设为首页收藏本站

爱吱声

 找回密码
 注册
搜索
查看: 5508|回复: 2
打印 上一主题 下一主题

导弹的气动控制

[复制链接]

该用户从未签到

跳转到指定楼层
楼主
 楼主| 发表于 2020-1-1 14:43:41 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
本帖最后由 晨枫 于 2020-1-1 00:43 编辑
% W  [: j- ~5 s1 `/ p3 k2 {5 K6 X$ A6 e, G; L
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。
0 [! Y5 R* u" D/ W; K5 L0 _9 n7 w5 j
* c3 c( W- n( K" f
典型空空导弹具有弹体(粉红色部分)、尾翼、弹翼、鸭翼
" h! [; v0 m5 U1 g: x
: o4 e8 W& y5 v; 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。
7 B8 B& w/ P6 b1 k* y, n/ ]7 E. W; H

: f8 q1 q( R2 J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)
: N+ G( F/ m: }, `+ y0 A, h% S+ j& ?$ I% H/ b
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。
$ F! e  T8 z4 P, K' `8 c( P4 G  `5 d9 A! Q

7 _6 Y0 E8 l9 X7 x( m鸭翼、弹翼、尾翼控制与重心、迎角、偏转力矩的关系
- C4 S+ U, H4 q# O& z* b/ ?6 X: z
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。, T' F1 _3 q2 @* m; K/ K
8 V" Y$ P. p% F
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。
% x( W2 n9 {5 T% i' U* U, M
# H+ u, s( K4 |
2 B) F2 S1 Y6 h! H0 x3 Q: `2 o: t) m典型鸭翼控制的导弹& Q- z* `7 r) S% g. F5 m

6 |1 c! N* Z# |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。
7 u3 o+ O; @9 Z& x5 }" t! W2 A
1 m9 @5 L& R6 o- Y. w( ]) F$ ~5 B/ O! O8 C0 y% r9 V
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4 O3 B1 p$ C  _. ]4 X: ^
* f- n9 \: ?% i' K% R$ q0 [
3 R% V" ^  I) Z% {" e
其中这些是双鸭翼1 `' |( B$ C5 f/ v

) T5 M6 n2 Y' J+ X. ~9 S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。/ v; x8 W, |1 W- a8 u5 j
6 S; E* s/ K/ T+ n4 l9 p

9 M8 q4 {+ }) B" {' T旋转弹体是鸭翼控制的另一个分支1 P& B; y# B3 p; Q8 G( x0 r: o

4 k; E/ k& T: J+ I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。
$ ]  g2 ]( J8 |* d
+ W0 E7 `# y( `9 h
* G& p& x5 v2 M: Z1 F& Y典型尾翼控制的导弹
& |: d9 X" V. h4 s! [3 A2 Y
: n' n1 _  @6 V9 G$ B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。; f) v3 M2 h5 J6 G
8 i5 M/ q+ N9 p

) v3 S0 v5 P3 q& B. u6 nAGM-114“地狱火”反坦克导弹的尾翼由固定面和可转动舵面组成7 ]% S) y- o8 T# y- X

! H. r; Z- X1 s
' A0 J3 H; r- Q& `; [AIM-120就是全动尾翼7 J0 B0 W; d8 t: y6 t
: P) v; M7 B' H) V- b% r
  {* g/ d  l( v( u8 m

/ v4 I# @3 `- v4 w! s1 t3 I+ K6 }/ \+ P6 [
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
5 x+ \# v; |2 z$ y; v* {7 t" Z6 L' h5 O4 R$ H

6 j. o- u3 ]4 {/ M4 U3 C# E- m格栅翼是尾翼控制的一个分支4 Z9 L, W9 p; H" H; {$ e9 {1 M9 ]( z
2 V6 s9 E0 c3 ^# u4 v
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。
; W9 S: Z8 {/ y/ D: H# ~$ L" Z( `' c
5 ~3 l! ~% ~# q7 o: O' W7 }! F. T6 }$ O( X! v9 F  [
- k5 b3 ^; l: l9 p* k2 G
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。7 c  b# y! }* A1 G
8 O3 c+ i' `- Y: z# Y, j4 p9 M
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。
' m/ i# N6 U# r' E9 A4 D
9 D# v% u7 s, m$ s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。
/ F* X: {/ z! K$ l
5 C" n$ A- i8 T9 h/ j& e6 y+ q
, `  J0 k/ U# C% @6 C$ N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 ]% c. @: m( k- \9 r. z1 T( P: T( r- b9 e
3 r0 u. A) t9 [4 w' U8 d; t
ASRAAM空空导弹也是无弹翼的
, Q# c/ |2 r" n/ ^. z% `
7 d7 }" ]) h- e7 T- K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。
( H" S6 h" V) \, R& H2 j, L- g+ _
3 _7 G8 @( n  a* G. t& E  @$ ^
典型弹翼控制的导弹
. k' B- T% S# E9 _3 e: X
% ]/ u$ b' n$ D: N' X; J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。
# i( T- W! }( W
8 R% N( M( D# }/ ?: |7 ]
3 A* J/ X9 a% v! U' e7 R各种非常规控制方法- s% ]: S: P* s. K$ P

3 y/ F% Z6 N  g. e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。0 r1 e7 j. e/ S2 o# [( Z

2 n' k; r# H; {0 \8 ?: i* \# b( ]( l# H7 Z, X0 l+ \- \6 H
常见的四片式燃气舵7 I  ~2 T$ ?) n* s5 Q; x
2 P' x6 d8 k" a2 Y/ V

" ~3 {$ E# ^- M! ]  e8 F  FAIM-9X的燃气舵
/ A& c8 a4 D; y& G6 M. S
- `5 m4 a2 C1 }5 t6 ^" U, 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。
" z0 v0 q; v4 d
, _: S7 @) Q+ \" [8 e  @& {! t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。
" N, U2 D7 h7 l' n/ R: l, N6 S$ w! i  x
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。
- `! U9 e2 i' }  Q
; ^$ S/ W+ k* C/ {6 a7 x0 s1 @4 E/ b' R/ s
典型非常规控制的导弹) D5 @. I% R, @" w! a

1 @( \% ]  M) o2 ?8 L; B  b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。& _$ Y1 h* V$ k
2 t1 E) c( }' a7 H  e" E' T
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

参与人数 4爱元 +28 收起 理由
常挨揍 + 10
mezhan + 8 谢谢!有你,爱坛更精彩
tonyxu + 4
kar98k + 6

查看全部评分

本帖被以下淘专辑推荐:

  • TA的每日心情
    开心
    前天 06:02
  • 签到天数: 1924 天

    [LV.Master]无

    沙发
    发表于 2020-1-1 15:39:16 | 只看该作者
    这也太专业了 您研究的时候都是怎么收集资料的啊?
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    该用户从未签到

    板凳
     楼主| 发表于 2020-1-2 11:40:33 | 只看该作者
    数值分析 发表于 2020-1-1 01:390 N% a3 H$ Z/ T7 v8 y0 v
    这也太专业了 您研究的时候都是怎么收集资料的啊?

    2 |0 O/ Z) K! U" o% J看到一篇网上的旧文,想起来进一步研究研究,就越写越多了
    回复 支持 反对

    使用道具 举报

    手机版|小黑屋|Archiver|网站错误报告|爱吱声   

    GMT+8, 2025-7-3 00:04 , Processed in 0.040178 second(s), 20 queries , Gzip On.

    Powered by Discuz! X3.2

    © 2001-2013 Comsenz Inc.

    快速回复 返回顶部 返回列表