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晨枫:细品东风-17导弹气动设计
最后更新: 2019-10-26 09:33:13据报道,东风-17在60公里高度起滑,起滑速度M10,滑翔到1400公里处存速M4,然后启动火箭发动机短暂加速后再次转入滑翔,在1700公里射程终点处依然保持较高的存速。换句话说,除了上升段和“补速”前的这一段,东风-17在整个射程里都是高超音速的,因此没法用传统的机翼产生升力,只能用乘波体。高升力、低阻力、高滑翔比(滑翔距离与高度损失之比)的高超音速飞行体是世界级的难题。
乘波体“坐在”激波上,或者说激波像钢制平底船体一样,船底托起乘波体。由于这是用“平底”产生升力,而不是用“排水量”产生浮力,什么形状都只有平底部分管用。而且不仅要产生足够的升力,还要避免过度的阻力。双锥体产生的还是锥形激波,有多宽就有多高,所以升阻比很快就碰到了天花板,尽管张开的“尾裙”产生额外升力。用于再入-拉起够用了,但要在大气层内远程滑翔就很吃力。HTV-2那样的箭簇体产生扁平的激波,这是在正确的方向上了。
但HTV-2还比较保守,主要用反推力发动机控制姿态。弹底尾部的两片式襟翼位置不好。乘波体就是靠“坐”在激波上形成升力的,弹底襟翼要工作,就与激波打架了,互相干扰。而且这两片襟翼的横向力矩不足,只有有限的横滚控制能力;纵向更是只能产生低头力矩,难以产生抬头力矩,控制能力更加不足。
DF-17的的大边条微微“一拐”,就拐出大名堂了
主要用反推力发动机控制姿态简化了气动设计问题,但也得不到气动控制的好处。反推力发动机只能间隙工作,而且有最小喷气量的限制,难以精细微调,控制精度因此有本质局限。弹翼是连续工作的,而且可调范围大大超过反推力发动机,控制精度高多了。至于在巡航中产生额外升力,这可能只是理论上的好处,实际上有点困难。弹翼位置一旦确定,升力中心就相对固定,与重心的关系就相对固定。单一弹翼要么用于升力,要么用于气动控制,难以身兼二职。但额外的大边条就不一样了,这可以用于产生升力。
但这不是像F-18的大边条,不直接产生气动升力,而是形成扁平和向两侧延申的激波。箭簇体本来就有向两侧延展的扁平激波,但更像是拖在身后的扫把。东风-17的大边条向外弯曲,这微微一拐就倾城了,把本来拖在尾后的扁平激波大大拉开,刀形激波与弹底激波连成刚硬的整体,充当“虚拟机翼”,产生升力。那个神秘的转角则加强侧激波的能量(换句话说:刚度),并精确控制激波的形状。相比之下,HTV-2的两侧边缘基本上是简单直线,气动设计水平的差别不言而喻。
超音速飞行的一般难题是避免不必要的激波,但也有有意用激波控制达到某种目的的,多波系进气口是有意的激波控制的例子,东风-17是又一个有意利用激波的例子。速度越高,大边条产生的刀形激波的后掠角越大,“刀身”也越薄,使得“虚拟机翼”还具有天然的“变后掠角”和“变厚度”的效果,自动适应高速的减阻要求和低速的增升要求。
刀形激波还把弹翼“掩护”在低压区里,这就是东风-17的两侧弹翼必须在大边条转角的一段距离之后的道理。亚音速状态下的气动控制面设计是很成熟的技术,使得传统弹翼可以有效地行使气动控制作用,控制精度有望比HTV-2那样的反推力控制有数量级的提高。
侧面大边条的两处转角,可以改变侧面的激波形状,从而让舵面能够在激波后面的亚音速气流中工作,这就解决了高超飞行器的控制难题
弹顶的圆浑“额头”也产生激波,“掩护”了弹顶弹翼。平滑的弹底没有这样的掩护,但箭簇体的飞控更接近飞机,而不是导弹,所以也没有必要采用十字形或者X形的弹翼,弹底弹翼本来就不需要。
比较东风-17和HTV-2的另一个发现是:东风-17的弹体截面更接近圆整,没有HTV-2那么扁平。扁平是高升阻比乘波体的要求,但扁平也使得弹箭适配比较困难。箭簇体的宽度不宜超过助推火箭的直径太多,这使得箭簇体弹头的容积受到限制,难以容纳足够的装药和破片,但大量目标还是需要一定的装药和破片才能摧毁的,单靠动能是不够的。
但东风-17的箭簇体用“虚拟机翼”产生升力,平滑的弹底进一步增加升力,有利于容许箭簇体的宽度大大缩小,等效为弹体本身可以采用相对高大饱满的截面,简化弹箭适配。东风-17有明显的弹箭适配段,但形状还算规则,如果是更加扁平的箭簇体,可以想象,弹箭过渡将大为复杂,这本身也使得弹箭作为整体的气动特性复杂化,影响上升段和起滑段的飞行。
饱满截面的弹体也是箭簇体具有实战价值的关键,可以增加装药量,便于安装弹上电子设备。否则真的装上一个扁平但几乎实心的箭簇体打出去是没有多大实战价值的。这也是东风-17“动力滑翔”能力的基础,只有足够的容积才可能容纳足够的燃料和火箭发动机,在滑翔乏力时“补速”增程。
美国HTV-2的控制设计相比之下就非常复杂而且效果也不行
这些大道理未必是中国的独门认知,至少现在东风-17公诸于世了,看图识窍总是做得到的。但说说容易,真要做到,细节中存在巨大的恶魔。这是高度复杂的四维激波问题,因为激波的空间形状和强度还受速度(对于滑翔体来说,可以等效为时间)的影响,要能有效定位和控制形状,才能保证正常的飞行和姿态控制。这也是东风-17在升力和气动控制机制上比HTV-2各甩一条街的奥妙。加上补速增程,又甩了一条街。美国能追上吗?还是能的,就是要花点时间,还要花点数理化真功夫,而不是华尔街的巧取豪夺功夫,更不是嘴上功夫。
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