追求系统最优

张亦驰

今年10月份，俄罗斯《消息报》援引俄罗斯海军总司令部的消息称，俄罗斯政府将耗资约10亿美元对基洛夫级核动力巡洋舰“纳希莫夫海军上将”号进行维修和现代化改造。本文要说的不是该舰的改造计划，而是谈谈“基洛夫”级巡洋舰首创的俗称“大左轮”的防空导弹垂直冷发射系统。

上世纪80年代，S-300F“堡垒”（北约编号SAN-6）防空导弹系统随“基洛夫”级巡洋舰首舰“基洛夫”号正式进入苏联海军服役。尽管S-300F舰空导弹系统首开舰载防空导弹采用垂直发射系统之先河，但是在相当一段时间以来，人们普遍认为，同美国MK41等垂直热发射系统相比，S-300F系列的垂直发射系统的差距较大。特别是它采用俗称“大左轮”的大型环形转动弹舱，每发射一发弹都需转动一下，导致发射间隔高达3秒，无法实现西方MK41垂直发射系统据说每秒一发的发射速率。

但实际上，一直以来这套需要旋转的“大左轮”垂直发射系统背了“发射间隔3秒”的黑锅。对于一套防空导弹系统来说，决定发射间隔有诸多因素，最后确定发射间隔3秒也是从总体系统考虑的结果。中国052C驱逐舰上“红旗”9采用的垂发系统不需旋转，也是出于发挥整个系统性能的考虑。

多种因素影响发射速率

转轮型弹舱的采用是否影响S-300F防空导弹系统的射速，我们必须先要了解影响“堡垒”这一类雷达制导的防空导弹系统射速的几个因素。

首先是发射系统本身的装弹准备时间。在垂直发射装置诞生之前，舰载大型防空导弹多采用单/双臂回旋式发射装置，这类发射装置通常位于甲板上（也有折叠后存于甲板下的），导弹储存于甲板下的弹舱内，平时架上不带弹。只有在进入发射程序后才将导弹装到发射架上。装弹时，发射系统要进行较为复杂的动作，将导弹从甲板下的弹舱内输送、放置到发射架上，这个过程通常需要几秒钟的时间。垂直发射系统诞生后，这一时间大大压缩。没有旋转机构的垂直发射系统本身的准备时间（例如用于开盖）几乎可以忽略，支持近乎每秒1发的速度，以色列“巴拉克”舰空导弹系统的垂直发射装置号称达到了每秒2发的发射速度。但是众所周知，S-300F防空系统的垂直发射装置采用了旋转式弹舱，每个弹舱只有一个发射窗口，每发射一发弹就要大型转轮转动一次，将待发弹转动到发射口下方，这个过程需要耗时数秒钟的时间，目前公开的资料尚没有令人信服的数据，一般认为在2～3秒左右。

第二个因素是导弹本身进行发射前准备的时机和时间。对于导弹而言，在发射前必须进行接电（又称“预热”），主要为导弹接通地面（舰上）电源和弹上电源，为弹上设备供电，令弹上陀螺高速旋转，弹上导引头本振源接通，各个设备均处于待发状态。S-300F系统采用的5V55和48N6E导弹的接电准备时间约为5秒。这5秒钟会否影响整个系统的发射速度还要看其接电时机。如果S-300F的导弹在弹舱内任何位置都能进行接电作业，那么只要操纵员掌握时机得当，对待发射导弹进行提前接电，接电好的导弹转到发射位置后就能发射，这就不会影响发射速度。相反，如果导弹只能在发射位置进行接电，那就将意味着导弹不得不在旋转到发射位置后不得不再等待5秒，这会大大影响发射速度。目前国内公开资料均称S-300F的垂直发射系统只能在发射口下面的位置进行接电、检查等工作。这有一定的合理性。如果节点预热后再移动，有可能对弹上已经高速旋转的陀螺等精密设备造成一定损害，减少使用寿命。

若按此方式发射，那么单个转轮的发射间隔将不会小于7秒种。需要指出的是，导弹预热时间长短和时机的把握是非常关键的。马岛战争中英舰“考文垂”号被击沉就是一个很好的反面案例。1982年5月25日，在阿根廷空军对英国舰队实施的大规模空袭中，“考文垂”号驱逐舰发射“海标枪”防空导弹击落两架“天鹰”攻击机后，由于后续导弹需要2分钟（对这一数据表示怀疑，时间过长）预热，而造成无弹可用的局面，导致自身被击沉。

第三个因素是雷达对前一发导弹的截获时间。S-300F采用的制导方式为复合制导。其初段采用捷联惯导，中段采用无线电指令制导，末端采取TVM制导方式。导弹发射后，根据预先设定的捷联惯导参数进行程序拐弯，待导弹拐弯完毕后，制导雷达就要接管它，雷达必须知道它在哪里。而这个“接管”导弹的过程叫“截获”导弹，它又是比较麻烦和复杂的。因为导弹距离雷达近，角度变化非常大，而雷达主波束又非常窄。S-300F采用的TVM制导方式又为其增添了额外的麻烦。制导雷达的工作负担较简单的指令制导更为繁重，因为它要跟踪多个目标和导弹，接受、处理导弹的下行数据，控制导弹飞行，末端还要对目标进行照射。为此，雷达对它需要完成的工作制定了优先级，而截获导弹则是优先级比较高的工作。截获导弹时，雷达主天线要放弃优先级较低的工作（例如同時发射第二枚导弹则是不允许的）“专心致志”地截获导弹。即便如此，也是“力不从心”，为此，还专门设计了辅助天线帮助截获导弹。与此同时，一些优先级比较高的工作还必须同时（实际上是采取分时技术）兼顾，例如对已经跟踪的目标和导弹不能放弃。如此复杂的程序致雷达截获导弹需要一定的时间，大概为2～3秒钟左右。早期的SA-2防空导弹发射间隔达到6秒，主要就是用于截获导弹。

寻找系统的最大公约数

导弹系统具体的发射间隔则要看上述三个因素发生的先后顺序。如果这几套程序是“并行”完成，则发射间隔为耗时最长的程序所用的时间，如果是依次进行，则发射间隔为三者之和。可以肯定的是，前一发导弹的截获同发射装置的准备是可以同時进行的，而导弹的接电是否与上述步骤同时进行还尚不确定。如果导弹必须要待转轮转到发射口下面时方可接电，那么发射间隔将是7～8秒，如果导弹可在任何位置加电，则其发射间隔将是2～3秒。可以说无论导弹接电位置如何，发射系统本身的转动都不是造成发射间隔较大的主要原因。实际上，采用类似西方垂直发射装置布局的俄罗斯改进型“飓风”防空系统以及采用9M96E和9M96E2导弹的舰载防空系统，其发射间隔仍然是2秒。所以，即便S-300F防空系统采用了类似美国MK41那样的发射系统，它也不能达到1发/秒的发射速度。“宙斯盾”防空系统的最快发射速率据说可达到1发/秒，除了发射装置本身的原因外，一个主要原因就是因为它拥有四面相控阵天线和两套收发机，另外还有专门用于照射目标的照射天线，雷达负担较小。

上述分析仅仅是考虑单个“转轮”对射速的影响。退一步讲，即便单个转轮影响发射速度，而一套S-300F战术单元通常有6个左右的大型旋转弹舱（“基洛夫”级巡洋舰有12个旋转弹舱，但是该舰拥有2部火控雷达，应该是两个火力单元），俄罗斯“光荣”级巡洋舰上有8个大型旋转弹舱，也就是说首次发射前有8～6枚待发弹可用，第一枚发射后，发射装置开始旋转，而第二发导弹可安顺序由下一个发射装置发射，这样当最后一个发射装置的导弹发射完毕后，先发射的发射装置已经基本旋转并准备完毕。另外，对于S-300FM这种最远射程达到150千米、主要用于区域防空的舰载防空系统而言，这1～2秒的时间并不是关键，就连最大速度达到6倍音速的导弹飞到杀伤区远界也需要将近2分种，在射程内，足够对目标进行多次射击。

曾有人称美国“宙斯盾”之父威恩·E·迈耶在研制“宙斯盾”系统时采用了“建造一点，试验一点，再建造一点”的系统工程的系统理论，从而使得“宙斯盾”系统的制造获得了空前成功。实际上，从系统学的角度来看，俄罗斯兵器的系统工程也不差，系统工程实际上就是事先各个子系统的折中妥协，寻找最大的公约数。而俄罗斯人往往在基础技术比较差的情况下，通过一两项关键技术的突破，将个体技术水平并不高的一堆零件组合成主要性能出色的武器系统，S-300F防空系统恐怕就是典型代表。

技术难题导致布局缺陷

苏联的系统工程理论解决了S-300F整个系统的射速问题，但必须承认，俄式垂直发射系统增加这个旋转机构确实带来不必要的麻烦。首先是旋转机构增加系统的复杂性，降低可靠性。当然，对于拥有强大工业基础，精通机械设计的苏联来说，这个旋转机构可能非常高效，非常可靠，但毕竟会造成整体可靠性降低，还会增加系统能耗。其次，筒弹采取的这种环形布置方案，造成了甲板面积和舰艇内部空间的浪费。稍微有点几何知识就可通过与矩形布置的垂直发射的对比发现这一弱点。

难道俄罗斯技术人员设计时没有发现这些缺点吗？还是海军惯性思维（因为以前的发射装置从弹库提弹时通常会有旋转部件）使然？抑或是为了显示与众不同的设计思想？其实，说起俄罗斯与众不同、剑走偏锋的设计思想，往往是因为其受制于当时关键器件、设备和技术的技术水平。当年苏联的图-144超音速客机完成设计后，曾请英国工程师去参观。英国人指出了一大堆设计上的毛病，当说到其发动机应该布置在机翼的二分之一弦长处时，设计师小图波列夫忍不住了，说他当然知道布置在二分之一弦长处很好，但是他们的飞行控制系统无法解决单发失效时的控制问题。

笔者认为，很可能是某个技术难题，或者为了寻求系统最优决定了这种大转轮的设计。

关于这个技术难题，曾有人指出最初是因为舰艇甲板的强度原因所致，如果开8个口，且都能发射，则开口过多，从而影响到甲板的强度，而且据说后来由于甲板强度达到了要求，S-300F的弹仓也就不再旋转了。这种说法很难令人信服。实际上，S-300F的垂直发射系统是整体穿过甲板的，无论筒装导弹本身是否在上层开口，它都降低了整个甲板的结构强度，多开几个小口的影响与此相比，恐怕未必就大。况且还可以通过加厚甲板，提高钢板强度等措施解决。此外SA-N-9点防空系统的发射口尽管很小，仍然使用了活动旋转的上盖，而且活动旋转的上盖对结构强度的影响恐怕远比多开几个小洞的影响更大。因此笔者认为，“强度说”并不能完全说明问题。

另外还有观点认为这是惯性思维使然。因为此前的诸如双臂回旋式发射装置的弹仓多需要旋转提弹机构，俄式垂直发射系统继承而来。但是事实上，S-300F的垂发系统来自于地面型S-300，在地面上不需要旋转，为何要在舰船上旋转，显然是过于低估了俄科技人员的智慧。

由于目前可用资料有限，笔者认为，这种冷弹发射方式巨大的后坐力以及再装填的方便性可能是采用这种转轮式弹仓的重要原因。“堡垒”系统的冷弹发射装置的基本原理是先由筒内小型燃气发生器作用，产生的燃气顶破易碎盖，然后主燃气发生器发生作用（相当于一个较大的炸药包），推动活塞向上运动，活塞带动支撑导弹的支架向上突然运动，从而将支架上的导弹弹射出筒，导弹在大约20～30米高度点火。在这个过程中，主燃气发生器发生作用时整个发射筒就如同一个大号的“迫击炮”，瞬间爆发力非常大，足有几十吨，这与西方采用的热发射方式完全不同。而从一些图片来看，“里夫-M”防空系统的垂发装置发射储运筒是悬空吊装在发射架上的，在发射瞬间，尾部没有抵到甲板的发射筒和发射架连接处将不可能经受住巨大冲击力的反复作用。因此，必须拥有反后坐装置，用于在发射时抵住发射筒。而如果为每枚导弹设立一个反后坐装置，将会付出一定的重量代价。另外，出于装弹的考虑。如果弹舱下面弹架不旋转，为了方便弹药的快速装填，就需要研制一种轻型的、能够进行大范围旋转、精确对准每个弹坑的装填装置。

那么，设计师就应该在设计多个反后坐装置并且设计旋转式装填装置的复杂性与将弹舱设计为整体可旋转之间进行取舍了。显然，设计师最终选择了后者。

中国的垂发为何不用转？

既然“大左轮”型垂直发射系统实际上并不影响S-300F的发射速率，那么为何中国052C驱逐舰上的海“红旗”9防空导弹垂直发射系统为何是固定安装，而且每个发射窗口都可发射呢？

這就是雷达技术进步的结果。“堡垒”防空系统一个火力单元配备一部照射制导雷达和6～8个垂直发射系统，可以制导12枚导弹同时对付6个空中目标。通常情况下可有6～8个发射窗口。也就是说，6～8套发射系统伺候一部火控雷达。而到了中国的052C就不同了。它装有4面有源相控阵天线，这就意味着它拥有4部多功能火控雷达。

我们看到美国的“宙斯盾”系统的AN/SPY-1也有4面阵，但实际上只能算两部雷达。因为它只有两套发射机和接收机。由于一部阵面搜索范围最大120度，火控范围90度，所以一套收发机搭配两个阵面，可以实现方位上240度的搜索覆盖和180度的火控覆盖，最大限度降低了成本。但是这也带来一个问题，一套收发机构的时间资源是有限的，这也限制了对空精密跟踪目标的数量。有人说“宙斯盾”系统的SPY-1可以同时处理数百上千批目标，而其锅盖型的X波段AN/SPG-62照射雷达照射目标的数量限制了整套系统的同时攻击目标数。但实际上，同时（实际上是分时）处理上千批目标时的数据更新率和精度均不可满足导弹攻击引导的作用，用于引导导弹攻击时，SPY-1能够精密跟踪的目标数量也极为有限。“宙斯盾”系统同时攻击空中目标数量，仍然是SPY-1雷达与SPG-62的最大公约数。总而言之，AN/SPY-1只是相当于两部阵面扩展的雷达。

而052C的4个阵面由于是有源相控阵雷达，所以可以说是妥妥的4部雷达。尽管我们尚不知道该雷达用于精密引导攻击时可以同时对付多少个目标，但是如果根据“红旗”9外销型FT-2000的公开数据的话，一套“红旗”9可同时攻击8个目标，那么一部火控雷达对应的“海红旗”9理论上也应该具备8个左右的同时攻击目标数量。这样一来的话，4个阵面理论上就能同时对付32批空中目标。而且随着雷达技术的进步，“海红旗”9的346雷达作为有源相控阵雷达，在导弹截获方面也没有那么大的限制，实现每秒1发的截获速度并不是什么问题。8个垂直发系统配合4个阵面工作，一个阵面理论上可平摊两个垂发系统。如果依然使用旋转形式，对一个目标打两发导弹，这样的话，如果再使用转轮型的垂直发射系统已经很难最大限度发挥出346雷达的性能了。所以052C上的“大左轮”不用再转了，而且每个口都能发射导弹。为了解决快速装弹的问题，还专门配备了可以升降的快速装弹装置。

其实有一点要说明的是，每3秒1发，听上去比1秒1发导弹发射间隔大很多，差距很大，在防空作战中似乎是个很大的缺点。但实际上，对于远程防空导弹系统来说，这不是太大的缺陷。通常火控系统会对敌方目标进行排序，早在敌方导弹进入杀伤区之前就可以发射导弹了。只有在近距离出现的多批次集群目标时，可能会有劣势。但是在俄罗斯人的防空配系中，无论是舰队防空还是地面防空都不是S-300一种导弹包打天下。远中近程导弹各司其职就是了。当然，这种间隔3秒发射对于反导这种分秒必争的作战来说是个很大的缺陷，不过在俄罗斯的防空反导配系中，另一种S-300V是专门用来反导的，其在设计上更强调快速性。

所以，在一些大型地对空防空导弹研制中，很多情况下虽然雷达做到了对导弹截获能做到1秒1发，雷达截获零延迟，发射装置更不需要旋转，但是导弹发射间隔仍然有2～3秒。这一点，有兴趣的读者可以搜搜地面型S-300、S-400等防空导弹系统的发射视频，其发射间隔，其实仍然很长。