复合材料发射箱技术

复合材料发射箱技术

李海龙

摘要：本文描述了贮运发射箱的发展历史、国内现状以及与国外先进技术的比较，介绍了发射箱的基本结构和主要设计问题，阐述了纤维增强复合材料技术在发射箱上的应用，同时对于结构设计和材料选型做出了一些相应的分析工作，并对复合材料发射箱进行了卖点分析及客户分析等相关内容。

关键词：发展历史应用现状复合材料发射箱技术卖点分析客户锁定

1、发射箱的发展历史

法国70年代初开始研制的飞鱼系列导弹及其箱式发射装置使箱式发射技术的发展进入了新的阶段。导弹出厂前就装入发射箱内，五年之内不必检修。与飞鱼系列舰对舰导弹差不多同期出现的奥托马特、捕鲸叉、“企鹅”和“加伯烈”等导弹也都采用了专用的贮运发射箱式发射装置。贮运发射箱顾名思义是平时可用于导弹的贮存和运输，战时可用于发射导弹。采用贮运发射箱式发射装置的优点是：由于导弹在箱内得到良好的环境保护，减少了检查和维修程序．延长了导弹使用寿命，提高了导弹的可靠性。因导弹在舰上一直处于贮运发射箱中，省掉了装弹过程，缩短了发射准备时间，故提高了导弹武器系统的应急反应能力。贮运发射箱比另搞一套包装箱费用并不多，加上前述优点带来的导弹性能的提高，使整个导弹武器系统的经济效益明显提高。由于贮运发射箱式发射装置有上述优点，80年代以后出现的飞航式反舰导弹，使得箱式发射技术得到更为广泛的利用，其中包括飞航导弹水下发射和舰载导弹垂直发射技术。美国自1982年开始装备战斧巡航导弹，通用动力公司为其研制了专用的水下和水面发射容器，使之能从潜艇、舰艇和车辆上进行水下、水面和地面上发射，体现了箱式发射技术的当代最高水平。

箱式发射技术因其能够有效的提高导弹武器系统的贮存可靠性、具有全天候适应能力以及战场快速反应能力等优点，被当今各种路基和舰载先进导弹武器系统所采用。

2、发射箱国内外应用现状

在国内，发射装置的设计普遍采用传统设计方法，设计者往往是根据设计要求和实践经验，参考类似发射箱结构，通过判断去创造设计方案，然后进行强度、刚度、稳定性等各方面的计算校核，以证实设计方案的可行性。这是一种人工试凑和定性分析比较的过程，主要的工作是发射箱性能的重复分析，缺乏集成优化，既要花费大量的时间，最终得到的设计方案又往往不是最优的方案，因此发射箱的质量通常都比较大。箱式发射技术未来的主要发展趋势之一就是发射箱的小型化、轻量化，从有关文献资料来看，当前国内外用于制造发射箱的材料仍然以金属材料为主，尤其采用铝合金等轻合金材料最多，特别是很多大型导弹发射装置基本上均采用了金属材料。金属材料焊接结构发射箱虽然具有强度高的优

点，但也存在着重量大、耐腐蚀性差、焊接以易变形、设计自由度不高等缺点。在导弹箱式发射技术中，国外已经做到了发射箱的轻型化和小型化，美国和俄罗斯的弹箱质量比一般可以达到3：1左右，处于世界先进水平，由此看来国内与国外差距非常明显。

3、复合材料发射箱技术

3.1、发射箱的基本结构

发射箱的形状多种多样，有长方形、圆柱形和菱形等。但不管采用哪一种形状，大都包括箱体、箱盖、定向器、发射和检控仪表以及后勤支援设备等部分。每一部分则又可按表1列出的各个细部构成。发射箱(筒)以单个或联装的方式组成一套箱式发射装置。

3.1.1、标准导弹用的Mkl3贮运发射箱

Mkl3贮运发射箱系长方形，尺寸为584cm×63．5cm×63．5cm，内装长447cm、直径340mm 的标准导弹。导弹密封在箱里，上舰时吊装到弹库．在舰上一般不再作任何处理。图1是Mkl3贮运发射箱的结构，该箱前有穿通盖，后有吹除盖。箱内左右两侧各有一条翼轨，对标准导弹折叠的尾翼起保持作用。箱内另外两侧有发射导轨。导轨上有安全和解除保险机构。发射箱在弹库中是竖立放置，在其中部有一喷水El，它与外部喷水冷却阀门相连。一旦箱内导弹弹头过热，或发动机发生意外苣火，可迅速打开喷水冷却阀门，喷水冷却。导弹发射前，通过脱落插头由舰上电源给导弹供电，进行射前检查。发射箱另外还有防震减震装置、密封装置、干燥剂盒等。这是一种典型的舰用贮运发射箱，其它型号导弹贮运发射箱，个别细部可能不一样，但基本组成是相似的。

图1.Mkl3贮运发射箱的结构

3.1.2、海长矛反潜导弹用水下发射箱

海长矛类似萨布洛克．但投掷距离更远。其水下发射方式与潜射捕鲸叉相同，容器靠浮力爬升到水面，出水时导弹与容器分离。由于导弹装备在潜艇上，容器要能忍受贮存、运输和处理中遇到的冲击和震动载荷．要忍受发射深度上的流体静压和鱼雷管发射时的超压，因此虽后选择的容器是一种用复合材料制成的低密度高强度运载器。容器长6.1m，直径53.1cm，外形如图2所示，由带有加强件的圆筒、前后导向器支撑螺栓、横向减震密封装置、纵向减震器、前后端盖等部分组成。

图2.海长矛水下发射箱

3.2、发射箱的主要设计问题

随着纤维增强复合材料技术的不断发展，国外开展了大量复合材料贮运发射箱（筒）的研究工作，并获得了成功应用。箱体是发射箱的主要组成部分，担承着容装导弹、安装定向器及主承力结构作用，采用纤维增强复合材料制造发射箱箱体，可以很好的解决金属结构箱体存在的重量大、焊接变形、易锈蚀等诸多问题。箱盖是导弹发射系统中非常重要的组成部分，在平常贮存时，箱盖保证了整

个发射箱的密封，一方面阻止了箱内惰性气体的外泄，另一方面也起到了保护导弹的作用。在导弹发射时，需要箱盖能够及时地打开并释放出一定范围的空间通道令导弹能够顺利的通过。传统的机械打开盖与爆破盖有质量重、打开反应时间慢和维修费用高等缺陷，鉴于复合材料轻质高强、抗腐蚀等优点，采用复合材料发射箱盖代替传统发射箱盖的趋势不可避免。

3.2.1 、发射箱箱体设计

3.2.1.1、箱体功能及基本要求

I.箱体的主要功能

(1)安装发射梁；

(2)安装发射箱电气设备；

(3)安装仪表；

(4)为导弹提供机械保护，使导弹免受机械损伤；

(5)为导弹提供干燥气体或惰性气体保护，使导弹免受湿热、盐雾、霉菌的腐蚀；

(6)为导弹提供温度保护，使导弹免受高温、严寒、雨雪和风沙等恶劣环境影响。II.箱体的基本要求

(1)箱体直具有一定的强度、刚度，满足在运输和发射状态下各种载荷的作用；

(2)保证导弹顺利离轨，悬挂式导弹箱体留有足够的下沉量空间，支撑式导弹箱体留有足够的上升量空间，同时还应留有足够的侧偏量空间；

(3)箱体具有密封性能，可以充干燥空气或情眭气体，保护导弹不受腐蚀；

(4)箱体具有防射频性能；

(5)箱体具有隔热性能；

(6)箱体应便于抬起、起吊和支承；

(7)箱体应有操作窗口，以便于导弹的锁定、电气连接和机械引信的装定等；

(8)箱体应设有安装仪表的接口；

(9)箱体应设有电气转接接口；

(10)箱体结构应能适应多联装要求；

(11)在满足J性能的隋况下，结构要简单、紧凑、重量轻；

(12)开盖迅速、方便、安全、可靠;

(13)工艺性、可维修性、经济性好，美观。

3.2.1.2、箱体的类型及特点

箱体的结构，一般来说都是根据导弹的外形特征和使用要求而设计的，其类型有几种划分方法：(1)按结构形式可分为长方形箱体、圆柱形箱体和菱形箱体；

(2)按弹翼状态可分为折叠弹翼箱体和非折叠弹翼箱体；(3)按承力方式可分为内筒承力箱体和外筒承力箱体；(4)按材料可分为铝合金箱体和玻璃钢箱体。

目前广泛使用的箱体形式多是圆柱形和长方形。圆柱形箱体结构简单，箱体截面尺寸小，重量轻。长方形箱体在多联装时，结构紧凑，占用空间小，便于联装。折叠弹翼式箱体可以大大减少箱体截面尺寸和质量，从而成倍增加舰上载弹数量。但是，截面尺寸小，导弹的高温高速燃气流对箱体内壁作用力加大，冲刷烧蚀严重，因此多采用内筒承力结构箱体。

发射箱箱体主要由蒙皮、发射梁、导轨、纵向加强筋和加强框等组成，其中蒙皮、加强筋和加强框可以大量用到纤维增强复合材料，对于复合材料薄壁箱体，要满足具备良好的潮气阻隔性和电磁屏蔽性能要求，必须充分注重其结构、功能一体化铺层设计，在箱体中间引入复合型阻隔屏蔽层，内壁喷涂高温耐高温腐蚀

层，铺层设计如下图：

图3.复合材料薄壁箱体铺层设计

材料选型设计：

（1）选用材料应具备良好的综合机械力学性能，在充分满足刚度强度要求的条件下力求轻量化；

（2）材料选用应充分考虑环境适应性、耐候性和相容性，满足系统规定的贮存和环境适应条件；

（3）所选材料要具有良好的成型工艺性，确保成型构件质量的稳定性和可靠性；应尽可能选用成熟稳定、有可靠供货来源的材料，同时兼顾其经济性。

材料体系选用：

制造发射箱箱体的材料可选用不锈钢、铝合金、玻璃钢复合材料等。为箱体

轻量化考虑，采用纤维增强热固性树脂基复合材料制造箱体。

类，增强纤维主要有玻璃纤维、硼纤维、碳纤维及高强聚合纤维等。对比分析环氧树脂、不饱和聚酯树脂以及酚醛树脂等热固性基体树脂的物理化学特性，环氧树脂强度高、酚醛树脂耐高温性好，但均存在工艺性差的缺点，不饱和聚酯树脂工艺性好，但其机械力学性能不高。综合考虑材料性能、工艺性以及经济成本等方面的因素，选用环氧乙烯基酯类树脂做基体树脂，玻璃纤维作为增强材料。

环氧乙烯基酯类树脂兼具环氧树脂强度高和不饱和聚酯树脂工艺性好的特点，用环氧乙烯基酯做树脂、玻璃纤维做增强材料制造的纤维增强复合材料具有优良的综合机械力学性能、良好的耐高温性和耐候性以及较高的尺寸稳定性。玻

璃纤维增强环氧乙烯基酯树脂复合材料的机械力学性能参数如下：

导弹发射箱盖的作用是：导弹正常贮存时保护弹头避免受到外界损伤并防止发射箱内的惰性气体外泄，导弹发射时箱盖能够及时打开不影响导弹正常发射， 由于传统的发射箱盖常采用机械打开盖或爆破盖这两种形式的盖体不同程度上都具有打开反应时间慢、质量大和维修费用高等缺点不利于导弹部队快速作战要求。鉴于复合材料轻质高强和可设计性强等特点，复合材料发射箱盖正在逐渐代替传统发射箱盖，而利用发动机喷出的燃气流造成压力实现自动开盖的开盖方式凭借其高效、可靠和安全的优点被大规模推广应用。

现阶段国内复合材料发射箱盖结构设计的重点主要在于使其满足保压性能与整体冲破性能这两个相互矛盾的性能要求，为此国内学者针对导弹的开盖过程进行了大量的分析工作。结构设计方案关键在于保证箱盖承压性能的前提下，令周圈受力不均匀的盖体尽早实现整体分离，为达到该目标拟对箱盖结构采用两种细节设计方案缩短分离时间：(1)调节周圈薄弱区强度，使各薄弱区域强度有差异，应力集中处强度略高于其他薄弱区域的强度，令各区域薄弱区破坏时间相对一致；(2)增加箱盖本体抗弯刚度，加快薄弱区破坏裂痕的扩展速度。

通过复合材料胶接的形式在侧边拐角处预置薄弱区，可通过调节薄弱区结构参数控制其强度，经实验验证，该种薄弱区连接形式能够有效且定地控制箱盖冲破压力。针对纯粹的复合材料层合板，加大板材厚度即可达到增加抗弯刚度的目的。但是对于尺寸较大的发射箱，加厚材料也将大幅度地增加箱盖的重量，难以体现复合材料发射箱盖轻质化的性能优势。 因此，将箱盖抛出部分设计为复合材料泡沫夹层结构，夹层结构特点是抗弯刚度较高，能够在最小质量下达到刚性结构件的要求，箱盖以高模量、高强度的复合材料层合板作为夹层结构的上下面板承担弯曲载荷，利用比重较轻的泡沫作 为芯子部分起支撑面板和抗剪的作用，为保证外压作用下箱盖结构不受损伤，将箱盖整体设计帽型如图4所示：

图4.发射箱盖整体结构示意图

复合材料设计：

箱盖材料选择玻璃纤维增强/环氧乙烯基酯树脂复合材料和聚氨酯泡沫，增强织物为双向高强纤维布,纱线交织较为密集,保证了箱盖的气密性能,表4给出了经复合材料细观力学方法进行等效预测后该种正交单层板的力学性能参数，表中E1和E2分别为单层板1方向和2方向上的弹性模量,u21为单层板单独在1方向受力时的泊松比,G12和S 分别为单层板在1-2平面内的剪切弹性模量和剪切强度，Xt 和Xc 分别为单层板在1、2方向上的拉伸强度和压缩强度。

复合材料层合板 泡沫夹芯结构 薄

弱

结

构

为满足轻质化要求，在满足夹层结构上下面板强度要求的前提下，尽可能地减少面板铺层，通过调整泡沫厚度来控制盖体抗弯刚度。为保证箱盖平面各方向性能一致，上下面板采用准各向同性铺层方式，箱盖承压时，夹层结构面板应力与其刚度呈递减关系。

4、卖点分析

4.1卖点一

选择环氧乙烯基酯类树脂兼具环氧树脂强度高和不饱和聚酯树脂工艺性好的特点，用环氧乙烯基酯做树脂、玻璃纤维做增强材料制造的纤维增强复合材料既具有优良的综合机械力学性能，又具有良好的耐高温性和耐候性以及较高的尺寸稳定性。

4.2卖点二

采用纤维增强复合材料制造发射箱箱体，可以很好的解决金属结构箱体存在的重量大、焊接变形、易锈蚀等诸多问题。

4.3卖点三

在导弹发射时，传统的机械打开盖与爆破盖有重量大、打开反应时间慢和维修费用高等缺陷，鉴于复合材料轻质高强、抗腐蚀等优点，采用复合材料发射箱盖代替传统发射箱盖可以解决这些问题。

4.4卖点四

采用复合材料制造发射箱，可以将结构做得非常简单、紧凑，使弹箱质量比远小于1，同时提高了导弹贮存和运输效率，相比金属材料有更高的设计自由度。

5、客户锁定

发射箱是贮运发射箱的简称，它具有贮存、运输和发射三种功能。箱式发射具有许多优点：导弹在箱内处于良好的环境状态，减少了检查和维护程序，延长了使用寿命，提高了导弹的可靠性；导弹一直在发射箱内，处于随时待命状态，作战时省去了装弹时间，缩短了发射准备时间，提高了导弹武器的应急反映能力。复合材料发射箱比传统金属材料具有更轻、更灵活、耐腐蚀等多种优越的性能，所以凡是有关研制舰舰、舰空和地空导弹的军工单位都是必然客户，潜在客户涉及航空、航天、航海、兵器等领域，下面列出的是部分单位名称：201所中国北方车辆研究所

208所:中国兵器装备研究院

612所:中国空空导弹研究院

航天科技一院:运载火箭技术研究院

航天科技八院:运载火箭、导弹、飞船

航天科工二院:地空导弹研究院

航天科工三院:飞航导弹研究院

航天科工四院:运载技术研究院

……

6、发射箱未来发展趋势

6.1、小型化和轻量化

飞鱼导弹是一个包括舰对舰、空对舰和潜对舰的导弹系列，基型飞鱼MM3B 可从包括气垫船和水翼艇在内的各种排水量的水面舰船上的贮运发射箱中发射。发射箱用不锈钢板制成，长5440mm，宽1l 36mm，高1l 76ram，净重l01 5kg。弹翼在箱中为展开式，故贮运发射箱的体积较大。飞鱼MM40射程70kin，可从水面舰船和地面机动车辆上发射，其贮运发射箱为圆筒式，采用折叠翼，所以MM40的贮运发射箱的体积较小，长6280ram，直径65ram，原来放一枚飞鱼MM38的地方，可放4枚飞鱼MM40。由于MM40贮运发射箱用玻璃制成，所以质量较轻390kg，比MM 38钢质贮运发射箱约轻三分之二。潜射飞鱼SM39由空射飞鱼AM39改进而来一射程56km，也因采用折叠翼，运载器做得小一些。为了能从标准的533mm鱼雷管中发射，其直径不得超过533mm，比MM40的贮运发射箱还要小。为了忍受水下高压，运载器通常用不锈钢制成，质量700kg，比MM 38的贮运发射箱也轻得多。

综上所述，贮运发射箱小型化和轻量化的途径是采用折叠翼，减小导弹与贮运发射箱(筒)壁之间的间隙（即小间隙发射箱)并充分利用轻质和非金属复合材料。

6.2、标准化和通用化

贮运发射箱的标准化是指一种或几种导弹可用一种标准的发射箱。发射箱的标准化，可降低其生产成本并有利于通用。例如在Mk41垂直发射系统中，有三种标准的波纹板结构的贮运发射箱：Mkl3，Mkl4和Mkl5。Mkl3和Mkl5尺寸相同，可装标准导弹和阿斯洛克反潜导弹。Mkl4较长一可装战斧巡航导弹。Mkt3和Mkl5加装适配器后，可与Mkl4一起装入Mk41垂直发射系统的格模块中．每个模块可容纳8个不同灶型的标准贮运发射箱此外在尺寸相同的Mkl3和Mkl5贮运发射箱中，还可改装捕鲸叉反舰导弹。战斧导弹发射筒不仅能用在Mk143舰载装甲箱式发射装置中，也能用在Mk41垂直发射系统和车载装甲箱式发射装置中。在Mk41垂直发射系统中，战斧导弹随其贮运发射筒一起装入Mkl4标准贮运发射箱中，实现通用。在有的反舰导弹设计中，事先考虑可用多种箱式发射装置进行发射。捕鲸叉导弹就是其中一例，除了为其设计专用四联装发射筒外，它还可利用Mkl12阿斯洛克的八联装箱式发射装置进行发射。发射箱的标准化和通用化在多数国家还表现得不甚明显，但随着飞航导弹在各个国家更为广泛的发展和使用，可能成为一种发展趋势。

6.3、多联装和模组化

飞航导弹已很少采用单箱发射装置，一般是多联装箱式发射装置例如飞鱼MM40可安装到双联、三联、四联、六联箱式发射装置上。由于多联装箱式发射装置比其分散的单箱发射装置占据空间小，减少了重复设备，便于维修，又增强了火力，因此得到广泛的应用。例如，Mk41垂直发射系统就是由若干八格模件组成。每个格模件包含8个贮运发射箱，容纳8枚导弹。一个典型的Mk41系统由4个或8个8格模件组成，可分别容纳29枚或61枚导弹，其中容纳3枚导弹的部位让位给了导弹吊装设备。