潜射弹道导弹水下大深度发射技术途径分析

杨继锋，刘丙杰，陈 捷，黄路炜

(1.海军潜艇学院， 山东 青岛 266099； 2.火箭军装备研究院， 北京 100094)

目前，国际上较为通用的反潜侦查手段有声、光、磁、红外、雷达等探测技术，探测深度最深可达80 m。如图1所示，如果将以上探测设备加载在卫星、飞机等平台上，可以实现对水下运动的潜艇实施全方位的搜索。其中，尤以水面至水下50 m深度最容易实现对目标的搜索。

图1 主流反潜探测方式示意图

若导弹发射深度扩大至50 m以下，可使大部分反潜探测设备失去效果，起到有效规避反潜兵力侦查，提高导弹发射的安全性的效果[1]，对提高潜艇的隐蔽作战能力具有重要的意义。

1 大深度发射技术需求分析

潜射弹道导弹最大发射深度通常为水下30 m左右。弹体在发射平台内依靠燃气动力垂直向上弹射出发射筒，并在惯性作用下克服流体阻力，向上穿行于水中。在此期间，弹体受到较大的水动力冲击，水中弹道具有非线性和大离散的特点[2]。是否能够克服复杂流体环境的限制，实现大深度安全发射，重点需要克服以下技术难题：

首先，由于流体阻力与导弹的速度平方成正比，所以深水位导弹运动速度损失急剧增加。按现有的发射方式，若要保证导弹具有额定的出水速度，需要大幅提高出筒速度，加大筒中过载。同时，由于发射深度的增加，致使导弹水中运动时间增长，流体力影响进一步增强，容易造成弹体飞行姿态的严重发散，影响发射安全[3]。

其次，随着发射深度的增加，静水压线性增加，导弹的轴向和径向载荷也随之增大。以2 m左右直径导弹为例，80 m水深导弹头部轴向载荷可达到200多吨[4]。巨大的载荷可能造成壳体失稳破坏。另外，由于静压力的增加客观上要求弹射动力进一步增强，使得导弹底部的温度和压力载荷加大，力学环境更加恶劣，需要弹体结构加固来适应。

最后，出筒速度的增加势必会造成空化现象的产生。由于潜射弹道导弹采用水下动基座发射，入水时会产生初始攻角，造成肩空泡迎水面和背水面的不对称，影响导弹的受力环境，造成径向应力差，对弹体产生转动力矩，助长了导弹运动姿态的发散[5-6]。在导弹出水阶段，因环境介质的变化和伴随的空泡溃灭现象，使导弹出水姿态和弹体载荷急剧变化，造成导弹飞行姿态的不稳定[7]。

2 大深度发射技术解决途径

如图2所示，要解决大深度发射面临的弹道偏转大、弹体载荷大、速度衰减大、流体影响大等技术难题，需要综合设计，通过优化水动力，降低弹体载荷，引入姿态控制技术等方法，确保导弹在大深度环境下具有良好的水中运行姿态和载荷环境[8]。在潜射弹道导弹装备发展过程中，针对以上问题，可以博采众长，借鉴国内外相关领域前沿的技术手段，采取科学有效的技术措施提高潜射弹道导弹大深度发射的成功率。

图2 大深度发射技术解决方案示意图

2.1 肩空泡优化技术

空化现象是水下高速运动航行体难以避免的流体现象，肩空泡作为潜射道导弹标志性的自然空化产物，对导弹水中弹道和出水安全产生重要的影响[9]。对肩空泡的优化设计，是提高导弹水动力特性，解决弹道偏转、降低弹体载荷、削弱空泡溃灭对弹体冲击的有效手段，是开展潜射弹道导弹大深度发射研究的核心问题。

2.1.1主动空泡增强技术

主动空泡增强技术是目前现行发射方式中使用最为普遍的空泡优化手段，见图3。尤以法国的M-51潜射弹道导弹最具代表性。主动空泡增强技术是在导弹头罩内预装燃气发生装置，导弹出筒后引燃，产生高压气体，通过弹体头部或肩部预设的喷管将高压燃气注入肩空泡内，增强肩空泡内部压力，拉长空泡长度，实现减小导弹运动载荷和限制导弹运动姿态发散的目的[10]。

图3 M-51导弹主动空泡技术

主动空泡增强技术采用向因自然空化现象而形成的肩空泡中实施主动充气的方式，提升空泡内部气体压力，降低空泡内部与外界流体的压力差，增强空泡在水中的稳定性[11]。同时，起到优化空泡外形的作用，使导弹的空泡包裹区向弹体下部延伸。这样使弹体与流体接触面积减少，所受的轴向阻力降低，流体扰动减少，为优化导弹水动力特性提供有效保障。

当肩空泡尺寸延伸至弹体重心以下时，由肩空泡产生的扰动力矩转变成纠偏力矩，起到限制导弹水中运动姿态发散的作用，为优化水中弹道提供了良好的条件。在导弹出水时，由于空泡压力与外部环境压力差缩小，致使空泡溃灭时回射流压力降低，延迟了空泡溃灭时间，减小了空泡溃灭对弹体的冲击载荷，确保导弹在出水段的载荷安全[12]。

2.1.2水下均压排气技术

美国三叉戟II D5导弹采用了抑制空泡的钝流线形头形，当速度达到临界速度时仍然会产生空泡，这种空泡虽然尺度不是很大，产生的出水载荷也比较小，但是空泡出现的位置不稳定，容易导致导弹飞行姿态出现较大的离散，影响出水弹道的稳定性[13]。为此，三叉戟II D5导弹的发射在采取降低潜艇航速和出筒速度的同时，采用了较为独特的均压排气技术抑制导弹肩部空化，优化水动力特性[14]。

均压排气技术采用的方法较为巧妙和实用，但对弹体和仪器设备的耐压性能有较高的要求。在导弹发射前，首先对发射筒、导弹仪器舱和级间段内同步充入惰性气体，在减轻导弹结构质量的同时，使弹体内部与等深度的舷外海水保持相同压力[15]。导弹出筒后，由于作垂直向上运动，外部环境压力逐渐减小，导弹借助弹体内、外环境的压力差，将体内预先注入的惰性气体自然排出，在弹体上形成包裹性优异的空泡气膜，大幅度减少弹体与流体的接触面积，改变弹体压力分布，减小导弹在水下及出水过程中的载荷，限制了导弹在水中和出水段的姿态发散。

2.2 低速有控发射技术

低速有控发射是解决大深度发射的一条有效途径。如图4所示，由于采用较低的出筒速度，可有效避免自然空泡的产生，消除导弹出水过程空泡溃灭的问题。但低速航行面临水下航行时间长，流体作用时间长，弹道不稳定、偏转大等问题，需要采取一定的技术措施减少流体径向阻力，并借助外力对导弹进行干预控制，确保水中飞行姿态的稳定[16]。

图4 低速有控发射技术解决途径示意图

在俄罗斯的SS-N系列潜射弹道导弹设计中，通过采用尾空泡补偿和水下侧喷姿态控制等技术，合理优化了水弹道参数，减小了流体阻力和出筒、出水载荷，抑制了自然空化，有效解决了水下大深度环境带来的弹道发散和载荷加剧问题，提高了导弹水中飞行姿态的稳定性，降低了水下发射的安全风险[17]。

2.2.1尾空泡补偿技术

在导弹发射出筒时，发射动力系统产生的弹射燃气聚拢、贴附在导弹尾部空间，形成尾空泡，起到了降低尾部阻力的作用。饱满的尾空泡可以起到将尾部阻力降低到基本为零，将全弹水动阻力降低一半以上的效果[18]。但是在大深度发射环境下，水中飞行过程中由于受到尾部扰动流体的冲刷，尾气泡会逐渐减小，丧失减阻的作用。

尾空泡补偿技术的实现途径与肩空泡增强技术相似，在导弹发射前，通过筒内均压系统向图5所示尾部空腔内注入高压气体，使气体压力与发射深度舷外海水压力相等。导弹出筒时，随着弹射燃气补充进入尾部空腔，空腔内气体压力增高[19]。导弹出筒后尾部空腔内的气体压力高于尾空泡内压力，气体依靠空腔内外压差，通过下表面排气孔向外排出，补充到尾气泡中，稳定导弹尾部的流动，确保尾空泡压力稳定、形态完整，起到减小尾部阻力的作用。

图5 尾空泡增强装置结构示意图

2.2.2燃气侧喷控制技术

在俯仰方向上，由于发射出筒过程中潜艇的牵连运动，导弹出筒后在俯仰平面有一定的旋转角速度和攻角。水中运动过程中，弹体受水动力作用，将承受轴向力、法向力和水动力矩作用，姿态进一步发散[20]。在大深度发射条件下，导弹水中飞行时间增长，流体力作用成为导弹姿态发散的主要影响因素，可能造成弹体姿态的大幅度偏转，易造成姿态失稳，发射失败。

侧喷控制技术是借鉴飞行弹道中采用的调姿技术，在弹体头部或尾部安装小型燃气侧喷装置，通过增加侧推力和转动力矩，来调整导弹飞行姿态，实现对导弹姿态的控制。如图6所示，侧喷控制技术的实现途径有两种，分别为在弹体头部或者尾部加装燃气侧喷装置。两种侧喷控制的机理相同，导弹在水中飞行过程中，通过侧喷装置产生的推力，建立法向侧喷控制力和俯仰控制力矩，从而减小或消除导弹水中运行姿态的偏差[21]。区别在于采用头部侧喷控制技术时，燃气侧喷装置安装于弹体头部背水面，而尾部侧喷控制将燃气侧喷装置安装于弹体尾部迎水面。

图6 燃气侧喷控制技术原理示意图

导弹出筒后，弹上惯性仪器根据弹道方向判断导弹的姿态是否满足要求，如果方向偏转过大，则点燃侧喷装置，产生修正弹道方向的侧向推力，进行姿态修正。尾部侧喷装置在弹体全部出水后随尾罩一起脱落。头部侧喷装置可安装在头罩内，随头罩同步抛落。与尾部侧喷控制相比，头部侧喷在导弹头部出筒后即可点火，干预纠偏早，作用时间长，在导弹出筒过程中即能参与抵消艇速带来的横向水动力偏差，减小导弹出筒过程的横向载荷。

2.3 浮筒式发射

浮筒式发射方式是潜射导弹水下发射的重要技术途径之一，广泛应用于战术导弹水下发射，尤以美国的战斧、捕鲸叉和俄罗斯的桑普森导弹最具代表。其中，浮筒主要起到水下运载的功能。

采用浮筒式发射技术可以降低导弹出筒速度，提高水下发射的隐蔽性，同时避免弹体与水下环境接触，使大深度发射环境对弹体结构造成的高静压、高载荷以及流体冲击和空化振动等技术风险由浮筒承担[22]，从根本上实现大深度发射导弹。

潜射战术导弹通常采用水平发射方式，而战略导弹采用垂直发射，体积大，自重大，对发射环境要求高，因此对浮筒的结构设计，水中飞行和姿态的控制，环境条件适应性以及弹筒水面分离等问题提出了更高的要求。

如图7所示，浮筒类似于可漂浮的发射筒，由筒体和头罩组成。头罩可确保浮筒浮出水后在分离装置的作用下安全分离，为导弹弹射起飞让出安全通道。在浮筒底部安装有辅助动力装置和筒弹分离系统，分别用于为浮筒水中飞行和弹筒分离提供动力[23]。为了确保导弹水中飞行段安全，同时提供上升的浮力和稳定弹道的浮力矩，浮筒的结构设计必须确保采用高强度、轻质材料，同时确保系统载弹后的浮心置于重心之上。

采用浮筒式发射时，首先利用艇上弹射动力装置将浮筒弹射出发射筒，同时开启弹上的惯性测量系统，对浮筒姿态进行监控。由于浮筒浮力和自身携带的动力装置可以平衡水动阻力，因此，浮筒所需要的弹射出筒速度相比于传统发射方式大大降低[24]。出筒后，在浮力和推力作用下进行水中运动，当水动阻力和浮力、推力平衡时，浮筒以一定的速度匀速上升。在过程中，弹上惯性测量系统实时测量浮筒位置和运动信息，并通过控制系统控制浮筒上的辅助动力装置对浮筒进行动力补给和姿态控制，确保导弹水中运动的安全性。浮筒头部出水后，头罩分离器起爆，筒盖实现安全分离，浮筒底部的弹射装置点火，利用燃气压力为导弹提供弹射动力，实现弹筒分离[25]，为导弹主发动机点火，进入主动段飞行创造可靠条件。

图7 浮筒系统结构示意图

2.4 综合分析

对肩空泡的主动干预和有效优化，是改善空泡特性、降低流体阻力、稳定水中弹道、降低出水阶段空泡溃灭冲击载荷的有效途径。低速有控发射技术通过对导弹尾部空泡压力的增补和对水中飞行动力和姿态的主动干预，有效地实现了降低导弹出筒速度、减小弹体冲击载荷和修正弹道偏转的目的。两者都以优化水动力特性为主要出发点，在现有武器装备和发射技术的基础上，通过局部的技术改进来提高导弹对发射深度增大的适应性，满足大深度发射的技术需求。但两者对于发射深度的增加能力有限，同时需要弹体承载能力的同步提升,不能从根本上实现发射深度的大幅度增加。

浮筒式发射作为无动力运载技术的应用，依靠浮筒承载外部载荷，依靠浮力和辅助推力作为水中段的上升动力，具有出筒速度低、发射噪音小、隐蔽性好等特点，可以较好地满足大深度发射的技术需求，真正实现发射深度的大幅度增加。而且，弹、筒一体化的贮存模式减小了装备在艇上的维护成本。但相比于战术导弹，战略导弹体积大、自重大，垂直贮存和发射。因此，采用浮筒式发射，对浮筒的轻质化设计、结构强度、飞行姿态的控制都提出了更高的要求。同时，如何实现水面弹、筒的安全分离，为导弹主动段飞行提供可靠的弹射动力，需要在现有技术基础上进行进一步的研制和验证。

3 结论

综上所述，在制空、制海权无法具备压倒性优势的情况下，实现大深度发射是弹道导弹核潜艇提高隐蔽作战能力的必经之路，同时也是未来潜射弹道导弹发射方式变革的主要方向。三种方式都能够发挥自己的技术特点，不同程度地解决潜射弹道导弹大深度发射面临的弹道偏转大、弹体载荷大、速度衰减大等技术难题，卓有成效地优化导弹的水中弹道，为实现水下大深度发射提供有效的技术参考。相信在对以上技术进行不断优化和综合运用的基础上，未来潜射弹道导弹大深度发射将迎来更为广阔的前景。