)重。此時(shí)若3、5、2、6號(hào)發(fā)射管處于有彈狀態(tài)，4倍發(fā)射管口徑的圓形區(qū)域中，形成阻力的面積約占 60%，此時(shí)偏載力矩為 M=0.6×715×S×P≈429×S×P＞261.84×S×P。

圖12 隱藏型模塊化發(fā)射裝置動(dòng)態(tài)載荷分析Fig.12 Dynamic load analysis of concealed modular launcher

為解決該問(wèn)題，可以適當(dāng)設(shè)置發(fā)射裝置的發(fā)射順序，設(shè)置當(dāng)引起發(fā)射裝置最大偏載的發(fā)射管4號(hào)管發(fā)射時(shí)，其相鄰的 3、5、2、6號(hào)發(fā)射管處于無(wú)彈狀態(tài)。在這種情況下，4倍口徑的圓形區(qū)域中，形成阻力的面積約為 38%，此時(shí)偏載力矩為M=0.37×715.0×S×P≈264.55×S×P，與十二聯(lián)裝發(fā)射裝置6號(hào)管發(fā)射時(shí)所形成的偏載力矩基本持平。

綜合上述分析，隱藏型模塊化發(fā)射裝置在適當(dāng)?shù)脑黾影l(fā)射裝置剛度以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的情況下，設(shè)置適當(dāng)?shù)陌l(fā)射順序，能夠滿足發(fā)射裝置的動(dòng)態(tài)跟蹤精度要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

發(fā)射裝置的隱形是軍艦隱形的重要條件之一。魚(yú)雷發(fā)射裝置隱形，即非戰(zhàn)時(shí)狀態(tài)隱藏于甲板之下，可采用偏置旋轉(zhuǎn)中心方案，帶來(lái)的偏載問(wèn)題，可采用調(diào)整炮管發(fā)射順序來(lái)減小偏載引起的精度問(wèn)題。