舰载导弹垂直发射装置精确安装与测量技术研究

何朝勋，刘俊州，张 宏，付廿立

(郑州机电工程研究所，河南 郑州450015)

0 前 言

导弹作为现代精确打击武器的一种，在国家战略中具有非常重要的地位。而其技术发展的一个重要方向则是提高打击精确度。导弹通过垂直发射装置进行姿态定位和发射，发射装置的安装精度对导弹发射时的初始精度造成影响，决定导弹攻击目标的精确度和杀伤效能。

舰载导弹垂直发射装置是安装在水面舰艇上用于储存和发射舰用导弹的武器装备，它是舰载导弹武器系统的重要组成部分。导弹装于储运发射筒（箱）中，与储运发射筒（箱）一起装入垂直发射装置的储存位置，到位后，由发射装置上的导轨以及压紧机构对储运发射筒（箱）进行约束固定，使得发射筒（箱）中的导弹垂直度和方位与发射装置导轨的垂直度以及方位保持一致。在导弹发射时，依据导弹在垂直发射装置的精度，舰导航系统以及雷达的相关信息等，对导弹进行航姿装订，确保命中目标。

导弹垂直发射装置的精度直接影响着导弹发射初始弹道，因此导弹总体对发射装置精度提出了很高要求。由于发射装置结构庞大，其精度只能在车间总装时采用测量仪器和测量工装靠人工进行测量和调整，确保精度控制在设计要求范围内，但是由于测量方法费时费力，调试难度大，效率低。

随着舰载导弹垂直发射装置发射弹种的多样性以及发射的多通道特征，使得船体结构开口尺寸大、基座尺寸大且精度要求高，导致船体结构设计和施工中的精度控制非常困难，设备安装难度逐渐变大，质量控制难度提高，致使安装调试周期长，效率不高。现有的测量方法对环境条件及船体的姿态要求苛刻，即使在船台上测量也必须在晚上进行。在坞内船处于半坐墩状态时，由于对船体的姿态要求高，使得精度测量工作变得难以实施。

由于机械加工误差影响，舰上安装基座与基准平台之间存在水平误差角，而出厂时导轨与发射装置基准面之间也存在垂直度误差，从而使安装后导轨与主基准平台之间存在垂直误差角。同样，由于导轨相对发射装置基准的方位误差、安装基座的方位误差、安装对准工艺等因素使得发射装置导轨方位与舰首尾线之间也存在方位误差角。这些误差可能会导致导弹垂直发射装置安装后的最终精度超差，因此必须在安装过程中及时对这些误差进行测量，并根据测量结果对发射装置的精度进行精确调整，确保发射装置安装后的最终精度满足要求。

舰船自身具有很高的强度和刚性，但毕竟不是一个绝对刚体。尽管在发射装置的安装部位一般都进行加固，但在舰船自身载荷、海浪作用和温度变化等外部环境及应力作用下，船体仍将会发生几何形变。为消减由船体变形给需要精确姿态信息的装备带来的误差，在安装基座附近设置了局部基准，但是船体变形引起的垂直发射装置导轨精度的变化，难以通过底部的局部基准进行精确补偿，会对导弹的初始精度造成影响。若船体变形造成发射筒（箱）定位导轨精度超出设计指标，则可能影响导弹命中精度。因此需要定期对发射装置导轨的垂直度进行检测，在导弹初始航姿装订中提供合适补偿，确保导弹的命中精度。由于海上动态环境的复杂性，目前还没有一种适用的进行发射装置精度测量的方法与装置能完成测量工作。

1 国外发展现状与发展趋势

国外导弹垂直发射装置在舰上的安装，始于20世纪60年代末至70年代初。目前国外装备量较大以及新型的导弹垂直发射装置主要有美国的MK41，MK48，MK57以及欧洲的“席尔瓦”[1]。

MK41型导弹垂直发射装置8个模块在舰上的安装空间如图1所示，整个发射装置基本都安装于01甲板下的舱室中。发射装置各模块充气增压室底面上的安装脚是通过机械衬垫和垫片安装固定到舰船的相应安装基座上的。在用螺栓固定后，机械衬垫焊接到舰船安装基座上。机械衬垫的平行度为0.05 mm。发射装置各模块舱口盖总成边缘利用厚1.9 cm、材料为HY-80合金钢板与舰船的01甲板相连，连接方式为先螺接后焊接，以便水密，但发射装置主要靠底部的安装基座提供支撑。合金钢板与发射装置及舰艇01甲板的连接方式如图2所示。发射装置各模块在舰上的安装采用整体吊装方式，即用吊车和专用吊具将模块垂直吊入到舰艇的安装位置[1]。吊装时为保证发射装置底部与弹库安装基座的精确对准，在顶部的01甲板上开口采用了拉钢琴丝法，横向和纵向都用钢琴丝拉紧，并用钢板尺测量发射装置顶部侧面与钢琴丝的对准误差，误差在1/25 in（1 mm）以内就可确保发射装置底部的定位销与安装基座的销孔对正，此时就可将模块完全下放到位。

MK48导弹垂直发射装置通过支撑结构的侧向安装接口将发射装置安装到舰艇的舱壁上（见图3），舰艇的连接部分设有缓冲机构，以吸收舰艇的冲击。要求安装基座的垂直度相对与武器基准平台小于30′，并涂覆防止电化腐蚀的防腐剂，在安装发射装置情况下，舱壁的固有频率大于20 Hz。MK57导弹垂直发射装置也采用整体吊装的方式进行安装（见图4）。“席尔瓦”结构类似MK41，在舰上的安装采用整体吊装的方式，其安装后的方位误差控制在1mrad以内。

国外导弹垂直发射装置安装主要采用整体吊装方式，在吊装过程中在顶部采用钢琴线和钢板尺就可以确保发射装置底部的定位销和基座的销孔配合，通过定位销和销孔的配合就可以保证安装到位的方位精度。

在国外对于平面度的测量已经有很多的研究。在测量的精度方面，德国蔡司公司生产的坐标测量仪的精度可以达到0.9 μm，美国的Vannoni M使用斜入射的光波，采用迭代算法测量平面度，达到了4.7 nm的精度，耶鲁大学的Garcia-Sanchez Daniel等设计了1套基于卡西米尔力的仪器和测量方案，实现了对微观表面的平面度测量，测量精度达到了2 nm。在工业应用方面，Lo S, Chiu J, Lin H.[2]提出过一种使用激光散斑结合数字图像处理测量铣面平面度的方法。Babu G D,Babu K S, Gowd BUM 等[4]设计了 1 套用于检测铣削表面平面度的机器视觉系统。瑞典Damalini公司生产有Easy-Laser系列激光对中仪系统，显示单元内置了全部轴对中和几何测量程序，可以完成多种几何测量。其中，D600-D670系列产品测量距离达到40 m测量精度为0.1 mm。美国光动公司采用独特的双光束设计，研制出1套平面度测量系统，分辨率为0.01 μm，可以保证高准确度的要求[5]。

近年来国外很多学者对各类平行度测量方法做了大量的研究和创新，面对面平行度公差的测量精度不断提高。2009年，美国ZYGO公司推出了新型的大口径Verifire MST系列波长移相干涉仪，利用波长可调的激光以及相应的软件算法，可同时测量多个面。2005 年，意大利的 Maurizio Vannoni和 Giuseppe Molesini提出一种利用ZYGO大口径平面干涉仪来检测平行平板平行度的方法[6]。2007年，Maurizio Vannoni与Roberto Bertozzi分别用机械探针和干涉仪测量了标准量块的平行度[7]。2010年，Deepa Joshi等提出用高频超声波脉冲来测量平行平板类工件的平行度[8]。

按照测量原理来分，目前的垂直度的测量方法主要有2种方法：1）使用现有的仪器和带指示器的测量架对基准实际线和被测实际线进行测量，这种方法操作简单，适合中小零件以及短距离垂直度的测量；2）激光测量，这种方法主要采用夫琅和费单缝衍射原理，属于非接触测量，可以克服一般测量方法的缺欠，并具有测量装置简单、操作方便、测量结果精确度高等优点。国外对平面度、平行度和垂直度的测量向着高精度、动态、数字化方向发展，可自动处理大量的测试数据。

2 国内现状

我国的导弹垂直发射装置大都采用分体吊装的方式，采用对刻线的方法进行初对准，为确保安装精度，还需进行整体或局部调整。

关于平面度测量国内也有一些研究。在测量精度方面，中国科学院的朱文使用激光跟踪仪检测大型精密零件，测量精度达到了0.03 mm。北京机床研究所研制出了PG-1高精度平面度测量系统，用于导电的中等尺寸工件，测量精度能达到0.1 μm。在工业应用方面，东华大学的方波等把液平面作为测量基面，设计了1套以干涉仪为基础的测量系统。武汉科技大学的邹春龙等利用平面度三维重构的方法实现了数字化平面度的测量。

国内对于平行度的测量研究有：2006年，北京理工大学的宋勇等提出用五角棱镜结合旋转机构建立理想基准平面的方法来测量平行度和垂直度[9]。

国内对于平面度、平行度以及垂直度的测量一直处于跟随国外发展的状态，其测量精度以及设备的稳定性、应用对象与国外相比差距很大，基本上处于实验室阶段，未大范围开展实际应用。

耿晨刚等[10]提出一种运用激光跟踪仪检测某发射架导轨精度的方法，但该方法对测量的环境条件要求较高。邵兵等[11]提出利用测距仪差分原理检测；采用数字激光自准直仪解决发射筒各架体的垂直度测量。通过不确定度分析与计算，验证了该理论的正确性。邵兵等[12]提出一种定位导轨精度测量方法，利用高精度航姿测量系统完成测量数据的采集，进行离线计算处理得出定位导轨精度。利用该方法可以提高导弹的初始航姿装订精度。

由以上可以看出：

1）国内对于导弹垂直发射装置快速精确安装调试方法的研究很少，近年来主要以安装后的测量方法理论研究为主，各精度测量方法的适用范围又很有限，且未经实践检验其合理性和可信性；

2）未充分考虑生产车间总装调试、舰上的安装装配、服役后复杂的力学环境等整个过程对发射装置精度误差的影响；

3）有必要建立较全面的数学模型，对影响发射装置精度的因素进行全面深入研究，在此基础上深入开展发射装置精度测量与控制理论的研究，具备动态测量能力，提高测量方法的全面性、合理性、适用性、快速性和精确性，解放人力，提高效率，最终实现导弹垂直发射装置的精确安装调试。

3 存在的差距和问题

综上所述，代表国际先进水平的MK41，MK57，“席尔瓦”导弹垂直发射装置，都采用整体吊装，安装效率较高；我国的导弹垂直发射装置在安装调试时靠刻线进行初始对准，需二次调整，安装装配精度不高；精度测量方法受限，测量效率需要提高，难以适应舰艇建造周期的需求。本文围绕国内外现状进行综述与研究，为改进发射装置安装测量技术提供借鉴，可进一步开展关于动基座下的精度测量问题的研究