潛艇水下發射導彈有多難?

亮灬點

現在潛艇發射彈道導彈,有兩種形式。蘇聯偏愛水下直接點火發射,分發射筒內點火發射,和彈出發射筒後在水下點火兩種。美國偏愛水面點火,導彈彈出發射筒後,出了水面再進行點火。

除了發射戰略導彈,潛艇通過魚雷發射管發射導彈出水的方法也還是分成兩種的,一種是乾式無動力發射,另一種是乾式有動力發射。兩種發射方式附加的出水運載動力不同。乾式發射導彈出魚雷發射管後,利用發射時的推動力和導彈本身所具有的浮力在水中航行並上浮到水面,自動拋掉水下組塊,導彈助推器內部點火將導彈推出水面,導彈即進入空中飛行模式。乾式有動力發射導彈要在水下運載器尾部加裝火箭發動機。也是通過魚雷發射管發射導彈,在初始被推出潛艇10米後,水下運載器的火箭點火,將導彈加速到20米1秒,10-15秒後,導彈與海面呈45度角出水騰空,出水高度達20米時。由活塞將導彈本體和水下運載器分離,導彈點火進入空中飛行狀態。兩種發射方式各有缺點及優勢。乾式無動力發射時,為保證導彈出水速度要求,只能用潛望鏡深度發射隱蔽性不好。採用乾式有動力發射方式則可在全作戰深度內進行導彈發射。

水下發射彈道導彈時,潛艇會在30米水深,2節的速度航行,導彈發射筒垂直裝置於潛艇內,美國的在耐壓殼體內部,蘇聯的位於耐壓與非耐壓殼體之間。發射導彈時上蓋打開,發射管內經過充氣和填注海水,與外界水壓力相等。發射時電爆管起爆,點燃導彈燃氣產生高溫高壓氣體使之飛出發射筒。相對於蘇聯的水下點火,出水後點火更有優勢。


利刃軍事

現代海戰中,潛艇具有隱蔽性好、機動範圍大和生存力強的特點,自1955年,美蘇兩國幾乎在同時,產生了利用潛艇的這一優勢發展一種潛射中程彈道導彈,作為洲際導彈導彈的補充的構想。

從潛射導彈最早的誕生,無論美蘇,自然是選擇從陸上戰術彈道導彈的成熟設計開始,因此雙方對潛射彈道導彈的嘗試都是以陸上彈道導彈上艦的方法,使用水面上發射的方式。蘇聯開始的試驗的SS-N-4型潛射導彈就是從蘇聯首型658型(H級)核潛艇裝備,發射時潛艇需要上浮到水面,再把完成加註工序後的導彈升起後點火發射。整個發射中潛艇是暴露在水面外。

而美方試驗了陸基木星 PGM-16A型液體彈道導彈後,發現短時間內難以解決液體彈道導彈的貯運安全問題,因此在1959年海軍決心從頭設計一款尺寸更小的固體潛射專用彈道導彈型號。在1960年在率先建成的第一款彈道導彈核潛艇,喬治·華盛頓級彈道核潛艇上試驗並部署裝備了UGM-27A 北極星 A-1型固體潛射彈道導彈。從發射方式來看,是開闢了潛射彈道導彈從水下發射的歷史。

相較與潛水水面發射的方式,水下發射自然使得潛艇這種兵器更加強了其發射的隱蔽性。但這一步卻具有更大的技術難度。

眾所周知的是,水的密度是空氣的800倍,導彈在水中航行時,面臨的環境十分複雜,譬如附加質量力和浮力的影響,以及高速航行時引起流態和壓力場的變化等等。在導彈穿越水面的一剎那,將受到高海情下波浪的衝擊;當導彈衝入空中時,由於飛行介質的突變,將引起整個動力環境的急劇變化,直接反映就施加在導彈上的應力會劇變,會對導彈運動產生很大影響,往往引起劇烈的衝擊和振動,甚至導致導彈彈體結構的破壞和控制系統的失靈。而導彈在水中遇到的水流運動影響,又具有高度的不確定性。在導彈發射的瞬間,潛艇的速度、海浪海流的干擾,都會對導彈出水的姿態造成複雜而重大的影響。

而水下發射潛射導彈後,發射後的反作用力會使得在水下沒有依託的潛艇上移一段距離,很容易超出潛射彈道導彈的額定發射深度,因此每發射一枚導彈後基本都需要重新進行定深。這個過程自然會加大間隔發射時間。那麼根據簡單的物理原理,減小出筒速度會改善這一現象,但過小出筒速度又會使得入水動作難以控制。這也是一個技術上可以不斷優化的難點。

美國從北極星 A-1 型開始,就採用了西屋電氣設計的燃氣-蒸汽彈射發射,水面點火的方式。具體來講,是以發射筒外燃氣發生器產生的燃氣和水形成的燃氣蒸汽混合氣高壓作為初始發射動力,慢航速潛望深度發射,導彈自發射筒彈出出水立即點火,隨後空發射筒灌入海水以平衡導彈質量。在其之後多代潛射導彈導彈都使用了這種發射方式,經過長期的經驗積累,也進行了諸如改用鈍頭水動導彈外形、加設減阻杆、繼續降低出筒速度減少衝擊載荷等改進,到目前形成了三叉戟II D-5系列目前發射成功率較高的彈型。

減阻杆這個還是有點意思:潛射彈道導彈水面點火的話,水下是無動力不可控的,水下考慮出筒速度和空泡產生以及載荷影響,鈍頭是最優的形狀,但是出水了在空氣高速前進,自然尖頭有助於產生激波減阻。這個怎麼兼顧呢,美國人就設計了減阻杆。在水下時減阻杆是收在彈頭裡的,在出水後升起減阻杆。非常巧妙,即兼顧了,還利用起來了鈍頭的多彈頭高容積率的優點。

而蘇聯方面的早期潛射彈道導彈以繼續以陸上液體導彈導彈技術來移植的思路為主,早期潛射彈道導彈以液體導彈的特性選擇了熱發射(溼發射)的方式。發射前首先要從專用的貯水容器中在發射筒中灌注淡水,筒內與外界壓強相近時打開發射筒蓋,然後導彈液體發動機筒內點火,利用導彈的自身推力出筒,在筒尾部會形成一個高壓氣腔來緩衝發射時產生的氣體衝擊力。使用這樣的“溼”發射有助於解決液體火箭發動機固有的啟動中需要進行一定時間預冷作業的問題,有助於緩解減少液體火箭發動機的點火時間相較固體火箭發動機較長的缺點。這也是蘇聯人考慮發射方式時的思路。

但這種設計也是帶來了一些發射方式上的缺點:使用液體導彈加上用這種熱發射,需要比固體導彈+水面發射的方式需要更多的懸掛和減震設備。還要防備液體導彈液體燃料洩露的可能,因此還需要加裝自動淋噴系統。這些裝置使得發射筒比固體導彈發射筒結構要複雜。當然,對應於導彈本身的密封設計自然也少不了。

當然,蘇聯人內部也不是沒有要搞固體燃料潛射彈道導彈的呼聲。實際上在1958年蘇聯就開始了固體燃料潛射導彈的研製,但受限於相較美國仍為較差的工藝技術,難以解決固體燃料導彈中的一些技術和燃燒穩定性問題。因此也可看到,蘇聯的第一款固體潛射彈道導彈SS-N-17(PCM-45)的研製從71年開始,一直做了整個70年代,80年才研製成功進行部署。SS-N-17型導彈的試驗部署在677AM型(Y-2級)彈道導彈核潛艇上。該艇是在Y-1級的K-140艇進行改裝。

1986年的Y-1級K-219艇的事故是給蘇聯潛射彈道導彈固液之爭產生重大影響的事故。在1986年10月3日,北方艦隊的K-219艇在值班中6號發射筒內發生了導彈液體燃料洩露的事故。艇員隨即試圖將洩露的液體燃料抽出艇外,但此時燃料和氧化劑發生了混合後爆炸。從炸開的發射筒底湧入,大約4.5噸的海水灌入了第四艙室,並造成了通訊和反應堆電路短路,隨後的又因為沒有準確判斷損害情況,封閉了相鄰第三(通訊艙)、第五艙室。最終受洩露的有毒易燃氣體(液體燃料與水蒸氣的混合氣體)的擴散影響,惡化了艇內損害程度,K-219艇員撤出艇後,K-219慢慢失去浮力最終在拖曳途中沉沒。

在中間蘇聯依次發展了SS-N-4,SS-N-5,SS-N-6,SS-N-8,SS-N-13,SS-N-18,SS-N-23,這幾款液體潛射彈道導彈。

颱風級就是蘇聯內部固體潛射彈道導彈派搞出來的設計。裝備SS-N-20型三級潛射彈道導彈。但不是三級都是固體火箭發動機——第三級是液體,前兩級是固體。這是也是液體派的依薩耶夫設計局和固體派的馬克耶夫設計局兩家組合起來的一個設計。

SS-N-20的發射方式是燃氣彈射+通氣氣穴,水面點火的方式,因此前兩個特徵使得蘇聯的這種發射方式被稱為幹發射或氣穴發射法。

幹發射就不講了,這個氣穴發射法指的是發射中導彈的頭部通過在表面設置氣孔、開縫等方式向水中主動通入氣體,形成氣泡、氣層、氣腔等多相流結構。因為潛射導彈在穿越水/氣界面時會受到空泡潰滅的衝擊載荷,而主動對空泡進行通氣可以有效的達到減阻、降載、提高流動穩定性等目的。這種技術也被稱為主動通氣技術。

法國的潛射彈道導彈的歷程與美國是類似的,一開始就走的是固體導彈技術路線。不過開始的M-1,M-2,M-20都使用的是壓縮空氣彈射發射,水面點火的方式。要主要介紹的是從M-4開始的燃氣彈射發射,水中點火的這一設計。

M-4潛射固體彈道導彈是有趣的是採用了水下近筒口點火的方式。具體來講,火藥燃氣將導彈彈射出通後,一級發動機就立即點火了,這樣來一導彈一出筒的,在水下的彈道都是可控的,起碼不會發生朝鮮北極星-1型彈出去沒出水就砸了艇的事故。其次在水下點火也有溼發射的一個優點:點火形成的發射氣體形成的高壓充尾氣泡有利於緩解對導彈的衝擊和振動。並且從發射筒出來的發射氣體與助推器排出的火藥氣體連成一體並隨航行體的運動而拉長。那麼至導彈出水前尾空泡不會斷裂,這有利於減小點火過程對導彈產生的衝擊和振動。也是巧妙地解決了尾空泡的衝擊載荷問題。

但這種設計的缺點在於導彈的尾罩分離困難,因為尾罩分離時間太短了,很可能發生尾罩砸艇砸下發彈的事故。

因此總結國外的發展路線,那就是

美國:固體+燃氣-蒸汽彈射+水面點火

蘇俄:液體+水下點火

固體+燃氣彈射+主動通氣+水面點火

固體+燃氣彈射+水面點火

法國:固體+壓縮空氣彈射+水面點火

固體+燃氣彈射+水下點火

我國的潛射彈道到從20世紀60年代開始研究,對潛射導彈的出入水研究和試驗,在巨浪一的研製之初,就確定了使用燃氣彈射,水面點火的方式。巨浪-1有些試驗沒有做,一些研究是不明不白的狀態。在巨浪-2上是主要進行了出水試驗,也延續了巨浪-1的一些設計,也有一些事故。當然,彈的整體技術水平比起美國最新三叉戟D-5系列還略有落後。這部分因為敏感的問題有點難講,就不講了。

潛射導彈自然還有潛射巡航導彈,本文目前只講了潛射彈道導彈,下次有機會繼續來講潛射巡航導彈。


萌極客

現代潛艇具有隱蔽性強、攻擊突然的特點,在現代海上軍事行動中具有巨大的威懾作用。潛射導彈作為現代潛艇的重要武器之一,具有精確制導、快速飛行的特點,堪稱“海上殺手”。但是,潛艇水下發射導彈涉及到學科廣泛、技術複雜,目前完全具備和掌握潛艇水下發射導彈技術的國家並不多。

目前,潛艇水下發射導彈的方式主要有以下幾種:

有動力運載器水平發射,導彈裝在有動力運載器內,從標準口徑(533毫米)的魚雷發射管中水平發射入水,運載器依靠自身動力航行,水下彈道可控。俄羅斯的SS-N-21和法國“飛魚”導彈都屬於此種類型。

無動力運載器水平發射,導彈裝在無動力的運載器內,從標準口徑的魚雷發射管中水平發射入水,運載器可以在一定程度內控制水中彈道,當運載器以預定角度出水後,導彈的助推器點火,導彈升空,美國的“魚叉”導彈就屬於此類。

裸彈水平發射,導彈直接裝在標準口徑的魚雷發射管中水平發射入水,靠彈上助推器推進和進行水下彈道控制,美國的“戰斧”導彈就屬於此類。

裸彈垂直或者傾斜發射,水下垂直髮射的巡航導彈,大多采用專門的水下垂直髮射管,導彈依靠自身動力出管、水下航行、水下彈道控制和出水等,或者依靠發射管內的燃氣裝置彈射出管,然後依靠導彈助推器將導彈推出水面。美國海軍的垂直潛射型“戰斧”導彈就是採取此種發射方式,而俄羅斯海軍的SS-N-19導彈採用的是傾斜發射方式。

潛射導彈的技術難關主要體現在:

導彈離開發射管速度,導彈安全離管和離艇都必須有足夠的離管速度,但是速度又不能過高,因為瞬間所受載荷過大,會導致導彈尾部結構或者敏感元件受損或者失效。

水下耐壓和密封技術,水下發射導彈,必須具備良好的耐水壓能力和防止海水侵入內部,美國海軍的”戰斧“導彈就曾經因為水密性問題導致三次發射失敗;

水中彈道控制技術,為了保證導彈安全出水,必須考慮水下複雜的流體環境;

出水轉換和彈器分離技術,特別是導彈離開運載器後必須立即展開彈翼,改用氣動力操縱飛行,既要考慮到導彈的水下航行,也要考慮到導彈在空中的氣動控制等。


虹攝庫爾斯克

潛艇水下發射導彈難度很大。

導彈在陸地上發射比較容易,一點火,就出去了。而潛艇在水下發射導彈,有水這個介質存在,過程就複雜多了。導彈首先要經過水中出筒彈道、水中航行彈道,以及出水彈道三個重要階段,才能進入大氣環境中飛行。

而水的密度是空氣的800倍,因此導彈在水中的三個彈道航行時,需要考慮到許多因素的影響,譬如:附加質量力和浮力的影響;導彈水下點火產生的高溫、高速燃氣噴射,在不可壓縮的水介質中,將引起流態和壓力場的變化;導彈穿越水面的一剎那,將受到高海情下波浪的衝擊;當導彈衝入空中時,由於飛行介質的突變,將引起整個動力環境的急劇變化,特點是在水/氣交界處時間短、變化快、變化因素多,動力環境複雜。

上面這些因素,都會對導彈運動產生很大影響,往往引起劇烈的衝擊和振動,甚至導致導彈彈體結構的破壞和控制系統的失靈。而導彈在水中遇到的水流運動影響,又具有高度的不確定性,所以,目前導彈水下發射技術,都沒有形成很成熟的理論,許多問題都需要通過開展相應的試驗來解決,譬如,比較重要的幾項試驗,包括小比例模型彈水池靜態發射試驗,全尺寸模型彈水下動態發射試驗,全尺寸導彈水下靜態發射試驗等。單是建成這一套試驗體系,就是一項非常龐大的系統工程,耗資巨大,幾百個億都不止,不是所有國家都能承擔得起的,因此迄今為止,能獨立發展並掌握潛艇水下發射導彈技術的國家並不多。


兵工科技

潛艇水下發射導彈,首先要解決導彈安全出艇妁技術難題。一般使用高能量的壓縮空氣,採用冷發射的方式,將導彈從密閉的發射筒裡彈射出去。其壓縮空氣產生妁推力必須嚴格計算,推力過大會損壞發射筒和導彈本身,危及潛艇安全。推力過小,導彈不能被髮射出水面,上升到安全高度,同時還會影響導彈的運動軌跡,導致發射失敗。導彈從發射筒彈射出來,進入水中(液體),再出水進入空中(氣體),環境變化,如何控制導彈妁速度、方向、角度,以及導彈的發動機點火,都是極其複雜的技術難題,要通過大量妁理論分析和計算,以及大量系統工程妁試驗和探索。針對要打擊的目標,如何測定潛艇自身的方位、深度、航向、速度,搞清楚導彈的發射諸元。其操控、通汎、指揮妁協調,精準也是不容忽視技術難點。


江山64466859

潛艇在水下發射導彈必須根據水裡的情況,而不能像陸地那樣發射。必須分兩個階段,一個是水下階段,一個是水面階段。導彈在水裡直接用燃料發射困難巨大。首先高溫燃料的釋放問題,克服水的壓力和溶度非常困難。同時潛艇能不能承受導彈發射的高溫和高壓。所以很難運用這種方法發射。那麼水下導彈發射應該運用氣壓把導彈彈出去,利用浮力使導彈離開水面,這是到達水面的傳感器點燃發射燃料,利用水面背景的反作用力,使導彈升空,在空氣中飛行。如果是洲際導彈,還要進入太空由水下或地面操作飛向目標。


寶樹白石34222787

潛艇水下發射導彈最主要的要經歷三關。第一關,初始定位關。第二關,潛彈出筒壓力關。第三關,潛彈出水點火關。這裡的第二關,潛射導彈出筒不僅導彈本身要承受巨大的壓力,而且還要在巨大的壓力下保持彈道。同時,在發射時潛艇也會承受巨大的壓力。


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