|
本帖最后由 晨枫 于 2020-1-1 00:43 编辑
" J+ F' l( l# s9 |: A, ]. J; ~- W! y0 D0 }. a. U
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。
1 J8 T/ B$ R- U
) ?0 g6 ?! U! ]: X% o$ Z2 T$ g" i# x# k2 V3 o9 w
典型空空导弹具有弹体(粉红色部分)、尾翼、弹翼、鸭翼
9 ~% A! d$ @! X! \, b+ C/ t$ O
- r' {2 J" R( i0 i; e6 ]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。# M8 ~) Z" ` x
& h- w" v) D( y- N
4 C# |* D8 R& K. i3 p9 p: p
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)7 |) P% O+ m5 u2 h$ a
& {! Q0 \6 L- q0 e+ @, g6 H: c; R. R
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。
( g8 L2 ?: F2 x: b! w" p' a& ~, a; j/ @* N9 J, P
- o. ^' i! t( I' y鸭翼、弹翼、尾翼控制与重心、迎角、偏转力矩的关系
$ o$ b5 X' |4 l4 g; I* L0 @* r K2 v1 ?! ^! w' H/ G) f
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。
6 J1 b& a, m# u% @0 X$ u% y& M; \5 C2 R9 z
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。
+ K1 U/ ^6 X' Z( l& q6 X) j. H6 t
2 R+ g ^6 m8 H
典型鸭翼控制的导弹 b% N9 e4 m! l- P& o
; B! r6 n. _/ X9 e) d: u4 m' e2 S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。
2 ?6 J8 H/ H4 g/ ?: d9 e% A t$ w3 Q% N
6 U2 c6 i' ` |
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
7 Q+ h' _% w2 C" @8 b+ o3 {) w- f9 N j
/ V: F7 k1 Q. }9 P其中这些是双鸭翼# M; j/ Z. ?3 ?0 G: u
1 L7 p& x; j6 m7 A3 b3 K
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。; r8 U' y& x1 e
- M& o- g8 ?' A* O A
# ?# q5 Y) x9 F9 V旋转弹体是鸭翼控制的另一个分支0 f/ t4 H1 v* L, _) \
( w8 \) [5 O) _1 O3 l5 S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。
% i' e3 L& ?7 {) V& l, V( W( l4 l/ ^. {8 g, Z
7 V2 a3 E W7 z9 y# I! m
典型尾翼控制的导弹3 V4 |6 M5 N$ y/ j
- ?5 D K5 x' Y1 `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。! ?" A& f' }, O: V7 p4 z! t
4 h6 B+ u0 w6 B8 H2 D' J# b. @0 w
- a" i2 B3 G* s
AGM-114“地狱火”反坦克导弹的尾翼由固定面和可转动舵面组成0 g3 m1 \1 P& M" R9 M' w
- j7 m( B0 T5 z$ q2 c
7 R ?5 @6 m3 w; I5 Z% X8 H" d6 CAIM-120就是全动尾翼: q7 }; W: I( z6 M5 q" y
3 r" A* J& p) m4 X* u% S0 Q( r6 l8 S" {6 M
% @6 I O# B. R! F
7 U8 M0 [/ h; z; N% K( w' e: n2 o
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
1 \; U( s. k) _1 g: I4 [; G5 k0 E" ?3 m0 x9 e
6 q2 }3 t5 O- Y; y+ E2 B1 V" }
格栅翼是尾翼控制的一个分支
# X. y/ {+ \7 S# g
/ b0 n2 J9 E M1 }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。5 _0 {( o2 O, w4 D5 t
( j$ ~ D4 o" E$ s$ f6 d* Q: W1 M
& z+ G( {4 k+ I5 R2 |9 {% m: P2 c" ~5 ~
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。
" D% E% A) e8 U- k4 `& ^/ n1 R, P! R8 E
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。8 ]: c. U4 l8 l9 K* K/ f P
0 K7 \5 P# M# ^1 f1 F" X+ S, m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。8 C% s! L& h2 ~, j0 [9 E+ t
s* c5 A! a. g$ i% R
( F& B v$ S% u: _4 Y7 [尾翼控制的另一个分支是无弹翼构型,如“爱国者”防空导弹0 M3 Z5 ?& t6 a
' O/ }/ R( A. i+ U2 f
! l y9 r6 w3 e+ _5 E) BASRAAM空空导弹也是无弹翼的0 B+ W% Y+ A, c" K! _
. o" T6 m' L* Q# c5 i
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。4 p- z9 @- E( D) x) b6 w+ D" _
. ^. D' g `" R/ ^" j% k: j
* U4 ^) D3 q) a! S/ z* F: O! [典型弹翼控制的导弹
0 {# m7 Q( X3 I5 ]; u) {
" B5 a5 B3 o, V. m, y( j! U' y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。7 w3 @5 a9 C' r/ q/ p) S2 B
1 M$ K5 }; `3 d5 k8 `/ C; D- i# A% u4 O9 @) U R3 l. n# W
各种非常规控制方法
. R. t. U, s! k! w& Z$ s) H* w2 U% V6 A, w8 c" o2 B
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。
4 p2 q G' C2 M+ x0 |) o) ^( z& r& [+ P6 G
* ?+ x1 c; F8 ]9 W常见的四片式燃气舵
% ^0 g1 K- ^/ @% B( @7 A7 z
% B& [6 b+ p( ]8 S3 N% K: @6 q x, O9 B, W
AIM-9X的燃气舵
& C) k6 g' q2 D8 y& h! t0 I
4 ]5 S+ F# \+ X+ G2 b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。* {( {2 d; A1 c" I5 ^/ t
+ h9 b0 A' O* j+ ]
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& U( z( m+ ^* n* B5 G
0 Y1 v; j) c) H1 G7 Q: P9 }
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。
4 |6 g7 y; p/ x5 p/ f) c* t* N* }/ P
8 F: P' g4 T" [# S典型非常规控制的导弹4 G. @, p' M5 ]# [: ~
& S3 w! k+ S. k. |" Y/ G1 u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。5 M, L( H; m0 n) c
4 J4 p) i7 \2 l8 C
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: 1101, 订阅: 16
- · 武器|主题: 1, 订阅: 0
|