劉 浩，張士衛(wèi)

(中國空空導(dǎo)彈研究院，洛陽 471009)

隱身是現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)設(shè)計(jì)的主流設(shè)計(jì)形式，包括隱身戰(zhàn)機(jī)和隱身無人作戰(zhàn)飛機(jī)等。為了保證隱身戰(zhàn)機(jī)在巡航以及突防過程中的隱身性能，國內(nèi)外的先進(jìn)空空導(dǎo)彈武器發(fā)射系統(tǒng)均采用內(nèi)埋彈射發(fā)射方式［1-4］。但是隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)隱身戰(zhàn)機(jī)在發(fā)射空空導(dǎo)彈過程中需要打開寬大的主武器艙門，并在導(dǎo)彈發(fā)射完成之后再關(guān)閉主武器艙門，整個過程需要持續(xù)6～10 s，在此過程中，隱身戰(zhàn)機(jī)的RCS急劇增加，如此之長的時間和急劇增加的RCS強(qiáng)度足夠敵方雷達(dá)搜索并穩(wěn)定跟蹤隱身戰(zhàn)機(jī)，嚴(yán)重影響隱身戰(zhàn)機(jī)安全。為了避免隱身戰(zhàn)機(jī)在發(fā)射空空導(dǎo)彈時失去隱身性能，本文提出一種新型內(nèi)埋軸向彈射發(fā)射技術(shù)。該新型技術(shù)致力于降低空空導(dǎo)彈發(fā)射時對隱身戰(zhàn)機(jī)RCS的影響，實(shí)現(xiàn)隱蔽發(fā)射，提高空空導(dǎo)彈攻擊的突然性。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 內(nèi)埋彈射發(fā)射研究現(xiàn)狀

隱身戰(zhàn)機(jī)內(nèi)埋彈射發(fā)射技術(shù)以美國LAU-142/A為典型代表，其采用的是從機(jī)腹橫向向下彈射的發(fā)射方式。LAU-142/A內(nèi)埋彈射發(fā)射裝置能夠以40 g的過載和8.1 m/s的分離速度將導(dǎo)彈向下彈射出去，并保證導(dǎo)彈在穿過氣流在機(jī)體表面的形成的附面層后，以合適的姿態(tài)飛向目標(biāo)［1，3］。F-22飛機(jī)的武器艙展開圖見圖1和圖2。從圖中可以看出，當(dāng)隱身戰(zhàn)機(jī)彈射發(fā)射導(dǎo)彈時，由于寬大的武器艙門的打開，其RCS將急劇增高，嚴(yán)重影響載機(jī)隱身性能。另一方面，發(fā)射時需要提前打開寬大的武器艙門，暴露了己方的攻擊意圖，大大削弱了空空導(dǎo)彈的隱身靜默作戰(zhàn)效能。

圖1 F-22彈射發(fā)射空空導(dǎo)彈全圖

圖2 F-22彈射發(fā)射空空導(dǎo)彈

1.2 內(nèi)埋軸向彈射發(fā)射技術(shù)

內(nèi)埋軸向彈射發(fā)射技術(shù)在世界范圍內(nèi)至今還未見應(yīng)用于任何定型型號，除了一些專利有類似報(bào)道外，幾乎無其他公開報(bào)道的文獻(xiàn)。圖3為國外某專利文獻(xiàn)報(bào)道的半埋軸向彈射裝置圖，其采用了空空導(dǎo)彈一種新型發(fā)射思路-半埋式軸向彈射發(fā)射。其總體設(shè)計(jì)思路:半埋式武器艙位于機(jī)腹下表面，為了避免導(dǎo)彈發(fā)射時與載機(jī)進(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)和氣動影響，武器艙凸出機(jī)腹下表面一定高度，以保證導(dǎo)彈能夠從發(fā)射口彈射而出，另外為了實(shí)現(xiàn)全方位發(fā)射，武器艙被設(shè)計(jì)成可旋轉(zhuǎn)式。導(dǎo)彈發(fā)射時不從正前方發(fā)射，而是從機(jī)身側(cè)面發(fā)射。

該方案的優(yōu)點(diǎn):采用半埋式軸向彈射技術(shù)，可以降低戰(zhàn)機(jī)的氣動阻力和雷達(dá)反射截面積RCS，并且采用軸向彈射發(fā)射方式，使上下雙層布局可為可能，大大增加載機(jī)的載彈量，提高了載機(jī)的作戰(zhàn)效能。

該方案的缺點(diǎn):采用半埋式布局，武器艙凸出機(jī)腹下表面，因此必然會產(chǎn)生一定的氣動阻力和雷達(dá)反射截面積RCS，因此不適合于追求高隱身性能的隱身戰(zhàn)機(jī)。

圖3 某專利可旋轉(zhuǎn)式半埋軸向彈射發(fā)射裝置

2 新型內(nèi)埋軸向彈射發(fā)射技術(shù)組成和工作原理

新型內(nèi)埋軸向彈射發(fā)射技術(shù)以隱身戰(zhàn)機(jī)為武器平臺，包括四代隱身戰(zhàn)機(jī)、隱身無人戰(zhàn)機(jī)以及未來其他先進(jìn)隱身平臺。內(nèi)埋軸向彈射發(fā)射裝置基本組成:發(fā)射箱箱體、導(dǎo)軌、彈射機(jī)構(gòu)(包括活塞、定滑輪、鋼絲繩、拖彈座等)、動力系統(tǒng)、緩沖止動機(jī)構(gòu)等組成，如圖4所示。

新型軸向彈射發(fā)射裝置彈射工作原理:當(dāng)導(dǎo)彈接到發(fā)射指令后，彈射動力系統(tǒng)儲存的高壓冷氣或藥柱高壓燃?xì)馔ㄟ^進(jìn)氣口進(jìn)入導(dǎo)軌內(nèi)腔即活塞腔，活塞腔形成的氣體壓力推動活塞沿著活塞腔向?qū)к壩膊扛咚倩校摻z繩一端固定在活塞上，在繞過導(dǎo)軌前端的定滑輪后另一端與拖彈座固結(jié)，導(dǎo)彈后滑塊卡在拖彈座中。由于活塞的高速向后運(yùn)動，因此鋼絲繩必然牽著拖彈座沿著導(dǎo)軌向前滑動，從而帶動導(dǎo)彈從前箱門彈射而出。

新型軸向彈射發(fā)射技術(shù)對載機(jī)導(dǎo)彈發(fā)射時低RCS原理:采用箱式發(fā)射方式，每一個發(fā)射箱內(nèi)置一枚導(dǎo)彈，導(dǎo)彈發(fā)射時不再需要打開機(jī)腹寬大的武器艙門，其他不發(fā)射導(dǎo)彈的發(fā)射箱前箱門也不打開，只打開需要發(fā)射導(dǎo)彈的發(fā)射箱的前箱門，因此大大縮減了導(dǎo)彈發(fā)射開口面積，開口面積約為武器艙開口的5%左右，因此導(dǎo)彈發(fā)射時對載機(jī)RCS的影響較小，另外箱體和導(dǎo)軌選用結(jié)構(gòu)吸波型復(fù)合材料，進(jìn)一步縮減載機(jī)發(fā)射導(dǎo)彈時的RCS。

圖4 新型內(nèi)埋軸向彈射發(fā)射裝置

3 軸向彈射技術(shù)于載機(jī)武器艙布局研究

3.1 水平掛飛傾斜伸出發(fā)射

該方案的機(jī)內(nèi)武器艙布局思路:發(fā)射箱水平正前方布置，掛飛時發(fā)射箱收縮在武器艙內(nèi)，當(dāng)需要發(fā)射時，發(fā)射箱在活塞缸的作用下低頭，達(dá)到要求的的角度后，發(fā)射箱保持穩(wěn)定，然后進(jìn)行導(dǎo)彈發(fā)射。該布局示意圖如圖5所示。

圖5 水平掛飛伸出發(fā)射布局

該方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)布局較為緊湊，發(fā)射初始傾角較大，發(fā)射安全性較高。主要缺點(diǎn):發(fā)射過程較為復(fù)雜，不適合空空導(dǎo)彈快速反應(yīng)的作戰(zhàn)環(huán)境，容易貽誤稍縱即逝的戰(zhàn)機(jī);運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)較多，會增加發(fā)射裝置的總質(zhì)量和設(shè)計(jì)體積，對可靠性也有一定影響;發(fā)射箱伸出載機(jī)機(jī)腹面以下，會影響隱身載機(jī)的隱身性能和氣動性能，并且暴露了攻擊意圖。

因此總體來說，本文認(rèn)為水平掛飛伸出發(fā)射布局缺點(diǎn)多于優(yōu)點(diǎn)，不是內(nèi)埋軸向發(fā)射箱機(jī)內(nèi)布局的理想方案。

3.2 固定傾斜正前向發(fā)射布局

為了簡化發(fā)射流程，實(shí)現(xiàn)快速發(fā)射，可以考慮固定傾斜正前向發(fā)射布局方式。該布局的總體思路:軸向彈射發(fā)射裝置固定掛裝于武器艙內(nèi)，為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈發(fā)射與進(jìn)氣道無結(jié)構(gòu)干涉和氣動干擾，并保證導(dǎo)彈從武器艙內(nèi)彈射而出，軸向彈射發(fā)射裝置相對于機(jī)身有一定的傾斜角，如圖6所示。該布局方式需要在機(jī)腹下表面形成一個“鼓包”形的凸出特征，“鼓包”的前端傾斜面為導(dǎo)彈發(fā)射口。

圖6 傾斜正前向發(fā)射布局圖

該方案主要優(yōu)點(diǎn):發(fā)射箱固定于機(jī)腹內(nèi)，發(fā)射過程簡單，發(fā)射反應(yīng)速度快，發(fā)射姿態(tài)穩(wěn)定。該方案的主要缺點(diǎn):機(jī)腹下邊將存在一個“鼓包”式的武器艙和發(fā)射口傾斜面，從而增加了載機(jī)的機(jī)身的高度，因此將增加載機(jī)的氣動阻力和雷達(dá)截面反射面積RCS。

3.3 正前向發(fā)射布局

為了避免傾斜發(fā)射式布局“鼓包”設(shè)計(jì)，降低對戰(zhàn)機(jī)的氣動和RCS影響，可考慮將戰(zhàn)機(jī)的進(jìn)氣道上置或后置，現(xiàn)階段世界上很多無人機(jī)均采用進(jìn)氣道上置或后置的布局。

進(jìn)氣道上置或后置，內(nèi)埋軸向彈射發(fā)射裝置以及空空導(dǎo)彈可水平正前向的布局在機(jī)身前部，導(dǎo)彈發(fā)射時將不再存在與進(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)干涉和氣動影響。因此在無人作戰(zhàn)機(jī)領(lǐng)域，新型內(nèi)埋軸向彈射發(fā)射技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景。

3.4 側(cè)向發(fā)射布局

為了盡量避開進(jìn)氣道的影響，可考慮軸向彈射裝置從戰(zhàn)機(jī)的兩側(cè)壁發(fā)射的方式。從戰(zhàn)機(jī)側(cè)壁發(fā)射，導(dǎo)彈發(fā)射后被賦予較大的偏航方向的角度，可最大限度的與進(jìn)氣道不產(chǎn)生相互影響。另外采用機(jī)身側(cè)壁發(fā)射方式，能夠避免限度的避免地面雷達(dá)、軍艦雷達(dá)和空中前方±40°方向內(nèi)敵機(jī)雷達(dá)的探測監(jiān)視，因此具有非常理想的發(fā)射隱蔽性，使敵機(jī)無法獲知我方攻擊意圖，大大提高我方戰(zhàn)機(jī)的作戰(zhàn)效能。側(cè)向布局如圖7和圖8所示。

圖7 側(cè)向發(fā)射單層布局俯視圖

圖8 側(cè)向發(fā)射雙層布局俯視圖

側(cè)向發(fā)射布局優(yōu)點(diǎn):側(cè)向發(fā)射不需要增加飛行器平臺的鼓包特征，因此飛行器具有較好的隱身和氣動性能，另外發(fā)射箱與航向具有一定角度，約在40～50°之間，因此能夠極好的降低戰(zhàn)機(jī)前向±40°的雷達(dá)反射截面積RCS［8］，實(shí)現(xiàn)發(fā)射過程的隱蔽性，最終實(shí)現(xiàn)攻擊敵方目標(biāo)的突然性。軸向彈射發(fā)射技術(shù)具備雙層布局的可能性，因此只要武器艙空間允許，載彈量將達(dá)到10～12枚，大大提高隱身戰(zhàn)機(jī)的載彈量。另外隱身戰(zhàn)機(jī)能夠左右側(cè)雙彈齊射，實(shí)現(xiàn)對敵方目標(biāo)的鉗形攻擊。

側(cè)向發(fā)射的缺點(diǎn):側(cè)向發(fā)射布局武器艙前后跨度比較大，因此對飛行平臺的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定要求。

4 內(nèi)埋軸向彈射關(guān)鍵技術(shù)探析

對新型內(nèi)埋軸向彈射發(fā)射技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行初步探討。其關(guān)鍵技術(shù)主要包括大行程彈射內(nèi)彈道技術(shù)、小后坐力彈射技術(shù)、發(fā)射箱低RCS設(shè)計(jì)技術(shù)等。

4.1 大行程彈射內(nèi)彈道設(shè)計(jì)技術(shù)

內(nèi)彈道設(shè)計(jì)涉及彈射動力總能量設(shè)計(jì)、彈射峰值過載控制、彈射速度設(shè)計(jì)等。對于新型軸向彈射發(fā)射技術(shù)來說，其主要的一個內(nèi)彈道特點(diǎn):彈射腔作動行程非常長，以某導(dǎo)彈為例，假如彈體長4 m，則其彈射行程將達(dá)到3.5 m，如何保持在3.5 m長的行程上氣體作動壓力不大幅衰減將是一個設(shè)計(jì)難點(diǎn);由于儲備的彈射能量大，因此容易造成彈射初始過載成尖峰形，彈射初始過載過大。因此，為了達(dá)到較優(yōu)的內(nèi)彈道設(shè)計(jì)，若彈射能量采用燃?xì)馑幹?，則需要采用增面燃燒形式［5，6］，若彈射能量采用冷氣源形式，則需要采用變截面流量控制技術(shù)。

4.2 小后坐力彈射發(fā)射技術(shù)

采用軸向彈射技術(shù)，為了保證發(fā)射安全性，需要較高的離箱初始速度，初始速度越大，導(dǎo)彈能夠迅速脫離戰(zhàn)機(jī)的氣動影響范圍，提高機(jī)彈分離安全型，并且降低發(fā)射導(dǎo)彈與戰(zhàn)機(jī)的相互RCS影響。但是彈射初始速度越大，彈射反作用過載也越大，對戰(zhàn)機(jī)的反作用力載荷也越大。

假設(shè)某導(dǎo)彈質(zhì)量約200 kg，導(dǎo)彈長度4 m，有效彈射行程3.5 m，若離箱速度需要達(dá)到30 m/s，則彈射峰值過載可能達(dá)到20 g，彈射反作用力峰值將達(dá)到4 T。若離箱初始速度希望達(dá)到50 m/s，則彈射峰值過載可能達(dá)到55 g，彈射反作用力峰值將達(dá)到11 T。因此，如何降低彈射發(fā)射時的反作用過載顯得尤為必要。

降低彈射反作用過載主要方案有:優(yōu)化內(nèi)彈道設(shè)計(jì)，降低彈射壓力峰值。彈射腔的峰值壓力對彈射過載具有直接的影響，一般來說，壓力腔的壓力曲線特性是先迅速增加到最大值，然后壓力逐漸降低，因此保證彈射腔的彈射壓力穩(wěn)定不出現(xiàn)尖峰峰值將能有效降低彈射峰值過載。采用平衡發(fā)射原理，抵消前向動量。平衡發(fā)射原理在火炮發(fā)射技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用較廣，對于機(jī)載內(nèi)埋的軸向彈射裝置，可以考慮發(fā)射時向發(fā)射裝置后方高速噴射氣流的方式抵消導(dǎo)彈發(fā)射前向動量，降低導(dǎo)彈發(fā)射對載機(jī)的反作用載荷［7］。但是向后方噴射氣流的形式將增加動力系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，使動力系統(tǒng)總儲備能量更大。

4.3 發(fā)射箱低RCS設(shè)計(jì)技術(shù)

新型內(nèi)埋軸向彈射發(fā)射技術(shù)致力于盡量降低隱身戰(zhàn)機(jī)飛行以及發(fā)射時的RCS，為了實(shí)現(xiàn)這個目的，本文認(rèn)為軸向彈射發(fā)射裝置采用從戰(zhàn)機(jī)側(cè)壁側(cè)向發(fā)射的布局為較為理想的布局，側(cè)向發(fā)射使發(fā)射箱箱口與戰(zhàn)機(jī)航向具有一定偏角，該偏角在40°以上，因此能夠有效的避免戰(zhàn)機(jī)正前方±40°的雷達(dá)探測，也可以避免戰(zhàn)機(jī)下方的雷達(dá)探測［8］。

另外通過箱口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、箱體材料選用結(jié)構(gòu)吸波型復(fù)合材料以及涂覆吸波材料等手段也可降低軸向彈射發(fā)射裝置的 RCS［9，10］。

5 結(jié)束語

提出了隱身戰(zhàn)機(jī)發(fā)射空空導(dǎo)彈的一種新型發(fā)射技術(shù)，即內(nèi)埋軸向彈射發(fā)射技術(shù)，用于縮減隱身戰(zhàn)機(jī)發(fā)射導(dǎo)彈時的RCS。本文對該技術(shù)在隱身戰(zhàn)機(jī)武器艙的布局進(jìn)行了初步分析，并對內(nèi)埋軸向彈射發(fā)射技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了一定探討。得出結(jié)論如下:新型內(nèi)埋軸向彈射發(fā)射裝置箱門開口小，且箱體為結(jié)構(gòu)型吸波復(fù)合材料，以此實(shí)現(xiàn)隱身戰(zhàn)機(jī)導(dǎo)彈發(fā)射時的低RCS;在無人作戰(zhàn)飛機(jī)領(lǐng)域，戰(zhàn)機(jī)進(jìn)氣道一般上置或后置，新型內(nèi)埋軸向彈射發(fā)射技術(shù)在該領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景;側(cè)向發(fā)射布局能夠最大限度的降低導(dǎo)彈發(fā)射時對氣動和RCS影響，尤其是雙層布局可以實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)機(jī)高密度內(nèi)埋，并能實(shí)現(xiàn)雙彈齊射的鉗形攻擊。側(cè)向發(fā)射布局在武器艙空間較大的空優(yōu)戰(zhàn)斗機(jī)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景;大行程內(nèi)彈道設(shè)計(jì)對保證彈射離箱初始速度和降低彈射峰值過載具有重要影響，對于燃?xì)馑幹降膭恿ο到y(tǒng)可采用增面燃燒方式，對于冷氣式動力系統(tǒng)需要采用變截面流量控制技術(shù);軸向彈射后坐力比較大，需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和緩沖。

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