垂直发射多用途导弹发展现状与研究方向*

2019-05-28刘钧圣汤江河谭天汉王齐双

弹箭与制导学报 2019年5期

刘钧圣，曾望，汤江河，付博，谭天汉，王齐双

(1 西安现代控制技术研究所，西安 710065；2 63963部队，北京 100000)

0 引言

随着科学技术的飞速发展，武器装备也在不断更新换代。现代陆军作战的使命已较以往发生重大变革。多用途导弹就是在现代陆战直接推动下、在与装甲力量对抗中逐步产生并快速发展的，多用途导弹通常可装配于轮式高机动车辆、履带式车辆、两栖登陆车辆等多种武器系统平台。具备对作战环境高度适应能力，可在视距内及视距外打击地面及空中目标。目前，国内外比较典型的多用途导弹主要有美国的“标枪”、“海尔法”，俄罗斯的“短号”、“AT-4”，法德联合研制的“米兰”，英国的“硫磺石”，以色列“长钉”等[1-2]。导弹的外形及详细参数见图1、表1。

表1 典型多用途导弹技术参数

从第一代反坦克导弹有线制导到现代第三代、第四代红外成像、激光、毫米波复合制导，从单兵使用的轻型、近程到现代的适应各种发射平台、可打击空中及地面目标的多用途导弹，不论是毁伤效能及打击精度都得到大幅提高[3]。现代比较典型的国内外多用途导弹均采用倾斜发射方式，倾斜发射方式在作战时需提前调整发射方向进行射向对准，与现代化战争追求快速反应能力、高性能控制、全向攻击能力、高弹药装填密度等目标存在偏差。为提高陆军车载导弹在现代陆战场的适应能力，创新提出的将垂直发射技术应用于车载多用途导弹武器系统方案是一条新的途径。垂直发射方式具有作战响应时间短、弹药装填密度高、可全向攻击等优点[4]，能够更好的适应现代陆战场目标类型多样、时敏性强的特点。

图1 典型多用途导弹外形

1 垂直发射导弹现状

20世纪60年代末，垂直发射技术被首先应用于舰载防空导弹系统中。80年代初，苏联首先在基洛夫级核动力巡洋舰上装备了SA-N-6舰空导弹垂直发射装置[5]。与此同时，美国也完成了MK41型导弹垂直发射装置的陆上试验并后续装备于巡洋舰和驱逐舰上。随后，以色列、意大利等国也开始了在舰空导弹中使用垂直发射技术并陆续装备部队。

由于垂直发射导弹使得武器系统具有载弹量大、发射效率高、响应时间短、全方位打击、通用化、模块化设计、发射盲区小等诸多优点，近年来一些国家已经将舰载垂直发射导弹应用于垂直发射系统，如英国的“海狼”、以色列的“巴拉克”、“海麻雀”、美国的标准系列垂直导弹、俄罗斯道尔M1/M2武器系统等。目前国际上几种主要垂直发射导弹系统如表2所示。

垂直发射技术在舰载导弹及地面防空导弹领域已经形成大量装备，垂直发射技术在应用上有以下优点[6]：

a) 可全方位攻击

垂直发射导弹具备360°全方位攻击能力，能够对射程范围全方位区域内的目标实施打击。该能力在海外作战、空突作战、空降作战等作战区域态势不明朗，无法确定敌军部署方向时，为射程范围内的友军提供火力支援，对局部战场态势的塑造具有重要意义，可满足未来陆军全域作战的需求。

表2 国外垂直发射导弹系统

b) 无需行战转换

垂直发射导弹完成上电准备后即具备发射条件，能够在发射平台短停或行进过程中对目标实施打击，无需行战转换，获取目标信息后，可在3 s内完成导弹发射。该能力可为前突作战的友军提供伴随火力支援，改变现有突击作战的接触式作战模式，实现局部的非对称作战态势，并可有效提高发射平台的战场生存能力。

c) 平台移植性强

垂直发射系统易于实现标准化结构，并可将发控装置、数据链系统、指挥通讯系统、供电系统与导弹集成设计在一个模块化发射装置内，并留有标准接口，可快速移植于快速移植至各种有人、无人、水面平台或直接放置在地面进行无人值守作战。战时，可将导弹系统模块加装至皮卡等非战斗车辆，构成机动打击系统，弥补军用发射平台生产周期长的问题。

d) 装填密度高

垂直发射导弹系统发射装置占用空间小，装填密度高，可最大程度的利用发射平台空间，例如，在陆军中型高机动平台上，可装载不少于20枚20 km级垂直发射导弹。随着单个平台载弹量的提高，可有效降低作战任务剖面内对弹药运输装填车等弹药补给设备的依赖。同时，垂直发射装置单个发射平台内的弹药均可以发射，无需对备用弹进行装填。

e) 发射装置复杂度低

垂直发射导弹系统发射装置结构简单，无需对目标进行同步跟踪和瞄准，发射架不用调转，发射装置不需要升降装置和方位、俯仰伺服系统。减少了地面系统的电子系统和传动机构，发射平台的可靠性(如MTBF等技术指标)可有效提高；发射平台的生产成本及日常维护、保养费用也随之减少，导弹系统全寿命周期成本较低。

21世纪初，美军将垂直发射技术应用于多用途导弹领域，准备用未来战斗系统(LCS)取代现有陆战装备，其中重要组成部分为非直瞄发射系统(NLOS-LS)，即“网火”导弹系统。它率先采用网络中心的概念，应用模块化设计，将大型武器装备系统分散到一系列较小、较轻的平台上，在精确导引火力支持系统统一指挥和控制下，快速、精确、高效的对目标实现打击。“网火”导弹系统配装的导弹为精确攻击导弹(PAM)和巡飞攻击导弹(LAM)，其中，PAM导弹主要负责重型装甲和工事目标，同时具备对空打击能力；LAM巡飞弹飞行速度大于0.4Ma，射程超过200 km，可在战场上空盘旋45 min，为PAM导弹提供目标支持和打击效果评估。“网火”导弹系统采用箱式垂直发射方式，一个发射单元可组装16枚精确攻击导弹和巡飞攻击导弹，该发射单元可放置于地面、轮式车辆、履带式车辆等平台。网火导弹系统导弹装填密度高、作战响应迅速、可全向攻击，代表了陆军精确攻击导弹的先进水平和发展方向。

图2 开环试验原理框图

2 垂直发射关键技术

2.1 垂直发射方式

现有的垂直发射系统的发射方式一般冷发射和热发射两类[7]，热发射是指导弹依靠自身发动机产生的推力飞离发射装置的发射方式，冷发射是指借助辅助动力将导弹从发射筒中弹射出去，当导弹到达一定高度后再点燃主发动机的发射方式。

热发射方式导弹产生的燃气从发射单元的烟道中排出，美国、以色列及欧洲的大多数国家一般采用这种发射方式，如美国的MK41、英国的“海狼”等。热发射方式每枚导弹都有独立的排气和排热系统，导弹之间不会互相影响，通用性好，可装填对空、对陆、反舰等多种类导弹。同时由于发动机点火后才能出筒，能够保证导弹快速转向，安全性好。热反射方式的缺点在于需设置专门排气烟道及防高温设施，系统装置复杂、技术要求高、后期维护较困难。

图3 海狼舰对空导弹热发射

冷发射也称弹射，导弹击发后导弹在发射筒内由高压气体助推出筒，达到一定高度后发动机点火，导弹持续飞行完成发射。以俄罗斯为代表的国家多采用此类发射方式，如俄罗斯的SA-N-6、SS-N-19等采用此类发射方式。冷发射技术最大的优点是可以无需热发射燃气排导系统，设备简单，占用空间小，节省发动机能量，射程远；同时可免除热发射带来的极为复杂的燃气排导问题，有利于导弹在集束中的布置。缺点主要是弹射装置设计复杂，对于重量比较大的导弹，冷发射推力不足不易实现。

冷发射技术和热发射技术各有优缺点。热发射技术发射时产生高温燃气，需要设计隔热排气烟道，同时发动机火焰对车载相关设备易造成损坏。而冷发射技术相对热发射技术发射装置体积小，有利于提高车载武器装填密度，增加单车载弹量。相对来说，冷发射技术更适合在车载垂直发射多用途导弹中应用。在工程实践中，垂直弹射内弹道技术、轻质密封易碎盖技术、轻型一体化设计技术是冷发射技术在车载垂直发射导弹中应用的关键

2.2 快速转弯技术

多用途导弹垂直发射出筒后面临的关键性问题为垂直快速转弯，在导弹飞行初期由于速度较小，空气舵操纵效率低，为了达到射面对准和快速转弯的目的，一般采用推力矢量控制技术和直接力控制技术。

1.2.1 直接力控制技术

直接力控制技术在航空航天技术领域应用范围较广，广泛应用于航天飞机、飞船、动力拦截器、卫星姿态调整等。直接力控制技术通过布置在飞行器不同位置的微型发动机产生推力调整飞行器姿态，使飞行器机动能力和响应速度得到大幅提高。直接力控制技术的难点在于设计制造推力可控的微型发动机，而且对控制系统要求较高，需要在合适的时间启动微型发动机调整弹体姿态。同时直接力控制技术一般布置于弹体前侧，对导引头及电子部件冲击较大，故在多用途导弹应用中需要解决的问题还比较多，应用较困难。

图4 直接力转弯控制

2.2.2 推力矢量控制技术

推力矢量控制技术指将导弹的飞行推力从弹轴平行方向引向其他方向的技术，在多用途导弹中可以应用的主要有燃气舵、矢量喷管和扰流片。

a) 燃气舵

燃气舵最早应用于弹道导弹飞出大气层，空气舵失效后通过燃气舵控制导弹姿态。为了实现空气舵舵效不足情况下的快速转弯，燃气舵近年来被引入冷发射导弹慢速情况下的快速转弯。燃气舵具有结构简单、响应速度快和不受飞行速度影响的特点，非常适合于在多用途导弹中应用。其缺点是燃气舵工作在温度高达1 000 ℃以上高温燃气流中，对燃气舵材料要求较高。如何让燃气舵在拥有良好的抗烧烛和冲刷性的同时,具有较小的质量是垂直发射导弹的重要研究方向。

g) 矢量喷管

矢量喷管直接改变发动机喷射燃气流的方向，早期大多应用于垂直起降战机上，分为二维矢量喷管及三维矢量喷管。矢量喷管最大考验在于喷管偏转部分的高温问题，持续高温冲刷会对喷管材质产生损伤并失去矢量控制效果。矢量喷管由于增加了额外的伺服作动机构，体积较大，小型化困难，不适宜在小型多用途导弹中应用。

图5 燃气舵示意图

h) 扰流片

扰流片安装在发动机喷口处，通过向喷口内的平移改变喷口形状，引起压力在喷口分布不均匀，造成发动机推力偏心，产生侧向力使导弹快速转弯。扰流片方案改变了发动机喷口面积，造成发动机推力损失较大，不适于在导弹中应用。

2.2.3 大迎角飞行控制技术

垂直发射导弹在低速快速转弯时，会出现

40°～50°的大攻角飞行状态。在该状态下，导弹气动力呈现强烈的非线性及姿态通道耦合特性；弹体侧向力和偏航力矩空气动力系数大小和方向变化剧烈；出现控制面耦合现象，对称控制面在相同偏转角条件下将产生不同的控制力[9]。在垂直发射多用途导弹研制过程中，应以风洞试验为基准，建立较为准确地耦合项模型，引入解耦算法，采用多维变参、滑模变结构控制等技术，解决气动力非线性问题。

通常来说，当弹体迎角较小时采取控制面解耦算法，当迎角较大时采用推力控制技术。为解决俯仰/偏航、滚动通道的耦合作用问题，可采用模型参考时变全程滑态变结构控制方法[10]，已有仿真结果表明，该控制方法具有良好的鲁棒性和较高的控制效率。另外，梁雪超等[11]设计了基于弹体“过载+角速度+角度”三回路自动驾驶仪，将气动参数的变化等效为动力参数的摄动，为工程应用提供了有效解决方案。

图6 大攻角气动仿真

2.2.4 行进间发射技术

行进间发射能力是未来战争对陆军武器提出的发展需求，其研究涉及到车辆行驶动力学和导弹发射动力学。车辆行驶运动学主要研究车辆的受力和运动规律，并以行驶安全性和便捷性为研究内容。导弹发射动力学主要研究导弹发射过程中的受力和运动规律。

为解决垂直发射导弹系统在支援战车上的行进间发射问题，对支援战车和不同路面等级进行数学建模，建立仿真模型进行动力学仿真，评估在不同运动速度不同路面平整度的前提下，导弹发射出筒的初始扰动和初始姿态，从理论上评估行进间发射对导弹的影响。

在此基础上，通过行进间动态传递对准，对载车定位定向与导弹的初始航向偏差进行预估，并通过载车传感器对战车在真实路面上的行驶环境进行摸底，通过行进间发射匹配试验和行进间飞行试验，验证行进间发射的可行性。

图7 行进间发射技术

2.2.5 动态传递对准技术

传递对准是为解决支援战车运动条件下弹上惯性导航装置初始姿态的获取问题而设计。受支援战车动过程中的加速度、振动等环境扰动，很难获得理想的水平面内的水平投影分量。传递对准算法以支援战车高精度定位定向装置作为参考，通过比较定位定向装置和弹载惯导装置测量的比力、角速度或其它导航信息，估计出弹载惯导装置相对于定位定向装置的安装误差角，进而根据定位定向装置输出的姿态信息，确定出惯性导航装置初始姿态。

3 垂直发射多用途导弹发展趋势

随着信息化战争的不断发展，垂直发射多用途导弹越来越成为陆战场上的尖兵利器，总结近年来国内外关于垂直发射多用途导弹的发展，结合未来军事装备发展需求，其研究方向主要有以下几点：

a) 模块化设计

垂直发射多用途导弹趋势模块化设计，多发导弹集成为一个发射单元。发射单元可在无人值守、轮式车辆、履带式车辆等平台上快速移植，适应不同平台对武器装备的作战需求。

b) 多弹种共架发射

随着科技发展和军事技术不断进步，陆战平台作战方式发生很大变化，同一作战平台需能够打击不同类型目标，同时需具备自主侦察能力。采用共架发射可将反坦克导弹、巡飞侦察弹等多种类导弹集成于同一发射平台，共架发射实现对目标侦察、打击、效果评估等多种作战目标。

同时由于箱装导弹易于移植平台，可在陆军、空军和海军中通用，装备适用性强。

c) 网络化无人值守区域控制

基于网络信息功能的垂直发射多用途导弹，可利用信息技术进行互联互通和动态整合，通过协同感知、突防、搜索、定位、攻击和评估，满足不同环境、距离、目标的作战需求，形成体系化作战能力。无人化是未来战争的一个重要发展趋势，模块化箱装垂直发射导弹单元具有可空投、易部署、发射装置耗能少等特点，是实现边境、岛礁等区域实现长时间无人值守、区域封控的有效途径。

d) 多目标同时打击

垂直发射导弹单元可实现对任何方向上多种多个目标打击能力，可实现导弹交接班控制。同时模块化想装导弹单元可由第三方操纵使用，可对导弹弹道进行规划控制等。

e) 侦察/打击一体

在无通信提供目标信息时，垂直发射多用途导弹能够利用自身的巡飞攻击导弹前出侦察及攻击，具有临时信息通讯节点的功能。选取弹道特征点

f) 射程、平台系列化发展

随着战略和战术打击范围不断扩大，精确制导武器打击范围不断向远程化发展，逐步研制火力打击范围可覆盖50 km的垂直发射多用途导弹武器系统，形成远中近梯次火力配系。并可进行一弹多平台、一平台多弹的方向发展，可上装履带平台、轮式高机动平台、两栖平台、无人平台、舰艇平台等多种发射平台，使武器的通用化水平不断提升。