在水下發射飛彈,需要穿過幾十米的水層,戰略核潛艇如何做到的?

2021-01-19 騰訊網

當前世界上的戰略核潛艇裝備的潛射彈道飛彈,基本上發射深度都在90米以內,且30-50米的發射深度較為主流,這主要與水下複雜環境因素、水壓以及水下發射方式有關。一般而言,如果是新型核潛艇或者列裝新型潛射飛彈,其測試過程會先在較淺的試驗水池中發射,然後逐步在更為複雜、水深更大的海洋中測試。例如,法國為「凱旋」級戰略核潛艇研製測試M51彈道飛彈時,前兩次飛行試驗都是地面發射,待到第三次飛行試驗才進行了首次水下發射試驗,2008年11月,法國在位於比斯卡洛斯的飛彈試驗發射中心的大水池(10米深度)中第一次水下發射M51成功,然後到2010年M51潛射彈道飛彈才被安裝到「凱旋」級核潛艇「可畏」號上,在海洋中進行實戰發射測試(發射深度估測在20米左右),以驗證其在惡劣海洋環境下的作戰能力。

要想了解潛射飛彈是如何克服海水壓力及水下複雜環境影響,成功發射出水面的,就需要先了解世界現役潛射彈道飛彈的發射方式(潛射反艦飛彈和潛射防空飛彈就不在此贅述了)。其實,當前核潛艇「俱樂部」裡的各大玩家,其潛射彈道飛彈的發射方式並不一樣:

美國到目前為止,已經發展了三代六型潛射彈道飛彈(從北極星A-1到三叉戟II D5),從第一代潛射彈道飛彈開始,其採用的都是西屋公司研製的「燃氣-蒸汽彈射發射」技術,雖然發射方式沒有改變,但是其發射技術經歷過許多細節上的改進。以三叉戟飛彈為例,其使用發射筒外設置的燃氣發生器結合水所產生的「燃氣蒸汽混合氣」作為初始發射動力,將飛彈彈射出筒,當飛彈到達水面以上後第一級發動機點火。

當前美國的「俄亥俄」級戰略核潛艇裝備了Mk46型飛彈發射系統,該系統能夠裝載、保護並且發射「三叉戟II D5」潛射彈道飛彈。艇上的每枚飛彈被彈性安裝於Mk46系統的發射筒內,整個系統的發射動作都由自動化監控、作業系統來控制,水下發射飛彈後,當飛彈被彈射至出水以後安全高度時,飛彈的一級發動機點火。

那麼為了克服水下發射所帶來的環境幹擾因素,三叉戟飛彈和其發射系統又做了哪些工作呢?在核潛艇巡航期間,飛彈發射筒組件為飛彈提供儲存、側向支撐和抗衝擊保護,整個發射筒被裝在發射系統的外筒內,內外筒之間用特殊材料的泡沫填充物填充,以緩解外部衝擊。發射筒內安裝有換熱板、減震墊、氣密環、水密封凸膜、垂直支撐組件和電插頭回收機構等部件,發射筒內的三套換熱板依靠循環水來維持飛彈的環境溫度;減震墊被粘貼在發射筒內壁,以側向支撐和抗衝擊保護飛彈;六件氣密環被沿軸向布置在發射筒內,以便在發射飛彈時限制發射壓力;發射筒口安裝的水密封凸膜,用於在發射筒蓋水下打開時,保證筒內的密封狀態。在接到發射指令時,水密封凸膜上布置的切割藥條點火,將密封膜分8瓣裂開,為飛彈出筒提供通道;垂直支撐組件被同軸安裝於發射筒底部,由支撐環、底部減震器、裝填到位與發射信號感應器組成,為飛彈提供垂直方向上的支撐和抗衝擊保護;電插頭回收機構用於在接到發射指令後,從飛彈上將電纜插頭收回。

1、為了優化三叉戟飛彈的出筒動力特性以及空中飛行特性,該型飛彈採用「鈍頭整流罩+加減阻杆」設計,鈍頭型彈頭能夠減少空間佔用並且具備優良的水動力特性,而減阻杆則彌補了鈍頭線性的空氣阻力不佳的缺憾,以提高飛彈射程。

2、在潛射飛彈發射時,由於收到水壓作用會產生出筒載荷,這部分載荷會受到水深、飛彈出筒速度和航速影響。因此,現役的潛射彈道飛彈都有水下發射深度限制,以便飛彈發射克服水壓影響;而美國三叉戟潛射飛彈的彈射出筒速度被限制在28米/秒以內,發射時潛艇航速被限制在2節左右。這些舉措都是未來減小飛彈出筒載荷。

3、當飛彈在水下被彈射出筒以後,經過一段時間水下運行,在脫離水面時又會產生出水載荷。這是因為飛彈水下運動過程中因自然空化作用會產生空泡,飛彈破水而出時空泡破裂導致水流回射對飛彈產生衝擊載荷。同時由於潛艇航行引起的橫向流會使得飛彈在水中運動產生的空泡出現不對稱現象,不對稱空泡亦會產生不對稱載荷,這種不對稱載荷會在彈體很截面上產生彎剪作用,對彈體產生破壞作用。這些出水載荷的影響程度主要取決於空泡的尺寸和不對稱程度,而產生的空泡尺寸主要受到彈頭形狀和出水速度影響;不對稱程度主要受到飛彈與海水之間的橫向流速影響,所以為了限制出水載荷依然要限制潛艇航速、飛彈出筒速度並且對對彈頭流線型進行優化、對結構強度和材料進行合理設計選用。

總體來說,美國採用的「燃氣-蒸汽彈射+水面點火」發射原理,是依靠燃蒸混合氣的高溫高壓將飛彈彈射出筒,飛彈運動出水面後發動機點火。這些簡而言之就是各種「力的作用與反作用」,基本原理上並沒有什麼難處,只是在材料、設計、工程和保障層面上實現起來頗為複雜罷了。

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