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标题: 巡航导弹的动力方式 [打印本页]
作者: 晨枫    时间: 2023-3-5 02:26
标题: 巡航导弹的动力方式
本帖最后由 晨枫 于 2023-3-4 12:40 编辑 ! ^) \# |4 X; e' @! ]
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巡航导弹实际上比弹道导弹流行得早。纳粹德国首先推出V1导弹，这就是巡航导弹。
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$ ~# e7 `( a" o: R' S' |德国V1是第一种巡航导弹3 }, {5 t' _: `0 k0 s1 S. h' V( T

: L" K9 Z# Z# o1 c; D+ N巡航导弹的定义不是太明晰，现在一般定义为用吸气式（对应于火箭式）推进、在大气层内以气动升力飞行（对应于弹道飞行）的对地攻击导弹，所以火箭动力的空空导弹、空地导弹之类都不算巡航导弹。反舰导弹是符合巡航导弹的动力和飞行方式定义的，但一般也不作为狭义的巡航导弹。1 _+ v2 ?. J6 P' j- v2 q2 r8 a7 F
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纳粹德国在V1之后，继续推出名气更大的V2，这是弹道导弹。但是，弹道导弹在技术上比巡航导弹更加复杂，缺乏弹道修正能力也使得早期精度很糟糕，真正的“面攻击武器”，瞄准伦敦别打到肯特就不错了。在战后初期，美苏都在发展弹道导弹的同时，平行发展巡航导弹，在技术上大多相当于无人驾驶的小型喷气飞机。
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- ~. z4 Q+ O  \这些大多是战略巡航导弹，射程很大，体积、重量也很大。战役战术巡航导弹也有，如美国MGM-1“斗牛士”，曾经部署在台湾。早期巡航导弹都是装核弹头的。
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美国SM-64“纳瓦霍”战略巡航导弹$ x$ @! {$ S' Y6 p; ^7 o" k, p' a4 ]

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* J  B2 C' [+ b; M美国MGM-1“斗牛士”战役巡航导弹
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7 {7 O+ Y4 x" J为了加强突防，早期巡航导弹与战斗机一样，追求高空高速，但最终难以与战斗机拉开差距，飞行时间太长，容易被发现，容易被拦截。弹道导弹成熟后，巡航导弹很快就淡出了。
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/ e0 H: Y1 ?1 Y: f! z7 p巡航导弹的第二春是从“战斧”巡航导弹开始的，这是由于超低空飞行控制、地形匹配制导、小型涡扇发动机技术的推动。
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6 B- y: o8 K' i5 F* A; a4 e9 x在70-80年代，超低空突防是躲开雷达截获的不二法门，在距地30-100米的超低空飞行，可以在很大程度上避开地面防空雷达的探测。即使在近距离上被截获，也是一闪而过，不易拦截。地形匹配制导则解决了惯性制导的累积误差问题，制导精度与射程无关了，也避免天文制导受到气候影响较大和精度难以降低到几百米级以下的问题。小型涡扇发动机则极大地降低了油耗，使得不大的巡航导弹就能达到很大的射程。, f7 a% I! `' Q1 Y& \) c$ f7 r
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“战斧”全重1300公斤，倒是有高达450公斤的战斗部和2500公里（核弹头）或者1550公里（常规弹头）的射程。相比之下，“斗牛士”重达5400公斤，射程只有400公里（早期）到1000公里（后期）。“战斧”的CEP为几十米，后期可达10米以内，常规弹头就能发挥很大威力；“斗牛士”则是500-800米，只能用核弹头。* z+ P* f, f5 w& b- e
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BGM-109“战斧”巡航导弹是从核弹头开始的，但在中导协议后，改为常规弹头，成为美国在冷战后历次战争中的“砸门砖”。30年后，依然是美国的主力准战略打击武器，JASSM-ER并不完全取代“战斧”。7 t3 ^* ~+ z1 D: }0 t6 r

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( m' @/ A: l: X: U1 |早期“战斧”采用下开式戽斗进气口，不同型号的形状略有差别" v* X8 e) G; V1 M5 a- z
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“战斧”的发动机在弹尾，尾翼可以折叠，以减小包装状态下的直径，中部有一对弹翼，发射后从两侧的槽口内弹出，槽口由弹簧门再次封闭，保持气动外形。以后这成为巡航导弹的标准构型。
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为了减小包装状态下的直径，发动机进气口是下开式戽斗型，在发射后打开，开始进气。0 j% |/ P8 b. W; {5 M

$ ?+ O  @& a6 h0 K, y这很重要。弹体直径意味着弹内容积。“战斧”是三军通用的，陆军型号受到中导协议限制而销毁了，空军型号与专用的AGM-86相竞争，海军型号则受到垂发和鱼雷发射管直径的限制，所以每一毫米都要争取，不能用固定的进气口，只能用下开式的。% v. ~  v: l* L% g5 R- A

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从Block IV开始，下开式进气口改为固定的吸入式进气口
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从Block IV开始，“战斧”改用固定的吸入式进气口，图中“Raytheon”的Ray下有不显眼的缺口，就是进气口。
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意思和波音MQ-25“黄貂鱼”差不多，尽管形状不完全一样
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% Z8 y) A2 W/ e3 m2 d6 z+ e“战斧”Block IV以后的吸入式进气口在意思上和波音MQ-25“黄貂鱼”差不多，当然在弹腹，而不是背部，形状也不完全一样。吸入式进气口在喷气时代的早期就有研究，其实“斗牛士”用的就是吸入式进气口。5 W3 o7 T. _+ [) r

8 {* \) y/ k" _2 f吸入式进气口的阻力小，没有下开机构的额外重量，但进气顺畅不容易保证。好在巡航导弹的平飞状态实际上不是水平的，而是弹头略微扬起，有一定的迎角，以增加弹体的升力。这正好帮助吸入式进气口的正常进气。巡航导弹也没有太大的机动性要求，所以吸入式进气口是够用的。
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美国空军的AGM-86巡航导弹采用背部进气口
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弹翼在发射前是折叠的，但进气口是固定的$ n( u" H; i6 Q; c3 a& q

2 ~' j9 F% t# F: g7 k' y: O; C/ o美国空军在“战斧”的同期研发了AGM-86空射巡航导弹。由于形状和尺寸比“战斧”要自由，进气口是固定的，弹体截面是圆角梯形，弹翼在发射前在弹底折叠，不占用弹内体积，增加燃料容量。平坦的弹底还在飞行中产生升力。& }/ v0 }9 i4 m( v* A+ N- G  q

) q5 i: ^6 u- Y- P4 [进气口在背部，比较容易与垂尾协调。这也是三翼面尾翼，不像早期“战斧”是四翼面。“战斧”Block IV后也改为三翼面了，降低重量和阻力。2 X6 N3 k+ T) K) t. v

; l# R2 \; S8 P+ ^! X与“战斧”的下开式相比，AGM-86的固定进气口更加简单、高效。不过在强调隐身的时候，美国空军全新研制了AGM-129“先进巡航导弹”，不仅外形上采用隐身修型，进气口也改为弹腹吸入式，避免低空突防时被战斗机的下视雷达发现。
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# h1 w' i. n. J/ F: X( u* ~* vAGM-129粗看好像没有进气口一样
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4 ]: f. I0 r$ v实际上就在弹翼翼根之间的下方，前掠的弹翼也很有特色，这好像是独一无二的
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AGM-129的进气口设计被最新的JASSM继承了，也是在同样的位置，还用类似DSI的鼓包改善进气效率。
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% T1 H; U0 E4 a) b9 {JASSM也看起来好像没有进气口一样
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实际上在弹腹，折叠弹翼打开后才暴露出来, W* l% d2 O0 b0 t0 F3 a
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6 f! i2 m( E- B# o% p$ X/ D平常被折叠的弹翼掩盖，同时兼做保护进气口的作用，避免外物进入，很巧妙的设计( p$ {; w" W  K
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这样看起来更加清楚# C: X) f+ s# H, r$ ]
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相比之下，欧洲的巡航导弹就比较粗糙。英法联合研制的“风暴影”是固定的弹腹进气口，进气效率有保证，结构也简单，但直径较大，不便于用于潜艇和舰载垂发使用。实际上，“风暴影”也只能机载发射，不能舰射或者潜射。这应该是英法气动功力不及美国的原因，否则能三军通用还是会抓住机会的。
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英法联合的“风暴影”比较简单粗暴，进气口就是弹腹固定的
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德国-瑞典联合的“金牛座”也差不多，只是改用两侧进气，同样是固定的。好在同样只要求机载发射，对形状和尺寸不大严苛。
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德国-瑞典联合的“金牛座”也是固定进气口，只是改到两侧
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9 ^/ V) Y4 L0 |* _  s苏联在巡航导弹方面走过弯路。在战后初期，苏联和美国一样，也以战略巡航导弹补充弹道导弹尚未成熟时的空缺，早期苏联巡航导弹同样差不多就是缩小的战斗机，KS-1基本上可看作缩小的米格-15，3M25则相当于无人的“双三”轰炸机。
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苏联KS-1好比缩小的米格-155 r2 L. U$ F4 w/ x' _4 }  s
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3M25则好比缩小的“双三”轰炸机
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双折弹翼很特别，好像是独一无二的, F% B- E2 u; m/ M" A
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在意识到“战斧”巡航导弹的实战效用后，苏联急起直追，研制出Kh-55巡航导弹。" w# W3 v; C  E; U; {7 t
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Kh-55貌似与“战斧”相似
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6 u5 P5 E6 M0 `+ e2 X" }但外置的发动机是特色，两侧加保形油箱的是增程型
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在包装状态下，发动机其实是收入弹体的) o# |# c9 j) A# T- A8 y1 Y* u7 S- N
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发射时，发动机首先弹出，并通过曲折连杆机构向后移动到弹尾，然后才弹翼打开. S" M* C2 P* A$ e
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海基Kh-55的助推器用很苏联特色的格栅弹翼，这里发动机是弹出状态
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Kh-55在基本格局上与“战斧”很像，西方称之为“战斧斯基”。但Kh-55的发动机是下挂的，这是最大的不同。在包装状态，发动机其实是收入后段弹体内的，发射后才弹出，并通过曲折连杆机构向后移动到弹尾，然后舱门关闭，维持气动外形。这个机构挺复杂，但暴露在“干净”气流中的发动机进气效率比弹体内高得多，民航客机多用翼下吊挂发动机就是这个原因。
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发动机弹出后，弹体内空间就空着没用了。这有点浪费，但像“战斧”那样，进气道也要在发动机前方占用空间，实际上两者的空间利用率没有太大的差别，但“战斧”的构型比较考验弯曲进气道的进气效率。6 u9 O) D- [/ U9 b
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Kh-101/102是Kh-55的隐身化改进型6 {& r% D; d5 q5 c; O  @" z

" T2 b# a) ]8 {8 L( l" g. EKh-101/102是Kh-55的隐身化改进型，采用圆角三角形弹体截面，还增加弹内容积和燃料容量。弹翼改为下单翼，减少对弹内体积的占用，平坦的弹底还产生一点升力。Kh-101是核弹头型号，弹头较轻，射程较远；Kh-102是常规弹头型号，弹头较重，射程较近。此外两者基本相同。
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: |: N8 E: s4 g# m3M54又称“克拉布”，是俄罗斯最新的巡航导弹
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貌似看不到进气口，之际上后段弹腹下就是吸入式进气口) w7 A. P  x+ K/ v( ^

1 e/ J6 w$ H$ P: K0 b6 g在Kh-55的基础上，俄罗斯进一步研制了3M54巡航导弹，也称“克拉布”或者“俱乐部”。有意思的是，采用了和“战斧”Block IV相似的吸入式进气口。这也是俄罗斯第一代真正三军通用的巡航导弹，可以从飞机、车辆、舰艇（包括潜艇）上发射，也因此回归传统的圆柱体构型。
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实际上，这或许是第一种真正三军通用的巡航导弹。“战斧”在设计时有三军通用的考虑，早期型号还做到了三军通用，但中导条约使得陆军的“战斧”退出了，空军青睐自己的AGM-86，结果“战斧”成了海军专用的巡航导弹了，不再三军通用。
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巡航导弹的各种动力方案各有特点，但大体上可分为空射和海陆通用两大路子。5 o3 s; h& [( l
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空射在翼下或者轰炸机内旋转发射架上吊挂，导弹的总尺寸和重量有限制，但形状的限制较小。就现在而言，采用JASSM类型的大体三角截面的弹体较合适，隐身性能好，扁平的弹底还产生升力。弹腹进气口也是首选，避免下视雷达的捕获。
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海陆通用一般就要考虑管式发射，直径和截面形状方面限制较大，一般以圆截面弹体为首选，最大限度地利用发射管的直径。下开式进气口现在基本上被吸入式取代了，减轻重量，也避免了下开机构的可靠性问题。
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有意思的是，在巡飞弹时代，很多巡飞弹技术可能可以嫁接到巡航导弹上来。管式发射的巡飞弹对直径的要求也很高，但一般需要大翼展的弹翼，以获得足够大的巡飞时间。还需要大直径的螺旋桨，以获得最高的推进效率。
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Altius 600巡飞弹
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. ^: {- ]7 m& l6 T8 k螺旋桨飞机的速度低，但实际上也没有那么低，如果M0.7~0.8的速度可以接受，螺旋桨的油耗还更低，图-95的实用速度不比B-52低多少2 J* K* q1 _: _0 c: N: d- p

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桨扇结合涡桨和涡扇的特点，油耗更低，噪声问题难以解决，但对巡航导弹不是问题; x) g' O* s% A7 a% a$ J7 y: n
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1 @( W- V. z3 B" M9 m" \# S大翼展也不是问题，波音SUGAR的速度就达到M0.7以上
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Altius 600是众多巡飞弹中的一种，但不少设计特点可被新型巡航导弹借鉴。Altius 600只有10-14公斤级的重量，可带1.5到3公斤的载荷。特别大的翼展使得巡飞时间达到4小时，航程440公里。同比放大到的话，射程肯定大大超过“战斧”巡航导弹。& K9 D& z  C" U4 B( S+ |( n+ \

' G4 w/ Z, v: Z; f; `: O- DAltius 600在包装上很有特点。上单翼的主弹翼向后折叠，但分两段，以达到特别大的翼展。倒V形尾翼沿内倾的弹体向前折叠，打开后自然形成倒V形尾翼。双叶螺旋桨在包装时也向前折叠。这使得Altius 600可用管式容器包装，管式发射。也就是说，这样的构型适合海陆通用的巡航导弹。# U# A, W7 D# v9 ^: B- t
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当然，Altius 600的速度很低，不超过160公里/小时，作为巡航导弹，这太低了。不过螺旋桨的推进效率高，这是肯定的。现有巡航导弹都用涡扇，是因为直径小。但解决桨叶折叠问题后，螺旋桨减小直径、增加转速，是可以达到较高航速的。
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图-95轰炸机是螺旋桨推进的，巡航速度710公里/小时，最大速度925公里/小时。作为比照，喷气式的B-52的巡航速度819公里/小时，最大速度1050公里/小时，比图-95高，但也没有高多少。# B! X4 b4 [& J$ A! Y% p
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作为巡航导弹，翼展可能不需要Altius 600那么极端，但需要后掠，减小高亚音速巡航阻力。螺旋桨直径减小，转速加快，同轴反转降低反扭力，甚至采用弯刀形桨叶，可以做到桨扇的效果，耗油比涡扇低，速度则与涡扇相当。
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2 E/ p" b6 y% H, V) v3 i桨扇的叶尖噪声问题难以解决，所以在民航客机上应用还是有困难。但作为巡航导弹的动力，这就不是问题了。桨扇推进的巡航导弹肯定是高亚音速的，比音速没有低多少，用声音预警是不行的，等听到了，也差不多到头顶了。至于飞过后的噪声，导弹没有落在头上，而是去祸害远方目标了，还会有人抱怨噪声吗？+ G/ Y3 g$ z0 X8 P: g- d, t

' ?  W9 o+ r! ?在早期巡航导弹发展中，涡桨根本不予考虑，因为那时的目标是高空高速，涡桨不适合。“战斧”出现之后，也没有人用涡桨动力的巡航导弹，尽管JASSM的速度实际上比图-95还低。如果M0.7的JASSM－ER的速度够用，M0.7的涡桨巡航导弹的速度也够用。( I# z3 d; V# H. g$ A
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说不定是打破思维定势，结合巡飞弹的包装技术，结合涡桨或者桨扇的低油耗，是推出新一代巡航导弹的时候了。
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作者: 陈王奋起挥黄钺    时间: 2023-3-5 13:09
AI技术兴起后，会不会由预警飞机每隔5分钟对地面来一个特写，由近地卫星每30分钟来一个特写，侦查高速移动物体，最后让隐身巡航导弹无所遁形？
作者: 晨枫    时间: 2023-3-5 14:13
陈王奋起挥黄钺 发表于 2023-3-4 23:09
  a$ B9 f+ I; Z# u2 C8 X- bAI技术兴起后，会不会由预警飞机每隔5分钟对地面来一个特写，由近地卫星每30分钟来一个特写，侦查高速移动 ...
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谁知道呢，兴许以后数据处理能力真能翻几番了



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