设为首页收藏本站

爱吱声

 找回密码
 注册
搜索
查看: 5538|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 - `4 v! o0 |3 @: e, j- L
& ]9 A1 X+ _/ E! ?1 \
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。
4 u( T7 A8 w+ M/ D& [
3 {& v) q! I8 j: F' N' E' ?2 @
5 J# z1 ]  i3 c0 X典型空空导弹具有弹体(粉红色部分)、尾翼、弹翼、鸭翼
1 c7 ~6 o# |0 A; j! Y5 X: B) b
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。; \! H# m/ X. o& @8 t9 p: m

* N( W7 F" m/ `
7 b! I+ ^1 ?8 t! K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): \, Q6 o$ j* }3 X4 P
+ c, L; ~2 X! Q) Y, g9 V5 M; a- ]8 ?
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。9 M5 Q$ T, b. B7 [4 B
5 G4 p" E4 k- N  F9 }
: |. K- V% s  K3 }
鸭翼、弹翼、尾翼控制与重心、迎角、偏转力矩的关系  y+ M9 Q% [& A# h" j
9 m( @) }% F3 D* Q( d) F3 X& S
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。, b9 v; {# m! ]# n- u& J* A  B

8 @4 W- c" m( Y  W9 A% v) r' C% p+ N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。
( V7 |& h  [* z9 r. F6 G% V$ _
% Q) w  @6 @7 j- h" r4 G' y' B5 e& t/ Q; e' x; q& \8 f
典型鸭翼控制的导弹# o% A- c/ L& Z( _

  r% z$ R6 A! u4 z' B9 N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。% S  \( {! d  t( I; E; J- z

  N  T6 r  O+ L# l0 o7 e2 h! R0 d
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
. r$ L0 x* s& Z! Q4 Y6 U/ w. w+ f4 v9 ^5 V0 _* b: F' R
2 k- c% W5 j; ?4 S/ D5 B
其中这些是双鸭翼
# [2 W" j: N: C$ \: `4 W
% E; P! L/ U8 \# N/ G' I, W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 |; P9 s* ^" `* f: p3 f
. r- W5 A5 [7 @- C* Y
" }7 o  ]/ W1 p. A
旋转弹体是鸭翼控制的另一个分支) p* K. ^7 h4 H  N8 l; U
; [0 i2 }) O+ O$ E" Z) e
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。
6 G" a: _0 J3 z& K
  o$ R5 @% p* c/ C9 b! G1 ^/ @# i
: W) Y5 I: T  ?* I典型尾翼控制的导弹" u5 [1 Y0 E. X5 D* z* {

, N7 n  k8 J0 L; I5 z6 q' p8 p4 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。; |/ r/ x* E, t+ \& y; f

6 t( K3 @6 c$ m. K7 _3 S3 {$ u. W, j9 [/ P5 g: W' i
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* R* w$ r0 {# r3 L
( G: F1 e0 ~5 M, X0 A

6 \8 F: q5 U" j# ?AIM-120就是全动尾翼
3 O6 r! W+ M+ ?* P! A+ u+ D- K
" w* J: o7 \& B$ D. a5 u
; k; H6 p- j( y/ ^" E9 w2 s) z% q4 V7 t, V
# \$ a0 o4 c3 W6 S, `3 x, |5 z
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/ H. d# b* ]: F0 C

% \/ {- T; A! A2 M; d
, {2 N1 |+ x! v% ~" t1 U. `7 @) K格栅翼是尾翼控制的一个分支) C' u8 ]/ D3 X, P

( k' M6 s& X: h, u! \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。
$ I3 r( L, R& g& L, u1 J# `! V) C, b$ ]; P; y2 P* z+ r3 v+ ?( s# K
2 v3 A! h9 S  ~, m! M1 m4 V  D8 ^

8 x  ^8 M9 a( H8 j2 |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。  j* m/ f2 i" O: S0 G% M1 O6 O

/ f, C) I/ _8 m' x( s: R- C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。$ j* o& j$ n( S% u: O

9 I& o% o% e# Q! Y0 B5 }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。- m8 H& E2 X9 k$ g0 j

  a1 O8 p# G+ J+ a" K6 f
9 S$ ?8 Z2 D9 F( M4 a4 }9 F5 O3 g尾翼控制的另一个分支是无弹翼构型,如“爱国者”防空导弹+ \: P- F6 s5 ?2 D

( L8 n/ b& x/ i# s( F( X
) N3 H" ]- Z& F' v9 T* ]. z$ _ASRAAM空空导弹也是无弹翼的
: K: K# o! r6 j. ~, q/ a# r, r0 [" S. R- k9 I9 l/ B; N; w
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。
0 u( U7 a5 \" k7 F( i/ ^' M5 N
* r5 }/ O& w) z/ W  b( ^5 r. y7 @0 j+ w  a& K
典型弹翼控制的导弹4 S' q& Q; _3 E  v& J1 O! h

, Y2 E9 c' c' E) d' k' R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。+ q# [. @7 N" e+ f$ C4 y
, E) M* Y' A) g! R% S* z8 i, r' ]
2 J9 y: {$ a9 j$ }7 C
各种非常规控制方法! p# W5 m) N0 M4 C7 d0 h" K
' f. _0 n' c; ~  _7 A% }  z! J
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。
3 v; T4 ]6 b) A$ D3 R
9 U2 D+ g6 ]/ q- Z3 D0 {- V, o4 G5 P; M+ N1 h6 y% g
常见的四片式燃气舵0 F2 Y6 D) e* O% [3 j1 e
. u' h, v6 V7 |1 E- q" l4 ^$ b% o
) E8 @9 b1 ?3 \0 V0 ^5 z, Y  E( S" r
AIM-9X的燃气舵8 P! W# g' f( ?9 _& z4 E$ @

$ N- O$ I2 I' g: i# b' ~5 {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。$ a+ P7 J2 i; D2 I$ v! {2 N% c. r
6 C2 ]" q4 B! W; g" O3 y- r  w4 L
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。
1 D3 O; d% ~0 \  D
, K3 B+ ~3 v# u8 n  |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。
; W" x: c" L, n! r" ^' p: t. u
; a% A! t) u: o+ \9 c! [+ |' W6 |( J  k# D* d
典型非常规控制的导弹) V" U2 e- t. Q, e, j7 n4 V
$ G8 S8 j8 |% y$ R; w0 a* R
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。4 H: H2 N% }& u. z9 m) g+ C
! V  @( ?# U3 o
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
    4 天前
  • 签到天数: 1930 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 01:39
    : [, f5 g# }1 H# |/ k$ V8 T8 J这也太专业了 您研究的时候都是怎么收集资料的啊?

    4 o' i* `  }0 L: Q# M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, 2025-7-12 03:50 , Processed in 0.039818 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