空射火箭,垂发里都能装些啥

  出品:科普中国军事科技前沿

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  出品:科普中国

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  作者:银翼工作室

  作者:程笑颜工作室

  策划:肖春芳

  作者:矛隼工作室

  监制:光明网科普事业部

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  制作:中新起乐军情观察室

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  2017年6月28日,中国海军新型万吨级驱逐舰首舰下水仪式举行,标志着我国驱逐舰发展迈上新台阶。新型万吨级驱逐舰由我国自主设计建造,装备新型反舰、反潜等武器,具有较强的信息感知、防空反导和对海对陆打击能力。

  “航空发动机”被称为工业皇冠,其发展需要大量投入与长期积累。我国航空发动机产业经过数十年发展,已经取得了举世瞩目的成就。推进航空发动机产业的军民融合,可以最大程度地缩短研发周期,促进创新,推动产品系列化发展。

  监制:光明网科普事业部

  有人或许会发现,火箭有的在越来越大,有的却在越来越小。大的,有重达三千吨的超级SLS太空发射系统,小的,却有只有一吨多重的小火箭也在越来越多。

  更可喜的是中国海军小步快跑的造舰习惯被打破,如今万吨驱逐舰的二号舰已经下水舾装,而南北两大船厂同时建造的这型驱逐舰竟有六艘之多。

  我国目前对航空发动机产品军转民最为成功的案例当属中国航空动力机械研究所的涡轴发动机。该研究所的涡轴-8发动机是我军直-11型2吨级直升机与直-9型4吨级直升机的动力。2012年,以直-11为基础改装而来的“AC-311”型小型民用直升机取得合格证,随后2014年,以直-9为基础发展而来的“AC-312”型小型民用直升机取得合格证。而这两款直升机均采用“涡轴-8”发动机作为动力,实现了涡轴发动机领域的军转民发展。

  209级常规潜艇(英文:Type 209 submarine),是德国的一款出口型潜艇,德国海军并没有装备。这在潜艇发展史上也是没有先例的。

  这些火箭有我国的快舟一号、长征十一号,外国的则有轨道ATK公司的飞马座火箭。这些轻小型的火箭只能将小型卫星送上太空,而且单位运送价格也不比猎鹰九号等大型火箭低。那么,大家为什么要发展这些看似鸡肋的小型火箭呢?

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  本级艇是以鱼雷为主要武器的中型攻击潜艇,分为1100、1200、1300、1400、1500五个类别。各型艇的吨位、武器设备略有差异,但技术性能大体相同。

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  首艘万吨大驱下水现场(来源:央视新闻)

  AC-312型小型民用直升机

  209型潜艇的特点主要有如下几点:一是该级潜艇战技性能先进,优于或至少不低于其他出口国家的潜艇;二是原联邦德国潜艇建造技术位于世界前列,不仅有丰富的建造经验,而且具有良好的质量信誉;三是该级艇的排水量大小适中,构成系列丰富,可供用户自由选择,满足其不同需求;四是周到的售后服务及许可证建造,交艇后可继续提供技术保障和修理服务,确保零部配件供应,并可通过转让建造许可证在所在国任何船厂建造,或提供图纸、装配件及配套设备,在所在国船厂进行组装;五是可实行技术转让,帮用户建造潜艇,包括代培接艇人员;六是武器装备与发射系统先进,其气动无泡发射系统,既能发射电动鱼雷,也能发射热动力鱼雷和潜用鱼雷;七是设计余量大,为改装升级留有余地;八是价格比较便宜。

  图为轨道ATK公司的飞马座火箭

  这艘梦幻般的战舰先后突破了大型舰艇总体设计、信息集成、总装建造等一系列关键技术,集结众多高新科技于一身,可以说是中国海军目前理想的“目标舰”,而这艘驱逐舰所装备的武器系统,除了舰面上可见的单管130mm舰炮,11管30mm近防炮和海红旗10近程防空导弹之外,其112个通用垂直发射装置中会搭载哪些导弹,就成了大家非常关注的话题,可能因为这型万吨驱逐舰承载了太多人对于先进战舰的渴望,总有些人对她抱有不切实际的幻想,这些幻想又因为中国现在发展的众多令人眼花缭乱的高新武器而似乎变得现实了,下面我们就通过公开资料来分析一下,有哪些导弹一定会,可能会,一段时间内都不会出现在她的垂直发射系统中。

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  209级常规潜艇从1968年开工建造外销以来,已成功出口到希腊、土耳其、韩国、秘鲁、巴西、印度、南非等14个国家和地区,在全球各地已生产同型艇近71艘,是西方国家中外销量最大的常规潜艇。

  首先,我们要理解发射工位的概念。工位,就是火箭能够发射的平台,火箭发射总是需要一个发射场的,但是建设一个发射场可是非常复杂的事情。以我国为例,我国有太原、西昌、酒泉、文昌四个火箭发射基地,总计工位数一共都没有几个。而且工位可不是通用的,例如长征五号这样的大型运载火箭,就只能在南方的文昌发射中心发射。

  通用垂发到底有多通用?

  涡轴-8型发动机

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  如果在战时,各大火箭发射基地显然是第一个收到攻击的目标。而且,这些发射中心可不和机场一样,挨了炸弹之后铺上钢板就能复用,航天发射是一个很精细的事情。工位一旦受到破坏,没有一年半载是没办法修复的。

  首先我们必须知道,我国海军通用垂直发射系统的“通用”程度并没有想象的那么高,因为只要可以兼容两种不同的导弹,这种垂直发射系统就算通用垂发,所以除了052C型驱逐舰发射海红旗9舰空导弹的垂发和051C型驱逐舰的RIF-M舰空导弹系统,054A型护卫舰和052D型驱逐舰的垂发系统都可以叫做通用垂发,054A型护卫舰的垂发只能装填海红旗16舰空导弹和鱼8火箭助飞鱼雷,052D的垂发只能装填海红旗9舰空导弹和鹰击18反舰导弹。

  而在涡扇发动机方面,军转民工作的急先锋则是涡扇-10太行发动机。在2017年举办的北京航展上,中国航空发动机集团展示了多款以太行发动机为基础衍生而来的民用燃气轮机,并实现了一机多型。在太行一款发动机的基础上,搞出了三款不同功率的燃气轮机。它们分别是:QD-70燃气轮机,QD-185燃气轮机以及QD-400燃气轮机。QD两个字母表示“发电用燃气轮机”,而后方的数字表示功率,太行一款核心机衍生出了7兆瓦、18.5兆瓦以及40兆瓦三款民用燃气轮机,可谓是硕果累累。而在研制过程中,为了实现QD-400型燃气轮机高达40兆瓦的功率,还创新地采用了“间冷回热”技术,通过“中冷器”降低压气机温度,进一步压缩了空气密度,增大空气流量。而在燃气轮机后部,采用了回热再生循环装置,将排出的废热循环利用,有效增加燃气效率。间冷、回热两管齐下,将基础功率18.5兆瓦的太行生生提高到40兆瓦,热效率高达42%,达到了国际领先水平。

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  图为美国当年发射土星五号的LC39A工位(来源:NASA)

  054A型护卫舰的垂发

  涡扇-10太行军用航空发动机

  另一方面,战时卫星也是第一个受到攻击的目标,我们都知道各国的反卫星武器层出不穷,为的就是在第一时间摧毁敌对卫星星座,尤其是间谍卫星、通讯卫星和中继制导卫星。因此,快速补射卫星的能力是各大国的核心战略能力。

  传说中的鹰击18改进型对陆攻击巡航导弹并未装备在052D型驱逐舰上,052D型设计定型的时候,这种新型导弹还没完成研发,另外052D型主要是任务还是中国海军急需的区域防空能力,中国海军没有像某些西方国家海军一样搞炮舰外交、战斧外交的需求,也不会像某个大国一样造不出大船只能往护卫舰甚至导弹艇上装巨大的对陆攻击巡航导弹,而且052D型驱逐舰受限于舰体等原因,64个垂发中只有前面的两组16个九米深坑是真正的共架通用垂发,如果全部用来搭载鹰击18也不算特别多,更不要说052D的64个垂发本来就有点不太够用,所以,对陆攻击巡航导弹应该是跟052D型驱逐舰无缘了。

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  但是,我们刚刚说的这些小火箭,几乎都不需要大型工位就可以发射升空。

  最接近完美的反舰导弹?

  间冷回热燃气轮机工作原理

  原因很简单,是因为其都使用的是固体燃料发动机,无需提前加注和测试流程就可升空。尤其是长征十一号,其干脆有配套的机动式发射装置,发射流程也就和弹道导弹一样,找到一块平地,起竖,装订目标轨道数据然后发射升空就可以了。

  新型万吨大型驱逐舰的冷热通用垂发系统继承自052D型驱逐舰,这也是中国海军第一种能搭载两种以上导弹的垂发,既然是继承自052D的垂发,那么新型万吨大驱一定会装备的导弹就有了海红旗9改进型舰空导弹和鹰击18A反舰导弹。2017年,由航天科工三院研制的鹰击18B潜射反舰导弹获得了国家科技进步特等奖,相关的性能和数据也有不少的分析,这里就不赘述了,鹰击18比较有意思的一点是,它在最后启动固体火箭发动机发起末端突击的时候,是没有制导的......也就是相当于一枚三马赫的鱼雷打个提前量直冲过去,在这么短的时间内敌方大型战舰根本来不及通过操舰来躲避,所有的软杀伤和干扰系统也全部失效,我没有制导你怎么干扰?只能通过近防系统和导弹硬着头皮去拦截。

  而在民转军领域,我国目前还处于初期阶段,需要做的功课还有许多,其中较为典型的案例为加拿大普拉特惠特尼公司的PT-6系列发动机在我军直-8改型直升机上的应用,我国直-8系列直升机在不断地改善中,已经发展出海军型号的直-18系列,陆军型号的直-8G以及武警使用的直-8WJ等第三代直升机。由于三代直升机对功率和高原性能的需求,早期型号直-8采用的国产涡轴-6系列发动机油耗、涡前温度、寿命以及功重比等指标不能满足直-8系列的新型号性能。为此,我国进口了加拿大的PT-6B与PT-6C涡轴,其高达1470千瓦的起飞功率可以完美适配我军的直-8改型三代直升机。算得上是取他国之长,补己之短。

  然而,美国的轨道ATK公司“飞马座”火箭的发射模式更加有趣——空射火箭!

  鹰击18被美国人称为“最接近完美的反舰导弹”,但其自身还是有一些不足的,按照我军“建造一代,设计一代,预研一代”的传统,很多人都期待见到下一代反舰导弹装备在万吨大驱上。从一些现有资料来看我军下一代反舰导弹终于跳出了俄系加强版的套路,采取临近空间高超音速的思路,可以让目前大多数舰载防空系统都失去作用,因为这种导弹发射之后就走很难拦截的临近空间“打水漂”弹道,飞到敌人头顶之后以一个通常在军舰雷达天顶盲区的刁钻角度俯冲而下,据说这种导弹已经进行了试射并有了鹰击XX的代号,想必离装备部队也不远了,但是万吨大驱第一批次定型的时候这款新型导弹还没准备好,所以在第一批次建造的大驱上暂时看不到高超音速反舰导弹的身影,不过可以期待一下这种导弹装备在后续批次建造的大驱上,到时候早期建造的大驱也可以进行改装。

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  简单的来说,就是火箭被捆绑在一架飞机上,待飞机升至高空再发射火箭。这种技术不是什么新鲜东西了,维珍宇航的白骑士+太空船就是空射火箭组合。

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  直-18舰载直升机

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  正在发射的DK10A防空导弹

  然而,国防现代化绝对离不开自主自立。为此,我国大力发展涡轴发动机工业。终于在2016年的珠海航展上,展出了我国自主研制的1600千瓦涡轴发动机,实现了对外国产品地超越,其更强劲的性能,可使我军直-8改进型直升机实现更强的运载能力与高原性能。

  图为维珍航天白骑士二号

  神龙见首不见尾的“一坑四弹”

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  相比于凝聚着大国工业技术的快速发射固态运载火箭,小得多的多的空射火箭的技术难度也要低得多。此外,固态运载火箭通常被和弹道导弹联想到一起,而空射火箭则不会。这使得很多小国更青睐自研或者进口空射火箭来发射本国的火箭。

  再说说万吨大驱上装备的防空导弹,官方报道中提到了“防空反导”能力,这使得有人联想到了中国正在发展的反导导弹,也就是传说中的红旗19和红旗26,期盼能有像标准3那样的专业反导导弹上舰,但其实这是错误的理解了官方说的“反导”,因为舰上可以用于反导的武器很多,从远程的海红旗9舰空导弹到近程的海红旗10和1130近防炮,就连130mm主炮都有一定的反导能力,专业反导导弹上舰,目前还是看不到什么希望的。

  1600KW级涡轴发动机

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  除了没戏的反导导弹和板上钉钉的海红旗9改进型远程防空导弹,另一种装载在垂发里的防空导弹更吸引人们的眼球。据了解,万吨大驱上将会装备一种“新型中程舰空导弹”,目前我国海军装在垂发里的中程舰空导弹只有海红旗16,而万吨大驱很明显没必要浪费宝贵的垂发坑位来装载已经大批装备在054A护卫舰上的海红旗16,那么这种神秘的导弹就是大家期待已久的“一坑四弹”新型中程舰空导弹了,虽然这种导弹从未露面,但我们可以从两种曾经出现在航展上的外贸导弹来一窥究竟,这就是DK10A防空导弹和FM3000防空导弹。

  而在民用大涵道比涡扇发动机领域,我国奋起直追,已经研制有国际先进水平的CJ-1000A型发动机,未来将作为国产大飞机C-919的动力。CJ-1000A型发动机涵道比高达9一级,采用大曲率、超宽弦风扇设计,拥有高涡前温度、陶瓷基涡轮叶片、整体叶盘与复合材料机匣等多项先进技术。其性能指标基本与CFM集团的LEAP-1X系列以及普惠集团的PW-1000系列发动机在同一代。如此优异的发动机,完全可以实现军民融合应用。考虑到我军运-20大型运输机目前还在采用涵道比仅有2.4的老式D-30KP2/涡扇-18发动机,而正在测试的涡扇-20发动机也只是13吨级的国际三代产品。因此,拥有国际四代水平的CJ-1000A发动机如果能够实现民转军,将会极大地提升运-20的起降距离、运载能力等多方面性能。

  图为B52火箭发射的飞马座空射火箭

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  从技术上说,空射运载火箭的好处在于三点,第一点是使用了飞机的动能和高度,可以大大的节约火箭燃料。第二点与小型固态火箭相似,可以机动发射,而且挂着火箭的飞机可以转场到全球的任何一个位置。第三点则是其在发射时拥有更灵活的发射窗口期——机动灵活的发射载机甚至可以追着发射窗口飞行。

  航展上的FM3000防空导弹(来源:人民网)

  运-20大型运输机

  不过,空射火箭的运载能力只能用千克来计算,这导致其在战时也只能用于发射通讯或中继卫星,而不能像固体运载火箭一样补射摄像卫星。

  这两种导弹一个是由SD10空空导弹改进而来,一个是源自红旗17防空导弹,都是成熟度比较高的产品,也都有在通用垂发上实现“一坑四弹”的潜力,到底哪种导弹能装备在万吨大驱上还不得而知,但是还有另外一种情况,就是新型中程舰空导弹的竞争已经尘埃落定,这两种外贸导弹,是竞争的失败者,这种情况在舰载近防导弹上已经出现过,出口的FL3000和自用的海红旗10就是内部竞争关系。由于垂发里的导弹的特殊性,官方不发图我们几乎永远也看不到导弹的真容,曾经鹰击18反舰导弹和鱼8火箭助飞鱼雷最初的清晰照片都是来自官方发布,所以我们只能期待早日看到新型中程防空导弹从大驱的垂发里腾空而起的场景了。

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  对于民用来说,空射火箭作为一种超小型火箭,很适合发射高校用小卫星或者立方星。

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  CJ-1000A大涵道比涡扇发动机

  当前,随着计算机技术、遥测技术和天地通讯技术的发展,立方星的意义越来越大,凭借仅仅十几厘米的体型,却能完成以前需要大型卫星才能完成的任务。在此之前,立方星的发射通常要搭上大型运载火箭的顺风车。然而大型运载火箭往往需要首先顾及自己搭载的大型卫星,这就导致了立方星很难找到合适自己预定轨道的顺风车。

  正在发射的鱼8火箭助飞鱼雷(来源:国防部网)

  通过军民融合,对我国航空发动机领域实现盘活存量资源、促进创新发展有着巨大的推进作用。可有效提升我国航发研制效率、促进军工产业升级。(本文图片来自网络)

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  说到鱼8火箭助飞鱼雷,这是万吨大驱武器配备上又一个有争议的点,根据现有消息,这种跟阿斯洛克反潜导弹类似的武器似乎只装备给了054A型护卫舰,笔者认为把这种比冷热通用垂发“小一号”的火箭助飞鱼雷装在万吨大驱上没有什么技术上的难度,首批次建造的万吨大驱有可能真的跟052D驱逐舰一样没有配备鱼8,其中原因有可能是定型设计时的时间冲突,也有可能是鱼8这种武器主要是为了弥补054A护卫舰航空反潜力量弱的缺点,而万吨大驱和052D改进型驱逐舰都将装备海军型直20反潜直升机,单机就能完成直9双机的搜潜和反潜任务,当然这只是个人的一点猜测,最后到底会不会装备,还是看海军的实际需求。

  图为立方星示意图

  现在的小型运载火箭就恰好满足这个需求了。高校和科研团体可以用较低的价格,包下整个运载火箭,对于科研的发展来说是非常有意义的。

  这些小个头的运载火箭,尤其是空射火箭虽然在媒体面前出场率远远低于那些超级运载火箭,但是其在战争情况下对于国家整体的国防安全作用却是不可缺失的重要一环。而在本世纪,满足了不断发展的近地空间科研需求,可以说是大国重器之一了。(本文图片来自网络)

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