在水下發射導彈,需要穿過幾十米的水層,戰略核潛艇如何做到的?

瀋海疆


從水下發射一枚導彈並不像在陸地上只要按下一枚紅色按鈕那麼容易。為了確保一枚導彈能從水下發射管發出並且能精確集中目標,這需要大量的精密工程和火箭科學來確保萬無一失,當然,這種發射過程也可能會出現錯誤。

以目前美國海軍的三叉戟導彈為例。最新版的三叉戟是三叉戟II D-5導彈,長約13.6米,重59000千克。要想將這種大傢伙發射上天,需要經歷複雜的造作步驟。

在發射啟動之前,先必須讓潛艇的深度小於50米(大約在十幾米左右的深度),且航速要不能大於5節。之後導彈的MARK6導航系統會被激活,打擊任務的飛行軌跡數據會被加載到飛行控制計算機上。

它是通過一門"蒸汽炮"作為動力,從水下發射井中發出的。一旦發射指令被下達後,就會啟動發射井內的蒸汽發射系統,底座上固定的小型顆粒火箭發動機會被點燃,進而它們的排氣系統會被加註進冷卻水,冷卻水在高溫下迅速氣化,因而導致發射井內氣體急劇膨脹,隨著膨脹蒸汽的壓力將導彈從發射井內推出,不必擔心,這些蒸汽胃導彈提供了足夠的動力來飛出水面。很明顯,這種危險的發射方式,是每次發射任務中最關鍵的階段。如果出現問題,導彈無法遠離潛艇,則會有多種安全措施使導彈停用。

在幾秒鐘內,導彈便突出水面,短暫停留在海平面上空,並且在重力的作用下微小下墜,此時彈體內的運動傳感器檢測到變化,並會立即點燃第一級推力矢量控制系統,使得液壓致動器能夠與第一級噴嘴鏈接。當然,如果運氣不好,就會出現嚴重的錯誤。80年代末室,三叉戟導彈在田納西號彈道導彈核潛艇上試射失敗,便是因為火箭噴嘴錯誤,導致產生了不對稱推力,讓這枚導彈像一個風車一樣,在空中瘋狂轉圈,在四秒鐘之後化成了一個巨大"煙花"。

如果一切順利,第一階段火箭會持續燃燒65秒,會令導彈頂部形成氣流罩,如果沒有氣流罩,導彈則無法在高速穿越大氣層時存活下來。當第一級助推部停止運行時,第二級推力矢量控制系統點亮。然後,第一級助推部脫落。

清除第一級後助推火箭後,第二級助推火箭點燃並燃燒約65秒。然後將鼻子整流罩拋棄,與導彈分離。當鼻子整流罩被導彈清除時,第三級推力矢量控制系統點燃,並且彈藥將第二級助推火箭分開。然後第三級助推火箭點火,將設備部分推到飛行的剩餘距離(大約40秒)。當第三級助推火箭到達目標區域時,後增壓控制系統(PBCS)點火,第三級助推火箭彈出。

之後若一切順利,導彈將在慣性制導系統的指導下(美國海軍從未發射過裝備全球定位系統的三叉戟,主要是因為擔心GPS系統遭到地方入侵而被篡改),命中並且摧毀敵方目標。

以上敘述的是垂直髮射井的發射,如果是攻擊潛艇發射UGM84魚叉導彈,則是另一種方式。魚叉是從魚雷發射管內發射的,魚叉導彈封裝在鋁製艙內,並在艙內加壓以來平衡海水的壓力。在發射時(來自發射管的衝擊),導彈通過發射系統發射,並且通過隔膜從外殼艙中彈出。它有一個掛在後面的掛繩。當外殼尾部的水下助推和出水助推裝置脫落時,掛繩即被牽引(一般是從外殼艙內剛分離不久),助推器點燃並且導彈在助推力下爬升並且展開尾翼,之後由巡航導彈制導系統計算機引導。


雷姐的機械空間


當前世界上的戰略核潛艇裝備的潛射彈道導彈,基本上發射深度都在90米以內,且30-50米的發射深度較為主流,這主要與水下複雜環境因素、水壓以及水下發射發射方式有關。一般而言,如果是新型核潛艇或者列裝新型潛射導彈,其測試過程會先在較淺的試驗水池中發射,然後逐步在更為複雜、水深更大的海洋中測試。例如,法國為“凱旋”級戰略核潛艇研製測試M51彈道導彈時,前兩次飛行試驗都是地面發射,待到第三次飛行試驗才進行了首次水下發射試驗,2008年11月,法國在位於比斯卡洛斯的導彈試驗發射中心的大水池(10米深度)中第一次水下發射M51成功

,然後到2010年M51潛射彈道導彈才被安裝到“凱旋”級核潛艇“可畏”號上,在海洋中進行實戰發射測試(發射深度估測在20米左右),以驗證其在惡劣海洋環境下的作戰能力。

▲法國在導彈測試中心吊裝M5-1潛射彈道導彈

美國潛射彈道導彈的發射方式

要想了解潛射導彈是如何克服海水壓力及水下複雜環境影響,成功發射出水面的,就需要先了解世界現役潛射彈道導彈的發射方式(潛射反艦導彈和潛射防空導彈就不在此贅述了)。其實,當前核潛艇“俱樂部”裡的各大玩家,其潛射彈道導彈的發射方式並不一樣:


▲發射後失控的美國三叉戟II D5潛射彈道導彈

美國到目前為止,已經發展了三代六型潛射彈道導彈(從北極星A-1到三叉戟II D5),從第一代潛射彈道導彈開始,其採用的都是西屋公司研製的“燃氣-蒸汽彈射發射”技術,雖然發射方式沒有改變,但是其發射技術經歷過許多細節上的改進。以三叉戟導彈為例,其使用發射筒外設置的燃氣發生器結合水所產生的“燃氣蒸汽混合氣”作為初始發射動力,將導彈彈射出筒,當導彈到達水面以上後第一級發動機點火

▲美國三叉戟II D5潛射彈道導彈結構

當前美國的“俄亥俄”級戰略核潛艇裝備了Mk46型導彈發射系統,該系統能夠裝載、保護並且發射“三叉戟II D5”潛射彈道導彈。艇上的每枚導彈被彈性安裝於Mk46系統的發射筒內,整個系統的發射動作都由自動化監控、操作系統來控制,水下發射導彈後,當導彈被彈射至出水以後安全高度時,導彈的一級發動機點火。

▲英國“前衛”級戰略核潛艇也使用美國三叉戟II D5導彈和發射系統

那麼為了克服水下發射所帶來的環境干擾因素,三叉戟導彈和其發射系統又做了哪些工作呢?在核潛艇巡航期間導彈發射筒組件為導彈提供儲存、側向支撐和抗衝擊保護,整個發射筒被裝在發射系統的外筒內內外筒之間用特殊材料的泡沫填充物填充,以緩解外部衝擊。發射筒內安裝有換熱板、減震墊、氣密環、水密封凸膜、垂直支撐組件和電插頭回收機構等部件,發射筒內的三套換熱板依靠循環水來維持導彈的環境溫度;減震墊被粘貼在發射筒內壁,以側向支撐和抗衝擊保護導彈;六件氣密環被沿軸向佈置在發射筒內,以便在發射導彈時限制發射壓力;發射筒口安裝的水密封凸膜,用於在發射筒蓋水下打開時,保證筒內的密封狀態。在接到發射指令時,水密封凸膜上佈置的切割藥條點火,將密封膜分8瓣裂開,為導彈出筒提供通道;

垂直支撐組件被同軸安裝於發射筒底部,由支撐環、底部減震器、裝填到位與發射信號感應器組成,為導彈提供垂直方向上的支撐和抗衝擊保護;電插頭回收機構用於在接到發射指令後,從導彈上將電纜插頭收回。

▲法國“凱旋”級戰略核潛艇M51潛射彈道導彈發射裝置模型示意圖

1、為了優化三叉戟導彈的出筒動力特性以及空中飛行特性,

該型導彈採用“鈍頭整流罩+加減阻杆”設計,鈍頭型彈頭能夠減少空間佔用並且具備優良的水動力特性,而減阻杆則彌補了鈍頭線性的空氣阻力不佳的缺憾,以提高導彈射程。

▲潛射彈道導彈的鈍頭+減阻杆設計

2、在潛射導彈發射時,由於收到水壓作用會產生出筒載荷,這部分載荷會受到水深、導彈出筒速度和航速影響。因此,現役的潛射彈道導彈都有水下發射深度限制,以便導彈發射克服水壓影響;而美國三叉戟潛射導彈的彈射出筒速度被限制在28米/秒以內,發射時潛艇航速被限制在2節左右。這些舉措都是未來減小導彈出筒載荷。

▲潛射導彈發射示意圖

3、當導彈在水下被彈射出筒以後,經過一段時間水下運行,在脫離水面時又會產生出水載荷。這是因為導彈水下運動過程中因自然空化作用會產生空泡,導彈破水而出時空泡破裂導致水流回射對導彈產生衝擊載荷。同時由於潛艇航行引起的橫向流會使得導彈在水中運動產生的空泡出現不對稱現象,不對稱空泡亦會產生不對稱載荷,這種不對稱載荷會在彈體很截面上產生彎剪作用,對彈體產生破壞作用。這些出水載荷的影響程度主要取決於空泡的尺寸和不對稱程度,而產生的空泡尺寸主要受到彈頭形狀和出水速度影響;不對稱程度主要受到導彈與海水之間的橫向流速影響,

所以為了限制出水載荷依然要限制潛艇航速、導彈出筒速度並且對對彈頭流線型進行優化、對結構強度和材料進行合理設計選用

總體來說,美國採用的“燃氣-蒸汽彈射+水面點火”發射原理,是依靠燃蒸混合氣的高溫高壓將導彈彈射出筒,導彈運動出水面後發動機點火。這些簡而言之就是各種“力的作用與反作用”,基本原理上並沒有什麼難處,只是在材料、設計、工程和保障層面上實現起來頗為複雜罷了。

▲美國“哥倫比亞”級戰略核潛艇的通用導彈發射裝置“外筒”

後續以及其他

前文我們說過,現在各個掌握潛射彈道導彈技術的國家,在發射方式上都不盡相同,所以除了我們介紹的美國核潛艇潛射導彈發射外,還有其他方式。例如:蘇聯/俄羅斯自己就有多種發射技術。

▲蘇/俄戰略核潛艇潛射導彈水下發射技術表

英國的發射技術與美國保持一致,而特立獨行的法國因為沒有獲得美國的支持,其潛射彈道的發射方式比較另類,算是結合了美國和俄羅斯的雙重特點,由於文章篇幅有限,我們下次再講。

▲俄羅斯“德爾塔IV”(667 BDRM)核潛艇發射P-29PM(SS-N-23)導彈射程示意

▲蘇聯雙殼體戰略核潛艇導彈發射筒示意

▲戰略核潛艇的“彈與艇”


裝備空間


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。

水下發射彈道導彈的潛艇一般在水下30米深度以2節左右的速度航行,導彈置於發射筒內垂直裝於潛艇中部。此時發射筒蓋承受約3個大氣壓的水壓,用高壓氣進行筒內增壓,便可開啟筒蓋。為防止海水湧入待發的導彈發射筒,在筒口安裝一層水密隔膜。

發射時,點燃燃氣發生器,高溫高壓氣體從發射筒底部噴入筒內,推動導彈穿透水密隔膜,在第1級火箭的助推下衝出水面並飛行二三十千米後,第2級火箭進行接力助推,按預定彈道飛行後再入大氣層對目標實施攻擊。

最初的水下導彈發射,採用導彈飛離水面15-25米高度時1級火箭開始點火的方式。後來敗改為導彈發射離艇後,在水下一個安全的距離上點火,保證導彈在出水時有一個巨大的垂直向上運動的推力,以消除導彈出水時水面風浪的影響。重達幾十噸的導彈發射離艇後,必須立即向發射筒內灌注海水,彌補部分彈重。同時潛艇均衡水櫃也抽水以保持潛艇的穩定性。發射產生的後坐力會使潛艇略微下沉,但不會對潛艇造成危險。

水下垂直髮射方式對潛艇的要求很高,技術也比較複雜,所以一般仍採用魚雷發射管。發射導彈置於一個特製的魚雷形容器中,容器尾部裝一臺固體火箭發勸機和一個燃氣發生器。發射時,潛艇像發射魚雷一樣把容器推出艇外,固體火箭發動機點火推動容器潛航,潛航150-200米後容器以45度角躍出水面並升至20米高度,尾部燃氣發生器所產生的燃氣將導彈以12度-15度傾角射出,容器脫落,導彈自身的助推器點火,將其推向32米高度,隨後,彈上主動機點火,導彈降到15米左右的高度飛行,直到擊中目標。


光磊軍工


嗯,很簡單!打開桶蓋,發射!😂😂😂 !

說起來簡單,過程很精密複雜,潛射導彈本身要求最小的體積,發揮最大的射程和最大的威力! 嘴說小,實際還是很大的!


這麼大的傢伙,直接在發射管裡點火會導致潛艇劇烈下沉,早期的彈道導彈核潛艇有“溼式發射”和“乾式發射”的,區別是先往發射井裡注水再發射,還是發射筒有個易碎蓋,導彈直接衝破蓋子乾式發射。這樣的發射方式一般也就是連續打4枚就要重新調整潛艇,再發射,這樣折騰一下要半小時,都發射完要2個小時!太誇張了,所以淘汰了。

現在
一般導彈導彈核潛艇會採用在水下30-90米左右深度低速穩定行駛。先給發射筒加壓打開艙蓋,再用壓縮空氣把導彈彈出發射筒以後,導彈衝出海面助推發動機點火。



這每一步都要有精密的控制和高度判斷,差一秒,導彈就掉海里了! 導致發射失敗,導致嚴重後果。


最近俄羅斯的北風之神戰略導彈核潛艇連續發射4枚布拉瓦洲際彈道導彈強勢秀存在,證明自己的軍事實力。

最後,補充兩種潛射方案:

水下發射巡航導彈,基本上跟彈道導彈差不多,但是由於巡航導彈是在大氣層內利用空氣浮力飛行的,還不能飛太高,所以操作起來比較秀!




另外一種是通過魚雷發射管,把反艦導彈裝到一個類似於魚雷形狀的桶裡,桶自帶火箭助推,把發射筒推離海面20m左右,導彈從發射筒內二次點火發射!


知識就是力量啊


發射過程類似於發射魚雷,只不過導彈是在浮出水面後開始點火,運動介質由水變為空氣。


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