同心筒發展現狀及陸態發射地面支撐安全性分析

程運江，叢彥超，周曉和，司世才，黃燕珺

(中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

0 引言

隨著科學技術發展，世界各軍事強國都在重點加強海軍力量建設，不斷發展和更新海軍艦載武器裝備，以確保其海軍處于領先地位，在未來戰爭和局部沖突中發揮重要作用。艦載武器更新換代的同時，導彈發射裝置也得到了快速發展，其功能和性能直接影響到艦載導彈武器系統的作戰能力[1]。導彈的垂直發射技術最早應用在潛艇上，后來才逐漸應用到水面艦艇上[2]。1968年，英國首先在護衛艦上以垂直發射方式成功地發射了一枚“海狼”艦空導彈。1980年，原蘇聯在“基洛夫”號巡洋艦上率先裝備了SA-N-6艦對空導彈垂直發射系統。之后，美國的MK41、以色列的“巴拉克”-1、英國的“海狼”、北約聯合研制的“輕型海麻雀”等導彈垂直發射系統相繼裝艦。隨著大型水面艦艇和潛艇平臺上垂直發射系統的應用，且垂直發射系統可適裝不同類型的戰術導彈，目前大型巡洋艦、驅護艦和潛艇已具備發射多種、多枚戰術導彈的作戰能力，大大推動了作戰平臺、發射系統和戰術導彈的高速發展，提高了艦船武器系統的作戰能力[3]。艦載/潛基導彈垂直發射裝置具有發射率高、儲彈量大、全方位發射、布局空間小、通用化程度高、兼容性強、成本低、可靠性高等特點，已成為各國海軍武器系統的重要組成部分。

同心筒發射裝置是垂直發射系統的一個重要發展方向，主要包括“內外同圓”式、“外方內圓”式等類型[4-5]。在研制艦載導彈武器系統過程中，為驗證導彈武器與同心筒發射裝置的匹配性，一般而言，在論證階段擇機開展陸態演示驗證試驗。在陸態演示驗證試驗中，導彈發射過程中的燃氣流及發動機推力將對整個支撐及發射系統產生較大的振動與沖擊，影響其動態響應特性，可能對支撐及發射系統各構件和關鍵結構連接部位造成破壞，甚至影響導彈安全出筒[6-7]。因此，有必要開展同心筒發射裝置地面支撐及發射系統方案設計，進行支撐安全性研究，這將對同心筒發射裝置的工程應用具有重要意義。

1 同心筒發展現狀

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

同心筒垂直發射裝置主要由同心發射筒、分布式電氣設備、艦載武器模塊等組成，關鍵技術包括同心筒結構技術、自主折轉燃氣流排導與防護技術、分布式“即插即用”式電子控制技術。同心筒結構包括內筒、外筒、端蓋、底板、內筒支撐結構、導流結構等。內筒主要實現對導彈支承和發射導向的功能；外筒主要用于提供接口以安裝同心筒至艦船平臺；內外筒之間間隙用于導彈燃氣射流排導通道。導彈發射過程中，導彈燃氣流經底部導流結構、端蓋后轉彎180°反流向上，進入內外筒間隙并向上排出。同心筒發射具有以下特點：1)燃氣流與相鄰導彈隔離，垂直發射系統熱環境得到有效改善；2)同心筒結構簡單、尺寸小、質量輕、占用空間小，可提高艦船空間利用率；3)可執行標準化，提高通用化水平，適裝性強；4)可實現垂直、水平、任意角度發射[8]。

圖1 英國“海狼”艦空導彈垂直發射

目前，國內主要對同心筒發射裝置進行了大量的發射安全性仿真分析及相應的地面試驗研究。

2 同心筒發射裝置地面支撐及發射系統方案

2.1 系統要求

同心筒發射采用近垂直熱發射方案，與傳統的垂直裸彈發射方案相比，導彈發射過程中燃氣流排導受到同心筒內筒的空間約束，發動機推力偏斜等初始偏差會對同心筒施加較大的載荷影響。因此，在同心筒熱發射過程中，導彈的燃氣流與發動機推力將對同心筒、地面支撐系統帶來較大的振動與沖擊。為確保發射試驗的安全性，需要對同心筒地面支撐及發射系統進行方案設計與安全性研究，以確保滿足發射前及發射過程中的強度和安全性要求，不會發生傾覆及局部結構失效等安全性問題。

相比于傳統垂直裸彈發射采用安裝固定導流錐的方式即可安全發射，同心筒發射除考慮自身結構的燃氣流排導性能外，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實現同心筒的固定安裝。此外，考慮導彈發射后出現異常垂直下落帶來的風險，要根據艦船平臺特性和導彈發射條件，將同心筒發射裝置固定在具有一定傾斜角度的地面斜坡上，以減小導彈發射后異常垂直下落的不利影響。

綜上，在進行同心筒發射裝置地面支撐及發射系統設計過程中，要充分考慮地面支撐及發射系統相比與艦船平臺的真實模擬性、地面支撐及發射系統的支撐安全性和試驗風險及試驗成本。

2.2 系統組成

同心筒地面支撐及發射系統主要由同心筒、支撐基座、側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射系統示意圖

同心筒除在導彈發射過程中進行發射導向和燃氣射流排導之外，還用于導彈的儲存、運輸和發射前豎直支撐。同心筒外部設置有環向加強筋，增加同心筒結構的強度與剛度，并可在試驗中與支撐系統相連，提高支撐及發射系統的安全性。

考慮試驗成本和建造周期，兼顧艦船平臺特性和導彈發射條件，支撐基座由鋼板和具有5°斜角的地面斜坡組成，主要實現導彈發射前對導彈及同心筒的縱向支撐、發射過程中對同心筒的縱向支撐，并通過鋼板較大的面積將導彈發射過程中的燃氣流沖擊力較小地將燃氣流沖擊壓強分解到地面斜坡上，確保該傳遞的壓強在斜坡承受范圍以內。地面斜坡則提供同心筒發射的初始高低射角，承受導彈發射前導彈及整個支撐及發射系統的質量和導彈發射過程中燃氣射流的沖擊力。5°初始高低發射角可以確保導彈在發射異常后，不會垂直下落，避免對試驗場地造成較大的安全風險。考慮水分對地面抗剪強度的影響，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構，周邊設置一圈安裝螺釘孔，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向加強筋處、支撐基座鋼板進行固連，主要實現導彈發射過程中燃氣流與發動機偏斜推力等對同心筒的橫向載荷減振與支撐，是支撐系統的橫向主要穩定性支撐。

輔助吊拉鋼繩采用標準鋼絲繩，一側連接同心筒環向加強筋處的吊耳，另一側選用鋼釬或地樁進行捆綁連接，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定性。

3 陸態發射地面支撐安全性分析

導彈在發射過程中，燃氣流會對支撐及發射系統造成較大的沖擊與振動，發動機推力的偏斜、導彈出筒時刻的低頭現象會對支撐及發射系統帶來更多的橫向載荷和傾覆力矩，將影響整個地面支撐及發射系統的安全性。從兩方面危險模式對支撐及發射系統進行安全性分析，包括導彈動力學對支撐及發射系統結構件的安全性有限元分析、極限工況下防傾覆吊拉鋼繩的強度校核及場坪承壓能力校核。

3.1 支撐及發射系統的安全性有限元分析

在分析導彈動力學對支撐及發射系統結構件安全性過程中，主要考慮極限工況下，導彈動力學對同心筒、同心筒與支撐基座的接觸面及側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，對支撐及發射系統的安全性進行有限元分析。

對同心筒結構簡化，采用Patran軟件建立有限元模型，網格采用殼單元，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動機推力極大值進行分析，并選取一定發動機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。經分析，同心筒支撐及發射系統所受到的最大應力主要分布在位于Ⅰ、Ⅲ象限位置的側向支撐梁上、靠近支撐基座位置處，其最大應力值達到219MPa，小于Q345鋼的屈服強度，由此可知同心筒支撐及發射系統在極限工況下受到的應力符合設計要求，滿足支撐及發射系統各結構件的強度。同心筒支撐及發射系統的最大位移量位于Ⅰ、Ⅲ象限位的發射筒頂端處，其最大位移量達到了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，符合設計要求。同心筒應力分布圖、位移云圖如圖3(b)、圖3(c)所示。

圖3 同心筒有限元模型、應力分布、位移云圖

3.2 防傾覆吊拉鋼繩的安全性計算

在計算防傾覆吊拉鋼繩的安全性過程中，采用工程計算方法。首先，假設筒架(同心筒與支撐梁及鋼板)為一個整體，防傾覆吊拉鋼繩與地面斜坡采用鋼釬固定，連接牢靠，不會遭到沖擊受到破壞而導致其連接失效；考慮極限情況下僅對筒架在一根防傾覆吊拉鋼繩拉緊受力的情況進行強度校核分析。導彈發射過程中，影響導彈姿態較大的初始擾動主要包括發動機推力偏斜和低頭現象兩種因素，如圖4所示。在分析過程中，將發動機推力偏斜和低頭現象處理為同一方向的擾動，形成導彈更大傾斜的角度，對筒架造成更大的傾覆力矩。

圖4 發動機推力偏斜、導彈低頭現象

以支撐基座與地面斜坡接觸面的中心處為原點，建立發射裝置的參考坐標系x-y，通過筒架結構獲取支撐基座質心坐標O，根據已知質量質心計算推出筒架質心坐標O1。O2為鋼繩與同心筒加強筋固連點，O3為同心筒頂端中心點，并假定將發動機推力極大值作用在該點形成極限傾覆工況。導彈發射出筒瞬間的筒架受力情況如圖5所示，其中幾何參數如表1所示。

圖5 同心筒支撐及發射系統的整體受力示意圖

表1 支撐及發射系統的幾何特性參數

對發射裝置整體進行受力分析，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

帶入發動機極大推力值，得到

F=8250N;N=237600N;Ff=1900N。

選用的防傾覆吊拉鋼繩標準拉斷力為20kN，>8250N，安全系數>2.4，滿足抗拉強度要求，能夠實現對地面及發射系統的防傾覆作用。

3.3 發射場坪安全性計算

由上可知，導彈在發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。根據支撐基座鋼板面積大小計算得出地面斜坡受到的正面壓強為33.76kPa。假設場地的土壤含水量為10%，依據文獻可知地面斜坡所能夠承受的標準壓強值為80kPa，大于導彈發射過程中地面斜坡受到的正壓強33.76kPa，場地不會受到破壞、損傷，場坪強度裕度充分。

3.4 小結

經過支撐及發射系統的安全性有限元分析、防傾覆吊拉鋼繩的安全性計算以及發射場坪安全性計算，結果表明：地面支撐及發射系統可滿足導彈發射前及發射過程中的強度及安全性要求，不會發生結構失效、筒架傾覆、地面斜坡場地受到破壞和損傷，設計余量充分，滿足安全性要求。

4 結語

同心筒垂直發射裝置是艦面垂直發射系統重要的發展方向之一，陸態演示驗證試驗是完成導彈與同心筒之間匹配性驗證的重要措施。本文提出的同心筒發射裝置地面支撐及發射系統設計方案，經過地面支撐安全性有限元分析、防傾覆與發射場坪安全性計算，表明同心筒陸態地面支撐及發射系統安全可靠，可為后續開展同心筒陸態發射試驗設計支撐及發射系統提供參考。