艦載導彈垂直冷發射系統啞彈砸艦問題研究

牟俊林，滕克難，徐學文

（海軍航空工程學院 a.新裝備培訓中心；b.訓練部，山東 煙臺 264001）

艦載導彈的垂直冷發射也稱為彈射，它是使用外動力將導彈彈射出筒，目前，這種發射技術廣泛應用于多國海軍艦艇武器系統[1]。俄羅斯的艦載導彈垂直發射系統均采用冷發射方式[2]，如SA-N-6、SA-N-9 艦空導彈、SS-N-19 艦艦導彈等。冷發射具有不需要熱發射所需的燃氣排導系統、發射后低速轉彎方便、耗能少并且能增大導彈射程等優點[3]。相對于導彈垂直熱發射技術，冷發射存在著一個特有安全問題，那就是當導彈彈射出筒升空后，可能出現導彈發動機不點火的情況(“啞彈”)，此時，導彈可能重新落到艦面，對載艦造成危害[4]。為此，國外有的垂直發射裝置采用準垂直發射方式，即將發射軸特意向舷外傾斜一個角度，導彈以一定角度彈射離艦，以此來解決“啞彈”砸艦的安全問題，如俄羅斯的SS2N219 反艦導彈采用大傾角(約93°)的準垂直發射。

1 “啞彈”運動模型

對于垂直發射的導彈來說，“啞彈”出筒上升至下落的運動過程，可以看作是特定條件下的拋物體運動，其運動軌跡與導彈出筒時運動狀態及環境因素有關，導彈的出筒狀態與艦艇的運動狀態和導彈彈射出筒速度有關[5]。艦艇在運動過程中，不僅有沿航行方向的運動，還有在風浪作用下的搖擺運動。由于導彈發射裝置是固定于艦艇上的，因而，相對于艦艇，垂直發射導彈的出筒速度可以認為不受艦艇運動速度影響，導彈的初始運動方向與導彈出筒時刻的艦艇搖擺角度有關。艦艇的搖擺主要是橫搖和縱搖，由于艦艇在縱向上的長度要遠大于橫向寬度，因而，在問題研究過程中可首先主要考慮橫搖因素。綜合分析，我們認為：“啞彈”的運動軌跡主要是受導彈出筒速度、艦艇搖擺角和風速3個因素影響。鑒于艦艇縱向長度要比橫向寬度大很多，在此只考慮艦艇橫搖因素。

基于以上分析，建立如圖1所示運動坐標系，以發射筒出口中心為原點O，以發射筒中心線向上指向為縱軸OY，以沿艦艇橫向為橫軸OX，得到“啞彈”的運動方程[6-8]如下。

圖1 導彈運動坐標系

圖1中：R是空氣阻力；τ是彈道切線方向；n是彈道法線方向。

式(1)～(4)中：ρ為彈道曲率半徑；θ為v與OX軸間的夾角；Pw是作用在啞彈上的風荷。

初始條件：t=0，θ=θ0，x=0，y=0其中，θ0為導彈出筒速度 v0與X軸間的夾角，亦即啞彈的拋射角，由式(4)決定。

求解式(1)～(4)，結合初始條件可以得出不同條件下，導彈在彈出到空中后的運動軌跡，以及導彈出筒角度、出筒速度及風速對導彈運動軌跡的影響。

2 仿真計算

2.1 計算條件

以俄羅斯某型艦艇的實際導彈配置情況為例，在對上面所建立的模型進行求解時，考慮以下條件：

1)在模型中，只考慮導彈出發射筒時的初始速度、導彈出筒時的艦艇橫搖角度(導彈出筒初始角度)及風對導彈運動軌跡的影響；

2)不考慮艦艇縱搖的影響；

3)導彈的出筒速度范圍選為：v0=20～40 m/s；

4)考慮到導彈的具體形狀，取導彈飛行阻力系數Cf=0.3，不考慮陣風影響；

5)假設風速 w0的方向水平且與艦艇航向垂直，且吹向艦艇為正；

6)艦艇橫搖 R0＜±1 5°，順艦艇航向，艦體向左傾斜為正，考慮到艦艇上導彈發射井多數居中配置的實際情況，計算時只考慮 R0為正的情況，不影響結果分析，橫搖周期T=8～10 s；

7)導彈出筒點距艦艇橫搖中心L=4 m。

2.2 仿真計算

按照以上條件，對導彈運動模型進行仿真計算，得到如下結果：

1)當0w=2.0、6.0、8.0 m/s，R0=5 °，v0=35 m/s時，導彈隨風速變化的運動軌跡如圖2所示。

圖2 導彈隨風速變化的運動軌跡

2)當0w=2.0 m/s，R0=5 °、10°、15°，v0=35 m/s時，導彈隨搖擺角變化的運動軌跡如圖3所示。

圖3 導彈隨搖擺角變化的運動軌跡

3)當0w=2.0 m/s，R0=5 °，v0=30、35、40 m/s時，導彈隨出筒速度變化的運動軌跡如圖4所示。

圖4 導彈隨出筒速度變化的運動軌跡

4)當R0=5 °，v0=35 m/s時，風速對導彈落點距離的影響，如圖5所示。

圖5 風速對導彈落點距離的影響

5)當R0=5 °，0w=2.0 m/s時，導彈出筒速度對導彈落點距離的影響，如圖6所示。

圖6 導彈出筒速度對導彈落點距離的影響圖

6)當v0=35m/s，0w=2.0 m/s時，導彈出筒時，艦艇橫搖相位對導彈落點距離的影響，如圖7所示。

圖7 艦艇橫搖相位對導彈落點距離的影響

3 結果分析

1)風速對啞彈落點的影響。

如圖2、3所示，在導彈出筒角度比較小時，當風速有明顯增大時，啞彈的落點明顯要靠近載艦，如果啞彈出現時，風向剛好由導彈出筒口的艦舷遠端吹向近端，也明顯會增大導彈落點與出筒口的距離，也即增加了載艦的安全性，反之，則增大啞彈砸艦的危險性。

2)導彈初始運動角度對啞彈落點的影響。

導彈的彈射出筒速度為v0=30～40 m/s，如圖4和圖6所示，導彈的彈射速度對啞彈落點的影響，受到導彈出筒時載艦橫搖的角度的影響。如果導彈發射井的位置是靠近某一側艦舷，則當導彈出筒時，載艦向遠舷方向或近舷方向橫搖，則影響程度不同。但無論如何，導彈的出筒速度在增大時，都有利于啞彈落點遠離載艦。導彈的出筒速度與啞彈落點和載艦距離近似成正比。

3)艦艇橫搖對啞彈落點的影響。

由圖3可以看出，艦艇橫搖對啞彈落點距離的影響比較大，在風速較小，彈射速度正常的情況下，在橫搖條件具備發射時，上下限有30 m以上的差別，這已遠經超過了載艦的寬度。因此，對于一定寬度的艦艇，只要導彈彈射出筒時艦艇橫搖超過一定角度，就可以保證“啞彈”落不到載艦上。

4 啞彈砸艦危險性比較

在俄羅斯艦艇上，垂直冷發射導彈多數采用發射傾角為向舷外傾斜5°的發射方式，為準垂直發射，相對于完全垂直發射方式。這是否會嚴重降低啞彈出現時艦艇的安全性呢？

以某型驅逐艦防空導彈為例，導彈的發射口基本配置在艦艇橫向的中部，發射口離遠端艦舷最遠不超過8 m?？紤]到艦艇的橫搖周期和“啞彈”飛行時間的不一致性會導致艦艇橫向受彈面加寬的因素后，發射口離遠端艦舷最遠不超過10 m。如圖8所示。

圖8 導彈鼓在艦艇上的位置示意圖

從仿真結果來看，在完全垂直發射時，只要導彈彈射出筒時，艦艇橫搖幅度超過5°，在典型風速和彈射出筒速度下，啞彈都是不可能落回到艦面上的，在導彈發射條件要求的艦艇橫搖幅度小于15°范圍內，啞彈砸艦的危險區為±5°的10°范圍，如圖9所示。如果采用傾斜角為5°(假設向左傾斜)的準垂直發射，則實際上相當于預先將艦艇進行了5°的向左橫搖，則艦艇向右橫搖5°后的情況將會與完全垂直發射一致，此時，啞彈砸艦的危險區為0°～10°的10°范圍，而這并沒有超出導彈發射要求的±15°范圍，所以使用傾斜角為5°準垂直發射方式并不能比完全垂直發射方式降低“啞彈”砸艦的危險性，也就是說，完全垂直發射方式并不會比傾斜角為5°準垂直發射方式增加“啞彈”砸艦的危險性。

圖9 兩種發射方式下啞彈砸艦危險區比較

5 結論

由以上分析可以看出，對于垂直冷發射方式的導彈，為降低“啞彈”對載艦的損傷，采用向近艦舷一側傾斜一定角度的準垂直方式，對大型艦艇是有效的，但對于驅逐艦以下的艦艇，則不能明顯提高安全性。

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