空空导弹气动外形演变历程及启示

关键词：      空空导弹; 气动外形; 关键技术

中图分类号：       TJ760; V211+.3  文献标识码：     A  文章编号：      1673-5048（2019）02-0001-14

0 引  言

气动外形设计是指根据总体设计要求合理地安排各部件的相对位置， 确定各部件的几何参数， 给出气动数据并分析评估气动特性的过程。

空空导弹与其他战术导弹的气动设计相比， 既存在相同点， 也有独特之处。

相同点在于， 空空导弹气动设计工作也是在总体约束下完成。 气动外形参数与总体性能参数相互交联最多， 影响最大[1] ，  因此气动设计不仅涉及空气动力学问题， 更是系统设计问题， 空空导弹气动外形不能单纯由空气动力学的因素来确定， 还要求气动工程师具有动力学、 热力学、 结构强度、 发动机和控制等方面的基础知识， 甚至考虑材料和工艺等特殊要求，  以使设计的导弹气动特性在满足整个系统要求的前提下， 气动性能最优化。 气动设计的好坏直接影响导弹的总体性能， 甚至决定了总体设计的成败。 有专家认为：不充分利用气动技术设计出来的导弹在一定程度上都是“笨蛋”[2]。  

不同点在于， 空空导弹具有独特的工作条件， 即同时具备由载机携带并发射和攻击空中快速高机动目标这两个显著的特征。 这给空空导弹的气动布局和气动外形设计提出了特殊的要求， 增加了空空导弹气动设计的难度， 但这也推动和促进了空空导弹气动设计技术的快速发展。 空空导弹的特殊工作条件使其气动设计具有自己的特点：

一是“宽”， 指空空导弹的气动设计要使其在宽高度带（高度从海平面到接近30 km）、 宽速度域（从亚音速高超声速）和宽攻角范围（最大可达60°）内， 具有良好的空气动力特性， 满足总体性能指标;

二是“高”， 指空空导弹的气动设计追求更高的机动能力和敏捷性， 以满足攻击大机动目标和/或大离轴发射甚至越肩发射的需求;

三是“快”， 指空空导弹的气动设计追求更大的平均速度和更小的响应时间， 以满足攻击快速飞行目标和对过载指令快速响应的要求;

四是“小”， 包含要求空空导弹的弹道系数[3]小和几何尺寸外包络小。 前者是为了满足空空导弹追求更远射程的要求， 后者是为了满足载机挂载和内埋的要求。

1 导弹空气动力学发展简介

正如钱学森提出的[4]“空气动力学是航空航天

事业不可缺少的一项重要工作”， 空气动力学也是新型空空导弹研制发展的重要基础。

第二次世界大战前后， 由于航空和航天技术的兴起， 可压缩空气动力学理论得到迅速发展。 在这个阶段， 建立了亚/跨/超声速无粘流动和可压缩边界层的系统理论， 研究了导弹在不同马赫数范围内的气动特性， 尤其是跨声速面积律的发现和后掠翼新概念的提出， 帮助飞行器突破了“音障”， 实现了跨声速和超声速飞行， 开始了超声速空气动力学发展的新时期。 至20世纪50年代末， 已经初步建成了以细长体理论和干扰因子概念为基础的导弹空气动力学体系， 主要研究线性气动特性， 而对非线性气动特性仅做了初步研究。 在此气动技术背景下， 各国发展了第一代空空导弹， 气动设计的主要特点是“翼展大、 攻角小、 线性化”。

20世纪60年代是导弹空气动力学发展比较缓慢的时期， 但值得一提的是， 计算机技术的飞速发展改变了理论空气动力学的面貌， 计算流体力学作为空气动力学的一个独立分支得到了迅速发展， 使导弹气动设计手段产生了重大变革。

从20世纪70年代开始， 导弹空气动力学进入了快速发展的新时期。 高机动性要求和展弦比的限制， 迫使空空导弹提高最大可用攻角， 而大攻角状态混合流型和非线性涡升力的发现和利用， 为提升导弹机动性指出了方向。 因此， 气动设计范围从小攻角转到大攻角， 导弹空气动力学研究重点从线性气动力问题转到非线性气动力问题， 从研究较简单的小攻角流动现象转到研究大攻角复杂流动现象， 此外， 非定常流动概念也进入了导弹空气动力学视野。 气动设计的主要特点是“非线性、 非对称、 大攻角”。

从20世纪80年代开始， 对空空导弹气动布局的研究非常活跃， 具有良好气动性能的气动布局形式渐渐工程化。 主要表现有：大攻角飞行促进了极小展弦比翼面的出现， 用以提高非线性升力和扩大使用攻角; 大离轴发射能力促进了直接力与气动力复合设计; 超远射程促进了冲压发动机与弹身一体化布局设计; 局部优化设计技术的应用， 如格栅舵和五缘舵降低最大铰链力矩、 前体小翼布局降低中等攻角侧向力等。 气动设计的主要特点是“超大攻角、 极小展弦比、 直接力/气动力复合、 一体化设计”。

2 空空导弹气动外形演变历程

空空导弹的雏形起源于第二次世界大战期间的德国， 战争后期的德国先后研制了Hs-298型空空导弹和X-4型空空导弹[5]， 宣告了空空导弹的问世。 此后历经半个世纪的发展， 现在世界各国研制的空空导弹总计上百种。 根据所攻击目标的特性和所采用技术的特点， 空空导弹的发展经历了四代， 文献[1]给出了四代导弹的大致划分及其研制的大致时間， 这些空空导弹的气动布局和气动外形各有特色。

2.1 第一代空空导弹

“响尾蛇”AIM-9B导弹为美国于1948年开始研制的红外型空空导弹， 采用了鸭式气动布局， 舵和翼在同一平面并呈“××”形布置， 弹体头部呈半球形， 见图1（a）。 鸭式气动布局操稳特性易于调整且升阻比较大， 但存在可用攻角小和横滚控制难的问题。 在AIM-9B导弹气动设计中， 俯仰和偏航通道采用气动舵控制， 而在滚转通道引入了陀螺舵， 用来抑制导弹横滚。 导弹飞行过程中， 陀螺舵在来流作用下高速自转， 当导弹绕纵轴滚转时陀螺舵因进动性开始偏转， 偏转方向与导弹滚转方向一致， 并与尾翼面形成一定角度， 产生相反的横滚控制力矩， 迫使导弹横滚角速率稳定在设定范围内， 从而保证了导弹跟踪精度。 需要强调的是， 当陀螺舵舵轴与弹轴不垂直时， 陀螺舵也可在俯仰/偏航方向上产生阻尼力矩。 陀螺舵是气动设计上一项天才的创新工作， 用一种很简单的机械装置达到了与复杂的控制系统相同的作用效果， 陀螺舵的详细控制原理见文献[6]。

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