|
|
本帖最后由 晨枫 于 2020-1-1 00:43 编辑 6 R! z" q6 ]8 [( B
6 k( q) E+ B* ]6 p$ g* v飞机气动控制机理如今烂大街了,路人皆知。但空空导弹的气动控制和飞机有点不一样。以前一直不甚了了,近些天咂摸咂摸,总算弄明白一点了。当然,这是指大气层内飞行的战术导弹,弹道导弹是没有气动控制问题的。或者说,弹道导弹只有上升段具有有限的气动控制问题,飞出大气层后就没有气动控制问题了,有的只是再入和姿态控制问题。这与气动控制是不同的,没有空气,哪来气动控制?在再入段也没有气动控制,就是按照简单弹道砸下来,顶多有有限的再入前变轨动作。现在的水漂弹、再入拉起、再入滑翔这些奇技淫巧不算,这些也不是常规的导弹气动控制范畴的事情。% _. C: |. N- I- I4 u4 R
3 i' P; O, N! s1 p$ C/ p
![]()
* A/ q6 u! H8 ^/ w+ I典型空空导弹具有弹体(粉红色部分)、尾翼、弹翼、鸭翼
3 S; A. A. {7 K+ T2 C$ w: Q$ H9 W) R+ T
典型空空导弹从前到后有鸭翼、弹翼、尾翼。三组翼面都可用于气动控制,可以其中两两共存,甚至三者共存,但一般只有其中一组翼面用于气动控制。说起来,翼面还有十字翼和X翼的差别,图中实际上上为十字翼,下为X翼,但在这里一锅煮了。十字翼水平和垂直控制清晰,控制律简单,但在水平机动和垂直机动中只有一对参与工作,另一对“闲置”,舵效稍低;后者在水平或者垂直机动时,所有翼面都参与工作,舵效更高,但控制律较复杂。反坦克导弹和反舰导弹针对平面目标,常用十字翼;空空导弹和防空导弹本来就在三维空间里满世界追踪目标,无所谓水平、垂直,反正总是要所有舵面一起工作,所以以X翼为多,这还方便挂架上的挂载,并减少弹舱内占用的空间。
x& p$ [8 ~9 z" I X, Y
) U2 w8 s/ ?$ t/ O1 a6 k 5 [6 y& m! @8 q9 R. V5 L3 k
导弹气动控制主要有尾翼控制、鸭翼控制、弹翼控制、非常规控制(主要是矢推或者侧推)- O2 G$ L* n) B
5 ^3 r+ [) A& e5 h0 h
鸭翼主要用于气动控制,也有用固定的小鸭翼作为增稳的。弹翼主要用于产生升力,但在弹翼控制的情况下也用于气动控制。尾翼也产生升力,但一般来说,更大的作用是气动控制。
0 t: N$ W3 S! m4 L0 ^+ `+ q# x# Z, n. G- K% C
6 J. I" [. a( |( f. n: n0 I; H
鸭翼、弹翼、尾翼控制与重心、迎角、偏转力矩的关系
6 E. e' L* W0 \+ f( w9 y- P6 D, m
0 ^: S! g% M3 p7 ?6 a, p气动控制就是利用额外升力(可正可负)改变导弹姿态和迎角,改变指向只是一部分,最主要的作用是产生侧向力。这和飞机是一样的。所不同的是,飞机的升力是二维的,只有在机翼的垂直方向,所以需要横滚才能产生侧向力,才能转弯。光是打垂尾上的方向舵是不能有效转弯的,垂尾和方向舵只有稳定前进方向的能力,不是用于转弯的。导弹的翼面不管是十字形还是X形,都不需要滚转就可以直接产生侧向力,所以导弹转弯的时候,没有横滚动作,因此机动性在本质上高于飞机。
) i m& F) \' T# v4 A! m! a3 I) }: G" I: Q/ ?. T0 k$ }
三种气动控制方式的主要差别在于偏转力矩与重心的关系。
$ \+ N3 [: Z) W2 @. M( m$ A. a0 i. i y
![]()
% D' C$ J& B& v2 e W, |典型鸭翼控制的导弹% Y8 C, B$ U) F# v
; m0 O& o9 ]7 q! q鸭翼控制的作用点在重心之前,额外的控制升力与弹体(以及弹翼、尾翼)的升力方向一致,升阻比高,舵效高,因此转弯快,机动性好,尤其在小迎角的情况下;而且远离发动机,便于安装。缺点是大迎角时容易进入失速,导致失控,常常需要加大尾翼翼面来补偿,因此抵消了鸭翼的好处。另外就是滚转控制力差,所以早期的响尾蛇导弹在尾翼上安装滚轮,利用气流冲刷产生高速旋转,用陀螺效应帮助滚动控制,代价是增加了重量和阻力。小迎角情况下机动性特别好的特点很适合近程空空导弹,有利于在大体瞄准的情况下迅速准确追踪。鸭翼控制广泛用于近程空空导弹。, n( L0 \+ l [3 q' x
. i& _+ r; k/ S# s+ y. S( ^$ H
![]()
. l- m- J4 W+ E) k% }7 b) i9 p8 y- C早期响尾蛇导弹尾翼上有气流冲刷转动的滚轮,用陀螺效应帮助滚转控制,后期响尾蛇已取消
p5 Y1 c3 r% r4 ^- T4 K. V
7 o0 a) C. s1 M* X7 B- C 8 ?+ z: N- c6 R; ]7 _" j6 x
其中这些是双鸭翼
2 W. r/ p' u2 [2 C: A
0 s3 T9 K/ U! f( i, f# P在80-90年代,双鸭翼流行过一段时间。在双鸭翼里,前鸭翼是固定的,后鸭翼才是转动的。前鸭翼实际上是涡流发生器,用于为后鸭翼的翼面增加气流能量,推迟失速的产生,极大地增强机动性。缺点是产生额外阻力。在强调缩小体积、增加末端能量和增加射程的现在,双鸭翼已经成为过气网红了。
* J N, s- ]' s6 a$ _7 A |5 ?- b
2 P% N% s9 j1 i: i. E9 W 6 p/ `! J( y. e* c' h
旋转弹体是鸭翼控制的另一个分支
8 V* z l6 P* e5 r, p4 h# C8 {% a5 \& c7 y0 Q- O4 [0 k+ N
鸭翼控制的另一个分支是旋转弹体,也称滚动弹体。这是用带一点偏转的尾翼使得导弹在飞行中绕轴线低速旋转,减少火箭发动机推力偏心、气动不对称、质量偏心等对弹道散布的影响(旋转一周后抵消了),火箭弹也是这样的原理。不过转速不高,不足以形成陀螺稳定的作用,在这一点上和采用来复线的枪炮还是不一样。旋转弹体在发射后利用离心力把鸭翼甩出,鸭翼只有转动到需要的位置才工作,所以一对(而不是四片)鸭翼同时(实际上是分时)完成俯仰和偏航控制,降低重量和成本。这主要用于超短程的肩射防空导弹和反导导弹,如有名的SA-7和“针刺”肩射防空导弹一级“拉姆”反导导弹,只适合打机动性相对较低或者距离太近而难以逃逸的目标。6 s/ x& t" @- E9 h7 S& f' A1 q
; g1 `# y t0 s! { & O5 Y8 c* i/ ]' `0 m
典型尾翼控制的导弹) N& V3 v/ e+ K7 B3 U
7 B* i) q$ j0 V3 b- M+ R
尾翼控制的特点与鸭翼相反,敏捷性低一点,但大迎角机动性更好,尤其是在大迎角时尾翼不易失速。但尾翼的控制升力是与弹体(以及弹翼)的升力方向相反的,所以升阻比低一点。尾翼可由固定面与可转动的后缘控制面组成,也可是单片的全动尾翼。尾翼控制常与固定弹翼相结合,后者产生升力,增加射程。尾翼控制常用于中远程空空导弹和防空导弹。& h k f P u/ @7 e" P, v! Y
! I& q% q1 i$ d
![]()
& h3 P1 D! H! EAGM-114“地狱火”反坦克导弹的尾翼由固定面和可转动舵面组成
+ O9 J' T/ z; b& D' d! X! C0 R8 n; ?- _ O# Z S
6 @) V+ y" R$ ~5 g% [, V1 l
AIM-120就是全动尾翼9 `% B- f6 `% \$ c T
/ l4 L$ `, k4 ? [$ i3 M , T, i$ }2 ~* q' u9 ~; J1 s& v
8 d( V/ z' O# x: @
! E* M+ q# o% P% @5 h. p; M3 Z9 R5 j
AIM-9X也从早先响尾蛇的鸭翼控制改为全动尾翼,前翼现在是固定的了。但除了燃气舵外,还有鸭翼后的侧推微火箭
" P9 I2 M& e, N! y; P* P3 P8 M& y! v2 n! P$ V/ E1 O
![]()
9 }- C5 n; |. J! {: g1 M格栅翼是尾翼控制的一个分支/ l+ Q0 e! V" a
; R% A- w: L' T8 o, f格栅翼是尾翼的一个分支。与气流顺向的单片的平面翼不同,格栅翼是“迎着”气流直立的。格栅翼对高超音速飞行特别有效,因为在翼面积相当的情况下,舵机的力矩要求大大降低。翼面弦长较短也推迟气流分离,使得大迎角时不易进入失速,比常规的翼面更适合大迎角气动控制。
: A8 X8 Z/ S4 F4 U$ f+ w& @
: }9 O5 ?. ]9 }![]()
5 E! a" N- c; T2 L$ ]5 e* c6 r" o. M9 k/ V" p
但格栅翼的阻力特性比较复杂。在亚音速时,格栅翼和平面翼相仿,没有显著差别。但在跨音速时,格栅叶片前缘产生与前进方向垂直的正激波。激波是跨越因素的压缩作用造成的“致密”空气层,所以正激波的阻力最大,而且把格栅翼都“盖”住了,极大地降低了格栅翼的气动控制作用。在略超过音速的时候,正激波被推离格栅翼前缘,整个格栅翼都被“裹”住了,气流绕着走,气动控制效率更低。
8 u0 \1 N/ y2 _. t! D8 v, f$ P8 S8 `7 f/ y+ m( x1 l
但进入M1.3以上后,正激波变成斜激波,斜激波会“击中”叶片壁面而反射回来,还是形成“虚拟气壁”,造成显著的阻力。但速度进一步增加后,斜激波从格栅空隙中直接离开,阻力显著降低,气动控制效率迅速提高,并显著超过平面翼。
' M0 ^5 w$ \% |3 o t
3 |: p* a' j0 p; L0 p6 F: U格栅翼的另一个优点是容易折叠,减少弹舱内的占地,很有利于强调机内挂载武器的隐身战斗机使用。易于折叠也是亚音速投放的制导炸弹也用折叠椅的原因,如前所述,在亚音速下,格栅翼和平面翼的阻力和气动控制效果差不多。
+ K2 N+ e* n8 v# r' T u5 I# p( v4 _1 ^ L* S9 s; g
3 ~- j2 k) ~* j( s% N- R* e
尾翼控制的另一个分支是无弹翼构型,如“爱国者”防空导弹
6 d5 w p4 W/ T: _' y' I
* G' {, @8 t) B( ~% t0 p5 \![]()
1 ]6 y) i) {0 f: j9 }/ ^3 [. ]ASRAAM空空导弹也是无弹翼的5 Y: h! W( |7 N
+ s3 q; r( l9 q, B& G/ I/ d: e
固定的弹翼主要用于产生升力,同时带来重量和阻力。巧妙使用弹体迎角也可以产生升力,还可以取消固定弹翼,如“爱国者”防空导弹和ASRAAM空空导弹。但导弹的飞行速度变化较大,使得升力中心变化也较大,而且非线性,使得气动控制律较复杂。另一个问题是尾翼的位置。位置太靠后的话,在高速时静稳定性过大,需要很大的舵面和偏角才能产生足够的转向力;位置太靠前的话,在低速时舵效不足。% x- h8 V8 e; [: M: [0 D: D
* J* T' ~0 E' b
![]()
; ]2 o7 s8 K4 d' D% A* X典型弹翼控制的导弹 {. {( s3 b7 j" J4 F
! A* p1 I# ]0 A$ U& G. H/ E2 V弹翼控制在外观上和尾翼控制不容易区分,但弹翼控制用中段的弹翼作为主要气动控制面,固定的尾翼只是产生升力和稳定作用。相比于鸭翼控制和尾翼控制,弹翼控制的侧向力直接作用在重心附近,使得导弹在改变方向的同时,弹体指向变化相对较小。这可以理解为飞机襟翼产生直接升力而不是通过尾翼改变姿态一样。由于弹体指向变化较小,导引头的视场变化较小,容易确保跟踪。早期导弹大多采用弹翼控制,正是出于这个原因。但弹翼控制的气动效率较低,需要大型全动弹翼,重量和阻力都较大,而且大型弹翼的转动可能造成涡流,影响尾翼的气流平衡,造成诱导滚转。现在弹翼控制已经较少使用了。
! N, t, X% h& D
3 s6 X1 h4 D: V5 R ' y! }: D9 C2 S8 B
各种非常规控制方法
6 y. [$ M( G6 n$ w) o
3 t h$ }1 s0 {' A除了常规的使用翼面的气动控制,还有使用矢推或者侧推的非常规控制。矢推的方法有很多,常用的有燃气舵和可动喷管。燃气舵简单,有上图中的中心位置,更常见的是布置在周边。导弹只需要短时间工作,燃气舵的可靠性也是有保证的,但阻力较大。可动喷管的阻力较小,舵效高,但重量大、转动惯量也大,不过可长时间工作。燃气舵和可动喷管通常都与其他控制手段联合工作,比如燃气舵与尾翼控制的“米卡”空空导弹、燃气舵与鸭翼控制的AA-11(R-73)空空导弹、可动喷管与尾翼控制的RIM-66/67“标准”舰空导弹。
2 e5 [) ?8 W# G
$ ]9 N% I- t0 c' A' i, h& \![]()
2 H8 f9 y* k' Y4 f3 N常见的四片式燃气舵- r+ T( @! [6 q' K
$ o) B3 a& [/ x. I2 H
![]()
. }* |5 M" o+ U- n! Q; AAIM-9X的燃气舵
# D+ {% p6 ]( j" m8 _' C, J
8 F+ g+ _. o) [( C另一种越来越常见的非常规控制是侧推。侧推直接向侧向喷气,形成侧向力,作用力大而且直接,但一般不连续工作,微调能力也不及翼面控制。侧推的气源有三个来源:微型火箭,从主发动机引出燃气,专用的压缩空气。
: Z$ y! y# V3 x/ c0 c5 w4 b
0 i1 z& I1 l! Z; F# x* j8 A7 y微型火箭体积小,能量高,但固体火箭难以调节推力,难以反复启动,并不适合作为侧推动力;液体火箭体积和重量大,系统复杂,也不适合。从主发动机引出燃气不仅气路复杂,也受到主发动机工作时间的限制,通常导弹主发动机的工作时间很短,飞行的很大一部分时间是靠惯性。当然,火箭-冲压发动机的这个问题较小,但冲压发动机受空气密度、迎角、速度等影响较大,而导弹(尤其是空空导弹)的工作范围很大,要保持冲压发动机稳定、可靠地工作的难度很大,火箭-冲压在90-00年代流行一阵后,现在又不流行了,回归双推力固体火箭等更加传统的推动方式。而且即使火箭-冲压,在射程的远端也可能是依靠惯性在飞行,依然有同样的气源断流的问题。压缩空气比较简单、可靠,但气瓶的体积和重量较大。/ c- {& D* I2 h& N9 g2 U2 n
; f- s, U2 O1 i2 |, j, _/ ?不管是那种方式,侧推都不宜连续工作。一是节约气源,二是降低阻力。不需要转向的时候向侧面喷气,也是造成阻力的。但这使得侧推处于间隙工作状态,在无推力到最低稳定推力之间,永远有一个跳跃,控制作用不连贯,只能用于大幅度转向或者末端的临门一脚,不宜用于中途的精细控制。所以侧推总是与其他控制方式联合使用的。比如THAAD的可动喷管,AIM-9X的尾翼和燃气舵等。& L. p$ I- F; F( e8 w2 t* y
) x# J; A& A! E' E5 `* A
/ O9 }& [' h* u8 G! V* ?4 U" ^4 }( L
典型非常规控制的导弹+ f5 r/ W; ^& `% \$ k
+ c" p4 y8 L1 X
导弹(尤其是空空导弹和防空导弹)还在向小型化、高速、高机动和远程的方向发展,小型化可以从动能杀伤(而不说破片杀伤)借力,但高速、远程就需要大力减阻了,小尾翼控制会成为主流,高机动性则需要可动喷管和侧推,因此未来将会有很多“光棍”导弹。反坦克导弹也可能朝这一方向发展,如果飞行速度超过M4-5,单凭动能杀伤就够了,不需要装药,有利于小型化。120毫米坦克炮弹的初速也不过M5。LOSAT就是这样的超高速反坦克导弹,只是飞控没有解决,下马了。空地导弹和反舰导弹可能还需要再较长时间里保持装药和破片,单纯动能杀伤可能不行。
* Z0 ?9 ?3 o" {0 m2 t4 X9 N; {4 T3 r& O V3 ~
但在高超音速时代,超高速导弹可能会利用激波控制来帮助实现机动,而不再单纯依靠气动控制手段。弹体都不一定非要是带锥形尖端的圆柱体,而可能是更加复杂的形状。那又是全新的机会和挑战了。 |
评分
-
查看全部评分
本帖被以下淘专辑推荐:
- · 金戈铁马|主题: 1303, 订阅: 16
- · 武器|主题: 1, 订阅: 0
|