潜艇水下发射导弹有多难?

亮灬点

现在潜艇发射弹道导弹,有两种形式。苏联偏爱水下直接点火发射,分发射筒内点火发射,和弹出发射筒后在水下点火两种。美国偏爱水面点火,导弹弹出发射筒后,出了水面再进行点火。

除了发射战略导弹,潜艇通过鱼雷发射管发射导弹出水的方法也还是分成两种的,一种是干式无动力发射,另一种是干式有动力发射。两种发射方式附加的出水运载动力不同。干式发射导弹出鱼雷发射管后,利用发射时的推动力和导弹本身所具有的浮力在水中航行并上浮到水面,自动抛掉水下组块,导弹助推器内部点火将导弹推出水面,导弹即进入空中飞行模式。干式有动力发射导弹要在水下运载器尾部加装火箭发动机。也是通过鱼雷发射管发射导弹,在初始被推出潜艇10米后,水下运载器的火箭点火,将导弹加速到20米1秒,10-15秒后,导弹与海面呈45度角出水腾空,出水高度达20米时。由活塞将导弹本体和水下运载器分离,导弹点火进入空中飞行状态。两种发射方式各有缺点及优势。干式无动力发射时,为保证导弹出水速度要求,只能用潜望镜深度发射隐蔽性不好。采用干式有动力发射方式则可在全作战深度内进行导弹发射。

水下发射弹道导弹时,潜艇会在30米水深,2节的速度航行,导弹发射筒垂直装置于潜艇内,美国的在耐压壳体内部,苏联的位于耐压与非耐压壳体之间。发射导弹时上盖打开,发射管内经过充气和填注海水,与外界水压力相等。发射时电爆管起爆,点燃导弹燃气产生高温高压气体使之飞出发射筒。相对于苏联的水下点火,出水后点火更有优势。


利刃军事

现代海战中,潜艇具有隐蔽性好、机动范围大和生存力强的特点,自1955年,美苏两国几乎在同时,产生了利用潜艇的这一优势发展一种潜射中程弹道导弹,作为洲际导弹导弹的补充的构想。

从潜射导弹最早的诞生,无论美苏,自然是选择从陆上战术弹道导弹的成熟设计开始,因此双方对潜射弹道导弹的尝试都是以陆上弹道导弹上舰的方法,使用水面上发射的方式。苏联开始的试验的SS-N-4型潜射导弹就是从苏联首型658型(H级)核潜艇装备,发射时潜艇需要上浮到水面,再把完成加注工序后的导弹升起后点火发射。整个发射中潜艇是暴露在水面外。

而美方试验了陆基木星 PGM-16A型液体弹道导弹后,发现短时间内难以解决液体弹道导弹的贮运安全问题,因此在1959年海军决心从头设计一款尺寸更小的固体潜射专用弹道导弹型号。在1960年在率先建成的第一款弹道导弹核潜艇,乔治·华盛顿级弹道核潜艇上试验并部署装备了UGM-27A 北极星 A-1型固体潜射弹道导弹。从发射方式来看,是开辟了潜射弹道导弹从水下发射的历史。

相较与潜水水面发射的方式,水下发射自然使得潜艇这种兵器更加强了其发射的隐蔽性。但这一步却具有更大的技术难度。

众所周知的是,水的密度是空气的800倍,导弹在水中航行时,面临的环境十分复杂,譬如附加质量力和浮力的影响,以及高速航行时引起流态和压力场的变化等等。在导弹穿越水面的一刹那,将受到高海情下波浪的冲击;当导弹冲入空中时,由于飞行介质的突变,将引起整个动力环境的急剧变化,直接反映就施加在导弹上的应力会剧变,会对导弹运动产生很大影响,往往引起剧烈的冲击和振动,甚至导致导弹弹体结构的破坏和控制系统的失灵。而导弹在水中遇到的水流运动影响,又具有高度的不确定性。在导弹发射的瞬间,潜艇的速度、海浪海流的干扰,都会对导弹出水的姿态造成复杂而重大的影响。

而水下发射潜射导弹后,发射后的反作用力会使得在水下没有依托的潜艇上移一段距离,很容易超出潜射弹道导弹的额定发射深度,因此每发射一枚导弹后基本都需要重新进行定深。这个过程自然会加大间隔发射时间。那么根据简单的物理原理,减小出筒速度会改善这一现象,但过小出筒速度又会使得入水动作难以控制。这也是一个技术上可以不断优化的难点。

美国从北极星 A-1 型开始,就采用了西屋电气设计的燃气-蒸汽弹射发射,水面点火的方式。具体来讲,是以发射筒外燃气发生器产生的燃气和水形成的燃气蒸汽混合气高压作为初始发射动力,慢航速潜望深度发射,导弹自发射筒弹出出水立即点火,随后空发射筒灌入海水以平衡导弹质量。在其之后多代潜射导弹导弹都使用了这种发射方式,经过长期的经验积累,也进行了诸如改用钝头水动导弹外形、加设减阻杆、继续降低出筒速度减少冲击载荷等改进,到目前形成了三叉戟II D-5系列目前发射成功率较高的弹型。

减阻杆这个还是有点意思:潜射弹道导弹水面点火的话,水下是无动力不可控的,水下考虑出筒速度和空泡产生以及载荷影响,钝头是最优的形状,但是出水了在空气高速前进,自然尖头有助于产生激波减阻。这个怎么兼顾呢,美国人就设计了减阻杆。在水下时减阻杆是收在弹头里的,在出水后升起减阻杆。非常巧妙,即兼顾了,还利用起来了钝头的多弹头高容积率的优点。

而苏联方面的早期潜射弹道导弹以继续以陆上液体导弹导弹技术来移植的思路为主,早期潜射弹道导弹以液体导弹的特性选择了热发射(湿发射)的方式。发射前首先要从专用的贮水容器中在发射筒中灌注淡水,筒内与外界压强相近时打开发射筒盖,然后导弹液体发动机筒内点火,利用导弹的自身推力出筒,在筒尾部会形成一个高压气腔来缓冲发射时产生的气体冲击力。使用这样的“湿”发射有助于解决液体火箭发动机固有的启动中需要进行一定时间预冷作业的问题,有助于缓解减少液体火箭发动机的点火时间相较固体火箭发动机较长的缺点。这也是苏联人考虑发射方式时的思路。

但这种设计也是带来了一些发射方式上的缺点:使用液体导弹加上用这种热发射,需要比固体导弹+水面发射的方式需要更多的悬挂和减震设备。还要防备液体导弹液体燃料泄露的可能,因此还需要加装自动淋喷系统。这些装置使得发射筒比固体导弹发射筒结构要复杂。当然,对应于导弹本身的密封设计自然也少不了。

当然,苏联人内部也不是没有要搞固体燃料潜射弹道导弹的呼声。实际上在1958年苏联就开始了固体燃料潜射导弹的研制,但受限于相较美国仍为较差的工艺技术,难以解决固体燃料导弹中的一些技术和燃烧稳定性问题。因此也可看到,苏联的第一款固体潜射弹道导弹SS-N-17(PCM-45)的研制从71年开始,一直做了整个70年代,80年才研制成功进行部署。SS-N-17型导弹的试验部署在677AM型(Y-2级)弹道导弹核潜艇上。该艇是在Y-1级的K-140艇进行改装。

1986年的Y-1级K-219艇的事故是给苏联潜射弹道导弹固液之争产生重大影响的事故。在1986年10月3日,北方舰队的K-219艇在值班中6号发射筒内发生了导弹液体燃料泄露的事故。艇员随即试图将泄露的液体燃料抽出艇外,但此时燃料和氧化剂发生了混合后爆炸。从炸开的发射筒底涌入,大约4.5吨的海水灌入了第四舱室,并造成了通讯和反应堆电路短路,随后的又因为没有准确判断损害情况,封闭了相邻第三(通讯舱)、第五舱室。最终受泄露的有毒易燃气体(液体燃料与水蒸气的混合气体)的扩散影响,恶化了艇内损害程度,K-219艇员撤出艇后,K-219慢慢失去浮力最终在拖曳途中沉没。

在中间苏联依次发展了SS-N-4,SS-N-5,SS-N-6,SS-N-8,SS-N-13,SS-N-18,SS-N-23,这几款液体潜射弹道导弹。

台风级就是苏联内部固体潜射弹道导弹派搞出来的设计。装备SS-N-20型三级潜射弹道导弹。但不是三级都是固体火箭发动机——第三级是液体,前两级是固体。这是也是液体派的依萨耶夫设计局和固体派的马克耶夫设计局两家组合起来的一个设计。

SS-N-20的发射方式是燃气弹射+通气气穴,水面点火的方式,因此前两个特征使得苏联的这种发射方式被称为干发射或气穴发射法。

干发射就不讲了,这个气穴发射法指的是发射中导弹的头部通过在表面设置气孔、开缝等方式向水中主动通入气体,形成气泡、气层、气腔等多相流结构。因为潜射导弹在穿越水/气界面时会受到空泡溃灭的冲击载荷,而主动对空泡进行通气可以有效的达到减阻、降载、提高流动稳定性等目的。这种技术也被称为主动通气技术。

法国的潜射弹道导弹的历程与美国是类似的,一开始就走的是固体导弹技术路线。不过开始的M-1,M-2,M-20都使用的是压缩空气弹射发射,水面点火的方式。要主要介绍的是从M-4开始的燃气弹射发射,水中点火的这一设计。

M-4潜射固体弹道导弹是有趣的是采用了水下近筒口点火的方式。具体来讲,火药燃气将导弹弹射出通后,一级发动机就立即点火了,这样来一导弹一出筒的,在水下的弹道都是可控的,起码不会发生朝鲜北极星-1型弹出去没出水就砸了艇的事故。其次在水下点火也有湿发射的一个优点:点火形成的发射气体形成的高压充尾气泡有利于缓解对导弹的冲击和振动。并且从发射筒出来的发射气体与助推器排出的火药气体连成一体并随航行体的运动而拉长。那么至导弹出水前尾空泡不会断裂,这有利于减小点火过程对导弹产生的冲击和振动。也是巧妙地解决了尾空泡的冲击载荷问题。

但这种设计的缺点在于导弹的尾罩分离困难,因为尾罩分离时间太短了,很可能发生尾罩砸艇砸下发弹的事故。

因此总结国外的发展路线,那就是

美国:固体+燃气-蒸汽弹射+水面点火

苏俄:液体+水下点火

固体+燃气弹射+主动通气+水面点火

固体+燃气弹射+水面点火

法国:固体+压缩空气弹射+水面点火

固体+燃气弹射+水下点火

我国的潜射弹道到从20世纪60年代开始研究,对潜射导弹的出入水研究和试验,在巨浪一的研制之初,就确定了使用燃气弹射,水面点火的方式。巨浪-1有些试验没有做,一些研究是不明不白的状态。在巨浪-2上是主要进行了出水试验,也延续了巨浪-1的一些设计,也有一些事故。当然,弹的整体技术水平比起美国最新三叉戟D-5系列还略有落后。这部分因为敏感的问题有点难讲,就不讲了。

潜射导弹自然还有潜射巡航导弹,本文目前只讲了潜射弹道导弹,下次有机会继续来讲潜射巡航导弹。


萌极客

现代潜艇具有隐蔽性强、攻击突然的特点,在现代海上军事行动中具有巨大的威慑作用。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。

目前,潜艇水下发射导弹的方式主要有以下几种:

有动力运载器水平发射,导弹装在有动力运载器内,从标准口径(533毫米)的鱼雷发射管中水平发射入水,运载器依靠自身动力航行,水下弹道可控。俄罗斯的SS-N-21和法国“飞鱼”导弹都属于此种类型。

无动力运载器水平发射,导弹装在无动力的运载器内,从标准口径的鱼雷发射管中水平发射入水,运载器可以在一定程度内控制水中弹道,当运载器以预定角度出水后,导弹的助推器点火,导弹升空,美国的“鱼叉”导弹就属于此类。

裸弹水平发射,导弹直接装在标准口径的鱼雷发射管中水平发射入水,靠弹上助推器推进和进行水下弹道控制,美国的“战斧”导弹就属于此类。

裸弹垂直或者倾斜发射,水下垂直发射的巡航导弹,大多采用专门的水下垂直发射管,导弹依靠自身动力出管、水下航行、水下弹道控制和出水等,或者依靠发射管内的燃气装置弹射出管,然后依靠导弹助推器将导弹推出水面。美国海军的垂直潜射型“战斧”导弹就是采取此种发射方式,而俄罗斯海军的SS-N-19导弹采用的是倾斜发射方式。

潜射导弹的技术难关主要体现在:

导弹离开发射管速度,导弹安全离管和离艇都必须有足够的离管速度,但是速度又不能过高,因为瞬间所受载荷过大,会导致导弹尾部结构或者敏感元件受损或者失效。

水下耐压和密封技术,水下发射导弹,必须具备良好的耐水压能力和防止海水侵入内部,美国海军的”战斧“导弹就曾经因为水密性问题导致三次发射失败;

水中弹道控制技术,为了保证导弹安全出水,必须考虑水下复杂的流体环境;

出水转换和弹器分离技术,特别是导弹离开运载器后必须立即展开弹翼,改用气动力操纵飞行,既要考虑到导弹的水下航行,也要考虑到导弹在空中的气动控制等。


虹摄库尔斯克

潜艇水下发射导弹难度很大。

导弹在陆地上发射比较容易,一点火,就出去了。而潜艇在水下发射导弹,有水这个介质存在,过程就复杂多了。导弹首先要经过水中出筒弹道、水中航行弹道,以及出水弹道三个重要阶段,才能进入大气环境中飞行。

而水的密度是空气的800倍,因此导弹在水中的三个弹道航行时,需要考虑到许多因素的影响,譬如:附加质量力和浮力的影响;导弹水下点火产生的高温、高速燃气喷射,在不可压缩的水介质中,将引起流态和压力场的变化;导弹穿越水面的一刹那,将受到高海情下波浪的冲击;当导弹冲入空中时,由于飞行介质的突变,将引起整个动力环境的急剧变化,特点是在水/气交界处时间短、变化快、变化因素多,动力环境复杂。

上面这些因素,都会对导弹运动产生很大影响,往往引起剧烈的冲击和振动,甚至导致导弹弹体结构的破坏和控制系统的失灵。而导弹在水中遇到的水流运动影响,又具有高度的不确定性,所以,目前导弹水下发射技术,都没有形成很成熟的理论,许多问题都需要通过开展相应的试验来解决,譬如,比较重要的几项试验,包括小比例模型弹水池静态发射试验,全尺寸模型弹水下动态发射试验,全尺寸导弹水下静态发射试验等。单是建成这一套试验体系,就是一项非常庞大的系统工程,耗资巨大,几百个亿都不止,不是所有国家都能承担得起的,因此迄今为止,能独立发展并掌握潜艇水下发射导弹技术的国家并不多。


兵工科技

潜艇水下发射导弹,首先要解决导弹安全出艇妁技术难题。一般使用高能量的压缩空气,采用冷发射的方式,将导弹从密闭的发射筒里弹射出去。其压缩空气产生妁推力必须严格计算,推力过大会损坏发射筒和导弹本身,危及潜艇安全。推力过小,导弹不能被发射出水面,上升到安全高度,同时还会影响导弹的运动轨迹,导致发射失败。导弹从发射筒弹射出来,进入水中(液体),再出水进入空中(气体),环境变化,如何控制导弹妁速度、方向、角度,以及导弹的发动机点火,都是极其复杂的技术难题,要通过大量妁理论分析和计算,以及大量系统工程妁试验和探索。针对要打击的目标,如何测定潜艇自身的方位、深度、航向、速度,搞清楚导弹的发射诸元。其操控、通汎、指挥妁协调,精准也是不容忽视技术难点。


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潜艇在水下发射导弹必须根据水里的情况,而不能像陆地那样发射。必须分两个阶段,一个是水下阶段,一个是水面阶段。导弹在水里直接用燃料发射困难巨大。首先高温燃料的释放问题,克服水的压力和溶度非常困难。同时潜艇能不能承受导弹发射的高温和高压。所以很难运用这种方法发射。那么水下导弹发射应该运用气压把导弹弹出去,利用浮力使导弹离开水面,这是到达水面的传感器点燃发射燃料,利用水面背景的反作用力,使导弹升空,在空气中飞行。如果是洲际导弹,还要进入太空由水下或地面操作飞向目标。


宝树白石34222787

潜艇水下发射导弹最主要的要经历三关。第一关,初始定位关。第二关,潜弹出筒压力关。第三关,潜弹出水点火关。这里的第二关,潜射导弹出筒不仅导弹本身要承受巨大的压力,而且还要在巨大的压力下保持弹道。同时,在发射时潜艇也会承受巨大的压力。


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