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导弹的气动控制

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 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 1 Y3 [: P: O7 U. z3 {) Z

5 C: n; M3 Q# ?/ u, o  G& ]- M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。
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9 q, G/ ]5 o. K' X* N, V典型空空导弹具有弹体(粉红色部分)、尾翼、弹翼、鸭翼
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- H6 x6 \- f7 z. h) u' M4 m/ X& N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。& Y" S' z0 o( c' B8 t8 W; E
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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)5 G. o: ^& g4 l7 Q

# i3 {! O/ ?" n* a+ v* d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。+ Y7 j, x6 u) P$ C) w

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鸭翼、弹翼、尾翼控制与重心、迎角、偏转力矩的关系
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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。( y7 X4 z8 h; x( X% U
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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。
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9 H4 \2 b/ H; n( K1 D4 V# `典型鸭翼控制的导弹7 v' N# i, A( @9 t1 Y
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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。
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, \& w2 f/ n' o  x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
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其中这些是双鸭翼! M9 D( `4 w/ I2 ~) ?3 X: n' f

/ K+ q( M; m: b# y0 `6 ?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。3 m- {, n' p, H2 |  M

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2 \6 Y! R5 i5 Z" x旋转弹体是鸭翼控制的另一个分支
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# {+ X" U9 O% b) b3 B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。0 \% Y: Q* w" L
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2 K. Q( d* M$ j0 N+ l- X/ D典型尾翼控制的导弹
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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。
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( {4 t, o; `, TAGM-114“地狱火”反坦克导弹的尾翼由固定面和可转动舵面组成
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8 C' V. I% Z/ f8 d+ u% D' Z, yAIM-120就是全动尾翼0 Z' C  f+ ^+ q" a* `
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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' T$ G# Q, W& b$ l" P+ o

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格栅翼是尾翼控制的一个分支
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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。  u0 ^2 e- K+ b2 ]

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+ q8 c& s9 B; ~) _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。
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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。. y* C0 F( k6 K2 n  N

. M1 G% @  |7 T+ P+ [# X8 {; s2 z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。, K3 Y) _1 B' B6 g" b# f0 S9 p+ v
) i3 ^" C' g$ I' a" b0 C" f

. o# m. W8 |6 J! F( A$ @尾翼控制的另一个分支是无弹翼构型,如“爱国者”防空导弹
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ASRAAM空空导弹也是无弹翼的* P) i, A  b3 }$ X8 w
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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。
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4 M3 X) @: ^5 S3 l1 P典型弹翼控制的导弹
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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。/ F+ C& A' y# j
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各种非常规控制方法
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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。$ K0 H! S) F; s: Z1 T1 a

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常见的四片式燃气舵
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4 }4 U  G1 W: {. X4 yAIM-9X的燃气舵: T( P8 C* S9 r1 H- B

2 K! ^& Q# D3 @) Q4 u9 j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。; D0 v* W+ v) n5 e

$ l' ~' A& j6 R- n3 c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。
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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。( R) W! F# J2 [4 N2 [3 J

8 z$ O4 v2 I1 \0 D
- W# X5 p! s" i典型非常规控制的导弹
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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。
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! _. c& e; M2 h% b" Z8 V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。

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    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?
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    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 01:39
    % w+ L( W/ `4 d' x这也太专业了 您研究的时候都是怎么收集资料的啊?

    4 |9 }' [' S2 l; `. a3 R' O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
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