楊繼鋒，劉丙杰，陳 捷，黃路煒

(1.海軍潛艇學院， 山東 青島 266099； 2.火箭軍裝備研究院， 北京 100094)

目前，國際上較為通用的反潛偵查手段有聲、光、磁、紅外、雷達等探測技術，探測深度最深可達80 m。如圖1所示，如果將以上探測設備加載在衛(wèi)星、飛機等平臺上，可以實現(xiàn)對水下運動的潛艇實施全方位的搜索。其中，尤以水面至水下50 m深度最容易實現(xiàn)對目標的搜索。

圖1 主流反潛探測方式示意圖

若導彈發(fā)射深度擴大至50 m以下，可使大部分反潛探測設備失去效果，起到有效規(guī)避反潛兵力偵查，提高導彈發(fā)射的安全性的效果[1]，對提高潛艇的隱蔽作戰(zhàn)能力具有重要的意義。

1 大深度發(fā)射技術需求分析

潛射彈道導彈最大發(fā)射深度通常為水下30 m左右。彈體在發(fā)射平臺內(nèi)依靠燃氣動力垂直向上彈射出發(fā)射筒，并在慣性作用下克服流體阻力，向上穿行于水中。在此期間，彈體受到較大的水動力沖擊，水中彈道具有非線性和大離散的特點[2]。是否能夠克服復雜流體環(huán)境的限制，實現(xiàn)大深度安全發(fā)射，重點需要克服以下技術難題：

首先，由于流體阻力與導彈的速度平方成正比，所以深水位導彈運動速度損失急劇增加。按現(xiàn)有的發(fā)射方式，若要保證導彈具有額定的出水速度，需要大幅提高出筒速度，加大筒中過載。同時，由于發(fā)射深度的增加，致使導彈水中運動時間增長，流體力影響進一步增強，容易造成彈體飛行姿態(tài)的嚴重發(fā)散，影響發(fā)射安全[3]。

其次，隨著發(fā)射深度的增加，靜水壓線性增加，導彈的軸向和徑向載荷也隨之增大。以2 m左右直徑導彈為例，80 m水深導彈頭部軸向載荷可達到200多噸[4]。巨大的載荷可能造成殼體失穩(wěn)破壞。另外，由于靜壓力的增加客觀上要求彈射動力進一步增強，使得導彈底部的溫度和壓力載荷加大，力學環(huán)境更加惡劣，需要彈體結(jié)構加固來適應。

最后，出筒速度的增加勢必會造成空化現(xiàn)象的產(chǎn)生。由于潛射彈道導彈采用水下動基座發(fā)射，入水時會產(chǎn)生初始攻角，造成肩空泡迎水面和背水面的不對稱，影響導彈的受力環(huán)境，造成徑向應力差，對彈體產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩，助長了導彈運動姿態(tài)的發(fā)散[5-6]。在導彈出水階段，因環(huán)境介質(zhì)的變化和伴隨的空泡潰滅現(xiàn)象，使導彈出水姿態(tài)和彈體載荷急劇變化，造成導彈飛行姿態(tài)的不穩(wěn)定[7]。

2 大深度發(fā)射技術解決途徑

如圖2所示，要解決大深度發(fā)射面臨的彈道偏轉(zhuǎn)大、彈體載荷大、速度衰減大、流體影響大等技術難題，需要綜合設計，通過優(yōu)化水動力，降低彈體載荷，引入姿態(tài)控制技術等方法，確保導彈在大深度環(huán)境下具有良好的水中運行姿態(tài)和載荷環(huán)境[8]。在潛射彈道導彈裝備發(fā)展過程中，針對以上問題，可以博采眾長，借鑒國內(nèi)外相關領域前沿的技術手段，采取科學有效的技術措施提高潛射彈道導彈大深度發(fā)射的成功率。

圖2 大深度發(fā)射技術解決方案示意圖

2.1 肩空泡優(yōu)化技術

空化現(xiàn)象是水下高速運動航行體難以避免的流體現(xiàn)象，肩空泡作為潛射道導彈標志性的自然空化產(chǎn)物，對導彈水中彈道和出水安全產(chǎn)生重要的影響[9]。對肩空泡的優(yōu)化設計，是提高導彈水動力特性，解決彈道偏轉(zhuǎn)、降低彈體載荷、削弱空泡潰滅對彈體沖擊的有效手段，是開展?jié)撋鋸椀缹棿笊疃劝l(fā)射研究的核心問題。

2.1.1主動空泡增強技術

主動空泡增強技術是目前現(xiàn)行發(fā)射方式中使用最為普遍的空泡優(yōu)化手段，見圖3。尤以法國的M-51潛射彈道導彈最具代表性。主動空泡增強技術是在導彈頭罩內(nèi)預裝燃氣發(fā)生裝置，導彈出筒后引燃，產(chǎn)生高壓氣體，通過彈體頭部或肩部預設的噴管將高壓燃氣注入肩空泡內(nèi)，增強肩空泡內(nèi)部壓力，拉長空泡長度，實現(xiàn)減小導彈運動載荷和限制導彈運動姿態(tài)發(fā)散的目的[10]。

圖3 M-51導彈主動空泡技術

主動空泡增強技術采用向因自然空化現(xiàn)象而形成的肩空泡中實施主動充氣的方式，提升空泡內(nèi)部氣體壓力，降低空泡內(nèi)部與外界流體的壓力差，增強空泡在水中的穩(wěn)定性[11]。同時，起到優(yōu)化空泡外形的作用，使導彈的空泡包裹區(qū)向彈體下部延伸。這樣使彈體與流體接觸面積減少，所受的軸向阻力降低，流體擾動減少，為優(yōu)化導彈水動力特性提供有效保障。

當肩空泡尺寸延伸至彈體重心以下時，由肩空泡產(chǎn)生的擾動力矩轉(zhuǎn)變成糾偏力矩，起到限制導彈水中運動姿態(tài)發(fā)散的作用，為優(yōu)化水中彈道提供了良好的條件。在導彈出水時，由于空泡壓力與外部環(huán)境壓力差縮小，致使空泡潰滅時回射流壓力降低，延遲了空泡潰滅時間，減小了空泡潰滅對彈體的沖擊載荷，確保導彈在出水段的載荷安全[12]。

2.1.2水下均壓排氣技術

美國三叉戟II D5導彈采用了抑制空泡的鈍流線形頭形，當速度達到臨界速度時仍然會產(chǎn)生空泡，這種空泡雖然尺度不是很大，產(chǎn)生的出水載荷也比較小，但是空泡出現(xiàn)的位置不穩(wěn)定，容易導致導彈飛行姿態(tài)出現(xiàn)較大的離散，影響出水彈道的穩(wěn)定性[13]。為此，三叉戟II D5導彈的發(fā)射在采取降低潛艇航速和出筒速度的同時，采用了較為獨特的均壓排氣技術抑制導彈肩部空化，優(yōu)化水動力特性[14]。

均壓排氣技術采用的方法較為巧妙和實用，但對彈體和儀器設備的耐壓性能有較高的要求。在導彈發(fā)射前，首先對發(fā)射筒、導彈儀器艙和級間段內(nèi)同步充入惰性氣體，在減輕導彈結(jié)構質(zhì)量的同時，使彈體內(nèi)部與等深度的舷外海水保持相同壓力[15]。導彈出筒后，由于作垂直向上運動，外部環(huán)境壓力逐漸減小，導彈借助彈體內(nèi)、外環(huán)境的壓力差，將體內(nèi)預先注入的惰性氣體自然排出，在彈體上形成包裹性優(yōu)異的空泡氣膜，大幅度減少彈體與流體的接觸面積，改變彈體壓力分布，減小導彈在水下及出水過程中的載荷，限制了導彈在水中和出水段的姿態(tài)發(fā)散。

2.2 低速有控發(fā)射技術

低速有控發(fā)射是解決大深度發(fā)射的一條有效途徑。如圖4所示，由于采用較低的出筒速度，可有效避免自然空泡的產(chǎn)生，消除導彈出水過程空泡潰滅的問題。但低速航行面臨水下航行時間長，流體作用時間長，彈道不穩(wěn)定、偏轉(zhuǎn)大等問題，需要采取一定的技術措施減少流體徑向阻力，并借助外力對導彈進行干預控制，確保水中飛行姿態(tài)的穩(wěn)定[16]。

圖4 低速有控發(fā)射技術解決途徑示意圖

在俄羅斯的SS-N系列潛射彈道導彈設計中，通過采用尾空泡補償和水下側(cè)噴姿態(tài)控制等技術，合理優(yōu)化了水彈道參數(shù)，減小了流體阻力和出筒、出水載荷，抑制了自然空化，有效解決了水下大深度環(huán)境帶來的彈道發(fā)散和載荷加劇問題，提高了導彈水中飛行姿態(tài)的穩(wěn)定性，降低了水下發(fā)射的安全風險[17]。

2.2.1尾空泡補償技術

在導彈發(fā)射出筒時，發(fā)射動力系統(tǒng)產(chǎn)生的彈射燃氣聚攏、貼附在導彈尾部空間，形成尾空泡，起到了降低尾部阻力的作用。飽滿的尾空泡可以起到將尾部阻力降低到基本為零，將全彈水動阻力降低一半以上的效果[18]。但是在大深度發(fā)射環(huán)境下，水中飛行過程中由于受到尾部擾動流體的沖刷，尾氣泡會逐漸減小，喪失減阻的作用。

尾空泡補償技術的實現(xiàn)途徑與肩空泡增強技術相似，在導彈發(fā)射前，通過筒內(nèi)均壓系統(tǒng)向圖5所示尾部空腔內(nèi)注入高壓氣體，使氣體壓力與發(fā)射深度舷外海水壓力相等。導彈出筒時，隨著彈射燃氣補充進入尾部空腔，空腔內(nèi)氣體壓力增高[19]。導彈出筒后尾部空腔內(nèi)的氣體壓力高于尾空泡內(nèi)壓力，氣體依靠空腔內(nèi)外壓差，通過下表面排氣孔向外排出，補充到尾氣泡中，穩(wěn)定導彈尾部的流動，確保尾空泡壓力穩(wěn)定、形態(tài)完整，起到減小尾部阻力的作用。

圖5 尾空泡增強裝置結(jié)構示意圖

2.2.2燃氣側(cè)噴控制技術

在俯仰方向上，由于發(fā)射出筒過程中潛艇的牽連運動，導彈出筒后在俯仰平面有一定的旋轉(zhuǎn)角速度和攻角。水中運動過程中，彈體受水動力作用，將承受軸向力、法向力和水動力矩作用，姿態(tài)進一步發(fā)散[20]。在大深度發(fā)射條件下，導彈水中飛行時間增長，流體力作用成為導彈姿態(tài)發(fā)散的主要影響因素，可能造成彈體姿態(tài)的大幅度偏轉(zhuǎn)，易造成姿態(tài)失穩(wěn)，發(fā)射失敗。

側(cè)噴控制技術是借鑒飛行彈道中采用的調(diào)姿技術，在彈體頭部或尾部安裝小型燃氣側(cè)噴裝置，通過增加側(cè)推力和轉(zhuǎn)動力矩，來調(diào)整導彈飛行姿態(tài)，實現(xiàn)對導彈姿態(tài)的控制。如圖6所示，側(cè)噴控制技術的實現(xiàn)途徑有兩種，分別為在彈體頭部或者尾部加裝燃氣側(cè)噴裝置。兩種側(cè)噴控制的機理相同，導彈在水中飛行過程中，通過側(cè)噴裝置產(chǎn)生的推力，建立法向側(cè)噴控制力和俯仰控制力矩，從而減小或消除導彈水中運行姿態(tài)的偏差[21]。區(qū)別在于采用頭部側(cè)噴控制技術時，燃氣側(cè)噴裝置安裝于彈體頭部背水面，而尾部側(cè)噴控制將燃氣側(cè)噴裝置安裝于彈體尾部迎水面。

圖6 燃氣側(cè)噴控制技術原理示意圖

導彈出筒后，彈上慣性儀器根據(jù)彈道方向判斷導彈的姿態(tài)是否滿足要求，如果方向偏轉(zhuǎn)過大，則點燃側(cè)噴裝置，產(chǎn)生修正彈道方向的側(cè)向推力，進行姿態(tài)修正。尾部側(cè)噴裝置在彈體全部出水后隨尾罩一起脫落。頭部側(cè)噴裝置可安裝在頭罩內(nèi)，隨頭罩同步拋落。與尾部側(cè)噴控制相比，頭部側(cè)噴在導彈頭部出筒后即可點火，干預糾偏早，作用時間長，在導彈出筒過程中即能參與抵消艇速帶來的橫向水動力偏差，減小導彈出筒過程的橫向載荷。

2.3 浮筒式發(fā)射

浮筒式發(fā)射方式是潛射導彈水下發(fā)射的重要技術途徑之一，廣泛應用于戰(zhàn)術導彈水下發(fā)射，尤以美國的戰(zhàn)斧、捕鯨叉和俄羅斯的桑普森導彈最具代表。其中，浮筒主要起到水下運載的功能。

采用浮筒式發(fā)射技術可以降低導彈出筒速度，提高水下發(fā)射的隱蔽性，同時避免彈體與水下環(huán)境接觸，使大深度發(fā)射環(huán)境對彈體結(jié)構造成的高靜壓、高載荷以及流體沖擊和空化振動等技術風險由浮筒承擔[22]，從根本上實現(xiàn)大深度發(fā)射導彈。

潛射戰(zhàn)術導彈通常采用水平發(fā)射方式，而戰(zhàn)略導彈采用垂直發(fā)射，體積大，自重大，對發(fā)射環(huán)境要求高，因此對浮筒的結(jié)構設計，水中飛行和姿態(tài)的控制，環(huán)境條件適應性以及彈筒水面分離等問題提出了更高的要求。

如圖7所示，浮筒類似于可漂浮的發(fā)射筒，由筒體和頭罩組成。頭罩可確保浮筒浮出水后在分離裝置的作用下安全分離，為導彈彈射起飛讓出安全通道。在浮筒底部安裝有輔助動力裝置和筒彈分離系統(tǒng)，分別用于為浮筒水中飛行和彈筒分離提供動力[23]。為了確保導彈水中飛行段安全，同時提供上升的浮力和穩(wěn)定彈道的浮力矩，浮筒的結(jié)構設計必須確保采用高強度、輕質(zhì)材料，同時確保系統(tǒng)載彈后的浮心置于重心之上。

采用浮筒式發(fā)射時，首先利用艇上彈射動力裝置將浮筒彈射出發(fā)射筒，同時開啟彈上的慣性測量系統(tǒng)，對浮筒姿態(tài)進行監(jiān)控。由于浮筒浮力和自身攜帶的動力裝置可以平衡水動阻力，因此，浮筒所需要的彈射出筒速度相比于傳統(tǒng)發(fā)射方式大大降低[24]。出筒后，在浮力和推力作用下進行水中運動，當水動阻力和浮力、推力平衡時，浮筒以一定的速度勻速上升。在過程中，彈上慣性測量系統(tǒng)實時測量浮筒位置和運動信息，并通過控制系統(tǒng)控制浮筒上的輔助動力裝置對浮筒進行動力補給和姿態(tài)控制，確保導彈水中運動的安全性。浮筒頭部出水后，頭罩分離器起爆，筒蓋實現(xiàn)安全分離，浮筒底部的彈射裝置點火，利用燃氣壓力為導彈提供彈射動力，實現(xiàn)彈筒分離[25]，為導彈主發(fā)動機點火，進入主動段飛行創(chuàng)造可靠條件。

圖7 浮筒系統(tǒng)結(jié)構示意圖

2.4 綜合分析

對肩空泡的主動干預和有效優(yōu)化，是改善空泡特性、降低流體阻力、穩(wěn)定水中彈道、降低出水階段空泡潰滅沖擊載荷的有效途徑。低速有控發(fā)射技術通過對導彈尾部空泡壓力的增補和對水中飛行動力和姿態(tài)的主動干預，有效地實現(xiàn)了降低導彈出筒速度、減小彈體沖擊載荷和修正彈道偏轉(zhuǎn)的目的。兩者都以優(yōu)化水動力特性為主要出發(fā)點，在現(xiàn)有武器裝備和發(fā)射技術的基礎上，通過局部的技術改進來提高導彈對發(fā)射深度增大的適應性，滿足大深度發(fā)射的技術需求。但兩者對于發(fā)射深度的增加能力有限，同時需要彈體承載能力的同步提升,不能從根本上實現(xiàn)發(fā)射深度的大幅度增加。

浮筒式發(fā)射作為無動力運載技術的應用，依靠浮筒承載外部載荷，依靠浮力和輔助推力作為水中段的上升動力，具有出筒速度低、發(fā)射噪音小、隱蔽性好等特點，可以較好地滿足大深度發(fā)射的技術需求，真正實現(xiàn)發(fā)射深度的大幅度增加。而且，彈、筒一體化的貯存模式減小了裝備在艇上的維護成本。但相比于戰(zhàn)術導彈，戰(zhàn)略導彈體積大、自重大，垂直貯存和發(fā)射。因此，采用浮筒式發(fā)射，對浮筒的輕質(zhì)化設計、結(jié)構強度、飛行姿態(tài)的控制都提出了更高的要求。同時，如何實現(xiàn)水面彈、筒的安全分離，為導彈主動段飛行提供可靠的彈射動力，需要在現(xiàn)有技術基礎上進行進一步的研制和驗證。

3 結(jié)論

綜上所述，在制空、制海權無法具備壓倒性優(yōu)勢的情況下，實現(xiàn)大深度發(fā)射是彈道導彈核潛艇提高隱蔽作戰(zhàn)能力的必經(jīng)之路，同時也是未來潛射彈道導彈發(fā)射方式變革的主要方向。三種方式都能夠發(fā)揮自己的技術特點，不同程度地解決潛射彈道導彈大深度發(fā)射面臨的彈道偏轉(zhuǎn)大、彈體載荷大、速度衰減大等技術難題，卓有成效地優(yōu)化導彈的水中彈道，為實現(xiàn)水下大深度發(fā)射提供有效的技術參考。相信在對以上技術進行不斷優(yōu)化和綜合運用的基礎上，未來潛射彈道導彈大深度發(fā)射將迎來更為廣闊的前景。