同心发射筒研究现状

边金尧，徐松林，钱海鹰

(中国人民解放军91550部队，辽宁 大连 116023)

0 引言

同心筒式垂直发射装置(Concentric canister launcher，CCL)作为一种结构简单、高发射速度、能增大舰载攻/防导弹载弹量且不受发射扇面约束的发射装置，具有寿命周期成本低、人员配备少、体积小、质量轻、造价更低等优点，有望用于突击作战、地面攻击、防空作战、舰艇自卫作战、反潜战、水面作战及海军水面火力支援作战等不同场合，已成为潜、舰载导弹武器发射系统的重要发展方向。

同心筒式垂直发射装置实际上是由垂直热发射装置发展而来的，其最大的优点是每个发射筒都自成系统 (自带排焰通道)，可以独立地完成从储运到发射的全过程，而不需要其他辅助设备。同心筒式垂直发射装置由同心发射筒、分布式电气设备和舰载武器模块3部分组成，其关键技术是同心发射筒结构技术、自主折转燃气流排导与防护技术，以及分布式“即插即用”式电子控制技术。

本文从结构组成、工作原理、多筒布局方案来介绍同心发射筒，并从发展方向、燃气流排导方案、导流板设计和燃气开盖技术等方面阐述燃气流排导的研究成果，建议我国发展同心筒式垂直发射装置。

1 同心发射筒

1.1 单筒主要组成和排燃原理

自力发射导弹所使用的同心筒以结构简单而著称，其结构包括约束导弹的内筒、约束排焰的外筒、实现燃气转向的半球形端盖、可调节的推力增大器和内外筒间的联接件——纵梁，如图1所示［1］。具有不同功能的内筒布置示意图如图2所示。同心筒的内筒和外筒是2个同心圆筒，其中内筒对导弹起支撑和导向作用。纵梁对内筒起支撑作用，也是外筒与内筒间的连接部件。内筒、外筒与纵梁所围起来的空间构成了火箭热力发射时的燃气排导通道(简称燃气道)。同心筒底部的半球形端盖对火箭燃气起导向作用，为了减轻重量，将端盖做成半球形。通过调节同心筒内筒底板上推力增大器开孔大小，可实现对燃气排放推力的控制。

当导弹发动机工作时，高速高温燃气流流经推力增大器，在导流端盖处转向180°反流向上流向内、外筒之间的燃气排导通道，并从同心发射筒上端排出。改变内筒底板处推力增大器孔口的大小可控制燃气排放产生的推力［2－3］。

1.2 多筒

1.2.1 布局方案

为了提高火力密度和战斗力，可以利用CCL自带燃气排导通道的特点容易地实现一筒/箱多弹，即在同一发射单元可以装载1个大型的CCL发射筒，也可以装载多个小型CCL发射筒。当采用方形或圆形截面发射单元时，可供选择的一筒/箱多弹方案包括:2合1方案、3合1方案和4合1方案。各方案的可行性图解如图3和图4所示。从图3可知，当选择方形发射单元时，一筒/箱多弹的3合1方案存在结构干涉，此方案不可行，而2合1方案和4合1方案具有可行性。从图4可知，当选择圆形发射单元时，一筒/箱多弹的2合1方案、3合1方案和4合1方案均具有可行性。假设大型CCL发射筒外径为D，小型的CCL发射筒外径为d，根据几何关系可得大发射筒和小发射筒间的尺寸关系 (见表1)。

表1 大发射筒和小发射筒间的尺寸关系Tab.1 Size relation between large and small launching-canisters

从表1可知，在一筒/箱多弹方面，方形发射单元只有2种组合，圆形发射单元可以容纳3种组合。当大型CCL发射筒外径相同时，方形发射单元能容纳的小CCL外径尺寸大于圆形发射单元所能容纳的小CCL外径尺寸。因此，相对而言，方形发射单元可以装载较大的导弹，换句话说，如果导弹尺寸一样的话，方形发射单元的占用面积较小;而圆形发射单元可以获得较大的灵活性，除了一筒/箱一弹方式以外，其余方式所容纳的导弹尺寸都偏小。从通用化和的标准化等实际应用角度考虑，装载较大的导弹比装备更多尺寸种类的发射筒更有意义。

1.2.2 布局实例

同心发射筒结构紧凑，占用空间少，安装数量灵活，适装性强，多采用阵列形式［4］组成同心筒式垂直发射装置模件，装备于船舶甲板上，如图5所示。由于每个同心发射筒独立完成燃气排导，因而对邻近导弹发射筒没有任何影响，图6为英国“海狼”导弹发射实况。“海狼”导弹的垂直发射筒既是发射管又是贮运包装箱，具有重量轻、结构坚固、可重复使用等特点。“海狼”导弹垂直发射装置在设计上将4个排气道分布在导弹的4个弹翼之间，实现燃气排导系统与贮运发射箱的一体化设计，不仅简化了燃气排导系统的结构，而且使整个发射装置体积小、重量轻、适装性好。该种发射装置可以1个发射箱为单元组合出多种配置形式，灵活布置于机库两侧或上层建筑。

2 燃气流排导

在同心发射筒发射导弹过程中，发动机喷出的高温、高速和高质流量的气－固两相燃气要经过燃气流排导系统才能排入大气，而保证发射筒及发射平台的安全。因此，燃气流排导是同心发射筒的关键技术。英国的同心筒式发射装置已成功装备部队，但未检索到国外有关燃气流排导的研究成果。由于我国在同心筒式发射装置研究方面起步较晚，目前在同心发射筒燃气流排导方面检索到多为科研性成果，尤其以北京理工大学的研究成果居多。

2.1 发展方向

2001年，92941部队的谷荣亮［5］从箱式垂直发射系统燃气流的危害和基本特征分析了合理排导燃气的必要性，比较了内导流和外导流2种燃气流排导方式，指出燃气流外排导的局限性，认为燃气流内排导由于具备结构简单、空间利用率高、通用性强、安全性高等优点，适合于垂直发射燃气流的合理排导;尤其是同心筒式发射装置燃气流的排导将成为箱式垂直发射系统燃气流排导的发展方向。

2007年，郑州机电工程研究所的韩煜宇等［6］从结构特性入手对燃气流公共排导和同心筒式燃气排导的性能进行了分析比较，指出公共排导发射装置在适装性、备弹量等方面有一定优势，同时通过多年的研制和改进，公共排导发射装置的可靠性、安全性指标现在也己达到了较高水平;而同心筒技术在燃气排导性能、可靠性、安全性等方面占优，且综合成本较低。并提出，在选择技术方案时不但要考虑到2种发射技术自身的性能特点，还要综合考虑到具体的使用环境，如舰艇的类型、舰上的安装位置等诸多因素。

从两位学者的研究成果可知，前者提到的燃气外排导与后者提到的燃气公共排导都是以美国的MK41为例进行分析的，指出了其优缺点;而同心筒技术作为新兴种垂直发射技术在性能上明显占优，将成为导弹垂直热发射的重点发展方向。

2.2 燃气排导方案

2004年，北京理工大学机电工程学院的傅德彬等［7］采用数值模拟方法，对影响同心筒自力发射排气效果的内外筒间隙、内筒收缩段和头部导流结构等因素进行分析，并提出了优化设计方案。结果表明，合适的内外筒间隙是燃气流排导的关键;利用发射筒底部的内筒收缩段可以有效改善燃气排导效果;采用发射筒头部导流结构可以有效改善抽吸作用对导弹发射环境的影响。2005年，苗佩云等［8］指出，保证燃气流的高度欠膨胀状态是确定合理内外筒间隙值的条件;为降低对发射筒的冲击力可在筒底安装导流锥。

2007年，姜毅等［9］指出，内筒尾部设计收缩段可对反射燃气流起到遮挡作用，使温度相对较低的空气能够在筒内停留较长时间;在筒口加设计导流段可将燃气导向周围让出导弹飞行通道，还可以降低筒口引射作用，减少筒底燃气反射，可以达到减少从筒口抽吸入燃气的量，降低导弹与内筒间气体温度，有效改善导弹发射环境。郑州机电工程研究所的何朝勋等［10］指出，随着内外筒间隙的增大，燃气排导变得更顺畅;导流格栅结构仅对导流型面上部空间的流场有影响;导流格栅结构、导流型面和底座高度对远离导流型面的排烟道流场影响很小;随着底座高度的增加，正冲点处的压力和温度值降低。

哈尔滨工程大学航天工程系的熊永亮等［11］指出，当欠膨胀喷管流加速喷出时，燃气射流因冲击内筒壁而形成撞击激波。在较强的撞击激波作用下燃气流向弹体形成烧蚀弹体的旁泄流。导弹在同心发射筒内发射瞬态过程的数值模拟结果表明:当筒口气流雍塞时，就会有旁泄流产生;而当筒口不出现雍塞时，旁泄流明显减弱。

2.3 冲击效应

2007年，北京理工大学宇航学院的蔺翠郎等［12］针对舰载导弹同心筒发射装置，考虑了发射筒结构的复杂性，燃气流的高温、高速等特点，以及筒内燃气流场流动与换热的强耦合性，建立了燃气流与发射筒间的换热模型。通过对筒内燃气流场的全流场非稳态的数值模拟，得到了铬镍耐热钢筒壁处具有很大梯度的燃气温度，最高达2744 K。这个温度场的非稳态特性在筒壁上产生了严重的热冲击，从而引起对材料强度和刚度具有很大影响的热应力/应变。

2011年，马艳丽等［13］为研究导弹发射过程中燃气射流对同心筒和弹体的热冲击和动力冲击效应，计算了含Al2O3颗粒的气－固两相流场的压强和温度，并将计算结果与试验数据进行了对比，一致性较好。发射过程中燃气射流给后端盖造成了严重的冲刷和烧蚀。增加内外筒间隙，内筒温度先变小后变大。在导弹发动机喷管出口远离后端过程中，后端盖处的压强逐渐降低。

2.4 燃气降温度

2005年，北京理工大学机电工程学院的苗佩云等［8］对燃气降温提出了2种方案:一是改进发射筒结构使筒内流场温度分布均匀，避免产生高温区;二是在发射筒底预先注入一定量的冷却水，当导弹点火时高温燃气的热量被冷却水吸收，达到对燃气降温的目的，但未对水降温效果进行分析。

为解决同心筒垂直热发射装置的导弹在发射过程中承受温度过高的问题，2010年，马艳丽等［14］提出一种在同心筒底部设置水室的湿式发射方式，在发射时或发射前一段时间往水室注入液态水，发射时通过水室中的液态水汽化吸热来降低导弹表面的温度。数值计算结果表明，采用标准同心筒时，导弹在筒内外运动过程中表面温度始终都很高;采用引射同心筒时，导弹在筒内运动时表面温度较低，出筒后温度升高;而采用湿式同心筒时，水的汽化降温作用使得导弹在整个运动过程中表面温度均较低。

2.5 导流板设计

在同心筒发射导弹过程中，从燃气流排导系统排出的高温燃气在抽吸作用进入内筒，从而使导弹周围温度过高，很容易造成弹体烧蚀。为使已排出发射筒的高温燃气不进入内筒，可在同心发射筒口对高温燃气进行导流。2006年，哈尔滨工程大学的杨春英等［15］研究了在同心发射筒口加弧形导流板的方式，提出了一种有效改善筒内热环境的导流板形式，并推荐导流板距筒口的最佳距离在0.5～2倍于内外筒间隙比较合适。由于筒口导流板设计引进了外界冷空气，内外筒间隙燃气的温度显著下降。这样就避免了同心筒发射过程中，导弹周围处于燃气流中，较高温度的恶劣环境对导弹仪器的不良影响。

2.6 开盖技术

采用同心筒发射的导弹，通常在发射筒内就开始对目标进行搜索，所以采取撞击或炸碎方式的开盖方式，会对导弹导引部分产生不良影响。同心筒发射时排放到空中的燃气具有较强的能量，可以为燃气开盖提供动力。因此同心筒发射导弹时选择自动开盖［16］。

在国外，以色列的Viper导弹采用燃气压力将盖整体吹向一边的整体抛盖式开盖;俄罗斯的C－300导弹采用燃气将箱盖吹碎成数小块后向各方向抛出的气碎盖式开盖［17］。在国内，北京理工大学机电工程学院的苗佩云等［18］于2004年分析了4种燃气开盖方案:易碎盖方案、内外筒偏心盖方案、半导流锥方案和各向异性材料发射筒盖方案，并用数值方法模拟了各种方案的筒内复杂三维流场。计算结果表明，4种方案均具有可行性。经试验验证，各向异性材料的发射筒盖方案能按预先期望的方向整体飞出。

3 发展同心筒式垂直发射装置的建议

同心筒式垂直发射装置的设计思想源于1973～1974年间美国提出的“结构简单、高发射速度、能增大舰载攻/防导弹载弹量且不受发射扇面约束”的设计理念，具有寿命周期成本低、人员配备少、体积小、质量轻、造价更低等优点。为增强舰艇饱和攻击能力和抗饱和攻击能力，最大程度地提高舰艇载弹量和导弹发射速率，可以采用易进行标准化、模块化和通用化设计的同心发射筒发射装置作为我国舰载导弹的新一代垂直发射技术。若将垂直发射装置以隔舱形式沿舰船两舷布置，为舰船提供一个防护壳体，阻止或减少外部爆炸的损坏，就可以避免甲板集中式弹库被击中后给舰船带来的致命灾难，从而提高舰艇的生存能力。

［1］YAGLA J J，MILLER R E，et al.Powers.Portable Launcher［P］:United States of America，Jun.27，2000.

［2］MOORHEAD S B.The latest ship weapon launchers-The vertical launching system［J］.Naval Engineers Journal，1981，(4):152 －167.

［3］YAGLA J J.Concentric canister launcher［J］.Naval Engineers Journal，1997，109:313 －330.

［4］KUNSTMANN J F，KING GEORGE V.Reloadable concentric canister launcher［P］.US671300，2005.

［5］谷荣亮，姚德忠，朱志华.箱式垂直发射系统燃气流的排导［J］.上海航天，2001，(6):62 －64.GU Rong-liang，YAO De-zhong，ZHU Zhi-hua.Exhaust of combustible airflow of box-shaped structure vertical launch system［J］.Aerospace Shanghai，2001，(6):62 － 64.

［6］韩煜宇，吴利民.燃气流公共排导和同心筒技术在舰载导弹垂直发射装置中的应用分析［J］.舰船科学技术，2007，29(s1):1 －5.HAN Yu-yu，WU Li-min.Analysis of the public exhaust system vs the concentric canister to the vertical launch system in navy ships［J］.Ship Science and Technology，2007，29(s1):1 －5.

［7］傅德彬，姜毅，陈建伟，等.同心筒自力发射燃气排导优化设计［J］.弹箭与制导学报，2004，24(3):42 －45.FU De-bin，JIANG Yi，CHEN Jian-wei，et al.Optimization design for concentric canister launcher combustion gas exhaust［J］，Journal of Projectiles Rockets Missiles and Guidance，2004，24(3):42 －45.

［8］苗佩云，袁曾凤.同心发射筒结构及参数研究［J］.弹箭与制导学报，2005，25(1):359 －361.MIAO Pei-yun，YUAN Zeng-feng.A research on the structure and parameters of concentric canister launcher［J］，Journal of Projectiles Rockets Missiles and Guidance，2005，25(1):359 －361.

［9］姜毅，郝继光，刘群.同心筒垂直发射装置排导燃气流的改进［J］.北京理工大学学报，2007，27(2):95－98.JIANG Yi，HAO Ji-guang，LIU Qun.Improvement measures of exhausting the jet in the concentric vertical launching equipment［J］.Transactions ofBeijing Institute of Technology，2007，27(2):95 －98.

［10］何朝勋，戴宗妙.同心筒式发射装置燃气排导研究［J］.舰船科学技术，2007，29(S1):71 －75.HE Chao-xun，DAI Zong-miao.Research into the jet exhaust of concentric canister launcher［J］.Ship Science and Technology，2007，29(S1):71 －75.

［11］熊永亮，郜冶，李燕良.同心筒发射中旁泄流影响的数值研究［J］.弹箭与制导学报，2007，27(4):194 －197.XIONG Yong-liang，GAO Ye，LI Yan-liang.Numerical investigate the influence of the side releasing flow on the concentric canisterlaunch［J］.JournalofProjectiles Rockets Missiles and Guidance，2007，27(4):194 －197.

［12］蔺翠郎，毕世华.同心筒发射装置导弹燃气流热效应数值模拟［J］.弹箭与制导学报，2008，28(3):193 －195.LIN Cui-lang，BI Shi-hua.Numerical simulation of thermal effect of missile combustion-gas flow for concentric canister launcher［J］.Journal of Projectiles Rockets Missiles andGuidance，2008，28(3):193 －195.

［13］马艳丽，姜毅，王伟臣，等.同心筒发射过程燃气射流冲击效应研究［J］.固体火箭技术，2011，34(2):140 －145.MA Yan-li，JIANG Yi，WANG Wei-chen，et al.Study on impact effect of combustion gas jet during concentric canister launching process［J］.Journal of Solid Rocket Technology，2011，34(2):140 －145.

［14］马艳丽，姜毅，王伟臣，等.湿式同心筒自力垂直热发射技术降温效果研究［J］.弹道学报，2010，22(4):89 －93.

［15］杨春英，李艳良，郜冶，等.同心发射筒出口导流板设计的数值模拟［J］.弹箭与制导学报，2006，26(2):25 －27.

［16］翟建龙.同心发射筒内燃气流对密封盖冲击的数值仿真［J］.科技情报开发与经济，2006，16(19):150 －151.

［17］孙建中.美国海军的新型舰载垂直发射装置［J］.现代防御技术，2001，(29):34 －37.

［18］苗佩云，袁曾凤.同心发射筒燃气开盖技术［J］.北京理工大学学报，2004，24(4):283 －285.