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標題: VLS艦載垂直發射系統 [打印本頁]

作者: buyman 時間: 2010-7-18 09:25 標題: VLS艦載垂直發射系統

艦載垂直發射系統（Vertical Launching System, VLS）為一種用在潛艇和某些水面艦隻上的飛彈發射系統，最早產生於彈道飛彈的發射系統。

艦載垂直發射系統（Vertical Launching System, VLS）為一種用在潛艇和某些水面艦隻上的飛彈發射系統

美國USS McCampbell(DDG-85)號的垂直發射器正在裝填

冷發射VS熱發射
蘇聯式VLS與西方另一大不同就是採用「冷發射」模式，也就是以高壓氣體裝置將飛彈彈出彈艙，接著才點燃飛彈的推進器；而西方MK-41、MK-48、Sylver等等都是「熱發射」，飛彈在發射管內直接點燃發動機，靠著本身動力衝出發射管。

冷發射又稱為「外動力彈射」，即飛彈發射的動力並非由彈體本身提供。

蘇聯冷射式VLS的氣體彈射裝置位於發射管底部，係利用裝藥的力量推動連桿將飛彈拋出發射筒；當彈射裝置接收到發射指令時，遂引燃主裝藥，使燃氣產生裝置內的氣壓急速上升，突破裝置內的噴嘴堵片，灌入活塞筒，當活塞筒內壓力累積一定值之後，飛彈與發射筒的連結裝置便脫鎖，活塞將迅速推動一根連桿，把飛彈拋出發射筒，飛彈在射出發射筒一段距離後才將發動機引燃。

美國MK41（上圖）的熱發射和俄羅斯SA-N-9（下圖）的冷發射

冷發射的優點是安全，因為它能夠有效地將有問題的導彈射離艦艇以策萬全。此外，由於導彈於離開發射管後才點燃引擎，因此冷發射系統不用承受點燃導彈所產生的高熱火焰，對導彈氣動外形改動較小，有利於保證導彈的飛行性能，並令該系統的使用周期較長。可是，相較於熱發射系統，冷發射系統的效率較低。

熱垂發的技術難題在於飛彈點火時會在管內產生大量高溫高壓且帶有劇毒的熱焰，因此無論是飛彈與發射器在設計上都必須考慮到承受這樣的溫壓和腐蝕性，發射器還必須安裝排氣系統以排除飛彈在發射槽內噴出的熱焰；而冷發射則無此難題，至多僅需在發射管設置洩壓排氣孔，以防燃氣產生裝置意外走火，因此結構簡單得多，發射器壽命較長。

冷發射的發射筒在使用後，只需經過適當維修並更換燃氣彈射裝置，便可重複使用數次，而且飛彈本身不需要經過特別的耐溫壓強化處理；反觀熱垂發的飛彈儲存箱，屬於只能使用一次的消耗品。

此外，熱垂發會將大量熱氣留在彈艙內，排氣系統需要一陣子才能完全將其排除，在這段期間將增加船艦的整體紅外線訊號；而冷垂發就沒有此種問題。例如瑞典第二批偉士比級巡邏艦就是基於這個原因捨棄熱發射的美製ESSM，而採用自製的Rb-23冷射式垂直發射防空飛彈系統。

熱發射系統的優點是效率較高，它能夠節省發射系統的體積和重量、並降低其維護成本。

在安全性方面，熱發射系統比冷發射系統略遜一籌，因系統本身並無動力將有問題的導彈射出，當出現卡彈或其他的狀況時，難以排除。

圖為德國IRIS-T SL垂直發射系統

在飛彈性能方面，冷垂發飛彈係由外部動力將彈體彈射出發射管，發動機點火時飛彈已經有一定的向上初速；然而熱垂發飛彈從靜止到升空都需以自身發動機自食其力，消耗更多燃料，因此在相同推進藥量的前提下，冷垂發飛彈的射程將高於熱垂發飛彈，因此熱垂發飛彈通常在彈體後段再追加一截加力器，專門提供初階段爬升、轉向的動力。

在彈種相容性方面，熱垂發需考慮排氣系統是否能負荷飛彈尾焰的問題，因此發射系統的原始設計就必須與飛彈的推進器匹配；而冷垂發在這方面則只取決於氣體彈射裝置的出力，故理論上冷垂發的彈種兼容性要優於熱發射式（然而美國MK-41與各類配套彈種擁有良好規劃，反而使其成為目前彈種相容性最好的垂直發射系統）。

在飛彈的控制方面，冷垂發面臨比熱垂發更複雜艱難的問題。VLS相較於傳統發射器的一大技術挑戰，就是飛彈從升空到轉向目標前進的初始座標轉換問題。雖然非垂直發射的飛彈在發射之初同樣要面臨座標轉換問題，但由於發射器一開始就會將飛彈朝向目標方位，因此飛彈一加速就能遠離艦體，即便座標轉換失敗，最慘的下場也只有落海而已；而非垂直發射飛彈在發射前就指向目標，因此發射初期能迅速加速到讓慣性導航系統生效並取得座標的速度，其間也不需要大幅度轉向，因此剩下的技術議題就只有限制發射器俯角（讓飛彈在墜海前有足夠的時間取得初始座標並修正彈道），以及考慮發射時的風力、海象限制以及最低攔截高度等問題（各類防空飛彈的發射角度限制與最低攔截高度問題，多半起因於飛彈初始座標轉換階段的安全限制）。

然而垂直發射飛彈的升空方向並非目標方向，加上發射階段重力方向正好與飛彈飛行方向完全相反，意味著飛彈的導航裝置必須在速度不高的發射初期階段就展開工作，帶飛彈轉向目標並開始有效控制；此外，飛彈從VLS升空後數秒之內，都處在對發射艦有威脅的範圍；一旦有閃失，飛彈就會墜落在軍艦甲板上。

對於冷垂發而言，這種考驗更為嚴峻；冷發射飛彈只靠發射器提供的初始推力彈射升空，而非穩定的持續推力，就像一枚超低速的無動力砲彈；一般砲彈由於初速很高，尚能藉由自旋或翼穩來迅速穩定，然而冷垂發不可能提供飛彈這麼大的初速，飛彈彈出之際又沒有自己的持續推力，使其處於非常不穩定的狀態，這使飛彈的慣性導航系統很難獲得持續而穩定的速度輸入，自然難以取得初始座標並穩住彈體；就算導航系統開始取得座標，也很難控制一枚還沒點火的飛彈的姿態（彈射後的飛彈受重力牽引，速度只會越來越慢，自然不可能讓控制舵面生效）。

以下影片有些許片段是「冷發射」模式，也就是以高壓氣體裝置將飛彈彈出彈艙，接著才點燃飛彈的推進器..

冷垂發無法保證飛彈彈出之際的穩定性（可能一彈出就開始滾轉）每一枚飛彈升空的姿態都不同，在受到艦體搖晃或外在風力影響時猶如雪上加霜，飛彈一升空就失控的風險比熱垂發高得多，輕則導致飛彈失效墜海，重則砸回軍艦甲板引爆，釀成巨災（為此，蘇聯式冷射VLS在安裝時刻意朝舷外傾斜五度，使飛彈以些微的角度發射，即便點火失敗也會落入海裡，而不是摔回甲板）。

反觀熱垂發的飛彈一開始就是穩定地依賴本身的推力升空，並能持續加速，因此整個轉向控制單純得多，免除許多無法掌握的變數，而且發射時比較不受外界風力或艦體搖晃的影響；只要飛彈加速到舵面生效、導航系統開始工作之後，就可以有效控制；萬一飛彈推進系統故障，飛彈也只會點火失敗而停留在發射器內。此外，冷射式VLS在彈射階段會對飛彈彈體造成很大的瞬間負荷（動輒數十G），因此雖然不需要耐熱處理，但仍必須經過某種形式的強化。

因此，西方絕大多數艦多使用熱發射系統VLS，寧可花力氣增加艦體與飛彈耐熱工程考驗並犧牲發射器壽命和飛彈的低空性能包絡，也不願意去挑戰難以控制且容易失敗的冷發射方式。而俄羅斯及中華人民共和國則擁有冷發射系統。

我中科院在幾次公開說明劍二已解決關鍵VLS導引技術， VLS還是傾向於冷射..屆時我偉大的中華民國成為世界第四個自力研發垂直冷發射系統成功的國家，多麼令人驕傲...........

以下列舉各國較有名的艦載垂直發射系統..

美國Mk41

Mk41為美國現役艦艇所使用的垂直發射系統。它能夠搭載多種不同類型的導彈，包括進化型海麻雀（RIM-162 Evolved Sea Sparrow Missile，ESSM）短程對空防禦導彈、標準二型中程防空導彈、標準三型防空飛彈、阿斯洛克反潛導彈、以及戰斧巡弋飛彈。

美國Ticonderoga級神盾巡洋艦Shiloh夏洛 (CG 67) 發射戰斧巡弋飛彈.

Mk41為美軍用於取代老式Armored Box Launcher、Mk13、Mk10、Mk11、及Mk26的多用途發射系統。

MK-41垂直發射系統是目前全球公認性能最佳、最好用的艦載飛彈發射系統，也是目前使用最廣的艦載垂直發射系統。

MK-41系列使用多種不同的發射箱(Canister)來裝填每一種飛彈，目前有六種發射箱(意味著能裝填六種不同的飛彈)，包括：MK-13(SM-2MR)、MK-14(戰斧巡航飛彈)、MK-15(VLA)、MK-21(SM-2ER)、MK-22(現役RIM-7M/P垂直發射型海麻雀)、MK-25一分為四型(Quad Pack)(裝填四枚海麻雀ESSM)。

除了美國之外，MK-41 VLS也廣泛被擁有神盾戰鬥系統的艦艇的國家採用，其他非神盾系統使用國有澳洲、加拿大、德國、新西蘭、荷蘭、以色列、和土耳其。

Ticonderoga級神盾巡洋艦--CG67 Shiloh夏洛號正發射戰斧式巡航導彈(Tomahawk cruise missle)攻擊陸地目標..

Mk57
Mk57垂直發射系統是雷神（Raytheon）公司和BAE系統（BAE system）公司為DDG-1000朱瓦特（Zumwalt）級驅逐艦及其他發展中艦艇所開發的垂直發射系統。與Mk41相較，Mk57採取開放式架構，當艦艇換用新飛彈硬體時，不必同步更新發射器的硬體或軟體，只需安裝新飛彈的控制和軟體的介面。透過降低發射器的軟硬體更新需求、飛彈和發射器之間的不相容性，以及整檢時檢測項目的最少化，達到發射系統與搭載艦艇的最佳戰鬥效率和最佳壽期操作維護成本。

有鑑於未來可能安裝更大更重的飛彈，Mk57在設計時即已在發射器上保留彈性，以安裝輕如RIM-162海麻雀ESSM（Evolved Sea Sparrow Missile）飛彈，或重如發展中的SM-6標準（Standard）式延伸射程主動飛彈（Extended Range Active Missile, ERAM）。
另外，發射系統的外部也安裝複合材料裝甲，降低被擊中時誘爆儲存中飛彈的機率。配合重新設計的消防系統，即使發射器因意外事故或戰損而引起火災，也不致波及其他飛彈。重新設計的排煙系統可以提高飛彈發動機45％的效率，使飛彈噴焰不致成為抵銷飛彈推進的能量，並可將廢氣更順暢的排出發射器。
Mk57以4個飛彈窖為一組，整組系統高度為7.925公尺、長度為4.33公尺、寬度為2.29公尺，重量為33,600磅（15.25公噸）。單一飛彈窖寬度為71公分、高度為7.19公尺。

俄羅斯SA-N-6

SA-N-6（北約代號Grumble雷聲）是蘇聯二十世紀70年代研製裝備的遠程艦載區域防空飛彈系統..

SA-N-6是世界上第一種艦空導彈垂直發射系統。

SA-N-6採用冷發射，發射裝置為獨特的轉輪式發射系統，轉柱直徑3.8m，備彈8發。圖為光榮級飛彈巡洋艦上的SA-N-6

SA-N-6裝備於基洛夫級、光榮級等飛彈巡洋艦。該系統採用5B55飛彈（Fort型）或48N6E飛彈（Fort-M型）。

俄羅斯光榮級巡洋艦的SA-N-6轉輪式防空飛彈發射井.

SA-N-9(北約代號短劍)是蘇聯繼SA-N-6後研製裝備的遠程艦載區域防空飛彈系統，是9K331（SA-10）飛彈海軍版。裝備基洛夫級導彈巡洋艦。該系統採用9M330飛彈。

SA-N-9裝備於基洛夫級飛彈巡洋艦.

VLS的技術挑戰與缺憾

雖然好處眾多，但是VLS有許多傳統發射器所不具備的難題（例如前述的熱氣排放以及控制等問題），而且並非完全沒有缺點。雖然VLS射速快，但垂直射出後一定得經過轉向才能對準目標，而傳統發射器則可以先對準目標再發射飛彈；前文指出傳統發射器先指向再發射，在面對多軸向飽和攻擊時較為不利，不過當對手是高速迫近的目標（如超音速掠海反艦飛彈）時，情況可能又不相同了。由於飛彈的控制面必須加速到一定程度才能生效，所以發射初期有一段只能盲目前進而無法控制的距離；對於VLS發射的飛彈（尤其是熱垂發）而言，這個階段就是盲目地上衝，直到飛彈能夠控制之後才開始轉向目標（冷發射式VLS可在轉向後點火，比較可以加快發射後轉向的反應速度）。

而旋轉式發射器由於事先指向目標，飛彈從射出到能有效控制的期間至少還能朝著目標的方向前進，垂直射出的飛彈則沒有辦法。這種差別在長程接戰或對付次音速目標時尚不顯著，因為反應時間尚稱足夠；但如果對手是掠海飛行的超音速反艦飛彈時，由於時間緊迫，問題就出現了。

以標準這類體型較大的區域防空飛彈為例，從VLS射出後還需要爬升數百公尺才能轉向目標，有可能無法及時俯衝並追上來襲的超音速反艦飛彈，導致雙方交錯而過。

因此，許多新一代的點防禦防空飛彈仍使用傳統的旋轉式發射器，如美國RAM公羊飛彈、法國海響尾蛇與Sadral等。美國RAM的MK-49 21聯裝發射器靠著為數眾多的備射彈，免除了傳統旋轉飛彈發射器動輒需要再裝填的困擾。

傳統旋轉飛彈發射器有動輒需要再裝填的困擾..圖為採用轉輪式設計的八聯裝SA-N-6防空飛彈垂直發射器，..

而幾種由VLS發射的新型艦載短程防空飛彈如以色列閃電(Barak)、英國海狼、法國Aster-15、美國海麻雀ESSM等利用向量推力控制(TVC)加上彈側噴氣等技術，讓飛彈自VLS射出後能儘快轉向目標（閃電飛彈號稱可在1秒內轉向目標）。

法國Aster-15

另外，如同前述，由於VLS每一枚飛彈的儲存空間都是獨立的發射管，所以佔用的體積與甲板面積大於傳統式發射器。對艦體結構方面，一般而言，垂直發射系統安裝在艦體中心軸線上，因此從主甲板至下方數甲板都要配合開一個大洞，不僅影響艦體強度與應力分配，同時也佔用了艦體深處的空間利用；因此美國新一代DDG-1000松華特級驅逐艦便將MK-57垂直發射系統布置在側舷。不過權衡利弊，VLS的優點仍遠大於缺憾，算是瑕不掩瑜。

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