MK-41垂直發射系統(VLS)

 

MK-41垂直發射系統是目前全球最廣泛、通用性最佳的艦載飛彈發射系統。

圖為美國提康德羅加級飛彈巡洋艦上的64管MK-41,注意一個佔用三個發射格的蓋子,裡面是再裝填用起重機。

打開的MK-41外蓋,裡面多已裝填飛彈的密封彈管。

一枚戰斧巡航飛彈正由MK-41垂直發射器射出。注意飛彈 發射管之間的排焰管道板蓋已經打開,

飛彈推進系統產生的強大熱焰便由此向上排出。

(上與下)美國柏克級飛彈驅逐艦穆斯汀號(USS Mustin DDG-89)的MK-41垂直發射系統,上圖為艦體後部(八聯裝八組)

,下為艦體前部(八聯裝四組)。

 

(上與下)在2018年7月初,保羅.佛斯特號(ex-USS Paul F. Foster DD-964)防衛系統測試船(STDS)進行ESSM Block 2飛彈

首次攔截試射的畫面。可以看到MK-41發射器外蓋打開後露出裡面的MK-25四合一發射箱,可裝填四枚ESSM防空飛彈。

準備出廠的MK-41垂直發射系統,可以看到好幾組八聯裝發射器模組。

MK-41垂直發射系統的八聯裝垂直單元結構圖。

在2018年6月21日,德國海軍F-124飛彈巡防艦首艦薩克森號(FGS Sachsen F219)發射SM-2防空飛彈時,飛彈火箭發動機

點火之後並沒有升空,而是停留在管內持續燃燒。艦上的海水泡沫滅火器立刻啟動滅火,此照片可以看到

看到發射器表面、周邊甲板受損,艦橋正面也有高溫焚燒跡象。但是美國海軍的鈍感彈藥規範以及MK-41垂直發射器

完善的耐火與消防設計承受住了考驗,發生意外的飛彈的戰鬥部並未引爆,其他發射管的飛彈也沒有受到波及

而產生連鎖效應。

MK-41垂直發射系統各衍生型

型號 自衛型 戰術型 打擊型
發射模組飛彈數量 八個(4X2)
八聯裝發射模組面積(m) 3.17 x 2.08
八聯裝發射模組空重(不含發射箱與飛彈)(公噸) 7.428
發射器深度 (m) 5.3 6.76 7.7
單一發射管面積(cm)

63.5 x 63.5

單一發射模組空重(不含飛彈)(公噸) 12.156 13.517 14.514
發射速度(枚/秒) 1/1
射擊方位 無限制
裝填彈種 海麻雀系列、ALAM(預計) 海麻雀系列、標準SM-2MR系列、VLA、ALAM(預計) 海麻雀系列、標準SM-2MR/ER與SM-6系列、VLA、戰斧、NAD、NTW(預計)、ALAM(預計)
供電需求

主電源:200 KW,440V三相交流電,60 Hz

照明電源:8 KW,115V單相交流電,60 Hz

備用電源:10 KW,115V三相交流,60 Hz

發射控制器(LCU)單元用電:5KW,115V單相交流,60 Hz

45KW,115V三相交流電,400 Hz

平均故障間隔(MTBF) 1936小時
平均維修耗時(MTTR) 3.2小時
平均計畫性維護時間 0.5小時/日
固有可靠性(Intrinsic availability) 0.978
平均故障間運作週期 200次

 

使用艦隻(美國)

CG:提康德羅加級(CG-52~73)

DDG:柏克級

備註

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,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)。

主要資料、數據來源:尖端科技軍事雜誌223期──「成功級、紀德級與神盾系統艦之戰鬥系統與作戰能力分析(3)」一文。

──by Captain Picard


 

前言

美製MK-41垂直發射系統(Vertical Lunch System,VLS)是一種革命性的艦載飛彈發射系統,徹底揚棄了以往旋轉發射器的窠臼,擁有發射速度極快、無射角限制、結構簡單、性能可靠、利於艦體匿蹤、使用彈性大等眾多好處,故成為全世界最被廣泛使用的VLS。 早在1960年代,美國就開始針對艦載垂直發射系統進行大量實驗。

MK-41的原始構想是配合神盾作戰系統而來,希望能提供一種突破傳統發射器射速瓶頸、能有效應付飽和空中攻擊的飛彈發射系統,主承包商是馬丁.馬里塔(Martin Marietta);此外,美國海軍也委託約翰.霍普金斯大學應用物理實驗室(Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory,APL),席住MK-41垂直發射系統的關鍵設計審查(critical design review)、協助系統整合與測試等工作。

MK-41的預量產模型一號在1981年初於墨西哥州白沙飛彈測試場首度試射

標準SM-2防空飛彈的照片。

MK-41的研究工作始於1975年,1977年開始發展;首部MK-41預量產模型一號(Pre-Production Model One)於1981年 初在新墨西哥州白沙飛彈測試場(White Sands Missile Range)首次進行發射測試 (發射一枚標準SM-2飛彈),在1981年10月至1982年2月在諾頓角號實驗艦( USS Norton Sound,AVM-1)進行MK-41垂直發射器、標準SM-2防空飛彈與神盾武器系統(AEGIS Weapon System)的系統整合評估測試。美國海軍首先裝備MK-41的作戰艦艇,是第六艘提康德羅加級神盾巡洋艦碉堡山號(USS Bunker Hill CG-52),於1986年成軍。從1980年代後期以來,各國設計的主要水面作戰艦艇都開始以垂直發射系統作為主要武裝,其中西方艦艇最廣泛使用的就是美製MK-41,此外還有歐洲的Sylver系列。

全世界第一艘裝備MK-41垂直發射系統的美國海軍提康德羅加級飛彈巡洋艦

碉堡山號(CG-52),攝於建造期間,正在安裝MK-41八聯裝發射器模組。

 

基本結構

MK-41發射系統採用模組化結構,最基本的單元是一個2X4的八聯裝發射模組,表面積為3.17X2.08m,發射管深度視構型介於5.3到7.7m之間 ,單一發射管的外部長寬都是25吋(63.5cm)。此一八聯裝發射模組由發射槽構架、頂板、艙口蓋、開啟機構、排煙道、熱焰排除系統、壓力通風系統等部分構成, 每個八聯裝發射模組還擁有一個動力控制面板(Motor Control Panel)、電源供應單元、發射序列信號產生器(Launch Sequencers)等周邊裝置。發射槽構架是發射模組的主體,基本上是一個分成8個隔艙的骨架,用來儲存、發射飛彈的發射箱就安裝在骨架裡,而其餘控制、排焰等週邊設施也布置在構架周圍。每個發射槽的艙口蓋都設有獨立的開啟機構,這是MK41發射系統唯一的機械運動部件,此一機構快速開啟所需的最大機械功率是約為2.57kN。 除了 典型的八聯裝模組單元之外,MK-41系列也有出口用的四管一單元或兩管一單元等構型,不過都沒有實質的外銷紀錄。

圖為建造中的西班牙F-100飛彈巡防艦首艦的MK-41 VLS安裝情形,

正在進行吊裝的就是MK-41的基本單位──4X2八聯裝發射模組。

MK-41配備兩組發射控制單元(Launch Control Units,LCU),每組尺寸為86.36cm x 111.76 cm x 203.2 cm,重612.35kg。在一般情況下,每個LCU控制垂直發射器裡一半的飛彈;不過兩者實際上都可控制所有MK-41內的飛彈,萬一其中一台LCU故障,另一台隨時可以接手所有飛彈的發射指令。每個LCU都能接受艦上所有武器 射控、控制系統傳輸的指令(包含防空飛彈系統、反潛作戰系統、戰斧飛彈射控系統、反彈道飛彈系統等),經由計算機儲存的預置程式,分配所有垂直發射彈位的優先發射順序,並立刻啟動對應飛彈的準備程序。預置控制程序裝置透過電纜接收來自戰情室武器控制面板的發射指令,並立刻啟動飛彈的發射準備程序;此外,LCU還會向動力控制單元發出指令,控制艙蓋、排氣道、消防水系統與相關測試設備。動力控制單元的尺寸為41.9cm×49.5cm×l32.8cm,重218kg,安裝在發射器下通道的外舷側,可為發射器隔艙提供動力,控制艙口蓋與垂直排氣道頂蓋的開啟和閉合動作,以及控制壓力通風室的洩水閥。

LCU有三種工作模式:

1.待機模式:除了飛彈選擇電路和發射電路之外,其餘設備都予以聯通,平時定期執行正常自我檢測。系統有一連串自我測試器,每隔2小時便對各部分依次進行檢查;如果發現故障,就會將故障的彈位自動傳送給艦上的武器控制系統,以禁止該彈位發射。

2.模擬模式:此模式用於艦上人員訓練,除發射電路之外,所有設備均保持聯通,垂直發射系統對武器控制系統的選擇指令和發射指令作出正常響應(唯獨不會真實發射)。

3.待命發射模式:所有設備聯通,根據武器控制指令進行飛彈選擇與發射執行。

1980年代中期服役的MK-41 Baseline IIA/III(用於提康德羅加級飛彈巡洋艦、改裝後的史普魯恩斯級驅逐艦、DDG-51~78柏克Flight 1飛彈驅逐艦)的LCU完全使用美國海軍軍規組件,系統架構為封閉、客製化,核心組件是AN/UYK-20小型電腦(爾後更換為UYK-44),使用SDEX作業系統,程式由CMS-2語言編撰,其他周邊裝置包括OL267陰極射線管(CRT)顯示器、USH-26(V)數位資料儲存裝置(使用磁帶儲存)、電傳打字機、周邊輸出設備等 ;發射序列信號產生器(Launch Sequencer)使用Motorola 6803處理器(5MHz),以組合語言編撰程式。1990年代中期服役的MK-41 Baseline IV/V用於較早的柏克Flight 2A(DDG-79~90),LCU開始引進部分商規組件(單機獨立運作,與原有的軍規計算機架構分開)並使用更現代的編程,計算機為UYK-44 EP與ALP(Power PC),仍沿用SDEX作業系統,編程的語言包含CMS-2、美國軍規高階語言ADA以及商規的C;發射序列信號產生器使用商規的Intel 386處理器,以組合語言編撰程式。1990年代末期服役的MK-41 Baseline VI/VII用於DDG-91以後的柏克Flight 2A,LCU全面引進商規組件(COTS)與開放式系統架構,完全使用現代業界常用的作業系統以及程式語言,軟體以物件導向(object oriented)結構設計,計算機包括AN/UYQ-70顯控台,使用Vx Work嵌入式作業系統,程式以ADA、商規C/C++編撰;發射序列信號產生器使用Pentium處理器(166MHz),程式以C++撰寫。

支持設施方面,船艦載台需要為MK-41提供225psi的壓縮空氣,淡水櫃容量55加侖,冷卻功率需求為135000 btu/hr,加熱功率需求為65000 btu/hr;海水消防設施規格為流量(Deluge )每分鐘320加侖(105psi)、泡沫(Sprinkling)每分鐘1050加侖(65psi)、排水(Drainage )每分鐘1370加侖。

一枚標準SM-3反彈道飛彈正從MK-41垂直發射器中發射升空。

MK-41的典型接戰程序如下:當艦上戰鬥系統發現敵方目標後,便立刻命令MK-41系統進入待命發射狀態,只需幾毫秒就能完成。艦上武器控制系統求得火控解算後,便向LCU下達飛彈選擇指令。LCU接收到選擇指令後,依照程式選擇適當的發射器模組與彈位,並隨即將飛彈通電預熱,命令動力控制單元打開艙蓋和排氣道頂蓋,再鬆開發射箱內的飛彈限制塊;如果發現選擇的飛彈故障,LCU便能立刻選擇另一枚飛彈,幾乎沒有時間延遲。完成前述機械動作後,LCU將武器控制系統傳來的飛彈射控參數輸入飛彈中,隨即下達點火發射指令。一旦飛彈開始升空,與發射隔艙相連的電路立即斷開,同時將飛彈的起飛時間參數傳回武器控制系統,以便讓艦上雷達捕捉飛彈。當飛彈升空一定時間後,艙蓋便自動關閉,發射程序至此結束。MK-41每個八聯裝模組都是按照同時準備和發射2枚飛彈來設計,以八個MK-41單元組成的64管發射器為例,每次總共能迅速發射16枚飛彈。

MK-41採用熱發射方式,飛彈在發射管內點燃發動機直接升空。這種方式的最大技術挑戰,在於飛彈於管內點火時會產生大量高溫高壓的燃氣,溫度往往超過攝氏2000度,噴發速度超過2馬赫,並夾帶多種固態、液態劇毒粒子,如不能迅速有效地將之排除,就會對發射器、飛彈本身造成嚴重的侵蝕,除了縮短發射器壽命外,甚至可能釀成巨大災禍。以美國海軍至式的標準區域防空飛彈為例,其發射的燃氣流溫度高達絕對溫度2400K,廢氣中有40%是硬度高、吸附力強的氧化鋁粒子,此外還有還有76000mg/kg的高活性氯化氫氣體。每個MK-41八聯裝發射模組都擁有一套由八個隔艙共用的排焰系統,由壓力通風室和垂直排氣道等組成;飛彈發動機點火後,壓力通風室使飛彈噴出的燃氣流膨脹減速,然後經排氣道向上排出發射器;排氣道內部整個表面都敷設抗燒蝕材料,盡量減少高溫燃氣向發射箱體傳導的熱量。

MK-41的飛彈儲存箱(Canister)兼具飛彈的運輸、儲存與發射功能。一開始,剛出廠或校準好的飛彈就被填入儲存箱,將首尾兩端密封起來 ,內、外層表面分別使用不同的抗燒蝕材料加以保護;其中,飛彈頭處的密封罩由易碎材料製造,飛彈發射時便直接將其衝破,而飛彈尾處的密封罩則是一塊兩面覆蓋鋁片的薄銅板 ,銅板預置了刻痕,飛彈發射時的高溫噴流能將之打掉。在儲存與運輸階段,密封的儲存箱能提供良好的保護,最後輕鬆地安插入MK-41發射模組的發射槽構架中。儲存箱擁有很高的強度與良好的防護設計,保護內部的飛彈免於受到敵方武器破片命中或被連鎖引爆。在使用時,這個儲存箱箱直接就是MK-41的飛彈發射管,因此內含發射飛彈所需的導軌、電氣連接組件(包含電源與信號介面)、保險解脫裝置、約束機構等等,此外也是構成燃氣排放系統的一部分,因此,它是關鍵設備。因此,無論在運輸儲存、簡化系統結構與安全性等方面,MK-41的規劃都顯得極為出色。

為了保障安全性,MK-41擁有極為周詳的安全設計,其結構十分堅固,發射艙口蓋又稱為防爆發射門(blast door),就算飛彈在發射後失靈掉落在發射器上爆炸,發射器內的其他飛彈也不會被波及。用來裝填飛彈的儲存箱都經過強化,足以抵擋因為意外走火而產生的爆炸與燃燒;而由於每個儲存箱各自獨立且分離,因此要產生連鎖誘爆的機率很低。如果飛彈儲存箱內的飛彈意外走火或引爆,艙口蓋在發射管內壓達到0.35kg/cm之後會自動開啟宣洩壓力,以保護整個彈艙不受連鎖波及。此外,每組發射器都有專屬的自動注水裝置以及使用特殊液體的消防/冷卻系統,盡可能降低火災時造成的損失 ;由於每個飛彈的儲存容器都是密封的,兼具防火與防水功能,且發射器周邊所有設備箱與電纜都是防水的,因此消防注水不會對其他飛彈或電器設備造成損害。MK-41發射箱的設計要求要能承受7次正常發射,與一次意外點火發射。

再裝填系統

一艘提康德羅加級正以MK-41的再裝填模組進行海上裝填飛彈的作業。由於以起重機懸吊

的方式將飛彈儲存箱運至空彈位上方,過程中飛彈儲存箱將因為海象與風力而自由搖晃,

不僅難以對準發射器彈位,作業速率緩慢,也對甲板人員造成相當的危險性,

整體而言並不實用。

一艘停靠在碼頭的柏克級,艦上人員正在為MK-41垂直發射器裝填飛彈。由於海上再裝填系統

並不實用,柏克Flight 2A開始就取消了內建於MK-41的再裝填機械臂,把空間用來容納飛彈。

 

為了在海上值勤時進行再裝填作業,1970年代末發展MK-41時,也一併開發了海上再裝填模組, 被要求能在日間與夜間、五級海象下每小時裝填10個垂直發射管。這套再裝填模組最重要的組件,是一具由瑞典廠商設計製造的伸縮式液壓起重機,直接整合在MK-41的發射槽內,共佔用三個發射箱的空間 ;平時這具起重機收藏於發射器的艙蓋下,工作時才升上甲板上面並展開起重臂,能吊出飛彈射出後遺留的發射箱,並將新的發射箱放入發射器。再裝填起重機的手臂長8.15m,起吊高度7.62m,最大舉升重量約2ton;而結合了一個再裝填裝置與五個發射管的發射單元稱為MK-41 Mod3。所有的提康德羅加級飛彈巡洋艦與柏克Flight 1/2飛彈驅逐艦的前、後兩組MK-41垂直發射器之中,各裝有一個結合再裝填模組的MK-41 Mod3單元,總計佔用6個發射管的空間 。運作時,作戰艦體透過與補給艦之間的標準橫向補給系統(Standard Tensioned Replenishment Alongside Method,STREAM)將裝有飛彈的儲存箱由補給艦傳輸到作戰艦艇上的滑動吊點板平放,然後以再裝填起重機將飛彈儲存箱垂直立起並吊運到一個空的MK-41發射管上方,最後在甲板人員的輔助對準之下, 把飛彈儲存箱垂直降入MK-41的空彈位裡。

 實際的操作經驗顯示,這套海上再裝填系統只能在港內、船舶停止的情況下有效作業,但在海上航行途中、船艦因風浪搖晃的情況下並不實用,無法達到原先預期要求的性能。在1992年,美國海軍在密蘇里州的米勒郡進行這種垂直發射海上再裝填技術評估, 測試結果認定這種起重機沒有足夠的力量吊裝戰斧巡航飛彈的儲存箱,而標準SM-2防空飛彈的儲存箱每小時也只能處理3個; 由於飛彈儲存箱是由起重機由上方懸吊,非常容易受到艦體搖晃與風力等影響,三級海象造成的搖晃就會嚴重影響補給作業,很難對準發射器彈位, 而且對甲板操作人員危險性高。反觀1960年代美國海軍配合3T防空飛彈的彈艙所開發的高速自動穿梭傳送系統(Fast Automatic Shuttle Transfer,FAST),配合3T防空飛彈系統的自動化彈艙機構,在六級海向下、日/夜間每小時能輸送與裝填24枚韃靼(Tartar)防空飛彈(因為飛彈傳輸至作戰艦上之後可直接輸入彈艙,不像MK-41的再裝填作業需由起重機立起飛彈,並對準一個彈位放進去)。與其佔用六個彈位來裝置兩套實用性不高的裝填系統,還不如拿來多裝六枚戰斧飛彈。於是後來建造的柏克Flight2A飛彈驅逐艦遂把這兩組再裝填用起重機撤除,因此比先前的姊妹艦多出六個彈位。

在1991年波斯灣戰爭期間,美國海軍柏克級飛彈驅逐艦約翰.保羅.瓊斯號(USS John Paul Jones DDG-53)成為美國海軍第一艘在戰爭情況下,於前線進行戰斧飛彈再裝填作業的戰艦 ;但這是在停泊杜拜Mina Jebel Ali港口整補時完成的,而不是在海上航行時作業。

美國在1995年於懷尼米港補給測試站測試配合MK-41的新型海上補給與裝填裝置原型。

飛彈發射箱在補給艦上就被固定在途中懸吊的裝具上,並橫向傳輸至作戰艦艇的補給點。

測試中的新型MK-41海上補給裝填裝置,三條縱向軌道跨過垂直發射器,上面架設一個

縱向移動的滑車;滑車的機構固定著裝有飛彈儲存箱的裝具,能橫向移動飛彈儲存箱

到空彈位,然後垂直揚起(下圖),將飛彈箱向下填入彈位。飛彈儲存箱在整個過程中

被固定住,不像原本由起重機吊運一樣自由晃動,大幅增加裝填效率與安全性;可惜

由於優先度不高,此系統的開發工作遭到擱置。

事實上,美國海軍在1995年的確曾開發一種新的改進型垂直發射器海上裝填系統,能在五級海象下每小時傳輸/裝填15個飛彈發射箱。 這套系統不使用由上空懸掛飛彈發射箱的起重機,而改用架設在垂直發射器上方的軌道機械裝備;這套裝備的起重裝置有三條固定設置的縱向軌道 ,其中兩個在發射器區域的兩側,第三個橫跨發射器中間;一個滑車架在軌道上縱向移動,滑車本身的機構則能調整橫向移動,因此能透過水平與垂直移動將飛彈儲存箱對準發射器的每一個彈位。飛彈儲存箱被固定在一個裝具上,裝具以兩個鉗環來固定飛彈儲存箱,整個裝具連同飛彈發射管則固定在軌道滑車的機構上,並能被垂直舉起。運作時,補給艦將飛彈儲存箱固定在裝具上,然後橫向傳輸到作戰艦上,隨後裝具被固定在滑車機構上,滑車透過相應的水平與垂直移動將飛彈儲存箱運至空彈位,然後旋轉機構將飛彈儲存箱垂直豎起,並降入彈位中。

由於飛彈儲存箱在裝填過程中被剛性固定,不像起重機懸吊時會自由晃動,因此能在較高的海況下有效進行補給作業。此種裝填系統需要六名來自補給艦的人員進行操作,這六名人員在補給艦與作戰艦艇建立橫向連結後,乘坐一個吊車由索具傳輸到作戰艦艇上。不過由於冷戰結束後,MK-41海上再裝填的能力不再被重視(美國海軍購置飛彈的速度連艦隊中的垂直發射器都裝不滿,根本沒有海上再補給需求),因此這種新補給裝置的原型系統在懷尼米港補給測試站展開測試後就遭到擱置,始終沒有完成開發。

然而到了2010年代,隨著中國海上實力增強以及俄羅斯重振軍備,美國海軍又開始考慮重新建立在海上裝填垂直發射器的能力,使得作戰艦艇不需要花時間撤出戰區到基地進行整補。在2017年6月美國海軍作戰部長(Chief of Naval Operations,CNO)約翰.李查森( John Richardson)在美國海軍戰爭學院(U.S. Naval War College)論壇中提到,美國海軍正研究在海軍武力前進部署時,盡可能確保生存性並引進最新的技術革新,同時將會重建在航行途中重新補給垂直發射系統的能力。

 

彈種相容性

最初美國海軍只打算用MK-41來發射標準SM-2 MR(RIM-66)防空飛彈(深4.72m),但很快美國海軍決定將戰斧巡航飛彈納入MK-41之中(深6.25m) 。因此,MK-41發射系統的框架配合戰斧飛彈作為上限,要相容隨後增加助推器延長射程的標準SM-2 Block IV、SM-3反彈道飛彈等都不是問題,而垂直發射反潛火箭(VLA)以及海麻雀防空飛彈系列也都被整合入MK-41發射系統。美國海軍現役所有飛彈中,除了魚叉反艦飛彈之外,其餘如標準系列防空飛彈 、海麻雀防空飛彈、戰斧巡航飛彈以及垂直發射型反潛火箭(VLA)等,全部都有相容於MK-41的型號。 即便未來有新的彈種,只要飛彈尺寸(長度、寬度)在MK-41發射系統的框架以內,替每種飛彈設計符合MK-41構架的發射箱與相關介面,就能順利整合入MK-41發射系統中。

 

以下為目前已知MK-41各構型:

Mod 0:用於後22艘提康德羅加級飛彈巡洋艦(CG-52~73),兩組各八個八聯裝單元(其中一個單元由五個發射管與一個再裝填裝置構成,整組總共61個發射管)。

Mod 1:用於改良後的史普魯恩斯級驅逐艦,一組八個八聯裝發射單元(其中一個單元由五個發射管與一個再裝填裝置構成,整組總共61個發射管)。

Mod2:用於柏克級飛彈驅逐艦Flight 1/2(DDG-51~78),一組四個八聯裝單元(稱為MK-159 Mod 0,其中一個單元由五個發射管與一個再裝填裝置構成,整組總共29個發射管)與一組八個八聯裝單元(稱為MK-158 Mod0,其中一個單元由五個發射管與一個再裝填裝置構成,整組總共61個發射管) 。

Mod3:用於德國F-123布蘭登堡級(Brandenburg class)巡防艦,一組兩個八聯裝單元(共16個發射管,自衛型)

Mod 5:用於澳洲紐澳軍團級(Anzac class)巡防艦,一個八聯裝單元(共8個發射管,自衛型)

Mod 7:用於柏克級Flight 2A中使用神盾Baseline 7以前的艦艇(DDG-79~91),一組四個八聯裝單元(共32個發射管)與一組八個八聯裝單元(共64個發射管)

Mod 8:用於土耳其MEKO 200 TN 2B巡防艦,一組兩個八聯裝單元(共16個發射管,自衛型)

Mod 10:用於德國F-124薩克森級( Sachsen class)飛彈巡防艦,一組四個八聯裝單元(共32個發射管)

Mod15:用於柏克級Flight 2A中使用神盾Baseline 7以後的艦艇(DDG-92起),一組四個八聯裝單元(共32個發射管)與一組八個八聯裝單元(共64個發射管)

Mod 16:用於澳洲改良後的阿德萊德級(Adelaide class)巡防艦,一個八聯裝單元(共8管,自衛型)
 

 

MK-41實際服役後,總共有三種不同的構型:自衛型(Self-Defence)、戰術型(Tactical)與打擊型(Strike);這三種 發射箱的截面尺寸都相同,長、寬各25吋(63.5cm),能容納直徑22吋(55.88cm)的飛彈,內部承受壓力的標準也都是每平方公分2.8kg,唯一的區別是深度 ;發射箱長度的上限是發射槽構架的深度,長度越大的發射箱就能容納更大型的彈種,並能向下相容於較小型的飛彈。自衛型深度最淺(5.3m),使用海麻雀 或新的ESSM短程防空飛彈,主要用途為外銷供盟國艦艇自衛使用;戰術型深度(6.76m)比自衛型深,使用彈種較自衛型增加SM-2MR防空飛彈以及垂直發射反潛火箭(VLA),未來將增 加ALAM先進陸攻飛彈的發射能力;打擊型(Strike)深度最深(7.70 m),可發射的彈種最多,較戰術型增加戰斧巡航飛彈、增程型標準SM-2ER(Block 4)飛彈 的運用能力,而幾種標準系列的反彈道飛彈衍生型如SM-2 Block 4A( NAD,已取消)以及SM-3(NTW),也只有打擊型發射箱才能夠容納。

目前MK-41共有六種發射箱(意味著能裝填六種不同的飛彈),分別如下:

1.MK-13:裝填SM-2MR (Block 2、3)中程型標準區域防空飛彈,屬於戰術型發射箱。 空箱重675.85kg,容納標準SM-2 Block 2飛彈與適配器(adaptor)總重1664.675kg。

2.MK-14:裝填戰斧巡航飛彈,屬於打擊型發射箱。  空箱重911.716kg,容納戰斧飛彈與相關組件後總重2780.5kg。

3.MK-15:裝填VLA垂直發射反潛火箭,屬於戰術型發射箱。 空箱重757.495kg,容納VLA反潛火箭與相關組件後總重2032.1kg。

4.MK-21:裝填SM-2 ER( Block 4/4A)或SM-3增程型標準區域防空飛彈,屬於打擊型發射箱。

5.MK-22:裝填現役RIM-7M/P垂直發射型海麻雀短程防空飛彈,屬於自衛型發射箱。 空箱重966.15kg,容納RIM-7防空飛彈與適配器後總重1496.847kg。

6.MK-25:一分為四型(Quad Pack),發射箱內分隔成四個空間,裝填四枚海麻雀ESSM短程防空飛彈,屬於自衛型發射箱。

 

在2010年代,MK-41的新發展是結合美國海軍研究辦公室(Office of Naval Research,ONR)與國防部先期防衛計畫局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)新開發的遠程反艦飛彈(Long Range Anti-Ship Missile,LRASM),另有專文介紹。

在2013年5月,洛克西德.馬丁集團與歐洲飛彈集團(MBDA)簽約,將MBDA的通用模組化防空飛彈(Common Anti-Air Modular Missile,CAMM,詳見英國皇家海軍Type-26巡防艦一文)與MK-41垂直發射器整合。配合MK-41時,每個發射槽可裝置一個MBDA的ExSL三聯裝冷發射容器,每個可裝填三枚CAMM。在2013年9月,MBDA與洛馬首度進行由MK-41發射器搭載ExSL發射器並發射CAMM飛彈的測試。

 

配合海麻雀ESSM的MK-25四合一發射箱,每單元能容納四枚ESSM。

當SM-3、ALAM系列等飛彈整合入MK-41時,也會另外分別為其設計與對應的發射箱。除了長度最大的MK-14發射箱之外,其餘發射箱在裝入發射器框架時,都需要搭配對應的適配器。 MK-41發射系統與艦上射控系統之間採用數位化接口,沒有類比的模擬輸入量,因此只要修改LCU預置程式(燒在印刷電路板內),就能適與不同的射控系統整合。

馬丁.馬里塔公司也針對外銷市場,推出深度縮減的MK-41發射模組,其八聯裝模組隔艙框架深度減為5.03m,頂部與底部結構與標準化模組相同,中間長度則縮短,只能容納海麻雀飛彈的發射箱(MK-22與25);由於安裝所需的深度較低,因此比較適用於中小型巡防艦上,充當防空自衛火力。

除了美國之外,MK-41 VLS也廣泛被西方國家採用,如德國、荷蘭、西班牙、加拿大、日本、韓國等等。

MK-41 VS 俄系VLS/冷發射VS熱發射

MK-41堪稱今日最具代表性的艦用垂直發射系統,然而全世界第一種艦載垂直發射系統則是前蘇聯海軍SA-N-6區域防空飛彈系統的3S-41型 ,其結構與運作方式都和MK-41大不相同。3S-14是典型的俄系垂直發射系統,發射器是一個埋在甲板下、類似左輪槍彈匣的圓形彈艙, 中間的機械旋轉軸心周圍掛上八支飛彈儲存/發射管,每管裡存放一枚 飛彈,而整個發射器就只有一個開口。要發射飛彈時 ,中央旋轉軸會先轉動,讓其中一支發射管對準發射口,發射後可繼續旋轉,讓下一支發射管就位。由於採用這種構造, 這類蘇聯式VLS經常被簡稱為「轉輪式VLS」。使用SA-N-6的蘇聯艦艇包括基洛夫級(Kirov class)與光榮級(Slava class)飛彈巡洋艦,前者擁有12組3S-41/B-203垂直發射器,光榮級則裝有八組3S-41/B-204型VLS。除了SA-N-6之外,蘇聯海軍的SA-N-9短程防空飛彈系統也使用類似的3S-95型(Kinzhal)轉輪式VLS,唯其動作部位較3S-41完全相反,發射 器本身是固定的,但發射蓋為旋轉式;接戰時,發射蓋會以每秒55度的速率將唯一的發射口輪流對準底下的發射管。 前蘇聯海軍這些最早期的垂直發射系統採用轉輪式設計、只使用單一發射口,主要原因可能是為了減少甲板上發射器開口的數量與面積, 提高發射器上方的結構強度,使得彈艙獲得最大的保護(例如基洛夫級飛彈巡洋艦的SA-N-6垂直發射器就覆蓋在強化的裝甲之下,只有一個發射口需要開啟), 避免遭到敵彈命中時鑽入彈艙造成重大破壞,或者提防本身發射的飛彈升空後失效落發射器上引爆時提供較佳的防護。

蘇聯式VLS與西方另一大不同就是採用「冷發射」模式,也就是以機械裝置將飛彈彈出發射管,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 。也因此,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,由燃氣產生裝置、汽缸與活塞連桿等部件組成 ;系統接收發射指令後,燃氣產生裝置製造高壓氣體並突破裝置內的噴嘴堵片,使高壓燃氣灌入汽缸;當汽缸內壓力累積到一定值之後,飛彈與發射筒的連結裝置便脫鎖,汽缸內的活塞在高壓燃氣的推動下迅速上衝,進而推動一根連桿,瞬間把飛彈拋出發射筒,飛彈在射出發射筒一段距離後才將發動機引燃。

垂直發射系統:冷發射 VS 熱發射

相較於冷發射,熱發射系統本身不需要提供讓飛彈升空的動力,連帶省略相關的彈射與燃氣產生裝置 ,節省了可觀的體積與重量(這對容積與載重有限的船艦而言十分重要)。在熱發射系統中,只要飛彈本身發動機工作正常,就可以順利發射;而 冷發射系統如果讓多個發射管共用同一個燃氣產生裝置,一旦燃氣產生裝置發生故障,所有的發射管都無法工作。

然而,熱發射系統的飛彈點火時,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 ;由於直接承受飛彈噴焰,熱發射系統的壽命週期較短,飛彈儲存箱是只能使用一次的消耗品,發射器結構本體也需要更頻繁地檢修或更新。而冷發射本身則不需要,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,因此發射器 使用壽命較長,飛彈發射筒在使用後,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。此外,熱發射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;而冷發射就沒有此種問題。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。

在飛彈性能方面,冷發射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;然而熱發射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,而且需要修改飛彈的氣動力外型(需加裝推力轉向裝置);因此在相同推進藥量的前提下,冷發射飛彈的射程將高於熱發射飛彈,而且由於比較不需要修改彈體外型,冷發射飛彈通常比熱發射飛彈更能保有性能。而部分較大型的熱發射飛彈(例如美國標準SM-2區域防空飛彈)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 。

彈種相容性方面,熱發射需考慮排氣系統的處理能力是否能負荷此種飛彈產生的廢氣量,因此發射系統的原始設計就必須與飛彈的推進器匹配 ;如果要發射大型飛彈(如開發中的大型反彈道飛彈攔截器),船艦能容納的熱發射系統的排氣量通常難以負荷。而冷發射在這方面則只取決於氣體彈射裝置的出力,故理論上冷發射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)。例如,美國在2000年代曾打算發展動能攔截器(Kinetic Energy Interceptor,KEI)部署於下一代大型防空巡洋艦上,由於KEI的推進火箭強大、船艦本身很難搭載夠大的垂直發射熱焰排放系統,因美國海軍當時規劃以冷發射方式來發射KEI,但KEI於2009年遭到取消。

在飛彈的控制方面,冷發射在飛彈彈出階段,面臨比熱發射更高的風險。相較於由傳統發射器發射,垂直發射飛彈的一大不同,就是飛彈從升空到轉向目標前進需要轉換初始座標。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 並點火加速,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) ;而傳統發射的飛彈在飛離之後即便導引系統無法正常工作,也會落入遠方海中。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,需要多一些程序。飛彈從垂直發射器升空後數秒之內,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。 對於冷發射而言,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,在飛彈點火時已經懸浮在空中,初始的姿態與指向都處於不受控制、較不穩定的狀態。 反觀熱發射的飛彈一開始就是穩定地依賴本身的推力升空加速,飛彈點火從靜止開始加速時仍然固定在發射器的軌道上,因此指向是固定的, 飛彈離開發射管進入空中時已經有自己的持續推力來穩住航道,受控的程度高於冷發射,免除一些無法掌握的變數。

西方最早實用化的大多數艦用VLS如MK-41,都使用系統結構較為簡單、體積重量較少(不需要安裝彈射裝置)、飛彈控制較為單純的熱發射方式,寧可並犧牲發射器壽命和飛彈的低空性能包絡。不過2010年代歐洲飛彈公司發展的通用模組化防空飛彈(Common Anti-Air Modular Missile,CAMM),就使用稱為「軟發射」(Soft Launch) 的冷發射技術,使發射器與平台不必承受高溫尾焰,減輕結構重量並延長發射使用器壽命。

 

VLS與傳統式飛彈發射器的比較

以下就來比較傳統旋轉式發射器、蘇聯旋轉式VLS以及MK-41的性能:

發射密集度

飛彈發射密集度(也就是發射速度)攸關艦艇在面對飽和攻擊時的存活力,是現代艦艇防空戰力的一項重要指標。 如果來不及在被擊中前發射飛彈接戰每一個來襲者,艦艇將無法在戰場上存活。發射速度乃是由備便彈的數目、 瞄準程序以及再裝填動作來衡量。所謂「備便彈」就是已經就位、只差點火動作就能 升空接戰的飛彈。

一般的傳統式艦載旋轉式發射器使用一個位於甲板上的旋轉式發射器,發射器上有一到二支掛有飛彈的發射臂; 透過發射器的水平旋轉與發射臂俯仰,使飛彈瞄準預定的目標攔截點然後才發射;接戰時,旋轉發射器會調整方位、 仰角以對準目標,接著發射飛彈。至於備射彈多半儲存於發射器底部 的彈艙中 。發射器上的飛彈射出之後必須進行裝填,此時又需將發射臂對準裝填開口(牽涉水平與俯仰動作), 彈艙至少需要選擇彈種(彈艙可能混裝不同型號飛彈)並將選定彈位轉至定位等機械功能,然後揚彈機將選好的飛彈送上發射臂, 此後發射臂重新進行水平/垂直向動作來瞄準下一個目標。早期如美國MK-10或英國海鏢飛彈發射系統的再裝填機械動作都十分複雜 ,彈艙內的飛彈係裝填於個別的儲存箱裡,發射箱內設有飛彈所需的冷卻、加熱、驅動等周邊裝置,上 彈時彈艙內的機構會將整個儲存箱輸送至彈艙口,進行裝填時再把發射器對準再裝填開口,讓機械裝置將飛彈從儲存箱推送至發射架上,整個過程牽涉到二十個以上的機械動作;而如果是更老一點的飛彈發射器 例如美國用來裝填大型護島神(Tolas)的MK-12等,飛彈的戰鬥部與推進器甚至是分開儲存 ,在彈艙內組裝飛彈時也需要一些機械動作。而較新型的旋轉發射器如美國MK-13、26則將彈艙機械結構簡化,彈艙位於發射器下方的甲板,採用連續皮帶輸送,飛彈直接加掛在皮帶上,再裝填時只要將皮帶轉至定位,再將發射臂轉到垂直,彈艙的機構就能將飛彈垂直推上發射臂,只牽涉到數個簡單的機械動作。因此,老 式的MK-10發射器每次裝填需花上20秒以上,而MK-26僅需要8秒。

至於VLS的發射管就沒有任何對準目標的動作,角度永遠固定朝上,讓飛彈在升空後自行轉向目標,如此可節省不少反應時間。此外,VLS的飛彈儲存管本身就兼具儲存與發射功能 ,每一枚飛彈都可處於備射狀態,連續發射兩枚飛彈之間的機械動作大幅簡化。

蘇聯 幾種轉輪式冷射垂直發射器(如SA-N-6與SA-N-9)在每次發射時,需要旋轉彈艙,將每個發射管逐一對準發射器的單一開口,機械動作較多。而構造如MK-41的垂直發射器的每個發射管都是獨立且位置固定的單元,發射飛彈時只需將外蓋打開並下達點火指令即可,沒有其他機械動作 ;彈選擇也由電子系統完成,一旦檢測到不符合任務屬性的飛彈或故障彈,就立刻選擇下一枚,電子裝置只需要很短時間就能切換到另一個發射管,甚至可連續發射多種不同的飛彈。 由於不需要轉動旋轉,MK-41的射速約是平均每秒一枚飛彈,理論上能持續以這種速度發射直到飛彈耗盡(只受到射控通道數量的制約);而蘇聯SA-N-6防空飛彈的B-203A(3S-41)轉輪式VLS射速僅3至4秒一發,SA-N-9短程防空飛彈的3S-95轉輪式VLS也是每3秒一發。

至於俄羅斯在2000年代以降陸續推出的3S-14E型八聯裝通用垂直發射器、3S90E(裝填Sthil-1防空飛彈系列)12聯裝垂直發射器與3S97(裝填Redut防空飛彈系列)八聯裝垂直發射器也都使用類似西方的格艙式佈局,每個發射模組由多個獨立的固定式發射管構成,每個發射管都有專屬的彈射裝置 與開口。

射擊角度

傳統式旋轉發射器是靠著發射器本身來讓飛彈對準目標,因此飛彈的射界就取決於發射器的旋轉範圍(因為飛彈尋標器的搜索角度有限)。雖然這種設計能讓飛彈一開始就對準目標方位,但是旋轉發射器的射界難面會被艦體結構擋到,多少會對飛彈的射界造成不便 。此外,面臨多軸向飽和攻擊時,無論是短程防空飛彈或機砲CIWS的旋轉基座,都會陷入反應不及、顧此失彼的窘境。

VLS則是一律讓飛彈垂直射出,隨後靠自身動力轉向目標;雖然飛彈垂直升空後需要一些時間轉向目標,不過也因此而沒有射擊角度限制,在面臨同時多方向攻擊時也能迅速接戰。 垂直發射也能免除船艦本身上層結構物或者鄰近艦艇對射界的阻擋;使用傳統發射器時,在編隊中的船艦可能必須先進行轉向與加速機動進入射擊陣位(例如避開友軍艦艇的妨礙)才能接戰,而使用能繞越障礙物的垂直發射(以及配合的飛彈制導機制)之後就能直接發射飛彈接戰,不用再花額外時間搶佔陣位。

可靠度

任何武器系統的結構複雜度都與可靠度成反比:機械越複雜龐大,故障癱瘓的機率就越高,也越不耐用。傳統旋轉式發射器的機械結構複雜,除了能夠旋轉與俯仰、自動抵銷船艦搖晃影響的發射裝置之外 ,平時儲存飛彈的彈艙也有大量活動機械組件(含備彈環、揚彈機等),而且這些機械都可能發生故障。在接戰時只要發射臂、發射臂上的飛彈、旋轉座或彈艙其中任一者故障,整個旋轉發射系統很可能就會陷入無法接戰的窘境。另外,傳統式發射器位於甲板以上,直接受到外界海浪、鹽分、風吹日曬雨林的影響,也更容易遭受戰損。

而蘇聯幾種轉輪垂直發射器的附屬機械裝置也嫌偏多,萬一彈艙的旋轉機構失效,整套系統 就會停擺;而如果冷發射器設計成每個發射單元需要共用彈射裝置或燃氣產生裝置,一旦集中式的部件失效,整個發射單元所有的飛彈就都無法發射。

MK-41這類的垂直發射器的機械複雜度極端簡化,飛彈發射管兼具平時儲存與發射的功能,整個發射系統的活動部位只有每個發射槽的艙蓋以及其開啟機構,結構簡單可靠 。傳統的發射器往往需要二維穩定功能,自動抵銷船艦在海浪中的搖晃,讓架上飛彈持續對準目標方位,發射前的瞄準更需要水平/垂直軸向的快速俯仰運動,因此需要十分昂貴的高靈敏度伺服馬達以及相關的穩定裝置 ,而垂直發射器的開蓋動作就簡單得多。 也由於沒有任何需要大功率轉動的組件,MK-41在一般狀況下只需要20KW的峰值電源,平均耗電更只有4KW;而MK-26雙臂發射器由於需要輸彈、上彈、快速調整發射器指向目標 以及抵銷海浪搖晃等,最大運作功率負荷高達480KW。

 傳統發射器連續發射所有飛彈時,都是同一個發射架的相關轉動機構在持續運作,長時間作戰時比較容易發生故障;而像是MK-41這樣的垂直發射器的每個發射管的蓋子與控制電路在作戰時只會使用一次 、把管內唯一的飛彈射出,不需要持續多次運作;而且每個垂直發射箱都有獨立的發射口與控制電路,任何一個發射管失效(包括飛彈或發射器的機械、電路),都不會影響其他任何發射管的運作。

MK-41垂直發射系統的平均故障間隔(Mean Time Between Failure ,MTBF)高達1936小時。1991年沙漠風暴戰役時,美國海軍各艦的MK-41 VLS共成功發射289枚戰斧飛彈,沒有遇到任何問題。

安全性

防護方面,美國與北約對垂直發射系統的安全標準,是能在飛彈故障或發射失敗、飛彈在發射管內點火卻沒有射出的情況下,發射管 需能承受火箭發動機噴流的持續燒蝕,並確保鄰近的發射管不受波及;飛彈本身則需滿足鈍感彈藥(insensitive munitions,北約規範代號STANAG4439)需求,要求即便飛彈火箭推進器在 發射管內持續燃燒到殆盡為止,也不會發生引爆的情況。以MK-41為例,其結構十分堅固,發射口配備防爆發射門(blast door),就算飛彈在發射後失靈掉落在發射器上爆炸,發射器內的其他飛彈也不會被波及。此外,每組發射器都有專屬的自動注水裝置以及使用特殊液體的消防/冷卻系統,盡可能降低火災時造成的損失。由於MK-41的每一枚飛彈都各自儲存於獨立且隔絕的發射管內,每個發射管都足以抵擋因為意外而產生的爆炸與燃燒,因此整體安全性可謂十分優良,一般情況下很難產生連鎖誘爆。而體積重量較低、專門裝填海麻雀防空飛彈的MK-48垂直發射系統(另有專文介紹),同樣滿足類似的安全要求。美國用於DDG-1000驅逐艦的更新一代MK-57垂直發射器擁有更堅實的防護設計,並以長條方式布置在側舷,一方面進一步降低飛彈集中誘爆的風險,再者也可充當側舷的防護緩衝。然而,垂直發射器個別儲彈並採取完善隔離防護,整個系統的體積重量勢必高出相同容量的傳統發射器彈艙,單位甲板面積與體積可儲存的飛彈數量減少。

萬一飛彈沒有順利點火或者點火後發生意外,MK-41這種熱發射式VLS的飛彈絕大多數情況頂多停留在彈艙內,即便推進器失火,也會被發射器本身良好的防護隔絕措施控制住災情。而冷垂直發射的飛彈如果升空後點火失敗,就有可能砸回軍艦甲板釀成危險(為此, 中國為HHQ-9艦載防空飛彈開發的冷射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) 。對傳統發射架而言,萬一飛彈點火不順利,運氣好則整枚彈入海中,如果殘餘彈體或加力段掉落在甲板上(例如加力段在發射架上爆炸),還是會釀成若干災情,不像 熱發射多半會停留在 防護措施周延的彈艙裡。不過換而言之,傳統發射器 或冷發射式垂直發射器的飛彈如果發射失敗掉落在甲板上,要排除也相對容易,只需將飛彈推入海中,而垂直發射飛彈一旦發射失敗停在彈艙就不易排除,尤其是萬一戰鬥部意外啟動備炸的情況下就比較危險;而冷發射系統的彈射動力由發射系統提供,萬一飛彈故障則仍可將飛彈彈射出管。

艦體匿蹤、重心

傳統式旋轉發射器無可避免地要暴露在甲板上,勢必增加艦艇的雷達截面積(RCS)。而VLS從甲板上唯一能看到的部分就是平貼於甲板上的發射開口, 從艦體側面完全看不出來,不會增加船艦的雷達截面積;同時,垂直發射器沒有高於甲板的結構物,也有助於降低艦體重心。

發射系統成本

垂直發射系統本身結構簡單,沒有要求快速精確的大型活動機械,後勤維護需求大幅降低,這使得MK-41型的購置經費與全壽期維護成本都比MK-26大幅降低。根據美國海軍的資料,提康德羅加級的M-41發射器(16個八聯裝模組)的購置成本約只有原本兩套MK-26的一半。在1982年預算年度採購的2艘提康德羅加級飛彈巡洋艦(CG-52、CG53),首度以 MK-41系統代替原本的MK-26,美國官方估計節約了8800萬美元左右,而每艘艦的載彈量卻從原本的88枚增加到122枚。

不過從另一個角度,如採用垂直發射方式,飛彈本身就需要具備耐高溫高壓設計(針對熱發射)以及發射後的垂直轉向技術,在此需要花費額外的研發成本。

垂直發射飛彈的缺憾

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。

1.垂直發射飛彈的技術挑戰

首先,垂直發射的飛彈升空後,必須迅速正確轉向來對準目標;因此,適用於垂直發射的飛彈都必須具備離軸鎖定能力,因此需要較複雜的飛彈導航、控制機構,能自動控制飛彈轉入遇到航道或飛入射控雷達的導引波束中。因此,能適應垂直發射的飛彈的結構與制導系統都相對複雜,不僅增加了飛彈成本,也可能降低飛彈可靠度;實際上,垂直發射飛彈也是在電子技術進步、能將慣性導航裝置微型化裝入戰術飛彈的導引系統之後,才得以實用化與普及化。

第二,垂直發射後的飛彈向上升空轉向之後才能朝目標飛行,延長了飛彈攻擊目標的時間,損失了一些反應時間;反觀傳統發射器會指向目標發射,飛彈一升空就直接朝目標而去。飛彈發射升空的幾秒鐘,飛彈的飛行速度較低,控制面幾乎沒有效果;垂直發射的飛彈不僅由於完全相反於重力方向而使發射初速更低,而且並不是朝目標飛行,導致需要花更多時間加速直到產生舵效應才能控制飛彈轉向。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 充裕),但面對從地平線上躍出的超音速掠海反艦飛彈時,就可能出現問題。為了改善這個問題,垂直發射的飛彈多半需要向量推力控制技術(包括飛彈尾部燃氣舵,甚至增加一截包含燃氣舵、專門用於升空與轉向的推進段)來加快飛彈轉向。一些垂直發射的中、短程防空飛彈如美國ESSM、歐洲Aster-15、以色列閃電(Barak)、英國垂直發射型海狼飛彈等都具有向量推力技術,在盡可能低的高度上迅速轉向,而選擇適當的飛彈助推加速度、轉向起始時間、舵偏轉極限角度和俯仰速度等參數就格外重要。 此外,一些2010年代發展的短程垂直發射防空飛彈如MBDA的CAMM(英國版為海攔截者,Sea Ceptor)採用冷發射以及彈側火箭轉向,飛彈被外動力彈射到空中並由側向火箭完成轉向才點燃飛彈本身發動機,能進一步加快垂直發射後的轉向。

1.垂直發射系統對船艦設計的制約

就船艦平台方面,由於整個垂直發射系統需要安裝在甲板以下,下甲板構造深度比傳統的MK-13、MK-26旋轉發射器都大;再加上垂直發射器的每個彈位都是獨立發射管,兼具儲存與發射功能,所以無論佔用船艦甲板面積或深度,都大於MK-13、MK-26等傳統發射器,間接導致安裝MK-41垂直發射器的船艦,體型與造價向上攀升。

例如,一些派里級飛彈巡防艦的使用國(如澳洲)在規劃升級改裝工程、或者以派里級為設計基線來研發新艦艇(如台灣ACS案)時,如果要取消艦首MK-13發射器(彈艙容量40枚)改成MK-41,原位置艦面甲板空間充其量只能安裝32管MK-41垂直發射器(還沒考慮到原先派里級的結構是否允許這樣的變更)。先前MK-13、MK-26等發射器,裝填的是沒有第二級助升火箭的標準SM-1/2 MR、魚叉反艦飛彈、ASROC等武器,下甲板彈艙的深度大約控制在兩層甲板以內;而到了MK-41垂直發射器,由於配合的飛彈長度更長(包含第二級住推器的SM-2 Block IV、戰斧巡航飛彈等),發射器深度至少來到三層甲板。1990年代以後歐洲國家設計的作戰艦艇,相較於他們代替的舊船,體型與排水量明顯都放大一個檔次,使用包含相位陣列雷達、垂直發射系統為主的作戰裝備,是體型放大的關鍵原因;由於體型與造價大幅攀升,歐洲國家能負擔的新艦艇數量,比起被替換的上一代艦艇降低不少。

 由於佔用的甲板深度最大,MK-41這樣的大型垂直發射系統,對於船艦佈局的制約也比較大,需要在艦體中心軸線上,從主甲板(承力結構)至下方至少三層甲板 都要配合留下大面積開口,整個船艦結構強度與佈局都要配合來設計。而如果像是美國DDG-1000松華特級驅逐艦將MK-57垂直發射系統布置在側舷,對於船艦設計的制約算是相對減低。

另外,對於一些體積較小的近程防空飛彈,如果設計成四枚共用一個發射管的緊湊設計(如美國ESSM),就有助於降低船艦所需要的MK-41發射器管數,進而減低船艦體積與成本。對於中小型國家海軍(對於長程防空與對地攻擊需求較低,比較不需要大型區域防空飛彈與陸攻巡航飛彈),這樣有助於降低新一代作戰艦艇的成本。

 

MK-41單管發射器(SLC)

針對小型船艦平台設計的MK-41單管發射器(SLC)

MK-41 SCL在2002年進行陸上發射測試的畫面,搭配四合一發射箱裝填ESSM防空飛彈。

標準的MK─41發射器單元是2x4的八聯裝模組,船艦平台必須預留相當的空間(包括甲板面積、下甲板深度等)才能容納。為了增加MK─41垂直發射系統的安裝彈性,洛馬集團在2000年代初期推出了MK─41的單一發射管(Single Cell Launcher,SCL)版本,適合裝載於甲板空間較小的船艦平台。在2002年,SCL搭配MK─25四合一發射箱(用於裝填ESSM飛彈)在位於維吉尼亞州的海軍水面作戰中心達爾格倫分部(Naval Surface Warfare Center,Dahlgren)進行了ESSM防空飛彈的陸上發射測試。

 

BAE System:可適應甲板發射器(ADL)

(上與下)BAE Systems在2018年美國海軍水面學術研討會(SNA 2018)展出的可適應性甲板發射器

(ADL),可裝填配合MK-41垂直發射系統的各種戰術飛彈容器,包括ESSM防空飛彈的

MK-25四合一發射箱。如此,一些原始設計沒有考慮到安裝垂直發射器的艦艇,能以

最簡易的方式、最低的成本來相容使用配合MK-41的戰術性飛彈。 


在2018年初美國海軍水面學術研討會(Surface Navy Association 2018 symposium,SNA 2018)中,BAE Systems首度展出一種稱為可適應性甲板發射器(Adaptable Deck Launcher,ADL)的設計。這是一種安裝在船艦甲板上、非穿透性的低角度傾斜箱型發射器,能直接容納之前配合MK-41發射器的各種戰術飛彈的容器,包括ESSM防空飛彈的MK-25四合一發射箱。ADL與MK-41現有的發射控制系統(Launch Control System)相容,飛彈的介面無須修改就可以直接裝置於ADL中。ADL主要是針對一些原始設計並未考慮容納垂直發射系統的船艦(包括第二線後勤船艦),使之能以最簡易的方式相容於ESSM等配合MK-41的戰術飛彈,將工程變更幅度與成本降至最低,只需要一個面積與強度符合要求的甲板空間就可安裝。