导弹的气动控制

晨枫

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。


# r$ k6 e7 r% n, ]典型空空导弹具有弹体（粉红色部分）、尾翼、弹翼、鸭翼

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。
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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）

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。


- n  e5 Y0 l5 V0 X1 ?鸭翼、弹翼、尾翼控制与重心、迎角、偏转力矩的关系

: T( K6 @1 Z" x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。
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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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典型鸭翼控制的导弹
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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。


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


其中这些是双鸭翼
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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。


9 E6 x# p$ i  P5 i" T; l, D旋转弹体是鸭翼控制的另一个分支
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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。
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典型尾翼控制的导弹
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1 r* j: S4 g% T+ U+ ~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。


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
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* [' j8 V0 }/ a8 `4 ~. M! `AIM-120就是全动尾翼
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. m; h! y! B" C7 i1 ?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
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- ]8 ~5 _' M; C7 D格栅翼是尾翼控制的一个分支

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。


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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。
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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。

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6 b/ g% k2 g  ^( B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

' I: d' V$ w) p1 ?2 |9 ?! p4 J0 {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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$ L" e( t: R+ F7 ~5 a- a典型弹翼控制的导弹

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。


各种非常规控制方法

. }5 N: K1 p. I8 l2 u. C. f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。


常见的四片式燃气舵


7 p/ t/ ^5 L4 K4 T! UAIM-9X的燃气舵

/ N; {# m: }; 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。
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# d! `6 c6 ]5 _2 z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。
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. s1 \/ J' U5 n* P  X典型非常规控制的导弹

' b9 h/ _  d# P/ C. |3 h" ?/ ?: C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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: G- c  w6 G0 |! r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。

数值分析

这也太专业了 您研究的时候都是怎么收集资料的啊？

晨枫

数值分析 发表于 2020-1-1 01:39
这也太专业了 您研究的时候都是怎么收集资料的啊？

! X# T" O$ P" n  P( r7 U3 \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