在水下发射导弹,需要穿过几十米的水层,战略核潜艇如何做到的

当前世界上的战略核潜艇装备的潜射弹道导弹,基本上发射深度都在90米以内,且30-50米的发射深度较为主流,这主要与水下复杂环境因素、水压以及水下发射发射方式有关。一般而言,如果是新型核潜艇或者列装新型潜射导弹,其测试过程会先在较浅的试验水池中发射,然后逐步在更为复杂、水深更大的海洋中测试。例如,法国为“凯旋”级战略核潜艇研制测试M51弹道导弹时,前两次飞行试验都是地面发射,待到第三次飞行试验才进行了首次水下发射试验,2008年11月,法国在位于比斯卡洛斯的导弹试验发射中心的大水池(10米深度)中第一次水下发射M51成功,然后到2010年M51潜射弹道导弹才被安装到“凯旋”级核潜艇“可畏”号上,在海洋中进行实战发射测试(发射深度估测在20米左右),以验证其在恶劣海洋环境下的作战能力。

▲法国在导弹测试中心吊装M5-1潜射弹道导弹

美国潜射弹道导弹的发射方式

要想了解潜射导弹是如何克服海水压力及水下复杂环境影响,成功发射出水面的,就需要先了解世界现役潜射弹道导弹的发射方式(潜射反舰导弹和潜射防空导弹就不在此赘述了)。其实,当前核潜艇“俱乐部”里的各大玩家,其潜射弹道导弹的发射方式并不一样:

▲发射后失控的美国三叉戟II D5潜射弹道导弹

美国到目前为止,已经发展了三代六型潜射弹道导弹(从北极星A-1到三叉戟II D5),从第一代潜射弹道导弹开始,其采用的都是西屋公司研制的“燃气-蒸汽弹射发射”技术,虽然发射方式没有改变,但是其发射技术经历过许多细节上的改进。以三叉戟导弹为例,其使用发射筒外设置的燃气发生器结合水所产生的“燃气蒸汽混合气”作为初始发射动力,将导弹弹射出筒,当导弹到达水面以上后第一级发动机点火。

▲美国三叉戟II D5潜射弹道导弹结构

当前美国的“俄亥俄”级战略核潜艇装备了Mk46型导弹发射系统,该系统能够装载、保护并且发射“三叉戟II D5”潜射弹道导弹。艇上的每枚导弹被弹性安装于Mk46系统的发射筒内,整个系统的发射动作都由自动化监控、操作系统来控制,水下发射导弹后,当导弹被弹射至出水以后安全高度时,导弹的一级发动机点火。

▲英国“前卫”级战略核潜艇也使用美国三叉戟II D5导弹和发射系统

那么为了克服水下发射所带来的环境干扰因素,三叉戟导弹和其发射系统又做了哪些工作呢?在核潜艇巡航期间,导弹发射筒组件为导弹提供储存、侧向支撑和抗冲击保护,整个发射筒被装在发射系统的外筒内,内外筒之间用特殊材料的泡沫填充物填充,以缓解外部冲击。发射筒内安装有换热板、减震垫、气密环、水密封凸膜、垂直支撑组件和电插头回收机构等部件,发射筒内的三套换热板依靠循环水来维持导弹的环境温度;减震垫被粘贴在发射筒内壁,以侧向支撑和抗冲击保护导弹;六件气密环被沿轴向布置在发射筒内,以便在发射导弹时限制发射压力;发射筒口安装的水密封凸膜,用于在发射筒盖水下打开时,保证筒内的密封状态。在接到发射指令时,水密封凸膜上布置的切割药条点火,将密封膜分8瓣裂开,为导弹出筒提供通道;垂直支撑组件被同轴安装于发射筒底部,由支撑环、底部减震器、装填到位与发射信号感应器组成,为导弹提供垂直方向上的支撑和抗冲击保护;电插头回收机构用于在接到发射指令后,从导弹上将电缆插头收回。

▲法国“凯旋”级战略核潜艇M51潜射弹道导弹发射装置模型示意图

1、为了优化三叉戟导弹的出筒动力特性以及空中飞行特性,该型导弹采用“钝头整流罩+加减阻杆”设计,钝头型弹头能够减少空间占用并且具备优良的水动力特性,而减阻杆则弥补了钝头线性的空气阻力不佳的缺憾,以提高导弹射程。

▲潜射弹道导弹的钝头+减阻杆设计

2、在潜射导弹发射时,由于收到水压作用会产生出筒载荷,这部分载荷会受到水深、导弹出筒速度和航速影响。因此,现役的潜射弹道导弹都有水下发射深度限制,以便导弹发射克服水压影响;而美国三叉戟潜射导弹的弹射出筒速度被限制在28米/秒以内,发射时潜艇航速被限制在2节左右。这些举措都是未来减小导弹出筒载荷。

▲潜射导弹发射示意图

3、当导弹在水下被弹射出筒以后,经过一段时间水下运行,在脱离水面时又会产生出水载荷。这是因为导弹水下运动过程中因自然空化作用会产生空泡,导弹破水而出时空泡破裂导致水流回射对导弹产生冲击载荷。同时由于潜艇航行引起的横向流会使得导弹在水中运动产生的空泡出现不对称现象,不对称空泡亦会产生不对称载荷,这种不对称载荷会在弹体很截面上产生弯剪作用,对弹体产生破坏作用。这些出水载荷的影响程度主要取决于空泡的尺寸和不对称程度,而产生的空泡尺寸主要受到弹头形状和出水速度影响;不对称程度主要受到导弹与海水之间的横向流速影响,所以为了限制出水载荷依然要限制潜艇航速、导弹出筒速度并且对对弹头流线型进行优化、对结构强度和材料进行合理设计选用。

总体来说,美国采用的“燃气-蒸汽弹射+水面点火”发射原理,是依靠燃蒸混合气的高温高压将导弹弹射出筒,导弹运动出水面后发动机点火。这些简而言之就是各种“力的作用与反作用”,基本原理上并没有什么难处,只是在材料、设计、工程和保障层面上实现起来颇为复杂罢了。

▲美国“哥伦比亚”级战略核潜艇的通用导弹发射装置“外筒”

后续以及其他

前文我们说过,现在各个掌握潜射弹道导弹技术的国家,在发射方式上都不尽相同,所以除了我们介绍的美国核潜艇潜射导弹发射外,还有其他方式。例如:苏联/俄罗斯自己就有多种发射技术。

▲苏/俄战略核潜艇潜射导弹水下发射技术表

英国的发射技术与美国保持一致,而特立独行的法国因为没有获得美国的支持,其潜射弹道的发射方式比较另类,算是结合了美国和俄罗斯的双重特点,由于文章篇幅有限,我们下次再讲。

▲俄罗斯“德尔塔IV”(667 BDRM)核潜艇发射P-29PM(SS-N-23)导弹射程示意

▲苏联双壳体战略核潜艇导弹发射筒示意

▲战略核潜艇的“弹与艇”

潜射导弹作为现代潜艇的重要武器之一,具有精确制导、快速飞行的特点,堪称“海上杀手”。但是,潜艇水下发射导弹涉及到学科广泛、技术复杂,目前完全具备和掌握潜艇水下发射导弹技术的国家并不多。

水下发射弹道导弹的潜艇一般在水下30米深度以2节左右的速度航行,导弹置于发射筒内垂直装于潜艇中部。此时发射筒盖承受约3个大气压的水压,用高压气进行筒内增压,便可开启筒盖。为防止海水涌入待发的导弹发射筒,在筒口安装一层水密隔膜。

发射时,点燃燃气发生器,高温高压气体从发射筒底部喷入筒内,推动导弹穿透水密隔膜,在第1级火箭的助推下冲出水面并飞行二三十千米后,第2级火箭进行接力助推,按预定弹道飞行后再入大气层对目标实施攻击。

最初的水下导弹发射,采用导弹飞离水面15-25米高度时1级火箭开始点火的方式。后来败改为导弹发射离艇后,在水下一个安全的距离上点火,保证导弹在出水时有一个巨大的垂直向上运动的推力,以消除导弹出水时水面风浪的影响。重达几十吨的导弹发射离艇后,必须立即向发射筒内灌注海水,弥补部分弹重。同时潜艇均衡水柜也抽水以保持潜艇的稳定性。发射产生的后坐力会使潜艇略微下沉,但不会对潜艇造成危险。

水下垂直发射方式对潜艇的要求很高,技术也比较复杂,所以一般仍采用鱼雷发射管。发射导弹置于一个特制的鱼雷形容器中,容器尾部装一台固体火箭发劝机和一个燃气发生器。发射时,潜艇像发射鱼雷一样把容器推出艇外,固体火箭发动机点火推动容器潜航,潜航150-200米后容器以45度角跃出水面并升至20米高度,尾部燃气发生器所产生的燃气将导弹以12度-15度倾角射出,容器脱落,导弹自身的助推器点火,将其推向32米高度,随后,弹上主动机点火,导弹降到15米左右的高度飞行,直到击中目标。

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