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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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+ c9 c4 u# z0 Z& k, C- @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。
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/ i5 R+ _. B* p$ V6 v( V" U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。& {/ `3 [% s" @: @
5 |1 U8 K+ H3 `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。; c' Y, _- B/ z* O! U- _3 h$ e
- E0 u1 k) J! V! B- j& ~; a9 R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。8 i6 i ?1 y: r) ~
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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。1 g I7 n) a3 H% D4 T" G: G
4 p0 N2 v* ]1 `/ |: ]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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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。" a3 V9 ]# X: w' W
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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。, F" O& v; k& N% H
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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。
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2 D$ G8 y2 W" M5 XMk41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。
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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。
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1 N: x3 F4 L8 t! w8 i/ `& N2 i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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5 x4 z# M5 Z, b9 G+ U5 V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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1 W% p4 z: W* z8 Y: q& r; a {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。4 U0 J. O& z+ u) I7 F& ?- l
0 _6 G' J- C1 O6 L8 y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?
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/ g) y" [' |. b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。
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) t6 ]$ u* h0 r+ I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。& ?( i& y6 M. E5 X; y3 V( Y
* J/ k3 T- d3 w( q1 Y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。0 d" v* x# H1 C- k
$ u& ~1 b! l: X! {) O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。& n u( F4 ]! C0 m9 j+ n+ d7 q* s
% }2 K! u) z3 Q" `4 v P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。8 ]! @ c, F) r w% \1 ^" m% N1 c. Q
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如果不再采用圆柱形弹体,而采用多边形弹体呢?4 r' K5 v- ~9 A* r! S' g6 B6 p
2 P% ?& s( t1 N& n2 Q7 [: p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。
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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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' U" ^% C- [% s+ e& L- {" K0 |) Y9 T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。+ X& ?+ E- U6 p( v0 D9 @
& ~! G" h8 q) |# G3 k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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. l4 {3 _/ o8 I6 d; e9 @0 n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。
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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。7 b3 Z: E. n4 J5 ?: Z4 b) n' D
! t& l( Z& ?7 E实际上,对于机载使用,三角形或者五边形也是有用的。
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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。" ]4 s1 m' }4 G* X8 H! D1 h; C4 x8 o
& F4 ? q) K8 D6 @: Z3 J4 Q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。+ S1 w- ]5 e8 w/ |( S9 h& s
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