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垂发是苏联发明的,但在美国才成为世界仰望的标杆的。Mk41已经40年了,依然是业界标杆,关键在于热发射和共架发射。
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苏式垂发是冷发射,具有可靠性高、对导弹的损伤小等优点,但不易共架发射,系统重量和复杂性较高。美式垂发是热发射,最大的优点就是共架发射,可以适配多种导弹,极大增加了武器配装种类和使用灵活性。尤其是一坑四弹,可以在一个垂发管内容纳4枚小直径导弹,极大地增加了弹仓容量和战术灵活性。热发射最大的问题是需要对疏导炽热燃气有专门的考虑。+ f* U/ b) v( b. w9 y3 R# ~! y
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说起来,冷发射和热发射好像很直观,但恶魔永远在细节之中。% @2 F/ q& |: P" U
0 i1 k2 L# r" `7 n# _! |6 V* m苏式冷发射实际上是发射筒内有一个滑动的吊篮结构,导弹放置在吊篮之内。发射时,压缩空气或者高压燃气驱动气压缸,气压缸迅速把吊篮顶上去,把篮内的导弹“甩”出去。为了避免导弹发动机点火失败而造成导弹回落、砸中舰体,垂发管一般有一个外倾角度,万一导弹发动机点火失败,直接掉入海中,避免事故。这最早是核潜艇上发射潜射导弹用的,后来延伸到水面舰艇上。
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: n( L9 G2 M1 o! P( _% ~苏式冷发射动作可靠。气压缸有多个,只要有足够数量还在工作,就能完成导弹发射,至少不会把已经解除保险的导弹半途而废地留在发射管里。发射筒也不承受压力,结构简单、轻巧。
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问题是吊篮结构占用一定的体积,所以发射管的直径较大,才能容纳导弹加上吊篮的体积。吊篮的滑动行程也收到限制,吊篮顶部不可能超出发射筒口,所以导弹发射出去的时候时候,吊篮底部还在筒口之下某个深度,不能完全利用发射筒的全部长度。发射筒的直径和长度决定了核潜艇的艇体直径。苏联核潜艇采用双层壳,容许发射筒的长度超出内层的耐压壳,但依然要采用影响航速和静音的大龟背。( Z+ Q0 L/ T/ v
7 h" ?" d) t. D( R法国的冷发射只用于潜艇,但没有吊篮,而是更加简单粗暴的滑动底板。压缩空气或高压燃气直接驱动滑动底板,推动导弹发射,就像内燃机里燃气推动活塞一样。取消吊篮后,发射筒的直径减小,发射时可利用全部行程,但底板的密封要求很高,发射筒也需要耐压。
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. ~: ?5 r5 n" m1 e) y2 j+ {! [显然,除了结构复杂、重量很大的四管四弹,冷发射与一坑四弹很难相容,否则就只有在一次发射中同时发射四枚导弹了。在一般战术使用中,也很少有需要同时发射4枚同型导弹的。
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# P! s( N6 ]6 t& Q% y! G) t当然,这不绝对。在有的场合下,需要集束发射大量小型导弹,同时打击大量的独立目标,这时“一锅端”式的密集发射反而是一个优点,可以一次发射4枚甚至8枚小型导弹,分别打击4-8个独立目标。4-8枚导弹在空中的分离和点火有点难度,但不是不可克服的,比如按照预编程分别转向,然后点火,转入自主飞行。
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热发射最大的问题是燃气导排,发射管耐压、耐高温当然也是问题,导弹本身也有耐压、耐高温的要求,否则就被自己的高温高压燃气损坏了。; F$ \8 A# D# }5 S
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Mk41采用集中导排的方式,每4个发射管共用一套导排系统,系统内有喷淋降温等设备。这也决定了Mk41需要4管一组补充、更换弹药,不能一个一个吊装,因为垂发导弹的发射管与包装箱是一体的,不是把裸弹吊装的。, F& r! q( c) E, o
; g5 A0 r+ W- a# Z% A) A/ t) b; p另一种方式就是同心管导排。也就是说,发射管有内外两层,内层内是导弹,内外层之间是导排通道。同心管的好处是真正做到分散化。集中导排要是出了故障,4枚弹全废了。同心管只影响自己,不影响邻管,因此也便于分别吊装。7 T2 D) P: x4 R8 z
9 {( q4 p( F3 G( X只要在设计时有所考虑,框架式的基本结构还可以拆除部分结构,把几个垂发管合并,成为超口径大筒,用于发射超口径导弹,比如翼展较大的高超音速导弹,或者以弹径换射程的远程导弹。这是架-管分离的全独立模块化结构的红利。集中导排就很难做到。
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3 u* I0 u) N8 `. Y* W但同心管也有“厚度”问题,这是排气通道之所在,不可能太薄。而且内外筒都用耐压、耐高温要求,结构重量较大,技术也较复杂。据说美国“朱姆沃尔特”级上用的Mk57原本打算采用同心筒,后来还是用集中导排,只是直径加大了。
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中国新的通用垂发是冷热通吃的。冷发射还是吊篮式,热发射是同心筒式。由于每一根发射管都是独立的,冷热混装都没有问题,也不存在4管一组的问题,实现了彻底的“装弹自由”。通用垂发实际上就是一个简单的框架结构,导弹和发射筒都在一体化的独立模块内,只是“借用”发射框架的地方放一放。但这也带来了独特的问题。
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因为同心筒的关系,中国850毫米通用垂发的直径世界最大,真的能容纳的导弹肯定是大直径的,但未必世界最大。更大的问题是一坑四弹怎么办?9 p2 u- G: {1 d: ?3 }7 X3 d
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简单粗暴的办法是一个发射管内填入四个同心筒,但同心筒的层间空间占用体积太大,空间效率较低。最后结果是可能通用垂发的直径较大,实际可容纳的小直径弹的直径限制比Mk41更大,使得“中国ESSM”的技术门槛非常高。$ E* R/ ~ G7 _6 U, Y' m
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一个办法是采用混合导排。同一发射管内的4个子管的导排口接入共用大筒的层间导排空间,或者利用小管和大管之间的不规则空间为每个小管择优安排导排管。由于大管是为一坑四弹专用设计的,这样的“削足适履”是可行的。共用导排管道可节约空间,而不改变通用性和适配性。4 O" [$ b% k1 V4 X8 @* N! Q8 v
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这是尽快把SD10等现有中程空空导弹改装为舰空导弹的最快途径,还可通过加装助推级增加射程。但更进一步的增程最终收到弹径限制。/ K9 M# K+ ?( F4 K5 c% Q, @0 U: b+ x' U* Z
' r S, w8 M0 x! y! G圆柱形弹体是导弹的传统构型,道理很简单,圆柱形弹体在制造上最简单,给定外表面积的情况下,也具有最大的内部容积,或者说最大的燃料和装药容量。
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在机载使用的情况下,翼下挂载为主,导弹的形状和占用体积不是大问题。但在垂发内,形状和占用体积就是大问题了,只要有可能,需要尽量压缩“无效空间”,而圆柱形弹体在方形截面的垂发管内必然有可观的无效空间。一坑四弹的问题更大,或者弹体截面积在发射管内总的截面积的占比偏低。
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, W8 n- t: `% T3 h4 ~1 U/ l; c3 N! t如果不再采用圆柱形弹体,而采用多边形弹体呢?
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1 k, K" \" o" x) l S6 O在理论上,方形发射管里用方形截面的导弹具有最高的体积效率,但这没有考虑导排管路的问题。如果把方形截面的导弹切掉一角,就成了三角形截面,或者“两腰”低矮的五边形,切角留出的空间正好成为导排管路的空间。如前所述,一坑四弹的导排管路可以共享,提高空间使用效率。1 F0 F- B: q) y! { I1 |
7 V" K: U9 z$ B7 G2 p% u# y导弹可以采用三角形或者五边形截面吗?不仅可以,已经开始了,美国JASSM- ER巡航导弹和LRASM反舰导弹就差不多可看成三角形的截面,两者相像并非偶然,本来就是同源的。
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# ^9 O* |8 y. v' T$ v三角形或者五边形截面有一个平底,这实际上是好事,增加了巡航状态下的升力。常见的圆柱形弹体在巡航的时候,实际上也有一个迎角,用于产生额外升力。平底的效果更好。如前所述,圆柱体是因为体积效率最高,并不是因为气动效率高。根据气动布局的不同,圆柱体弹体在转弯的时候,可能依然要横滚后才转弯,并不一定就是直接转弯的,所以非圆柱体弹体并不影响导弹的机动性。
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; p; w/ N1 f6 q6 P$ w. w三角形或者五边形截面还提高隐身性能,JASSM- ER和LRASM的隐身有一半来自非圆柱体弹体。
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三角形或者五边形截面还有一个好处:不仅可以在大直径垂发管里一坑四弹,还可以在中等直径垂发管里一坑两弹,而且继续保持很高的填充效率。圆柱形弹体就较难做到了。' W# `% ]) q4 E. ~
# m( Z$ F0 M# \ ?, m0 o坑和弹的问题解决了,中国的一坑四弹也就成型了。这对于提高各级战舰的弹舱容量有极大的作用。0 @% C( P3 ~* i$ b
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实际上,对于机载使用,三角形或者五边形也是有用的。3 X9 X& T6 `: }) g
S4 z# H$ {% h& ~+ ^4 ^. g" M) r8 Y( [隐身飞机强调机内挂载,但越来越难以避免翼下挂载了,这需要隐身茧包。
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隐身茧包当然要进行隐身修形,还有减阻问题,此外形状不太讲究。机载发射可以抛放后点火,所以热防护和燃气导排不是问题,但依然有茧包内体积效率的问题。这时可以吧三角形或者五边形截面的弹体“背朝内”挂装,而不是垂发里“底朝内”的安装,可以达到更高的体积效率。投放时,先下后上,依次投放,可以在利用重力的同时,避免碰撞。有些导弹在投放时底朝上,或者侧朝上,姿态控制可以在脱离后纠正到底朝下的正常姿态,这很容易做到。 K6 I" L0 i0 G: L- G$ b/ T
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