同心筒發(fā)展現(xiàn)狀及陸態(tài)發(fā)射地面支撐安全性分析

程運(yùn)江，叢彥超，周曉和，司世才，黃燕珺

(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，世界各軍事強(qiáng)國都在重點(diǎn)加強(qiáng)海軍力量建設(shè)，不斷發(fā)展和更新海軍艦載武器裝備，以確保其海軍處于領(lǐng)先地位，在未來戰(zhàn)爭和局部沖突中發(fā)揮重要作用。艦載武器更新?lián)Q代的同時(shí)，導(dǎo)彈發(fā)射裝置也得到了快速發(fā)展，其功能和性能直接影響到艦載導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力[1]。導(dǎo)彈的垂直發(fā)射技術(shù)最早應(yīng)用在潛艇上，后來才逐漸應(yīng)用到水面艦艇上[2]。1968年，英國首先在護(hù)衛(wèi)艦上以垂直發(fā)射方式成功地發(fā)射了一枚“海狼”艦空導(dǎo)彈。1980年，原蘇聯(lián)在“基洛夫”號(hào)巡洋艦上率先裝備了SA-N-6艦對(duì)空導(dǎo)彈垂直發(fā)射系統(tǒng)。之后，美國的MK41、以色列的“巴拉克”-1、英國的“海狼”、北約聯(lián)合研制的“輕型海麻雀”等導(dǎo)彈垂直發(fā)射系統(tǒng)相繼裝艦。隨著大型水面艦艇和潛艇平臺(tái)上垂直發(fā)射系統(tǒng)的應(yīng)用，且垂直發(fā)射系統(tǒng)可適裝不同類型的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈，目前大型巡洋艦、驅(qū)護(hù)艦和潛艇已具備發(fā)射多種、多枚戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的作戰(zhàn)能力，大大推動(dòng)了作戰(zhàn)平臺(tái)、發(fā)射系統(tǒng)和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的高速發(fā)展，提高了艦船武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力[3]。艦載/潛基導(dǎo)彈垂直發(fā)射裝置具有發(fā)射率高、儲(chǔ)彈量大、全方位發(fā)射、布局空間小、通用化程度高、兼容性強(qiáng)、成本低、可靠性高等特點(diǎn)，已成為各國海軍武器系統(tǒng)的重要組成部分。

同心筒發(fā)射裝置是垂直發(fā)射系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向，主要包括“內(nèi)外同圓”式、“外方內(nèi)圓”式等類型[4-5]。在研制艦載導(dǎo)彈武器系統(tǒng)過程中，為驗(yàn)證導(dǎo)彈武器與同心筒發(fā)射裝置的匹配性，一般而言，在論證階段擇機(jī)開展陸態(tài)演示驗(yàn)證試驗(yàn)。在陸態(tài)演示驗(yàn)證試驗(yàn)中，導(dǎo)彈發(fā)射過程中的燃?xì)饬骷鞍l(fā)動(dòng)機(jī)推力將對(duì)整個(gè)支撐及發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生較大的振動(dòng)與沖擊，影響其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，可能對(duì)支撐及發(fā)射系統(tǒng)各構(gòu)件和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)連接部位造成破壞，甚至影響導(dǎo)彈安全出筒[6-7]。因此，有必要開展同心筒發(fā)射裝置地面支撐及發(fā)射系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，進(jìn)行支撐安全性研究，這將對(duì)同心筒發(fā)射裝置的工程應(yīng)用具有重要意義。

1 同心筒發(fā)展現(xiàn)狀

同心筒垂直發(fā)射裝置(con-centric canister launcher，CCL)是美國研制的一種全新概念的水面艦艇導(dǎo)彈發(fā)射裝置，后續(xù)美國海軍可能用它代替MK41艦載導(dǎo)彈垂直發(fā)射系統(tǒng)。同心筒垂直發(fā)射裝置采用類似英國“海狼”艦空導(dǎo)彈發(fā)射箱同心排導(dǎo)的原理，而非原有MK41垂直發(fā)射系統(tǒng)的公共燃?xì)馀艑?dǎo)方式。英國“海狼”航空導(dǎo)彈垂直發(fā)射系統(tǒng)見圖1。

同心筒垂直發(fā)射裝置主要由同心發(fā)射筒、分布式電氣設(shè)備、艦載武器模塊等組成，關(guān)鍵技術(shù)包括同心筒結(jié)構(gòu)技術(shù)、自主折轉(zhuǎn)燃?xì)饬髋艑?dǎo)與防護(hù)技術(shù)、分布式“即插即用”式電子控制技術(shù)。同心筒結(jié)構(gòu)包括內(nèi)筒、外筒、端蓋、底板、內(nèi)筒支撐結(jié)構(gòu)、導(dǎo)流結(jié)構(gòu)等。內(nèi)筒主要實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈支承和發(fā)射導(dǎo)向的功能；外筒主要用于提供接口以安裝同心筒至艦船平臺(tái)；內(nèi)外筒之間間隙用于導(dǎo)彈燃?xì)馍淞髋艑?dǎo)通道。導(dǎo)彈發(fā)射過程中，導(dǎo)彈燃?xì)饬鹘?jīng)底部導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、端蓋后轉(zhuǎn)彎180°反流向上，進(jìn)入內(nèi)外筒間隙并向上排出。同心筒發(fā)射具有以下特點(diǎn)：1)燃?xì)饬髋c相鄰導(dǎo)彈隔離，垂直發(fā)射系統(tǒng)熱環(huán)境得到有效改善；2)同心筒結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、質(zhì)量輕、占用空間小，可提高艦船空間利用率；3)可執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化，提高通用化水平，適裝性強(qiáng)；4)可實(shí)現(xiàn)垂直、水平、任意角度發(fā)射[8]。

圖1 英國“海狼”艦空導(dǎo)彈垂直發(fā)射

目前，國內(nèi)主要對(duì)同心筒發(fā)射裝置進(jìn)行了大量的發(fā)射安全性仿真分析及相應(yīng)的地面試驗(yàn)研究。

2 同心筒發(fā)射裝置地面支撐及發(fā)射系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)要求

同心筒發(fā)射采用近垂直熱發(fā)射方案，與傳統(tǒng)的垂直裸彈發(fā)射方案相比，導(dǎo)彈發(fā)射過程中燃?xì)饬髋艑?dǎo)受到同心筒內(nèi)筒的空間約束，發(fā)動(dòng)機(jī)推力偏斜等初始偏差會(huì)對(duì)同心筒施加較大的載荷影響。因此，在同心筒熱發(fā)射過程中，導(dǎo)彈的燃?xì)饬髋c發(fā)動(dòng)機(jī)推力將對(duì)同心筒、地面支撐系統(tǒng)帶來較大的振動(dòng)與沖擊。為確保發(fā)射試驗(yàn)的安全性，需要對(duì)同心筒地面支撐及發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與安全性研究，以確保滿足發(fā)射前及發(fā)射過程中的強(qiáng)度和安全性要求，不會(huì)發(fā)生傾覆及局部結(jié)構(gòu)失效等安全性問題。

相比于傳統(tǒng)垂直裸彈發(fā)射采用安裝固定導(dǎo)流錐的方式即可安全發(fā)射，同心筒發(fā)射除考慮自身結(jié)構(gòu)的燃?xì)饬髋艑?dǎo)性能外，還要較多地考慮同心筒與地面的匹配性以及如何在陸地上模擬艦船平臺(tái)實(shí)現(xiàn)同心筒的固定安裝。此外，考慮導(dǎo)彈發(fā)射后出現(xiàn)異常垂直下落帶來的風(fēng)險(xiǎn)，要根據(jù)艦船平臺(tái)特性和導(dǎo)彈發(fā)射條件，將同心筒發(fā)射裝置固定在具有一定傾斜角度的地面斜坡上，以減小導(dǎo)彈發(fā)射后異常垂直下落的不利影響。

綜上，在進(jìn)行同心筒發(fā)射裝置地面支撐及發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，要充分考慮地面支撐及發(fā)射系統(tǒng)相比與艦船平臺(tái)的真實(shí)模擬性、地面支撐及發(fā)射系統(tǒng)的支撐安全性和試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)及試驗(yàn)成本。

2.2 系統(tǒng)組成

同心筒地面支撐及發(fā)射系統(tǒng)主要由同心筒、支撐基座、側(cè)向支撐梁和輔助吊拉鋼繩等組成(圖2)。

圖2 同心筒地面支撐及發(fā)射系統(tǒng)示意圖

同心筒除在導(dǎo)彈發(fā)射過程中進(jìn)行發(fā)射導(dǎo)向和燃?xì)馍淞髋艑?dǎo)之外，還用于導(dǎo)彈的儲(chǔ)存、運(yùn)輸和發(fā)射前豎直支撐。同心筒外部設(shè)置有環(huán)向加強(qiáng)筋，增加同心筒結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度，并可在試驗(yàn)中與支撐系統(tǒng)相連，提高支撐及發(fā)射系統(tǒng)的安全性。

考慮試驗(yàn)成本和建造周期，兼顧艦船平臺(tái)特性和導(dǎo)彈發(fā)射條件，支撐基座由鋼板和具有5°斜角的地面斜坡組成，主要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈發(fā)射前對(duì)導(dǎo)彈及同心筒的縱向支撐、發(fā)射過程中對(duì)同心筒的縱向支撐，并通過鋼板較大的面積將導(dǎo)彈發(fā)射過程中的燃?xì)饬鳑_擊力較小地將燃?xì)饬鳑_擊壓強(qiáng)分解到地面斜坡上，確保該傳遞的壓強(qiáng)在斜坡承受范圍以內(nèi)。地面斜坡則提供同心筒發(fā)射的初始高低射角，承受導(dǎo)彈發(fā)射前導(dǎo)彈及整個(gè)支撐及發(fā)射系統(tǒng)的質(zhì)量和導(dǎo)彈發(fā)射過程中燃?xì)馍淞鞯臎_擊力。5°初始高低發(fā)射角可以確保導(dǎo)彈在發(fā)射異常后，不會(huì)垂直下落，避免對(duì)試驗(yàn)場地造成較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。考慮水分對(duì)地面抗剪強(qiáng)度的影響，將地面斜坡選在較為干燥的地方，確保地面有較高的抗剪強(qiáng)度。鋼板與地面斜坡之間采用鋼板四邊鋼釬固定方式。同心筒底部有翻邊結(jié)構(gòu)，周邊設(shè)置一圈安裝螺釘孔，與支撐基座之間采用螺釘螺接安裝固定方式。

側(cè)向支撐梁采用Q345回型截面方鋼，通過焊接的形式與同心筒外部環(huán)向加強(qiáng)筋處、支撐基座鋼板進(jìn)行固連，主要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈發(fā)射過程中燃?xì)饬髋c發(fā)動(dòng)機(jī)偏斜推力等對(duì)同心筒的橫向載荷減振與支撐，是支撐系統(tǒng)的橫向主要穩(wěn)定性支撐。

輔助吊拉鋼繩采用標(biāo)準(zhǔn)鋼絲繩，一側(cè)連接同心筒環(huán)向加強(qiáng)筋處的吊耳，另一側(cè)選用鋼釬或地樁進(jìn)行捆綁連接，提高筒架一體(同心筒與鋼板基座一體)的防傾覆和輔助支撐同心筒橫向穩(wěn)定性。

3 陸態(tài)發(fā)射地面支撐安全性分析

導(dǎo)彈在發(fā)射過程中，燃?xì)饬鲿?huì)對(duì)支撐及發(fā)射系統(tǒng)造成較大的沖擊與振動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)推力的偏斜、導(dǎo)彈出筒時(shí)刻的低頭現(xiàn)象會(huì)對(duì)支撐及發(fā)射系統(tǒng)帶來更多的橫向載荷和傾覆力矩，將影響整個(gè)地面支撐及發(fā)射系統(tǒng)的安全性。從兩方面危險(xiǎn)模式對(duì)支撐及發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行安全性分析，包括導(dǎo)彈動(dòng)力學(xué)對(duì)支撐及發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件的安全性有限元分析、極限工況下防傾覆吊拉鋼繩的強(qiáng)度校核及場坪承壓能力校核。

3.1 支撐及發(fā)射系統(tǒng)的安全性有限元分析

在分析導(dǎo)彈動(dòng)力學(xué)對(duì)支撐及發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件安全性過程中，主要考慮極限工況下，導(dǎo)彈動(dòng)力學(xué)對(duì)同心筒、同心筒與支撐基座的接觸面及側(cè)向支撐梁的破壞情況。在去除防傾覆吊拉鋼繩、沖擊載荷處于最大的情況下，對(duì)支撐及發(fā)射系統(tǒng)的安全性進(jìn)行有限元分析。

對(duì)同心筒結(jié)構(gòu)簡化，采用Patran軟件建立有限元模型，網(wǎng)格采用殼單元，材料選擇Q345鋼，材料密度取7.85g/m3，彈性模量取210GPa，泊松比取0.3，有限元模型如圖3(a)所示。同心筒承受的載荷按照發(fā)動(dòng)機(jī)推力極大值進(jìn)行分析，并選取一定發(fā)動(dòng)機(jī)推力偏斜矢量以分布勻力方式加載在同心筒頂部Ⅰ、Ⅲ象限位置上。經(jīng)分析，同心筒支撐及發(fā)射系統(tǒng)所受到的最大應(yīng)力主要分布在位于Ⅰ、Ⅲ象限位置的側(cè)向支撐梁上、靠近支撐基座位置處，其最大應(yīng)力值達(dá)到219MPa，小于Q345鋼的屈服強(qiáng)度，由此可知同心筒支撐及發(fā)射系統(tǒng)在極限工況下受到的應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求，滿足支撐及發(fā)射系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度。同心筒支撐及發(fā)射系統(tǒng)的最大位移量位于Ⅰ、Ⅲ象限位的發(fā)射筒頂端處，其最大位移量達(dá)到了49.8mm，位移量與筒體的長度比約為0.007 14，在該筒體許用撓度的范圍之內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。同心筒應(yīng)力分布圖、位移云圖如圖3(b)、圖3(c)所示。

圖3 同心筒有限元模型、應(yīng)力分布、位移云圖

3.2 防傾覆吊拉鋼繩的安全性計(jì)算

在計(jì)算防傾覆吊拉鋼繩的安全性過程中，采用工程計(jì)算方法。首先，假設(shè)筒架(同心筒與支撐梁及鋼板)為一個(gè)整體，防傾覆吊拉鋼繩與地面斜坡采用鋼釬固定，連接牢靠，不會(huì)遭到?jīng)_擊受到破壞而導(dǎo)致其連接失效；考慮極限情況下僅對(duì)筒架在一根防傾覆吊拉鋼繩拉緊受力的情況進(jìn)行強(qiáng)度校核分析。導(dǎo)彈發(fā)射過程中，影響導(dǎo)彈姿態(tài)較大的初始擾動(dòng)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)推力偏斜和低頭現(xiàn)象兩種因素，如圖4所示。在分析過程中，將發(fā)動(dòng)機(jī)推力偏斜和低頭現(xiàn)象處理為同一方向的擾動(dòng)，形成導(dǎo)彈更大傾斜的角度，對(duì)筒架造成更大的傾覆力矩。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)推力偏斜、導(dǎo)彈低頭現(xiàn)象

以支撐基座與地面斜坡接觸面的中心處為原點(diǎn)，建立發(fā)射裝置的參考坐標(biāo)系x-y，通過筒架結(jié)構(gòu)獲取支撐基座質(zhì)心坐標(biāo)O，根據(jù)已知質(zhì)量質(zhì)心計(jì)算推出筒架質(zhì)心坐標(biāo)O1。O2為鋼繩與同心筒加強(qiáng)筋固連點(diǎn)，O3為同心筒頂端中心點(diǎn)，并假定將發(fā)動(dòng)機(jī)推力極大值作用在該點(diǎn)形成極限傾覆工況。導(dǎo)彈發(fā)射出筒瞬間的筒架受力情況如圖5所示，其中幾何參數(shù)如表1所示。

圖5 同心筒支撐及發(fā)射系統(tǒng)的整體受力示意圖

表1 支撐及發(fā)射系統(tǒng)的幾何特性參數(shù)

對(duì)發(fā)射裝置整體進(jìn)行受力分析，由x、y軸受力平衡和力矩平衡得到：

N-Fcosβ2-Ftuicosα-Gcosβ1=0

Ff+Fsinβ2-Ftuisinα-Gsinβ1=0

帶入發(fā)動(dòng)機(jī)極大推力值，得到

F=8250N;N=237600N;Ff=1900N。

選用的防傾覆吊拉鋼繩標(biāo)準(zhǔn)拉斷力為20kN，>8250N，安全系數(shù)>2.4，滿足抗拉強(qiáng)度要求，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地面及發(fā)射系統(tǒng)的防傾覆作用。

3.3 發(fā)射場坪安全性計(jì)算

由上可知，導(dǎo)彈在發(fā)射過程中支撐基座受到的場坪正壓力與地面斜坡支撐力大小相同，為237600N。根據(jù)支撐基座鋼板面積大小計(jì)算得出地面斜坡受到的正面壓強(qiáng)為33.76kPa。假設(shè)場地的土壤含水量為10%，依據(jù)文獻(xiàn)可知地面斜坡所能夠承受的標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)值為80kPa，大于導(dǎo)彈發(fā)射過程中地面斜坡受到的正壓強(qiáng)33.76kPa，場地不會(huì)受到破壞、損傷，場坪強(qiáng)度裕度充分。

3.4 小結(jié)

經(jīng)過支撐及發(fā)射系統(tǒng)的安全性有限元分析、防傾覆吊拉鋼繩的安全性計(jì)算以及發(fā)射場坪安全性計(jì)算，結(jié)果表明：地面支撐及發(fā)射系統(tǒng)可滿足導(dǎo)彈發(fā)射前及發(fā)射過程中的強(qiáng)度及安全性要求，不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)失效、筒架傾覆、地面斜坡場地受到破壞和損傷，設(shè)計(jì)余量充分，滿足安全性要求。

4 結(jié)語

同心筒垂直發(fā)射裝置是艦面垂直發(fā)射系統(tǒng)重要的發(fā)展方向之一，陸態(tài)演示驗(yàn)證試驗(yàn)是完成導(dǎo)彈與同心筒之間匹配性驗(yàn)證的重要措施。本文提出的同心筒發(fā)射裝置地面支撐及發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過地面支撐安全性有限元分析、防傾覆與發(fā)射場坪安全性計(jì)算，表明同心筒陸態(tài)地面支撐及發(fā)射系統(tǒng)安全可靠，可為后續(xù)開展同心筒陸態(tài)發(fā)射試驗(yàn)設(shè)計(jì)支撐及發(fā)射系統(tǒng)提供參考。