空空导弹与航空母舰和舰载机适配性研究

李斌　强艳辉　徐琰珂

摘要：航空母舰是空空导弹的贮存转运平台， 舰载机是空空导弹的挂飞发射平台， 在作战使用过程中三者密切相关、 相互影响， 因此必须开展空空导弹与航空母舰、 舰载机的适配性研究， 以保证空空导弹的上舰安全、 可靠使用、 减少保障流程时间、 持续高效火力打击的作战使用需求。 本文结合对机弹和舰弹适配性的理解， 从作战环境适配性、 保障适配性和安全适配性等三个方面梳理了空空导弹上舰面临的影响因素， 提出了舰弹适配性设计要求。

关键词：适配性； 空空导弹； 舰载机； 航空母舰； 安全性； 腐蚀防护与控制； 综合保障

中图分类号：  TJ760文献标识码：A文章编号： 1673-5048（2023）03-0122-07

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0192

0引言

在航空母舰防空作战体系中， 空空导弹、 航空母舰、 舰载机三者之间紧密相关， 航空母舰是空空导弹的贮存转运平台， 舰载机是空空导弹的挂飞发射平台， 因此充分有效地利用航空母舰和舰载机平台资源， 是空空导弹高效可靠地遂行火力打击使命任务的关键。

空空导弹与航空母舰、 舰载机适配性研究是保证空空导弹上舰安全可靠使用、 减少保障流程时间、 持续高效火力打击的关键技术， 是在防空体系作战需求、 航空母舰/舰载机平台各种约束和空空导弹作战效能中统筹优化权衡的过程， 适配性研究包含机弹适配性、 舰机适配性、 舰弹适配性三个方面。

舰机适配性设计随着航空母舰平台和舰载机的研制而发展， 已在多方面取得了研究结果［1-5］。

机弹适配性也就是机弹相容性。 空空导弹与陆基飞机的机弹相容性研究已较为充分， 因此空空导弹与舰载机的相容性重点是考虑上舰引起的增量变化。

国内从多方面对机载导弹上舰进行了研究。 文献［6］分析了机载导弹上舰带来的机械、 电磁、 气候、 安全和保障等因素影响， 提出了机载导弹上舰应满足的具体要求。 文献［7］探讨了空空导弹上舰维修体制， 综合考虑航空母舰维修空间、 维修环境、 维修时间、 维修安全性， 以及导弹自身维修技术复杂性， 建议空空导弹在航空母舰上以预防性维修为主， 一般不进行修复性维修。 文献［8］建立了导弹消耗预测模型， 为战时航空母舰导弹消耗预测提供一种新思路和新方法。 文献［9］分析了航空母舰作战体系对空空导弹上舰数量需求， 提出数量与转运能力适配， 为航空母舰弹药库设计、 作业管理和后勤保障提供了支撑。 文献［10］研究了弹药贮运保障作业， 提出了采用自动化设备、 优化包装、 优化舱室布局等措施以提高使用效率。 文献［11］讨论了空空导弹弹体结构在海洋高温、 高湿、 高盐雾、 强辐射环境中的腐蚀防护相关问题， 提出了具体腐蚀防护措施。

本文结合空空导弹在航空母舰上的使用剖面， 梳理了机弹适配性、 舰弹适配性研究内容， 分析了空空导弹上舰面临的自然、 动力、 电磁等环境影响因素， 提出了具体的设计要求， 以及机弹适配性、 舰弹适配性设计的关键问题。

1空空导弹上舰作业流程

弹药贮运是艦载机循环保障作业中最复杂的环节， 其贮运过程在舰载机着舰之前的很长一段时间就已经开始了， 弹药贮运是影响舰载机出动架次率的最大瓶颈［9］。 为开展机弹适配性、 舰弹适配性研究， 应分析空空导弹上舰作业流程。

空空导弹上舰作业流程主要包括补给、 贮存、 开/关箱、 装配、 转运、 测试、 挂卸、 起降等， 需要足量人员和设备、 安全场所和油水电气资源提供各种保障。

空空导弹上舰补给方式包括码头吊装补给、 直升机垂直补给和补给舰横向补给。 垂直补给时直升机将空空导弹放置在飞行甲板上； 空空导弹随飞行甲板转运车通过垂直和水平转运通道， 进入弹药库堆码贮存； 根据预防性维修周期适时开箱/不开箱对导弹进行定检； 空空导弹开箱转运至特定场所并按需装配舵面， 通过升降机运送至飞行甲板； 在舰面转运至停机位并完成挂弹， 挂机值班并定期进行预防性维修； 舰载机带弹降落后可卸弹转运入库。

空空导弹上舰主要使用流程如图1所示。

2空空导弹与舰载机适配性

空空导弹与飞机（含舰载机）适配性也就是相容性， 在GJB/Z5-88飞机/悬挂物相容性指南（对应美标MIL-HDBK-244）中定义为二者之间的共存能力， 即空空导弹挂机后， 在预期要经受的各种飞行和地面条件下， 相互之间在气动、 结构、 电气或功能特性上不允许出现不可接受的影响。

国内外学者对空空导弹与飞机适配性进行了较为充分的研究， 并制定了相应的机械和电气接口标准， 制定了鉴定程序和方法。 GJB1C-2006规定了机载悬挂物和悬挂装置接合部位的通用设计准则（对应美标MIL-A-8591H）； GJB1188A-1999规定了飞机/悬挂物电气连接系统接口要求（对应美标MIL-STD-1760D）； GJB479-1988规定了机载悬挂物的地面适配及相容性试验程序（对应美标AIR STD 20/21）； GJB1475-1992规定了飞机/悬挂物鉴定程序和方法（对应美标MIL-STD-1763）， 包括弹射起飞和拦阻着舰舰载适应性试验。

国内空空导弹与舰载机适配性研究重点在上舰带来的环境增量影响， 空空导弹与舰载机适配性主要考虑以下几个方面：

（1） 在昼夜舰面倾斜摇摆等运动环境中， 舰载机各挂点应能方便可靠地挂卸空空导弹， 不能存在结构干涉或卡滞；

（2） 在舰载机起飞和着舰时， 空空导弹应能承受相应的冲击载荷， 并在寿命周期内保证全弹功能、 性能正常；

（3） 在随舰载机挂飞时， 空空导弹应能承受严酷挂飞载荷， 且其不应对舰载机操稳特性等产生不可接受影响；

（4） 在空空导弹发射时， 空空导弹应能快速安全可靠地与舰载机分离， 其发动机尾烟、 尾焰、 堵盖不能危及舰载机飞行安全;

（5） 在挂机时， 空空导弹应能适应舰载机各种振动、 电磁、 热等环境。

通过设计分析、 仿真、 地面试验、 飞行试验等手段对上述各方面进行充分验证， 即可给出空空导弹与舰载机的适配性结论。

3空空导弹与航空母舰适配性

与传统的陆基空空导弹相比， 舰基空空导弹最显著的特点就是融入航空母舰防空体系， 在海上复杂自然环境和电磁作战环境下安全、 可靠、 高效地执行拦截打击任务。 海战场与陆战场的作战体系、 作战使用和作战环境的差异， 必然导致海军与陆基空空导弹作战需求的不同， 如拦截掠海飞行目标体系贡献率［12］等。 空空导弹需针对这些差异性开展舰弹适配性顶层设计， 主要包括作战环境适配性、 综合保障适配性和使用安全适配性。

舰弹适配性是在全寿命全流程工作剖面中， 空空导弹充分有效地利用航空母舰的特性、 设施和装备完成作战使命， 航空母舰弹药贮运保障系统协同空空导弹完成貯运作业的能力。 舰弹适配性研究最终目的是在上舰自然、 动力和电磁环境下， 实现空空导弹的安全、 可靠、 高效保障， 减少弹药保障时间， 提高舰载机出动架次， 完成火力打击任务。

3.1作战环境适配性

空空导弹上舰的作战环境包括自然环境、 动力环境和电磁环境。

与筒式发射舰空导弹“长期贮存、 一次使用” 的特点不同， 舰基空空导弹经常挂机值班， 考虑寿命均衡使用等因素， 具有贮存与挂机使用转换的特点， 甚至是陆基与舰基间的转换， 其服役环境具有典型的海洋性气候环境和工业大气环境特点， 具体表现为高温、 高湿、 高盐雾、 强太阳辐射和舰载机排放SO2气体导致的强酸性［13-14］（美国航空母舰上实测pH值约为2.4～4.0）， 这些因素综合作用下大幅增加导弹金属件腐蚀、 非金属件老化、 运动件失效和密封失效等风险， 对导弹的寿命及可靠性提出了严峻考验， 弹体表面在海洋自然环境腐蚀情况见图2。

空空导弹上舰还要适应海上舰船振动、 颠震和倾斜摇摆的动力环境， 要适应拦阻着舰等带来的拦阻冲击环境， 并适应挂飞值班带来的温度冲击、 呼吸效应等环境。

航空母舰舰岛上装备大量的大功率、 多波段雷达和通信等强辐射设备， 频段宽、场强高［15］， 若导弹出现电磁兼容故障， 轻则导致导引头失灵、 通信卡滞等故障， 重则导致误发射、 人员伤亡［16］。

舰基空空导弹面临着高温、 高湿、 高盐雾、 强太阳辐射、 强电磁干扰和强酸性的“三高三强”多因素综合作用的作战环境， 诱发的腐蚀、 电磁等因素可能降低导弹的可靠性， 需依据舰载环境对舰基空空导弹开展针对性设计， 提升其适海性， 并注重解决以下问题。

（1） 全寿命周期腐蚀防护与控制顶层设计。 在研制初始阶段就开始全过程考虑设计、 制造、 使用、 维护、 维修等环节的腐蚀防护与控制， 根据舰基空空导弹全寿命使用剖面， 综合考虑贮运挂飞使用环境， 建立全寿命周期使用环境谱， 并制定典型结构加速腐蚀环境谱， 以此作为全弹腐蚀防护与控制的顶层设计输入；

（2） 加强海洋和舰面环境数据研究。 采集各大洋自然环境数据， 开展舰面上环境数据实测工作， 包括舰面整体环境和航空装备所在区域的局部环境数据、 分析各航空装备的实际使用情况得到的环境效应数据、 航空装备使用中因环境引起的故障数据等， 并综合各种数据制定多应力耦合环境试验验证方法、 考核要求；

（3） 系统策划环境腐蚀验证试验。 在试验室环境以样件验证单因素环境影响， 在真实海洋环境验证多因素耦合环境影响。 结合典型材料、 工艺及腐蚀防护状态， 制定腐蚀维护维修方法， 编制腐蚀控制手册， 有效指导地勤人员开展腐蚀防护工作。

3.2综合保障适配性

舰、 机、 弹三者之间存在大量的机械、 电气等接口， 需要开展综合保障适配性研究与设计， 以提高保障效率。

舰基空空导弹保障工作特点是在运动平台上的有限时空综合保障， 即在有限时间、 有限空间、 有限资源条件下的工作， 具备复杂程度高、 安全性要求高、 时间要求快等特点， 是影响出动架次率的主要因素之一［17］。

针对航空母舰上有限时间、 有限空间、 动态环境等作业特点， 为提高保障效率， 舰基空空导弹应注重以下关键设计。

（1） 从导弹保障到航空母舰体系保障顶层设计。 体系保障顶层设计包含两个维度， 一是各型导弹横向维度：梳理合并各型航空弹药保障设备功能需求， 按照通用化、 便携式协同设计思路， 改进或研制通用便携式技术支援设备， 减少设备种类， 如美国PMA260工程［15］， 同时兼顾岸舰通用。 二是舰-机-弹纵向维度， 弹药保障覆盖了舰、 机、 弹和人员、 设备、 资源等众多作业流程， 单一优化舰基空空导弹保障能力， 很难提高舰载机出动架次率。 美国福特级航空母舰调整了武器升降机位置， 提高了弹药转运走廊效率， 建立多个一站式保障站位， 大幅提高了弹药转运保障能力， 如图3所示。

（2） 导弹综合保障设计。 从战斗时期与和平时期两种状态考虑不同综合保障设计， 导弹保障特性优劣是能否实现有限时空保障的基础， 包括舰上可靠性、 维修性和测试性等设计。 如开展测试性分析与设计， 在保证可用性前提下， 尽量减少各型弹药测试附属件的种类和数量， 降低保障难度， 甚至需要开展免维护设计。 美国海军导弹在长期贮存后不测试即可使用， 实际经验表明频繁测试会增加故障出现的概率， 甚至会损耗产品寿命。

（3） 进行充分的陆上模拟试验。 对于舰-机-弹复杂保障系统， 陆上模拟试验是检验导弹综合保障设计的有效方法。 在导弹研制各阶段， 舰弹应进行充分协调， 对舰弹适配性、 舰机适配性进行验证， 目的是给出空空导弹与航空母舰弹药贮运保障系统适配性、 导弹与舰载机挂卸是否能满足空空导弹系统总体设计要求。 陆上模拟试验是适配性设计的重要手段， 也是发现问题、 提高适配性设计的重要环节。

（4） 岸基与舰基寿命换算方法。 舰基空空导弹既可能在岸基技术阵地贮存， 也可能在航空母舰上贮存， 贮存条件和动力环境的差异， 必然导致不同的寿命特征和可靠性， 带来了岸基与舰基寿命换算、 贮存与值班寿命换算问题。 岸基与舰基贮存寿命换算、 贮存与值班寿命换算研究公开资料极少， 奚文骏等［19］以某导弹为例， 给出了值班1天相当于库房贮存2.89天的换算结果。 岸基与舰基寿命换算方法是指导部队作战使用的数据支撑。

3.3使用安全适配性

航空母舰存有大量空空导弹， 导弹在其补给、 贮存、 转运、 测试、 挂卸弹、 带弹起降环节都存在着安全隐患， 因此需要针对海军作战使用环境开展安全适配性设计， 避免安全事故， 或降低导弹在安全事故中的反应等级和破坏程度。 与陆基空空导弹相比， 舰基空空导弹上舰安全性更重视弹药安全性、 电磁安全性和舰上特殊使用环节诱发的安全性。

（1）  弹药安全性设计。 美国海军航空母舰曾发生过航空弹药引起的安全事故［20］， 造成了重大损失。 美國、 法国和其他北约国家均开展了钝感弹药安全性的研究， 不同国家可接受的钝感弹药反应见表1。 弹药安全性通常从装药、 弹体结构和防护三方面进行系统性设计， 美国以钝感弹药为核心研究了弹药配方和粘接剂、 以结构设计为主研究了切割机构和排气机构等、 以包装防护为辅研究了防火防护材料等［21-24］， 基本实现舰载航空弹药安全性。 美国海军对“响尾蛇”、 “海麻雀”等导弹进行了安全性试验［25］， 试验结果见表2， 结果表明采用HTPE推进剂和复合材料壳体可以大幅提升发动机的安全性。 美国海军规定部署在航空母舰上的导弹必须具有热启动泄压系统［26］。 弹药安全性研究不仅是要掌握弹药自身危害性， 更重要的是弹药反应烈度与反应时间是舰上勤务人员处理事故的重要依据。

（2） 电磁安全性设计。 舰上强电磁环境给弹药电磁安全性设计带来了很大挑战， 甚至可能诱发安全事故［29］。 《美国非核弹药危险性评估试验》（MIL-STD-2105D）、 《系统电磁环境效应要求》（MIL-STD-464D）均提出了电磁安全性试验项目， 用于评估武器系统安全性， 包括电磁辐射对军械危害、 静电放电、 雷电效应等。 在产品研制初始阶段， 应进行电磁兼容顶层规划， 确定研制目标， 落实滤波、 屏蔽等电磁兼容正向设计， 并严格管控电磁安全。 在航空母舰舰面不同区域， 按电磁辐射环境开展不同弹药作业， 此外也可借鉴美国将弹药分为电磁辐射安全、 敏感、 不可靠和不安全四类， 并制定相应的管控措施， 如采取安全距离、 辐射规避、 金属屏蔽等措施， 确保弹药电磁安全性。

（3）重视使用环节诱发的安全性问题， 如拦阻着舰时的动力冲击， 垂直补给时的跌落冲击等。 舰载机在着舰时拦阻过载的瞬态极值［30-31］可接近4（见图4）， 可能会出现导弹从发射装置上制动冲脱的现象（见图5）， 因此必须考虑火工品在严酷振动或冲脱［32］撞击环境的安全性。 制动冲脱分离速度是一个典型的舰-机-弹匹配性设计结果， 该值与航空母舰拦阻索能力、 舰载机回收载荷能力、 空空导弹安全设计等密切相关。 此外， 舰上弹药贮存应根据功能、 特征、 事故灾害等分组存放［33］， 组内弹药不能引起其他弹药安全问题， 开展舰弹适配性陆上模拟试验， 能够有效识别出该类风险。

4舰弹适配性设计要求

本节从舰基空空导弹作战使命任务出发， 结合舰机空空导弹在各种使用流程中遇到的环境剖面， 从作战环境适配性、 综合保障适配性和使用安全适配性等3个方面总结了舰弹适配性能力， 提出了舰弹适配性的具体要求， 见表3。 该表可进一步细化， 根据设计要求提出具体指标， 构建出“任务-能力-指标”矩阵， 即空空导弹上舰所需的增量指标体系。

随着航空母舰、 舰载机和空空导弹发展， 舰机弹适配性的要求也是不断变化的， 但平台与弹药之间相互适应、 配合， 共同完成作战任务的目的是不变的。

5结论与建议

舰基空空导弹在航空母舰防空作战体系中遂行火力打击使命任务， 舰弹适配性和机弹适配性设计的优劣将直接影响体系作战效能。 因此必须重视舰弹适配性和机弹适配性设计。

本文根据舰基空空导弹的作战使用流程， 分析了机弹适配性的增量考虑， 并从作战环境、 综合保障和使用安全等方面提出了舰弹适配性设计主要关注点和设计要求， 初步构建了“任务-能力-指标”矩阵， 建立了空空导弹上舰的增量指标体系。 结合舰基空空导弹的现状和未来发展， 对舰弹适配性工作提出几点建议：

（1） 加强舰-机-弹适配性顶层设计， 根本目的仍是缩减保障规模、 环节与时间， 提高舰载机带弹打击能力。 因此， 综合保障和作战使用都是以火力打击最大化为目标， 从系统平台的角度综合考虑三者制约关系， 优化保障流程， 不断缩减问题清单规模， 最终形成舰弹适配性设计行业规范。

（2） 加强舰-机-弹平台沟通协调， 设计方案通常是追求产品性能效能的工程最优化， 但显而易见的是， 由于航空母舰、 舰载机和空空导弹使用上的相互约束， 追求的目标必须从单个系统最优转换到体系最优化， 因此需要顶层牵引协调沟通， 明确舰-机-弹适配性设计相互影响， 及时协调决策。

（3） 加强人才培养和技术储备， 随着航空母舰、 舰载机和空空导弹的发展， 舰-机-弹适配性设计必然对航空母舰防空作战体系的火力打击能力产生重大的影响。 目前， 机弹适配性研究比较成熟， 舰机适配性研究已有大量成果， 舰弹适配性仍处于起步阶段。 因此， 迫切需要培养统筹舰-机-弹适配性的技术人才， 加速舰弹适配性研究， 积累相关基础。

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Research on  Suitability of Air－to－Air Missile with Carrier and Aircraft

Li Bin1， Qiang Yanhui2， Xu Yanke1， 3

（1. China Airborne Missile Academy，  Luoyang 471009，  China； 2. Naval Research  Academy， Beijing 100161， China；

3. National Key Laboratory of Air－based Information Perception and Fusion， Luoyang 471009， China）

Abstract： The aircraft carrier is the storage and transportation platform of air－to－air missiles， and the carrier aircraft is the launching platform of air－to－air missiles. Air－to－air missile， carrier and aircraft interact with each other， therefore， the research on the suitability of air－to－air missile， carrier and aircraft must be carried out to ensure the safe and reliable use of air－to－air missiles on carrier， reduce the time of support process， and maintain the operational requirements of efficient fire strike. Based on the understanding of the suitability of aircraft－missile and carrier－missile， this paper combs the influencing factors for air－to－air missiles on carrier from three aspects： operational environment suitability， support suitability and safety suitability， and puts forward the design requirements for carrier－missile suitability. The study can provide reference for relevant work.

Key words：  suitability； air－to－air missile； carrier aircraft； carrier;  safety； corrosion protection and control； integrated support

收稿日期： 2022-09-14

作者簡介： 李斌（1978-），  男，  黑龙江海伦人，  博士， 高级工程师。

*通信作者： 徐琰珂（1985-）， 女， 河南洛阳人， 博士， 高级工程师。