未來潛艇的全電力負載發射方案

潛艇上裝備的負載發射裝置有自航式、氣動衝壓式和液壓平衡式。這幾種發射裝置都均衡了作用在負載頭部的海水靜壓，能確保在水下300米深度內發射水中兵器，基本滿足了潛艇的戰術技術指標。

儘管如此，潛艇發射裝置仍需大力改進。一方面，當前的負載發射裝置存在的一些不足，如依賴壓縮空氣提供發射能量，佔用體積大，維護成本高等，都對發射裝置的進一步改進提出了要求。另一方面，未來潛艇平台有可能發生的重大變化，如全電力潛艇，也對發射裝置提出新的要求。

一、潛艇發射裝置現狀及發展趨勢

對潛艇來說，攻擊能力在很大程度上由負載發射能力決定。負載發射一般有兩種方式，水平發射和垂直發射。除了彈道導彈以外，潛艇的武器和其他負載一般是通過水平發射管發射的。圖1為一種典型的武器操控與發射系統的結構簡圖。

圖1的發射系統利用空氣渦輪泵為武器提供動能。空氣渦輪泵對水加壓，水受力前沖將魚雷推出發射管。空氣渦輪泵連接著可編程開啟閥（PFV），可編程開啟閥能夠根據變數（平台速度、深度、魚雷管數目、武器類型、儲氣瓶剩餘氣壓）的具體情況，高效的利用發射氣體形成發射脈衝。例如，如果供氣壓力低，系統控制可編程開啟閥增加排水量，保證武器發射速度不受影響。

圖1 當前典型的武器操控與發射系統

這樣的發射系統比採用線性推動方式（如水壓活塞）的系統更有優勢。因為採用線性推動的方式，需要活塞桿推動水壓活塞壓縮水缸內的海水。活塞的行程和負載的行程是相同，導致發射裝置尺寸較大。兩種系統的尺寸比較見圖2。採用空氣渦輪泵後，發射系統有效的縮小了體積，減輕了重量，提高了能量利用率，能夠在緊湊的空間隱蔽的發射武器。

圖2 空氣渦輪泵和水壓活塞對比

其他的負載，比如水聲對抗裝置，一般是從安裝在潛艇殼體內的單發發射裝置發射。像UUV這樣的裝備，也可以使用武器操控與發射系統通過魚雷管進行發射和回收。雖然這些裝備各不相同，但是它們的發射系統都是利用壓縮空氣或者氣體發生器為負載提供動能。

儘管新技術的應用已經有效地縮小了發射系統的體積、減輕了重量、提高了能量利用率，但由於機械泵、渦輪、變速箱、發射氣瓶的存在，發射系統在體積、維護和成本上依然不能滿足要求。這也促動了對新型發射裝置研究，包括電力發射在內的新型發射方式的研究已經提上日程。

相關研究表明，在海軍平台上使用電力系統、電推進和相關輔助系統會帶來很多好處，比如減少全壽期成本、增加作戰能力等。美國海軍已經提出全電力艦概念，正在為水面平台開發以電能為主的作戰系統，如電力發射裝置、高能武器系統等。儘管這些系統還處在開發階段，一旦成熟，相關技術有可能移植到潛艇上。未來，有可能誕生如全電力艦那樣電力系統和裝置占支配地位的潛艇。因此，研製電力發射裝置有很強的潛在應用價值。

二、電力負載發射系統的技術可行性研究

研製電力負載發射系統主要有兩個性能要求：一是能提供足夠的出口速度；二是發射時能夠滿足負載的制約條件。比如，如果發射的負載是武器，就要考慮發射彈藥的敏感性需求。

另外，發射負載的作業必須以安全的方式進行，特別是負載發射涉及到潛艇的壓力邊界（例如魚雷發射的情況）。發射系統也不能影響平台的隱身性。

（一） 基本方案

1、電力負載發射系統所需的關鍵技術

未來平台的全電力介面為新技術提供了機會。而實現電力發射功能的重點是直線電動機。直線電動機的工作原理和傳統的迴轉電動機類似，都具有定子和轉子，大體上可以認為將迴轉電動機「拆開」就形成了直線電動機構。細節見圖3。直線電動機有兩個不同形式，分別是直線感應電動機（LIM）和直線同步電動機（LSM）。它們兩個的主要區別是直線同步電動機更小更輕，但是需要在轉子中使用永磁體，直線感應電動機則使用導電盤。

圖3 迴轉電動機和直線電動機結構比較

直線感應電動機技術在商業部門應用廣泛，海軍中也有一些應用，比如美國航母的電磁彈射系統（EMALS）。

實現電力發射的另一個關鍵技術是「無桿氣缸」(無桿氣缸是指利用活塞直接或間接方式連接執行機構，並使其跟隨活塞實現往複運動的氣缸。無桿氣缸和普通氣缸相比，同樣的行程可縮小1/2的安裝位置要求，節省安裝空間。)。英國Babcock公司曾在單發誘餌發射裝置上論證過該技術。無桿氣缸適合用來發射較大的負載，特別是「長條」形狀的負載，而且這種氣缸很適合重複的發射操作。

將直線感應電動機和無桿氣缸技術相結合，可以克服傳統的直線推動方式的缺點。在這種新的發射系統中，產生推力的定子是集成在發射管內的，發射管的體積更為緊湊。這樣的布置可以被稱為綜合電動發射管（IELT），其主要優點包括：

有多種配置方式。根據負載需求，反應盤可以和負載集成，也可作為一個獨立的「反作用力單元」，如圖4所示。

能減少潛艇殼體的穿孔。新方法只需在潛艇殼體上為能源和控制電纜保留穿孔。

有利於發射多種負載。對於兩種負載發射方法，發射管是一樣的，發射速度和加速度能夠實現電子控制（類似於空氣渦輪泵和可編程開啟閥相結合採取的電子控制方式）。

圖4 反應盤和負載的兩種集成方式

2、反應盤和負載的集成方式

反應盤和負載的集成方式將影響系統的操作方式和工作效率，必須要研究發射架和負載的需求。目前有兩種不同的系統集成方案，一種是將反應盤和負載集成在一起，另一種是兩者各自獨立。

（1）反應盤與負載集成

如果從發射架的角度來考慮，最好的解決方案是將反應盤和負載集成。這樣可以減少零件並簡化發射。但是，這種方法有一定的問題。

反應盤是一種導電薄片，其特性要和負載相匹配，要滿足負載的作戰要求。

發射時要在反應盤上載入很大的力，這意味著反應盤會很大。這可能會增加負載的重量。後果便是限制負載的機動性，或者降低負載內部的可用空間。

在實施發射時，反應盤將被加熱，產生的熱一般要進行處理。不過，因為負載是在水中運行的，熱對負載的影響將會很小。

負載有多種類型，因此和反應盤集成時要先定義介面標準。通常來說，定義介面標準時要在反應盤要求和負載性能之間進行折衷，有可能降低負載的性能（例如一些負載在後部集成反應盤之後，負載因為後部質量增加而性能受到較大影響）。

由於彈藥和武器控制系統對電磁比較敏感，需要對直線感應電機的電磁場加強管理。

綜上所述，若要將反應盤和不同類型的負載集成，可能會遇到較多問題。

（2）使用獨立的反應盤

為了更好協調發射架和負載的需求，可以考慮將反應盤作為一個獨立裝置。這種方案設計考慮是：反應盤和負載完全分開，這樣反應部件不需要因為負載而折衷。但是，負載在設計上需要考慮後部承載發射力的問題；反應盤作為獨立裝置後，可在設計中將電磁場和負載相互隔離。同樣，也可以確保不對電磁敏感裝備造成影響。

對反應部件本身，有兩個可能的解決方案：一是採取一次性的反應部件；二是採取可多次使用的反應部件。

用完即丟的反應部件有以下特點：

無需考慮能量回收，因此簡化了控制和能量系統；

更容易將負載裝填到魚雷管；

因為無需考慮熱、冷循環的應力變化，可以將反應部件製造的更輕和更小。

可多次使用的反應部件有以下特點：

無需儲存和搬運多個反應部件；

需要考慮如何將武器裝配到反應部件的前面；

為應對多種操作的影響，可重複使用的反應部件尺寸將比用完即丟的更大；

控制系統和能源系統要能確保反應部件剎車和恢復。由於需要設立剎車區，將增加發射管的長度。

3、設計中要考慮的因素

為了實現電力發射管，需要克服一系列技術挑戰。首先，發射管將武器加速至合適的出口速度，需要很大的力。能否在緊湊的空間內產生必要的力密度，是個很大的挑戰。不過，對於電力發射來說也存在一些有利的因素：

與當前的方法相比，發射力在負載上的作用更加直接，電力系統更有效率，實現同樣的性能所需能量減少。

因為發射操作是不連續的，可以通過對占空循環的分析，優化系統，充分利用電動機的峰值功率來發射。

至於散熱問題，考慮到典型發射管的熱質量，預計不需要專門的冷卻系統。另外，發射管的是浸沒在水裡的，具有較好的散熱條件，只有齊射時才可能會產生一些影響。

定子的集成也需要考慮。直線感應電動機的定子主要是由多相線圈纏繞的疊片鐵芯組成。定子在向發射管集成時，既不能影響發射管結構的整體性，同時也不能被海水環境所腐蝕。目前看，將定子裝入非磁材料是一種可行的防止海水腐蝕的方法。

另一種需要考慮的事情是定子和反應部件之間的「氣隙」 (「氣隙」是磁路與磁路之間的空氣間隔。以電動機為例，定、轉子之間的空隙就是氣隙。氣隙是能量轉換的通路，氣隙的大小會影響電動機的性能。) 。在集成發射管里，氣隙要被水淹沒。這並不是個大問題，已經證明氣隙被淹沒的旋轉非同步電機仍能正常運轉。但是在發射的時候，有效負載在注水的魚雷管內加速，以及隨之產生的水的流動都有可能對「氣隙」的規格造成影響。

（二）能量系統設計和控制

在圖5顯示的能源線路方案里，多個小型直線感應電動機通過能源開關連接到發射換流器。該結構為能量向反應部件轉化提供了最具成本效益和效率的方法。這種結構已經在多個應用上得到驗證，比如英國的無人機發射演示驗證便採用了該線路。這種結構，可以確保在發射中對負載速度和加速度進行控制，可以讓不同的負載通過同一個發射管發射。

由於負載發射是一種大能量、非連續作業，因此綜合電動發射管需要配置脈衝能源。發射裝置對電力的需求非常高，潛艇的電力系統無法直接提供所需電能。這就需要專門的能量儲能系統來提供脈衝能源。

水面艦已經開發了類似的能源存儲系統，相關儲能系統用於無人機發射，也用于飛行器、軌道炮和定向能武器等。現有的一些技術，如超導技術和先進電池技術，也可能在潛艇能量存儲系統中得到應用。

圖5 顯示控制直線感應電動機能源線路轉換的布置

（三）技術路線圖

當前高水平的潛艇負載發射裝置是空氣渦輪泵，它用較小的體積實現了可靠的、強有力的發射能力。空氣渦輪泵和可編程發射閥結合後，能夠以一種有效、隱蔽的方式利用發射氣體發射多種不同的負載。未來的電力發射系統同樣要具有這些先進的特性。

電力發射裝置首先要解決負載驅動問題。在電力發射裝置中，驅動負載的是電動機而不是壓縮空氣渦輪泵，系統可以稱為「電力發射泵（ELP）」。電力發射泵由壓力殼體內部的電動機驅動，具有和空氣渦輪泵（ATP）同樣的作戰性能和負載適應性。同時，電力發射泵採取全電力介面，可以利用更多商用技術，加快技術向系統的植入，減少平台全壽期成本。

電力發射泵需要採取能量存儲裝備來滿足負載發射對脈衝能量的需求。民用工業和海軍水面艦部門對能量存儲技術的開發有助於加快該技術向裝備的轉化。一旦技術成熟，同樣的能量存儲技術就可以在後期的系統開發中得到應用。電力發射泵還需要電子和控制系統，相關的拓撲技術（類似於標準電機驅動）已經由民間企業和海軍進行了充分的論證。

下一步需要進行的是改進電動機，使其能夠安置在壓力殼體外面。像綜合電動發射管一樣，外置的電力發射泵為布置能源與控制電纜，只需要在壓力殼體上開一個穿孔，穿孔數少於在潛艇殼體內布置電力發射泵。電力發射泵在壓力殼體內布置時，需要在殼體上為泵軸穿孔留孔。

在電力發射泵開發的同時，還需要開發無軸氣缸以替代壓縮空氣源，並與發射管集成。

開發的最終階段是電力發射管的集成。在這個階段，直線感應電動機將集成進綜合電動發射管。綜合電動發射管必需的能源和控制系統布局技術也將得到論證，確保其能夠適應潛艇作戰環境的要求。綜合電動發射管概念的進一步開發是成為真正的外置發射管，並和潛艇的「任務模塊」概念結合，讓潛艇能夠根據任務需求選擇負載合適的發射能力。

以上便是綜合電動發射管發展的路線圖，該路線圖以漸進的方式達到綜合電動發射管的發展目標，降低研製風險，最終產生小體積、高性能的全電力系統，降低平台的全壽期成本。

三、結論

作為一種概念型的負載發射系統，綜合電力發射管主要用於未來全電力潛艇平台。因為綜合電動發射管僅需要電力作為發射能源，可以除去當前發射系統對液壓系統和壓縮空氣供應系統的需求，因此有更低的全壽期成本。

同時，根據電力發射機構和能量存儲的工作方式，綜合電動發射管概念可以按比例縮放。這使其能夠發射不同的負載。例如小尺寸的系統能夠發射對抗裝備，更大比例的系統能夠發射武器裝備，或者用於UUV的發射和回收。它也可以和任務模塊方法相結合，作為附加的發射管模塊和能量存儲，調節平台的發射能力。（藍海星：朱鵬飛）

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