某發射裝置隱形設計研究與分析

王鵬飛，余建成，陳祥龍

（國營第四四五廠，浙江 杭州，310024）

0 引言

在現代化軍事設備中，隱形具有十分重要的意義。被發現等于被消滅，同規模的軍艦，隱形軍艦在制敵先機、本身隱蔽性占據巨大優勢，而武器的隱形對于軍艦隱形具有重大意義。隱形化、模塊化、自動化和信息化“四化”設計，是現代艦艇發展的趨勢[1]。為適應新型艦艇的隱身化、模塊化要求，發射裝置必須實現隱身性和模塊性的要求。對于隱形要求最徹底的解決方式是在平時隱藏于甲板之下，滿足艦艇對武器設備隱形性能的要求，作戰時自動顯露發射管組，進入發射狀態，對某武器進行自動點火發射，實現某武器的布陣攔截功能[2]。

由于隱形性能的要求，現代艦艇對艦面設備的外形提出越來越嚴格的要求，艦面布置簡潔明了，盡量減少多余凹凸布置成為艦艇設計的潮流[3]。如瑞典的“維斯比”級（見圖1）[4]、新加坡的“可畏”號（見圖 2）[5]、法國“地平線”級（見圖 3）[6]、英國的 45型[7]等艦艇都堪稱雷達隱身的典范，其共同特點是除進行了隱身防護的主炮，在艦面上幾乎見不到其余武器的存在。因此軍艦可進行更自由的外形設計，以規避雷達檢測[8]。

圖1 “維斯比”號Fig.1 HMS Visby

圖2 “可畏”號Fig.2 HMS Formidable

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

本方案基于上述需求，提出了一型平時可完全隱藏于甲板之下，作戰時能自動伸出甲板，進行自動點火發射的模塊化發射裝置。

1 研究方案

1.1 方案確定

為實現發射裝置在默認位置時處于甲板之下的艙室中，在工作時自動顯露于甲板進行發射，有2種可行的解決方案。

第1種方案是將傳統發射裝置安裝于可上下升降運動的升降平臺上。平時，升降平臺處于低位狀態，發射裝置隱藏于甲板之下；戰時，由升降平臺帶動發射裝置向上運動，使其顯露于甲板之上。發射裝置根據任務需要對來襲目標發射某武器進行布陣攔截。該方案的優點是可以實現發射裝置在平時隱藏，戰時正常工作的需求。其不足之處：1）增設了升降平臺，系統的復雜程度增加，可靠性降低；2）為保證升降平臺的上下運行升降平臺需要保證適當的間隙，發射裝置在發射過程中的火箭尾焰推力會引起振動情況，影響發射裝置的精度；3）為滿足發射裝置的全自動裝退彈功能，發射裝置在每次裝退彈工作時，升降平臺需要進行升降運動，增加了運動環節，耗費時間，快速反應能力降低。

第 2種方案是調整發射裝置的俯仰運動中心的位置，使得發射裝置在平時航行狀態時處于甲板之下的艙室內部，在戰時發射裝置能夠滿足俯仰和旋回的射界要求，發射管組自動伸出甲板位置。

該方案在傳統發射裝置成熟技術的基礎上改進完成，研制風險較小，改動量不大，可以滿足發射裝置在平時狀態時的隱藏，及在戰時狀態時的發射功能。其主要缺點是由于俯仰中心的改變，發射裝置具有較大的偏載現象，通過恰當的設計，偏載情況可以得到解決。

1.2 研究方案

通過對研究方案的分析對比，方案2在系統組成簡便性、工作過程可靠性以及實現的方便性上優于方案1。

如圖4所示，發射裝置主要由基座、旋回模塊、發射管組組成。其旋回俯仰轉軸設置于發射裝置靠后的位置，在發射裝置進行俯仰運動時，發射管可以抬升至較高的位置，發射管顯露于甲板外側對來襲魚雷目標發射某武器進行布陣攔截。

圖4 隱藏式模塊化發射裝置Fig.4 Concealed modular launcher

為使該方案能夠順利實現，必須滿足發射裝置的射界要求，即發射裝置俯仰角為15°～60°內，發射裝置最低發射管的發射路線高于艙室的最低開口。最高發射管在發射角為最大俯仰角時，不會與艙室內壁出現干涉現象。在滿足上述要求的條件下，發射裝置的偏心情況應最小，發射裝置的擾動半徑最小。

該方案的特點是，如圖5所示發射裝置在默認狀態下，俯仰處于-90°，可以實現全自動裝退彈、自動點火以及進行模塊化更換發射裝置的各部件，具有較高的快速反應能力和較好的維護保養性能。

圖5 發射裝置處于默認狀態（非戰斗狀態）Fig.5 Launcher in default state（non-combat state）

根據研究方案要求，尋求滿足研究方案條件的數學關系，如圖6-7所示。設發射管組的長度為L，寬度為k，設艙室的長度和寬度均為m，發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 發射管組Fig.6 Launch tube group

圖7 數學模型參數設定Fig.7 Mathematical model parameter setting

基于：1）發射裝置運行過程中不會與艙室發生干涉；2）發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，即發射裝置掃動半徑最小、發射裝置偏載最小。

建立數學模型如下：

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射裝置最小偏載，最小掃動半徑的結構形式。

根據要求實現發射裝置全自動輸退彈、自動點火，有無彈指示等功能以及發射裝置口徑情況，同時考慮設計、拆卸余量，發射管組（長度，L=1 790 mm；寬度，K=980 mm），當x≈80 mm，y≈900 mm時，發射裝置各指標可處于較為理想的狀態。

發射裝置處于該尺寸時，發射裝置可隱藏于長和寬均為2 600 mm，高度為2 330 mm的艙室中。發射裝置各狀態如圖8-10。

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

2 技術難點分析

隱藏型模塊化發射裝置可實現默認狀態下處于甲板之下的艙室中，解決隱形問題，適合現代艦船發展方向。但由于改變了發射裝置俯仰旋轉中心，帶來了偏載問題。某發射裝置需要在跟蹤的同時實現對某武器的發射，因此動態跟蹤精度是該型發射裝置著重需要解決的難點問題。

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

圖10 發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射裝置工作方式和工作環境與常規發射裝置基本一致。可以通過類比分析的方式研究隱藏型模塊化發射裝置解決動態跟蹤精度的可行性。

如圖11所示，十二聯裝發射裝置在以 6-7-5-8-4-9-3-10-2-11-1-12的順序發射，發射 6號管時，發射裝置具有較大的俯仰偏載情況產生，某武器在發射時，其尾焰的主要作用區域在發射管直徑的4倍口徑的圓形區域內。由于6號管是第一發射管發射，圓形區域所覆蓋的5號發射管處于有彈狀態，對6號管發射時的尾焰起到阻礙作用。根據圖11分析，4倍發射管口徑的圓形區域中，起到對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對尾焰阻礙作用的面積約，其中S為4倍發射管口徑的圓的面積，P指某武器發射時產生平均壓強。

圖11 常規發射裝置發射負載情況Fig.11 Launch load of 12-tube launcher

分析隱藏型模塊化發射裝置如圖12所示，發射裝置發射時，第4號發射管發射時的偏載最嚴重。此時若3、5、2、6號發射管處于有彈狀態，4倍發射管口徑的圓形區域中，形成阻力的面積約占 60%，此時偏載力矩為 M=0.6×715×S×P≈429×S×P＞261.84×S×P。

圖12 隱藏型模塊化發射裝置動態載荷分析Fig.12 Dynamic load analysis of concealed modular launcher

為解決該問題，可以適當設置發射裝置的發射順序，設置當引起發射裝置最大偏載的發射管4號管發射時，其相鄰的 3、5、2、6號發射管處于無彈狀態。在這種情況下，4倍口徑的圓形區域中，形成阻力的面積約為 38%，此時偏載力矩為M=0.37×715.0×S×P≈264.55×S×P，與十二聯裝發射裝置6號管發射時所形成的偏載力矩基本持平。

綜合上述分析，隱藏型模塊化發射裝置在適當的增加發射裝置剛度以及驅動電機功率的情況下，設置適當的發射順序，能夠滿足發射裝置的動態跟蹤精度要求。

3 結束語

發射裝置的隱形是軍艦隱形的重要條件之一。魚雷發射裝置隱形，即非戰時狀態隱藏于甲板之下，可采用偏置旋轉中心方案，帶來的偏載問題，可采用調整炮管發射順序來減小偏載引起的精度問題。