MK57垂直发射系统性能分析
作者：
北京特种机械研究所北京市 100143
摘要：介绍了MK 57垂直发射系统的研制背景和基本性能，从结构接口和控制系统兼容性对MK 57的标准化设计方法进行了分析，并对值得借鉴的方法进行了总结。
关键词：MK 57 垂直发射系统标准化设计方法
1 引言
导弹武器系统的标准化是在设计过程中需要遵循的规范，在标准化设计中最为重要的是通用化、系列化和模块化，一般简称为“三化”，分别从不同角度对标准化进行了深化。世界各国都对标准化进行了不同程度的贯彻执行，其中最具有代表性的是美国的MK 41舰载垂直发射系统。MK 41是一种共架发射系统，根据其研制单位洛克希德·马丁公司的统计资料，目前出口到12个国家，装载的舰艇种类多达20余种，舰艇总数多达180余艘，已经生产的发射箱数量多达11000个。从海湾战争首次参战，到伊拉克战争为止，MK 41垂直发射系统已经成功发射了3500多枚导弹，发射成功率大于99%，MK 41发射系统的实战情况证明其具有水面舰载常规和单一用途发射系统无法比拟的优势。作为一种改变了世界海军对舰载导弹发射技术思维方式的发射系统，经历了美国舰载导弹三十年的更新换代，MK 41垂直发射系统依然能够经久不衰的特点值得学习和借鉴。目前各种文献中多侧重于介绍MK 41垂直发射系统的优点，但对其标准化设计方法并没有进行深入分析，基于这种情况，本文对MK 41的性能以及支撑其性能的标准化设计方法进行较为全面的分析。
2 MK 57垂直发射系统研制背景
在MK 57垂直发射系统研制之前，MK 41垂直发射系统已经发展成熟。根据其研制单位洛克希德·马丁公司的统计资料，目前出口到12个国家，装载的舰艇种类多达20余种，舰艇总数多达180余艘，已经生产的发射箱数量多达11000个。从海湾战争首次参战，到伊拉克战争为止，MK 41垂直发射系统已经成功发射了3500多枚导弹，发射成功率大于99%，MK 41发射系统的实战情况证明其具有水面舰载常规和单一用途发射系统无法比拟的优势。在这种情况下，MK 57垂直发射系统的研制必要性似乎并不突出。
平台需求
安全性需求
弹药库是对方重点打击的位置，MK 57的布局方式使弹药库分散。
MK 41多个发射单元集中布局，在受到打击的情况下会发生爆炸使整个发射系统彻底失去战斗力，另外每个单元自身的故障也会对相邻单元的正常工作带来较大影响。
空间布局需求，可以节约舰艇中部的空间用于安装其他设备。
导弹兼容性需求，可以兼容更大体积的导弹
DDG-1000
舰舷外飘的传统舰艇根本就没法安装MK57那种垂直发射系统，美军DDX1000是下一代战舰，舰舷向内倾斜，另外谁知道MK57外侧有没有装甲防护？
本人觉得MK57最大的优势之一就是相对MK41而言，对舰体强度的影响较小，但如果仅仅是安装位置的问题，个人认为并不存在技术难度的问题，为何当初在设计MK41时没有考虑到布置在舷侧？难道是低估了其对舰体强度的影响？另外，将垂发布置在舷侧的另一大好处据说是能够增大垂发被击中后舰艇的
生存概率，因为垂发内弹药爆炸后的冲击波又很大部分会直接排向舷外。个人认为这个论断有点类似于“坦克将炮弹存放在炮塔尾部隔舱内能够增大被击中后的生存概率”，理由也差不多，无非是冲击波会经由泄压板排出云云。但实际情况真是如此吗？现代舰艇里里外外都缺少重型装甲防护，几十枚导弹在舰体中部爆炸后的效果恐怕跟在舷侧爆炸后的效果相比也没有什么本质区别。但在我看来MK57至少有一个好处是肯定的，那就是增加了布置的灵活性，提高了舰艇上武器装备的布置效率。原来MK41要占用那么大一块甲板面积，现在可以空出来布置其他设备；而原来就比较“鸡肋”的舷侧空间则得到了充分利用，这个好处是不言自明的。
道理和坦克炮塔的泻压设计有点类似，不是说靠装甲去抵御导弹的攻击，而是说当自身携带的导弹发生爆炸的时候,可以向船体外迅速释放巨大的压力，从而大大减轻对内部船体的压力，保护军舰的核心结构，如果布置在中央位置，无法设计类似的结构，只有安装在两侧船舷的位置才有可能进行类似设计。这个东西的效果就不用怀疑了，海军的实验和陆军的实战都证实了泄压板的重要性和实用性。MK57系统的最大技术难点就在于此.
MK57 采用侧舷布置的优点：1.节约占用舰体中心线的长度，因为AGS吃掉一大段，船艛与直升机甲板也跑不掉，如果VLS再用传统中心线配置，DDG1000长度就会居高不下，很难砍下来。2.安全问题，侧舷布置如果被引爆，爆炸威力也会被导向较薄的舷外，而不是一家伙全部在要害的中心线上全爆了。3.DDG1000的MK57是夹在双层船壳的中间，对整体外壳等於多了一层缓冲。
MK57置于舷侧，宣传的安全性是，如果被命中引爆，其爆炸力容易向外泄除，不容易伤害舰体。实际上，MK57置于舷侧，比置于舰体中央，更容易被命中，更容易被引爆，虽然引爆后的安全性可能好些。与此相反，MK41置于中央，不容易被命中、引爆，但被命中引爆后的安全性不好。
所以，个人感觉，这两种布置方式，就安全性来说，不见得谁更好。
倒是MK57置于舷侧后，能空中中央舰体的空间来，这个优势明显。
从上述分析可以看出，MK 57非常有针对性，几乎是完全是针对MK 41的弱点进行研制的。
但是，MK 57同样存在不足之处，比如吊装、走线、适用性等。MK 41的所有单元可以共用一套吊装设备，而MK 57因为发射单元布局比较分散，吊装过程较为复杂。MK 57需要舰艇进行特殊设计，而MK 41只需要在甲板中间预留足够的安装空间。
垂直发射系统是很复杂的一个系统，很多东西都是隐藏在甲板下的，美国的MK41尽管已经很紧凑了，但甲板下的东西还是很多的，把那么多的东西全部安装到非常狭窄的双层船体中间，并且要解决电器,消防,机械连接，数据连接,燃气排导等许多问题当然是非常困难的。
PVLS
周边垂直发射系统（PVLS）也称为舷侧垂直发射系统，设于船体周边的垂直发射系统设计是为了让出船体中央的空间；并且增加安全性避免导弹故障或弹药库爆炸的情况下沉船。本系统由分散的垂直发射舱VLS围绕着船体，发射舱有一层薄的外壳和一层厚的内壳。由于导弹舱在船外缘所以就算导弹爆炸也只有一半的威力损到船。此外本设计还能让船体受损时损失的导弹发射能力降到最低。
3 MK 57垂直发射系统发展过程及基本性能
3.1 MK 57垂直发射系统发展过程
MK 41在20世纪70年代开始研制，1978年第一次垂直试射了“标准”2导弹，发展到现在，美国除捕鲸叉之外的所有现役舰载导弹都有能够采用MK 41发射系统发射的衍生型号。
图1 MK 41垂直发射系统
3.2 MK 57垂直发射系统基本性能
表1 MK 57与MK 41性能对比
目前，MK 41垂直发射系统可以发射的导弹包括战斧RGM-109A、C BlockⅡ、D BLOCK Ⅱ/Ⅲ、E BLOCKⅣ、H BLOCKⅣ对陆攻击型巡航导弹，部分导弹参数如表1所示。
表1 MK 41可发射的部分导弹参数
MK 41垂直发射系统始终处于发展升级的过程中，目前正在对“标准”4、“标准”6、“紫苑”15、“紫苑”30导弹、“独眼巨人”光纤导弹、水面火力支援的海军战术导弹（NTACMS）、“纳尔卡”诱饵弹等武器采用MK 41发射可行性进行研究，这几种导弹的参数如表2所示。
表2 美国海军正在研究采用MK 41发射的导弹参数
基于这种优良性能，MK 41的设计方法称为各国学习的目标，比如俄罗斯就研制了一种据称性能超过MK 41的共架发射系统，从外形上明显可以看出是在仿制MK 41。
MK 41具备以下优点：
（1）具备多种作战用途
通过表1可以看出MK 41发射系统通过对多种用途的导弹的兼容性，同时具备了反潜、反舰、对陆攻击、防空、反弹道和水面火力支援等多种任务执行能力，针对各种目标的打击可以同时进行，并且各种导弹武器在射程和杀伤能力上具有互补作用。
（2）火力密度大
在XXm2的甲板空间上可以安装8个标准弹舱模块的MK 41垂直发射系统。每个标准弹舱模块具备对本模块中两枚导弹同时进行发射准备和点火发射的能力，平均发射间隔为1s。
（3）反应快
在对敌舰/敌兵力进行评估、武器选定和准备导弹的同时操纵发射装置，采用垂直发射后导弹随时处于待发姿态，与之前的旋转瞄准式发射系统相比节约了发射准备时间。
MK 41垂直发射系统的每个8隔舱发射单元具备同时准备2枚导弹的能力，这使其可以在多目标的集中、连续火力威胁下进行快速反应。
（4）战斗有效性提高
发射装置/导弹保护在甲板之下。每个导弹模块都能执行全部发射功能。不怕单个零件损坏，只有舰艇功能彻底丧失才会造成失效。有备用的火力控制系统和弹库接口。不受战斗损坏和事故的影响。定常判断隔舱内导弹的状态（跳弹、哑弹、空室）。
（5）可扩展性强
发射控制使用海军现有计算机，对未来海军改进的计算机适应性也很强。通用的数字式接口容易和新的导弹兼容。有多种类型导弹发射能力。
（6）研制和维修成本低，通过标准化设计大量减少了发射设备、保障设备和备附件的数量，同时提高了可靠性。
（7）可靠性高
MK 41垂直发射系统本身没有任何机械活动部位，结构简单，发射系统仅弹舱的盖子属于活动式，只要发射盖与飞弹运作正常即能顺利发射。由于每个弹舱都有独立的发射口，任何一个盖子失效不会影响其他发射槽的正常运作，保证了发射系统的可靠性。
（8）生存能力强
MK 41是一种高生存能力的导弹武器系统，因为导弹和相关的硬件都位于装甲甲板下，使其抗打击能力增强。冗余式的火力控制系统和发射器分界面连接方式同样提高了在受到损伤情况下的生存能力。
MK 41发射系统位于甲板下方，可以减少甲板上方的设备数量，为舰体隐身设计提供便利。
当然，MK 41垂直发射系统也有其不尽人意之处，比如吊装复杂，重新装填周期长；采用适配器占用了一定的空间和有效载重量，同时适配器的装配降低了装填速度。据报道，在海情不超过3级的情况下，实际装填速度每小时3～4个发射箱。按照这种速度给8个标准弹舱的MK 41发射系统补充弹药需要15～20小时，因此MK 41在战区重新装弹的现实性受到质疑。
4 MK 57标准化设计方法
美国的导弹研制过程统一规划很到位，各型号导弹尺寸、重量、电缆结插头形式等都较为统一。贮运发射箱的结构形状多为矩形截面，导弹一般都采用自动力发射，这些都为MK 41系统的设计提供了支持。
4.1 MK 57垂直发射系统结构标准化设计方法
MK 41垂直发射系统经过了多层次的“三化”设计。MK 41垂直发射系统由4个或8个8隔舱标准弹舱模块组成，标准弹舱根据自身尺寸通过适配器与发射架连接；每个8隔舱标准弹舱模块分为8个隔舱，每个隔舱可以安装一个发射箱；导弹通过适配器安装在发射箱内部。每个8隔舱模块中集成了电气系统和通风降温系统。每个隔舱顶部安装有一个舱盖，用于在贮存过程中保护发射箱，在发射流程开始之后需要先打开舱盖才可以发射导弹。
MK 41垂直发射系统包括8隔舱标准弹舱模块、发射箱模块、装填模块等多级模块，每级模块又包括多个系列，比如8隔舱标准弹舱模块包括“打击型”、“战术型”和“自卫型”三
种，发射箱模块包括MK13、MK14、MK15、MK21、MK22和MK25六种。每一个上级模块分别对应几个下级模块，实现了上级对下级的通用化。
“战术型”模块可以容纳长度在18.5英寸以内的导弹。
“自卫型”模块的尺寸和重量比上述两种都要小，适用于轻型巡洋舰、护卫舰、航空母舰、快速军舰等船体和甲板上的安装空间有限的舰种。
因为起重机占用了3个发射箱空间，所以MK 41安装的发射箱总数61或29。导弹的更换和储运一起进行。8隔舱标准弹舱模块MK41有“打击型”、“战术型”和“自卫型”三种标准弹舱模块，如图3所示，各种标准弹舱模块的参数如表3所示。
图2 MK 41标准弹舱模块
表3 MK 41标准弹舱模块参数
与三种标准弹舱模块配合使用的发射箱有MK13、MK14、MK15、MK21、MK22和MK25六种，各种发射箱的参数如表4所示。发射箱为导弹提供了一个密封的贮存、运输空间，并为导弹发射起到一定的导向作用。
MK 25发射箱用来发射改进型海麻雀导弹，每个MK 25占用一个隔舱，并可以装填4枚改进型海麻雀导弹，提升了火力密度。这种发射箱将用于许多需要对现役海麻雀进行更换的舰艇。
MK 25在通常只容纳一枚导弹的空间中实现了4枚改进型海麻雀导弹的贮存和发射，成为MK 41垂直发射系统中唯一的四联装的发射箱。
图2 MK 41垂直发射系统模块化连接图
MK 41发射系统中每个8隔舱标准弹舱模块采用公共燃气排导系统，每个8隔舱标准弹舱模块中的弹舱都按照两排四列的方式进行布局，在两排弹舱之间设有上气道，上气道的下端与标准弹舱的低压室相连，上端是自封闭式排气口，在导弹发射后燃气压力可以打开排气口进行排导。由贮运发射箱、排气通风室和上气道组成。如图3所示，燃气先排放到低压室，再通过上气道从燃气排放口排出。
图2 MK 41标准弹舱模块公共燃气排导系统
冷却系统
因为MK 41垂直发射系统结构布局紧凑，为了实现连续发射，需要保证发射过程燃气热量的顺利排导。
目前MK 41垂直发射系统共有13种部署形式，可以从单弹舱模块隔舱到16弹舱模块122隔舱进行不同形式组合部署，适应了不同吨位的舰艇的需求。
在导弹研制单位和导弹用户之间建立了一个通用化的发射系统，实现了导弹与发射平台之间的网络式通用关系。
（3）装填模块
装填模块占用了三个隔舱，由升降机和起重机两部分组成，并带有控制板和供配电板。其功能是向发射架装载或卸载导弹发射箱。其中升降机台面作为起重机的基座，可以在一个三级液压缸的驱动下升降。在工作时将升起将起重机举升到甲板上方，完成工作后降下将起重机回收到隔舱内。因为装填模块占用的三个隔舱是联通的，所以用于装载装填模块的8隔舱单元与其他8隔舱单元不同。
4.2 MK 57垂直发射系统控制系统标准化设计方法
MK41 垂直发射系统自从1985年最初装备部队开始，通过一系列的系统升级增加了对新型导弹的发射能力，并采用先进的商业货架产品替换了原有的硬件和软件。最新的MK41采用了一种系统程序采用C++语言格式的先进实时操作系统。
MK 41垂直发射系统可以兼容16种武器控制系统。
最新的MK 41 VLS基线Ⅶ发射控制系统集成了现有的商业技术以及开放式结构的软件原理。MK 41VLS基线Ⅶ的适应性以及开放式结构使其可以随着技术更新对客户的产品保持持续升级。
开放式的系统结构使得控制系统留有冗余接口，可以集成更多的功能，可以删除或更换部分模块。
开放式结构是基于美国海军近十年提出的“开放式结构、快速反应能力”的需求开展研究的，包括战斗系统、声纳、通信和电子战能力。
开放式结构在MK 41 VLS中的应用使其在寿命周期内能够以较低的成本不断升级以保持先进性。开放式结构系统允许海军在发射平台的寿命周期内更多、更快地安装软件以及其
他技术更新。
开放式的系统主要特点不是在于某一项功能的先进性，而是在于其系统框架搭建的开放性。
MK 41 VLS现代化的最新进展是实现了软件应用程序的可移植性，在系统的运算环境过时的情况下，可以在对整体系统影响很小的情况下进行更换。
MK 41 VLS现代化的下一步是实现软件模块化，通过对软件各个组成部分进行标准化设计，使软件应用到各种应用场合的灵活性增加。
MK 41的开放式结构通过前期的更新升级已经建立了基础框架，通过近期的努力实现了系统软件可以兼容不同的计算机处理器和操作系统，未来将致力于软件模块化和重复使用能力的提升。
5 结束语
综合本文的分析，MK 41的标准化设计方法已经成为典范，其具备可以发射跨军种导弹和跨尺寸导弹的能力，并且具有很强的可扩展性。其标准化设计方法具体体现在通用、共用、开放等特点上，使其不仅具有最先进的技术水平，同时具有最快的升级发展速度，对研制、生产、保障、作战的效率都起到了极大的提升作用。
参考文献
[11]