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近日,中国红旗9防空导弹进驻西沙永兴岛,成为军事焦点。本文以“紫菀”导弹为例,从外形角度为朋友们解开防空导弹的玄机。

从防空导弹的外形能看出什么?

“紫菀”导弹也被称作“欧罗巴的奇异之花”,既是因为其性能出众,也与其外形独特密切相关。“紫菀”导弹的外形既有欧洲人自古而有的典雅,又有现代技术的奇异。欣赏着图片中“紫菀”导弹发射的灼人气势,也不免对它众多的“小翅膀”产生兴趣。为了达到一定的战术目的,导弹的“小翅膀”是必不可少的,那么它们是如何被设置的?不同的设置又会对导弹性能产生有哪些影响?“紫菀”导弹的设置又有哪些独特之处?

常见的布局形式

我们所说的外形一般是指导弹各主要部件的气动外形及其相对的安装位置,即导弹的弹身和空气动力面(如弹翼和舵面)的几何参数和外形几何尺寸,以及它们沿导弹弹身周向和轴向的配置形式,专业术语称为“气动布局”。

从防空导弹的外形能看出什么?

气动布局对导弹的性能影响很大。特别是防空导弹,主要飞行弹道几乎都在稠密的大气层,而且对导弹的机动性、反应性要求都很高,这都对防空导弹的气动外形提出了更高的要求。选择气动布局的主要原则有:升力大,阻力小,即升阻比大;舵面效率高,导弹响应特性好,过渡过程时间短;部位安排方便,结构简单等。

从过去和现在服役的导弹来看,弹翼和舵面沿弹身轴向配置的常见形式有正常式、鸭式、旋转弹翼式、无翼式、无尾式等几种。

正常式布局的弹翼配置在弹身的中段,舵面位于导弹质心之后的弹身尾段,弹翼和舵面通常为X-X型配置。有时为了满足全弹道飞行的静稳定性与机动性要求,在弹身头部配上一组固定小前翼或可调节的小前翼。

从防空导弹的外形能看出什么?

“萨姆”2 由两级组成,弹体前端配有前翼,导弹的前翼、主翼、舵和稳定尾翼均为X 型配置,主翼的平面形状为梯形,舵的平面形状也为梯形,两对舵中有一对既作舵用又作副翼用,而另一对只作舵用,这种正常式的布局使“萨姆”2 在较大射程上保证了飞行的稳定性和飞行末段的灵活性。

由于舵面离导弹质心较远,舵面的面积可小一些,舵面的受力情况(载荷和力矩)也相应较小。同时由于弹翼固定不偏转,对后面的舵面带来的气流影响也较小,纵向上的空气动力比鸭式布局和旋转弹翼式布局要单纯得多。因此防空导弹发展初期和当前的大多数防空导弹都采用了正常式气动布局,如著名的“萨姆”2防空导弹。

不过,正常式布局的缺点也很明显。它的舵面位于弹翼之后,在对导弹实施控制时,舵面偏转所产生的操纵力与弹翼上所产生的操纵力方向相反,因此导弹的反应能力较差。如果导弹要采用固体火箭发动机,由于后部舵面受发动机的影响,舵机和操纵机构的安装也会受到较大局限。所以正常式布局导弹的操纵性和反应能力比后面介绍的鸭式布局和旋转弹翼式布局差。

从防空导弹的外形能看出什么?

“毒刺”导弹弹体前部有两对折叠的鸭式翼,一对是固定翼,另一对为舵面,由指令控制电动舵机驱动其偏转,尾部有两对十字配置的折叠式尾翼,导弹离筒后,在弹簧和弹体滚动所产生的离心力的作用下,尾翼自动张开并锁定

鸭式布局的舵面位于导弹质心之前的弹身头部,弹翼位于弹身后部。优点是:由于舵面位于弹翼之前,因此舵面偏转所产生的升力增量(操纵力)与弹翼上所产生的升力增量方向相同,因此,导弹的响应特性较快、升阻比大、舵面效率高;由于舵面远离导弹质心,便于静稳定度的调整;由于舵面位于弹身前部,舵机和操纵机构的安装较为方便。主要缺点是鸭式舵面很难作滚动控制。

对于采用旋转弹体简单控制的便携式地空导弹,由于不需要在滚动方向进行严格的角度和角速度稳定控制,因此鸭式布局是一种比较好的气动布局。目前已经问世和正在研制的便携式红外寻的地空导弹均采用鸭式布局,如“萨姆”7、“毒刺”导弹等。

旋转弹翼式布局又称为全动弹翼气动布局,依靠直接偏转弹翼(位于导弹质心附近的主升力面)产生机动所需的升力,所以导弹的响应特性比其它气动布局都快。

旋转弹翼式布局由于要偏转导弹的主弹翼,因此舵机需要较大的作动力。旋转弹翼式布局和鸭式布局均使用前翼作为操纵面,但应用范围不同,旋转弹翼式布局主要应用于冲压发动机的导弹和射程较近的小型导弹上,比如“萨姆”6、“麻雀”、“响尾蛇”导弹等。

从防空导弹的外形能看出什么?

“萨姆”6 导弹中部安装两对全动弹翼,尾部装有两对带有副翼的稳定尾翼,弹翼与尾翼呈X-X 配置。由于采用高速冲压发动机,使导弹加速度较高,而全动式弹翼可以在较高速度下实现对导弹的有效控制

无翼式布局实际上就是全动弹翼式,即将整个弹翼做成可转动的,既可起翼面作用,又可起舵面作用。

随着空中威胁的发展,对中高空地空导弹的射程要求越来越大,这就要求导弹有更快的飞行速度。另外,为拦截战术弹道导弹,要求导弹具有更快的响应特性。当导弹高速飞行时,弹身对升力的贡献增加,而弹翼的贡献相对地减小。特别是大攻角技术的应用,弹身对升力的贡献更大了,弹翼的作用更小了。缩小弹翼面积以至完全取消弹翼成为有翼导弹气动布局发展的一个新方向。

无翼式布局具有结构质量小、结构简单、工艺性好、发射装置简单的特点,为制造和使用维护带来极大便利。同时,无翼式布局具有较好的过载特性,改善了非对称气动力特性,具有较高的舵面效率。存在的最大问题是,在导弹飞行过程中,随着飞行马赫数的变化,压力中心的变化范围变得较大,而且气动力的非线性较为严重。随着现代控制技术的发展和弹上计算机的应用,以上问题可得到妥善解决。因此,无翼式布局近年来在先进的地空导弹中越来越广泛地被采用,如S-300 系列、“爱国者”导弹等。

从防空导弹的外形能看出什么?

“爱国者”导弹的弹体为一细长圆柱体,尾部有4 片按X 配置的梯形舵,舵的后缘与弹体垂直,前缘呈后掠角。这种气动布局通常用于远程高空拦截导弹,其尾部舵面相对较大

无尾式布局的特点是舵面安置在弹身后缘。无尾式布局是正常式布局的变形。在翼展受严格限制的情况下,无尾式布局产生升力的能力最大,因此适用于高空高速地空导弹。

无尾式布局的主要问题是弹翼很难安排。如果弹翼位置太靠后,将使导弹的静稳定性过大,需要付出较大的舵偏角或采用较大的舵面才能达到预期的机动过载。如果弹翼位置太靠前,就会降低舵面的效率。

此外,空气动力面沿弹身配置的常见形式有十字形和X字形等,其特点是在各个方向都可产生相同的机动过载,且具有在任何方向机动的快速响应能力。因此导弹在空间任何一个方向机动时,导弹不必滚转,控制系统的滚动通道只要稳定滚动角或滚动角速度即可,从而简化了控制系统的设计。目前,十字形布局和X字形布局在战术导弹上得到了广泛的应用。

在实际的应用中,有时为了得到更好的气动性能,导弹会采用一些较复杂的复合设计,同时应用几种气动布局,比如欧洲联合研制的“紫菀”系列防空导弹。

从防空导弹的外形能看出什么?

“霍克”导弹采用无尾式布局,弹翼为梯形,位于弹体中部稍后,按X 配置,前缘后掠角76°,后缘与弹体垂直,弹翼面积较大,4 片矩形舵接在弹翼后缘,除进行稳定和控制俯仰与偏航外,还控制导弹的滚动稳定。这种方式确保了导弹在中低空的较高升力和稳定性

“紫菀”的气动布局

“紫菀”导弹采用两级串联式弹体。一级弹体是可在飞行途中抛弃的固体火箭助推器,助推器为粗圆柱形状,平滑地连接到导弹弹体上,并拥有形状较尖的梯形弹翼,气动布局由无尾式演变而来,使得导弹在低空时可利用较大的舵面达到预期的机动过载。二级弹体基本为正常式,装有4具呈十字的细长窄弦翼,弹尾上装有4个平头三角形控制舵面,可进行气动飞行控制,布局类似美制“标准”导弹。但不同的是该导弹采用了侧向燃气推力控制技术,在导弹重心附近装有一个燃气阀,利用4个横向喷嘴直接产生横向加速度,赋予导弹在末端飞行阶段相对更大的机动性。这种布局使得导弹在中高空可利用距离导弹质心较远舵面,在高速情况下更容易地实现对导弹高速机动的控制,同时也使导弹尾部舵面可以设计得较小,降低了总体翼展。

灵活的设计使“紫菀”导弹具有极高的机动性和命中率。该弹曾是世界上最精确的防空导弹之一,基本达到“直接碰撞杀伤”的效果,试验中“紫菀”导弹的爆炸点和目标重心点的距离基本小于1米。

从防空导弹的外形能看出什么?

“紫菀”导弹发射后,火控雷达开启导弹的跟踪作业。导弹垂直离开发射器后,首先倾斜弹体利用一级助推器上的无尾式气动布局具备的较大升力进行弧形弹道爬升,飞行中由火控系统的跟踪管制中心控制。在助推器燃尽丢弃后,导弹进入中途导引阶段,这时二级弹体的正常式气动布局可以发挥优势,以尽可能大的力矩不断修正弹道以迫近目标。目标锁定后导弹即进入主动导引头的全自主末端拦截阶段,远离质心的二级尾舵使导弹快速调整姿态,结合矢量控制系统尽量减少脱靶距离,确保成功摧毁目标

总体上看,“紫菀”导弹的气动布局是由于其阶段性发展思路决定的,这与美国的“标准”系列防空反导导弹类似,可在一次投资中获得两种甚至更多的型号。“紫菀”15和“紫菀”30采用相同的主弹体,通过配装不同的助推器来完成不同的任务。“紫菀”15为点防御武器,助推器全长1.6米,直径0.36米。“紫菀”30为中程型号,助推器长2.2米,直径0.54米。

从防空导弹的外形能看出什么?

目前正在研制的“紫菀”60估计会将延续这一思路,使用更大的助推器和更高的系统配置,因为“紫菀”60 防御的将是先进战术弹道导弹甚至战略弹道导弹。达到这一要求需要更大的作战空域和更快的反应速度,这将要求二级弹体弹翼更小,甚至取消弹翼和尾舵。气动布局对“紫菀”性能的影响还将继续下去。

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