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                    《兵器知識》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    以普及兵器科技知識,提高中國全民國防觀念,為實現國防現代化,特別是武器現代化服務為辦刊宗旨,面向中國廣大青少年軍事愛好者,廣泛宣傳兵器科技知識,大力普及軍事高新技術,介紹世界軍事科研生產情況,展示各國武器裝備風貌,宣傳中國兵器工業發展道路和成就。

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                    從防空導彈的外形能看出什么?

                    2013-06-29 21:13:17


                    /柳桂東

                     

                    [編者按]美以伊,無論三方如何表述,依舊不能阻擋外界對以色列正密謀空襲伊朗核設施的猜測。繼中部的“黎明”演習后,2 21 日,由伊朗軍方導彈部隊參加的“提升防空能力”的南部演習又拉開序幕,已被大家熟識的伊朗防空導彈又一次成為媒體的焦點。本文以“紫菀”導彈為例,從外形角度為朋友們解開防空導彈的玄機。

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                    “紫菀”導彈也被稱作“歐羅巴的奇異之花”,既是因為其性能出眾,也與其外形獨特密切相關?!白陷摇睂椀耐庑渭扔袣W洲人自古而有的典雅,又有現代技術的奇異。欣賞著圖片中“紫菀”導彈發射的灼人氣勢,也不免對它眾多的“小翅膀”產生興趣。為了達到一定的戰術目的,導彈的“小翅膀”是必不可少的,那么它們是如何被設置的?不同的設置又會對導彈性能產生有哪些影響?“紫菀”導彈的設置又有哪些獨特之處?

                    常見的布局形式

                    我們所說的外形一般是指導彈各主要部件的氣動外形及其相對的安裝位置,即導彈的彈身和空氣動力面(如彈翼和舵面)的幾何參數和外形幾何尺寸,以及它們沿導彈彈身周向和軸向的配置形式,專業術語稱為“氣動布局”。

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                    氣動布局對導彈的性能影響很大。特別是防空導彈,主要飛行彈道幾乎都在稠密的大氣層,而且對導彈的機動性、反應性要求都很高,這都對防空導彈的氣動外形提出了更高的要求。選擇氣動布局的主要原則有:升力大,阻力小,即升阻比大;舵面效率高,導彈響應特性好,過渡過程時間短;部位安排方便,結構簡單等。

                    從過去和現在服役的導彈來看,彈翼和舵面沿彈身軸向配置的常見形式有正常式、鴨式、旋轉彈翼式、無翼式、無尾式等幾種。

                    正常式布局的彈翼配置在彈身的中段,舵面位于導彈質心之后的彈身尾段,彈翼和舵面通常為X-X型配置。有時為了滿足全彈道飛行的靜穩定性與機動性要求,在彈身頭部配上一組固定小前翼或可調節的小前翼。

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                    “薩姆”2 由兩級組成,彈體前端配有前翼,導彈的前翼、主翼、舵和穩定尾翼均為X 型配置,主翼的平面形狀為梯形,舵的平面形狀也為梯形,兩對舵中有一對既作舵用又作副翼用,而另一對只作舵用,這種正常式的布局使“薩姆”2 在較大射程上保證了飛行的穩定性和飛行末段的靈活性。左下為“薩姆”2 的示意圖

                    由于舵面離導彈質心較遠,舵面的面積可小一些,舵面的受力情況(載荷和力矩)也相應較小。同時由于彈翼固定不偏轉,對后面的舵面帶來的氣流影響也較小,縱向上的空氣動力比鴨式布局和旋轉彈翼式布局要單純得多。因此防空導彈發展初期和當前的大多數防空導彈都采用了正常式氣動布局,如著名的“薩姆”2防空導彈。

                    不過,正常式布局的缺點也很明顯。它的舵面位于彈翼之后,在對導彈實施控制時,舵面偏轉所產生的操縱力與彈翼上所產生的操縱力方向相反,因此導彈的反應能力較差。如果導彈要采用固體火箭發動機,由于后部舵面受發動機的影響,舵機和操縱機構的安裝也會受到較大局限。所以正常式布局導彈的操縱性和反應能力比后面介紹的鴨式布局和旋轉彈翼式布局差。

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                    “毒刺”導彈彈體前部有兩對折疊的鴨式翼,一對是固定翼,另一對為舵面,由指令控制電動舵機驅動其偏轉,尾部有兩對十字配置的折疊式尾翼,導彈離筒后,在彈簧和彈體滾動所產生的離心力的作用下,尾翼自動張開并鎖定

                    鴨式布局的舵面位于導彈質心之前的彈身頭部,彈翼位于彈身后部。優點是:由于舵面位于彈翼之前,因此舵面偏轉所產生的升力增量(操縱力)與彈翼上所產生的升力增量方向相同,因此,導彈的響應特性較快、升阻比大、舵面效率高;由于舵面遠離導彈質心,便于靜穩定度的調整;由于舵面位于彈身前部,舵機和操縱機構的安裝較為方便。主要缺點是鴨式舵面很難作滾動控制。

                    對于采用旋轉彈體簡單控制的便攜式地空導彈,由于不需要在滾動方向進行嚴格的角度和角速度穩定控制,因此鴨式布局是一種比較好的氣動布局。目前已經問世和正在研制的便攜式紅外尋的地空導彈均采用鴨式布局,如“薩姆”7、“毒刺”導彈等。

                    旋轉彈翼式布局又稱為全動彈翼氣動布局,依靠直接偏轉彈翼(位于導彈質心附近的主升力面)產生機動所需的升力,所以導彈的響應特性比其它氣動布局都快。

                    旋轉彈翼式布局由于要偏轉導彈的主彈翼,因此舵機需要較大的作動力。旋轉彈翼式布局和鴨式布局均使用前翼作為操縱面,但應用范圍不同,旋轉彈翼式布局主要應用于沖壓發動機的導彈和射程較近的小型導彈上,比如“薩姆”6、“麻雀”、“響尾蛇”導彈等。

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                    “薩姆”6 導彈中部安裝兩對全動彈翼,尾部裝有兩對帶有副翼的穩定尾翼,彈翼與尾翼呈X-X 配置。由于采用高速沖壓發動機,使導彈加速度較高,而全動式彈翼可以在較高速度下實現對導彈的有效控制

                    無翼式布局實際上就是全動彈翼式,即將整個彈翼做成可轉動的,既可起翼面作用,又可起舵面作用。

                    隨著空中威脅的發展,對中高空地空導彈的射程要求越來越大,這就要求導彈有更快的飛行速度。另外,為攔截戰術彈道導彈,要求導彈具有更快的響應特性。當導彈高速飛行時,彈身對升力的貢獻增加,而彈翼的貢獻相對地減小。特別是大攻角技術的應用,彈身對升力的貢獻更大了,彈翼的作用更小了??s小彈翼面積以至完全取消彈翼成為有翼導彈氣動布局發展的一個新方向。

                    無翼式布局具有結構質量小、結構簡單、工藝性好、發射裝置簡單的特點,為制造和使用維護帶來極大便利。同時,無翼式布局具有較好的過載特性,改善了非對稱氣動力特性,具有較高的舵面效率。存在的最大問題是,在導彈飛行過程中,隨著飛行馬赫數的變化,壓力中心的變化范圍變得較大,而且氣動力的非線性較為嚴重。隨著現代控制技術的發展和彈上計算機的應用,以上問題可得到妥善解決。因此,無翼式布局近年來在先進的地空導彈中越來越廣泛地被采用,如S-300 系列、“愛國者”導彈等。

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                    “愛國者”導彈的彈體為一細長圓柱體,尾部有4 片按X 配置的梯形舵,舵的后緣與彈體垂直,前緣呈后掠角。這種氣動布局通常用于遠程高空攔截導彈,其尾部舵面相對較大

                    無尾式布局的特點是舵面安置在彈身后緣。無尾式布局是正常式布局的變形。在翼展受嚴格限制的情況下,無尾式布局產生升力的能力最大,因此適用于高空高速地空導彈。

                    無尾式布局的主要問題是彈翼很難安排。如果彈翼位置太靠后,將使導彈的靜穩定性過大,需要付出較大的舵偏角或采用較大的舵面才能達到預期的機動過載。如果彈翼位置太靠前,就會降低舵面的效率。

                    此外,空氣動力面沿彈身配置的常見形式有十字形和X字形等,其特點是在各個方向都可產生相同的機動過載,且具有在任何方向機動的快速響應能力。因此導彈在空間任何一個方向機動時,導彈不必滾轉,控制系統的滾動通道只要穩定滾動角或滾動角速度即可,從而簡化了控制系統的設計。目前,十字形布局和X字形布局在戰術導彈上得到了廣泛的應用。

                    在實際的應用中,有時為了得到更好的氣動性能,導彈會采用一些較復雜的復合設計,同時應用幾種氣動布局,比如歐洲聯合研制的“紫菀”系列防空導彈。

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                    “霍克”導彈采用無尾式布局,彈翼為梯形,位于彈體中部稍后,按X 配置,前緣后掠角76°,后緣與彈體垂直,彈翼面積較大,4 片矩形舵接在彈翼后緣,除進行穩定和控制俯仰與偏航外,還控制導彈的滾動穩定。這種方式確保了導彈在中低空的較高升力和穩定性

                    “紫菀”的氣動布局

                    “紫菀”導彈采用兩級串聯式彈體。一級彈體是可在飛行途中拋棄的固體火箭助推器,助推器為粗圓柱形狀,平滑地連接到導彈彈體上,并擁有形狀較尖的梯形彈翼,氣動布局由無尾式演變而來,使得導彈在低空時可利用較大的舵面達到預期的機動過載。二級彈體基本為正常式,裝有4具呈十字的細長窄弦翼,彈尾上裝有4個平頭三角形控制舵面,可進行氣動飛行控制,布局類似美制“標準”導彈。但不同的是該導彈采用了側向燃氣推力控制技術,在導彈重心附近裝有一個燃氣閥,利用4個橫向噴嘴直接產生橫向加速度,賦予導彈在末端飛行階段相對更大的機動性。這種布局使得導彈在中高空可利用距離導彈質心較遠舵面,在高速情況下更容易地實現對導彈高速機動的控制,同時也使導彈尾部舵面可以設計得較小,降低了總體翼展。

                    靈活的設計使“紫菀”導彈具有極高的機動性和命中率。該彈曾是世界上最精確的防空導彈之一,基本達到“直接碰撞殺傷”的效果,試驗中“紫菀”導彈的爆炸點和目標重心點的距離基本小于1米。

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                    “紫菀”導彈發射后,火控雷達開啟導彈的跟蹤作業。導彈垂直離開發射器后,首先傾斜彈體利用一級助推器上的無尾式氣動布局具備的較大升力進行弧形彈道爬升,飛行中由火控系統的跟蹤管制中心控制。在助推器燃盡丟棄后,導彈進入中途導引階段,這時二級彈體的正常式氣動布局可以發揮優勢,以盡可能大的力矩不斷修正彈道以迫近目標。目標鎖定后導彈即進入主動導引頭的全自主末端攔截階段,遠離質心的二級尾舵使導彈快速調整姿態,結合矢量控制系統盡量減少脫靶距離,確保成功摧毀目標

                    總體上看,“紫菀”導彈的氣動布局是由于其階段性發展思路決定的,這與美國的“標準”系列防空反導導彈類似,可在一次投資中獲得兩種甚至更多的型號?!白陷摇?span lang="EN-US">15和“紫菀”30采用相同的主彈體,通過配裝不同的助推器來完成不同的任務?!白陷摇?span lang="EN-US">15為點防御武器,助推器全長1.6米,直徑0.36米?!白陷摇?span lang="EN-US">30為中程型號,助推器長2.2米,直徑0.54米。

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                    目前正在研制的“紫菀”60估計會將延續這一思路,使用更大的助推器和更高的系統配置,因為“紫菀”60 防御的將是先進戰術彈道導彈甚至戰略彈道導彈。達到這一要求需要更大的作戰空域和更快的反應速度,這將要求二級彈體彈翼更小,甚至取消彈翼和尾舵。氣動布局對“紫菀”性能的影響還將繼續下去。










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