模塊化設計在艦載導彈垂直發射裝置的應用

劉永亮，任克亮，馬旭輪，穆永濤，武令偉

（中國船舶集團有限公司第七一三研究所，鄭州 450015）

當前，中國海軍正朝深海遠洋作戰方向發展，艦 載垂直發射裝置作為艦上重要武器的組成部分，發揮著防空、反潛等重要作用[1-3]。隨著國內外護衛艦、驅逐艦逐漸進入中修時代，國內外海軍對艦載垂直發射裝置提出了更高需求。新型艦的設計要求模塊化程度高、設計費用及能效比低，作戰里程突破2000～3000 km；舊有艦艇維修和改造的要求是時間短、費用低。隨著電磁彈射基礎研究的深入，以電磁彈射為發射方式的艦載垂直發射裝置的研制成為必然。因此，模塊化設計在艦載垂直發射裝置的應用顯得更為迫切。

艦載垂直發射裝置模塊化[4-6]是指在解決艦載垂直發射裝置貯存導彈和發射導彈的問題時自上而下逐層分成多個子模塊的過程，每個模塊具備獨特屬性，反映了艦載垂直發射裝置系統內部之間的相互關系和特性，每個子單元模塊完成某種特定的功能，這些特定的功能按照系統要求組建統一整體，宏觀上通過普遍或特殊方法組裝成一體，完成整個艦載垂直發射裝置系統所要求的功能。

艦載導彈垂直發射裝置是現代化水面艦艇的重要裝置，具備貯存、發射導彈、火箭助飛魚雷等功能，參與承擔水面艦艇防空反導、反潛、反艦、對陸攻擊等使命任務。美國裝載的MK41、MK57艦載導彈垂直發射裝置[7-11]和國外的潛載戰略彈道導彈及巡航導彈垂直發射裝置型號[12-16]在研制過程中貫徹模塊化設計思想，能夠有效提高其通用化、系列化程度，同 時也能夠為其適裝性、維修性、保障性等設計創造有利條件。

1 模塊化設計原則

發射裝置模塊化設計[17-18]以其功能結構為基礎，充分借用現有產品的通用零部件，做好頂層分解，在方案設計階段就消除各功能模塊中可能存在的矛盾，提高設計效率，降低研制成本。將產品按功能分解成多個模塊化組件，一個模塊化結構由多個單元組成，形成產品—功能模塊—單元三層結構。模塊化結構應具有標準化接口，具有系列化、集成化、層次化、靈便化、通用化、互換性、相關性，遵循從小到大、由簡及繁的原則；遵循快速便捷安裝、拆卸和回收的原則；便于效率化流水化制造；易于長短距離輸送、吊裝和貯存。

2 基本概念

2.1 單元

單元是指最小可更換的零件、部件、組件及元器件等，是整體的基本結構，是整體中自為一體的獨立單元。多個單元的有效組合形成模塊。如圖1所示。

圖1 單元分解結構 Fig.1 The unit decomposition structure

結構件單元為焊接或螺接桁架結構，由若干個立柱、橫梁、斜肋、加強筋及連接板組成，構建成一個整體。運動機構單元由多個零部件及電機裝配而成，主要包含開蓋機構單元、壓緊機構單元。艙口蓋單元是由蓋本體及其運動機構組成的部件單元。噴淋管單元是以管式結構為主體，以固定管夾、閥門開關、管狀接頭等附件構成的集合體。導軌單元由彎板和內襯組成。人行走道單元由踏板和支撐桿等組成。箱體單元主要由支撐架、正面板、減振器、安裝板、支撐板、各模塊罩體等組成。控制板卡單元由印制板、元器件、安裝板等組成。液壓動力單元主要由變量泵、溢流閥、減壓閥、單向閥、電磁轉向閥、換向閥、調速閥，油箱、油缸平衡閥，多級油缸、定位油缸、滑塊油缸、液壓絞車、液壓馬達、濾油器、空氣濾清器及軟管組成。起重臂單元主要由基本臂、主臂、伸縮臂、過線輥組件、吊鉤和壓繩器等組成，分別構成變幅機構、折疊機構、伸縮機構和卷揚機構。升降平臺單元主要由升降平臺、滑塊組、授信儀組件等組成。

世界上多種軍艦的艦載垂直發射裝置中的熱發射或冷發射模塊都是通過上述各個單元組成的，如美國的驅逐艦朱姆沃爾特級艦、護衛艦阿利伯克；中國的054A護衛艦、052D驅逐艦、055大型驅逐艦；日本的摩耶級驅逐艦；俄羅斯的光榮級驅逐艦；英國的45型驅逐艦等。

2.2 模塊

艦載垂直發射裝置模塊是一種為了便于總裝、總調或使用、運輸、拆卸方便而設計制造的一體標準化、可更換的組合部件。它具有獨立成型、通用成型、交叉混合組合的特點；具有單一或多種功能和結構，可以進行單個設計，可以為建造異樣化的系統提供功能或結構組件[19-21]；具有自成一體的標準功能和結構接口，通過易操作的連接形式實現與其他不同模塊的結構與功能的集成，建造新的功能子集和結構子集；具有通過逆向工程把單一模塊從復雜系統中分解出來的能力。

艦載導彈垂直發射裝置主要由發射模塊、控制模塊和裝填模塊組成。發射模塊由結構件單元、運動件單元、艙口蓋單元、噴淋管單元、導軌單元、人行走道單元等組成。控制模塊主要由控制箱體單元和控制板卡單元等組成。裝填模塊主要由液壓動力單元、起重臂單元、升降平臺單元等組成。

圖2為艦載導彈發射裝置模塊分解結構圖示，圖3為大型驅逐艦上垂直發射裝置的模塊分解圖，圖4、圖5為發射模塊的結構件單元，圖6、圖7為以熱發 射和冷發射為發射方式的垂直發射裝置發射模塊的艙口蓋單元，圖8為艦載垂直發射裝置裝填模塊。

圖2 模塊分解結構圖 Fig.2 The module decomposition structure

圖3 大型驅逐艦垂直發射裝置模塊分解圖 Fig.3 The vertical launch device module decomposition structure of china large destroyer

圖4 發射模塊的結構件單元1 Fig.4 The structural component unit of launch module 1

圖5 發射模塊的結構件單元2 Fig.5 The structural component unit of launch module 2

圖6 發射模塊的艙口蓋單元1 Fig.6 The hatchcover unit of launch module 1

圖7 發射模塊的艙口蓋單元2 Fig.7 The hatchcover unit of launch module 2

圖8 裝填模塊 Fig.8 The loading module

3 艦載發射裝置模塊化設計關鍵

3.1 艦載發射裝置模塊標準化

艦載發射裝置模塊化設計[22-24]主要指不同模塊的簡單或復雜結構以及相互之間接口的單一標準化，不同結構模塊之間的聯接接口有效使用標準化最為重要。為了確保異種功能模塊的組合和同一功能模塊的互換，模塊應具有可變化組合性和隨機異向互換性兩個特征，這兩個特征主要體現在接口上，必須提高其單一標準化、異型通用化程度。

3.2 艦載垂直發射裝置模塊的劃分

艦載垂直發射裝置模塊化設計應縮減模塊的種類和數量并兼顧加工效率[25-27]，在滿足艦載垂直發射裝置發射導彈和貯存導彈要求的基礎上使垂直發射裝置的裝配安裝精度高、功能性能穩定、結構簡單易加工。因此，如何科學地做好模塊劃分，在模塊化設計中非常關鍵。艦載垂直發射裝置模塊在安裝、發射及貯存導彈功能結構上具有單一有效性和組部件組成整體性，模塊要便于聯接緊固和拆裝，艦載垂直發射裝置各分系統模塊的拆解不能影響艦載垂直發射裝置系統的主要性能和功能。

4 未來電磁彈射模式下新型通用垂直發射裝置模塊化設計

隨著國內在役航空母艦電磁彈射系統的應用，已將艦載機成功彈射離艦，隨著航線電磁彈射系統的成功研制，為適應下一代新型全電艦船和未來新型艦載中遠程導彈發射裝置、無人機電磁彈射發射裝置的發展需求[28-30]，需開展電磁彈射模式下通用垂直發射裝置的研究，為下一代新型全電艦船能夠裝載滿足新型導彈發射需求的通用電磁發射系統裝備提供技術支撐。通用電磁發射裝置能夠在導彈尺度不變的情況下有效提高導彈射程，為新型導彈的發展創造有利條件，同時能夠有效降低導彈發射對新型艦船的不利影響。

電磁彈射模式下新型通用垂直發射裝置功能結構復雜龐大，需重點解決如何實現模塊化問題，在方案論證階段需做好頂層策劃，初步提出該發射裝置模塊的劃分，如：發射模塊、裝填/轉運模塊、電磁彈射模塊、通用發射控制模塊等。發射模塊主要由發射單元和控制單元組成；裝填/轉運模塊主要由裝填單元、轉運單元、控制單元等組成；電磁彈射模塊主要由彈射器單元、電源單元、儲能單元、控制單元等組成；通用發射控制模塊主要由配電單元、發射協調管理單元、通用發控單元、通用供電單元等組成。

5 艦載垂直發射裝置模塊化設計的效能與費用比

本文探討的效能與費用比是指艦載垂直發射裝置模塊化設計生產所需的效率與其設計生產周期內耗費的時間和資金的比值。艦載垂直發射裝置在國內艦載垂直發射武器系統研制體系內屬于分系統，在同一型號研制周期內，需求方或工業部門投資的費用有限。例如，護衛艦全艦武器系統加艦體自身所花費的資金需要幾十億人民幣，驅逐艦花費資金約百億人民幣，而載裝艦載武器系統某個型號的導彈的研制時間約10年左右。在有限的費用內（護衛艦載垂直發射裝置研制周期內耗費上千萬人民幣），艦載垂直發射裝置只有采用模塊化設計，不斷地提高設計效率和生產效率，才能將整個艦載垂直發射裝置研制時間控制在5年左右，從而大大提高效能與費用比。特別是已經服役的護衛艦和驅逐艦的艦載垂直發射裝置逐步進入修理期，模塊化設計很好地滿足了部隊需求，換裝周期短，修理費用減少。國際上首條服役的護衛艦垂直發射裝置大修換裝工程僅花了5個月完成，耗費約幾百萬人民幣。艦載垂直發射裝置模塊化設計大大提高了不同型號艦艇的效能與費用比。

6 艦載垂直發射裝置模塊化設計與艦面環境適應性

艦載垂直發射裝置模塊化設計需滿足艦面的環境適應性、電磁兼容性、維修性的要求。艦面環境大部分是以高濕熱、高鹽霧、高霉菌為主，艦載垂直發射裝置在航行過程中會遇到不同的海況，一般的艦載垂直發射裝置控制模塊元器件要經過環境應力篩選，進行高低溫工作、貯存、循環試驗、沖擊與振動試驗、可靠性與維修性試驗等。控制模塊（主要指電氣元器件及印制板）在裝艦前要按照國軍標要求完成環境試驗，艦載垂直發射裝置在高海情航行、作戰狀態下要滿足相關維修性需求。另外，機械模塊和控制設備模塊必須能夠在高海況下正常工作且不被破壞；裝填模塊必須在高海況的艦面環境下滿足海上裝填要求。在艦載導彈垂直發射裝置全壽命服役期間，機械模塊與控制模塊的環境適應性，尤其是抗海水腐蝕性能與抗電化學腐蝕性能要強，艦載導彈垂直發射裝置模塊化設計必須與艦面環境相適應。

7 結束語

模塊化設計在艦載導彈垂直發射裝置研制過程中的應用，能夠有效提高其通用化和系列化程度，同時也能夠為其適裝性、維修性、保障性等設計創造有利條件，對降低研制風險、縮短研制周期、提高產品質量和可靠性、提高效能與費用比有重要意義。