细品东风17的气动设计两大关键技术甩美国HTV2一条街

时间:2021-09-21 20:23 作者:LOL外围
本文摘要:反导系统如何防卫东风17导弹[文/观察者网专栏作者晨枫]东风-17很得意,是个地球人都告诉了。但究竟有多得意,有可能并不像想象的那样非常简单。 东风-17是世界上第一种可投放空战的高超音速武器,但高超音速只是速度快,要超过这样的速度并不是难事,绑上充足的火箭发动机总是可以暴力超过高超音速的,无以的是如何在这样的速度下仍然维持准确掌控,常规飞机和导弹设计的经验早已不管用了。这就像拖拉机和F1赛车都用方向盘一样,内中奥秘天差地远。

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反导系统如何防卫东风17导弹[文/观察者网专栏作者晨枫]东风-17很得意,是个地球人都告诉了。但究竟有多得意,有可能并不像想象的那样非常简单。

东风-17是世界上第一种可投放空战的高超音速武器,但高超音速只是速度快,要超过这样的速度并不是难事,绑上充足的火箭发动机总是可以暴力超过高超音速的,无以的是如何在这样的速度下仍然维持准确掌控,常规飞机和导弹设计的经验早已不管用了。这就像拖拉机和F1赛车都用方向盘一样,内中奥秘天差地远。却是只要高超音速就可以的话,装个不够暴力的火箭就讫……飞行体的速度多达音速时,飞行体对前方空气的压力产生激波,样子顶着看不到的锥形伞面行进一样。“伞面”之后则是低压区,气流速度大大降低,理论上减少到亚音速。

在理论上,激波的密度无穷大。激波也是较好的导电体,而且激波“伞面”后的气流温度也大大降低,气动冷却和导电通过激波展开,所以激波本身也是隔热设计的关键部分。

在速度超过M5-6以上后,这就是高超音速了,气动冷却使得空气的热力学性质与气动性质交互作用,比如温度增高造成空气的密度和粘度变化,而本来就平流层的高空空气密度使得空气分子之间的相互作用从连续介质向互相独立国家的粒子转化成。这使得传统的意味着考虑到气动现象的飞行器设计仍然管用,而必须环绕空气热动力学(aerothermodynamics)创建全新的理论和设计框架。

这在过去是象牙塔钝的超级小众的冷门学科,只有显而又显的学术界和极少数专门从事空间飞行中的人牵涉到,因此也在很长时间里逗留在理论层面,或者是环绕项目就事论事。但高超音速的武器化使得这样的“手工操作”仍然不切实际。

中国从解决问题东风-21D机动才成功和鼓吹航母开始,一发不可收拾,必要跑到这一领域的世界前茅。空气热动力学之前是一个很“小众”的领域,一般来说只有诸如行星探测器之类的航天器才用获得2017年3月,中国在厦门举行美国航空航天学会高超音速年会,大大方方地展出了大量顺利的试验结果和实物图片,愤慨了世界。美国《航空周刊》称之为这是向美国示威的一炮(Ashotacrossthebow,本意是海军在迫停敌船时向船头前方纵向进的一炮,意思再行不时船就要开炮沉没了,以后意思推展到一般的警告或者示威)。此后两年里,美国急起直追,但仍然落在中国后面,在可意识到的将来只有与中国上一代的双锥体高超音速滑翔体(比如东风-15)非常的高超音速武器未来将会超过简单程度,与东风-17技术比较不应的美国高超音速研究机HTV-2的两次试验都告终了,说明了出有关键技术仍未做到,没公开发表的近期再试计划。

高超音速时代的双锥体可以与超音速时代的矩形或者半圆进气口转换,两者都是通过非常简单几何形状对简单流动现象展开修改的作法,使得理论分析和设计可玩性减少到高效率的水平,但性能也因此受到限制。东风-17使用简单形状的扁平锥体,好像手掌的箭簇。这也是HTV-2的基本形状。

有所不同的是,东风-17的扁平锥体具备像大边条一样的外侧棱,而且弧线外侧棱过渡到直线侧面时有锐利的转角,而不是圆弧过渡性。外侧棱的后部当然是用作气动掌控的舵面,而HTV-2是没气动掌控面的,用于液氮气化产生的高压气体驱动的反推力发动机。边条在飞机上早有用于。

SR-71就有从机头开始的大边条,F-18则开始了大边条在战斗机上的用于。SR-71的大边条用作在M3时产生额外升力,提高升力产于,减少配平阻力。

F-18的大边条则用作在大迎角下产生涡升力,提升机动性。奇特完全相同的大边条有很不完全相同的起到,但有一点是完全相同的:除了大边条到机翼的巨变,边条前缘是圆润的弧形。SR-71是非常简单弧形,F-18经典型是S前缘的简单弧形,F-18E返回非常简单弧形,但更为宽阔圆润。

F-18经典型的S形是为了减少大边条的起到,在大边条气动特性还没几乎掌控的时候,激进一点好。到了F-18E时代,麦道对大边条的气动特性更加有信心,更为宽阔、圆润的大边条的效果更佳,有利影响则早已几乎解读,可以有效地掌控。当年的F/A-18上,对边条翼的气动特性还没有几乎掌控,所以拔了个“缺口”,到“超级大黄蜂“,就变为圆润形状了但东风-17的大边条更加像苏-27的,换句话说,大边条的效果没F-18经典型的S形或者F-18E的非常简单弧形反感,但在过渡到弹翼之前有一个高耸的转角。老话说道,异常即妖。

一点到底,因为东风-17的大边条既不是SR-71那样用作提高升力产于,也不是F-18那样用作产生涡升力,而是用作产生乘波体的激波升力。据报导,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一段时间加快后再度转至滑翔,在1700公里射程起点处仍然维持较高的存速。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,不能用乘波体。

高升力、较低阻力、低滑翔比(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“躺在”激波上,或者说激波像钢制平底船体一样,船底莲花乘波体。

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。而且不仅要产生充足的升力,还要防止过度的阻力。双锥体产生的还是锥形激波,有多长就有多低,所以升阻比迅速就遇到了天花板,尽管张开的“尾裙”产生额外升力。

用作再行进-纳起够用了,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,这是在准确的方向上了。但HTV-2还较为激进,主要用反推力发动机掌控姿态。弹底尾部的两片式襟翼方位很差。

乘波体就是靠“跪”在激波上构成升力的,弹底襟翼要工作,就与激波打人了,相互阻碍。而且这两片襟翼的纵向力矩严重不足,只有受限的横滚控制能力;横向堪称不能产生低头力矩,无法产生浮现力矩,控制能力更为严重不足。DF-17的的大边条头顶“一拐”,就拐出大名堂了主要用反推力发动机掌控姿态修改了气动设计问题,但也得到气动掌控的益处。

反推力发动机不能间隙工作,而且有大于喷气量的容许,无法细致微调,控制精度因此有本质局限。弹翼是倒数工作的,而且固定式范围大大多达反推力发动机,控制精度低多了。至于在巡弋中产生额外升力,这有可能只是理论上的益处,实质上有点艰难。

弹翼方位一旦确认,升力中心就比较相同,与焦点的关系就比较相同。单一弹翼要么用作升力,要么用作气动掌控,无法现职二职。

但额外的大边条就不一样了,这可以用作产生升力。但这不是像F-18的大边条,不必要产生气动升力,而是构成扁平和向两侧延申的激波。箭簇体本来就有向两侧延伸的扁平激波,但更加看起来扯在身后的扫帚。东风-17的大边条向外倾斜,这头顶一拐就倾城了,把本来扯在尾后的扁平激波大大冲破,刀形激波与弹底激波连成格格不入的整体,当作“虚拟世界机翼”,产生升力。

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那个谜样的转角则强化外侧激波的能量(换句话说:刚性),并准确掌控激波的形状。相比之下,HTV-2的两侧边缘基本上是非常简单直线,气动设计水平的差异不言而喻。超音速飞行中的一般难题是防止不必要的激波,但也有无意用激波掌控超过某种目的的,多波系进气口是无意的激波掌控的例子,东风-17是又一个无意利用激波的例子。速度越高,大边条产生的刀形激波的后掠角越大,“刀身”也就越厚,使得“虚拟世界机翼”还具备天然的“逆后掠角”和“逆厚度”的效果,自动适应环境高速的减阻拒绝和短距离的增升拒绝。

刀形激波还把弹翼“伏击”在低压区里,这就是东风-17的两侧弹翼必需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掌控面设计是很成熟期的技术,使得传统弹翼可以有效地行使气动掌控起到,控制精度未来将会比HTV-2那样的反推力掌控有数量级的提升。侧面大边条的两处转角,可以转变侧面的激波形状,从而让舵面需要在激波后面的亚音速气流中工作,这就解决问题了高超飞行器的掌控难题弹顶的圆浑“额头”也产生激波,“伏击”了弹顶弹翼。

光滑的弹底没这样的伏击,但箭簇体的飞控更加相似飞机,而不是导弹,所以也没适当使用十字形或者X形的弹翼,弹底弹翼本来就不必须。较为东风-17和HTV-2的另一个找到是:东风-17的弹体横截面更加相似圆整,没HTV-2那么扁平。扁平是低升阻比乘波体的拒绝,但扁平也使得弹箭兼容较为艰难。

箭簇体的宽度不应多达助推火箭的直径过于多,这使得箭簇体弹头的容积受到限制,无法容纳充足的装药和破片,但大量目标还是必须一定的装药和破片才能毁坏的,依靠动能是过于的。但东风-17的箭簇体用“虚拟世界机翼”产生升力,光滑的弹底更进一步减少升力,不利于允许箭簇体的宽度大大增大,等效为弹体本身可以使用比较矮小圆润的横截面,修改弹箭兼容。

东风-17有显著的弹箭兼容段,但形状还算数规则,如果是更为扁平的箭簇体,可以想象,弹箭过渡性将深感简单,这本身也使得弹箭作为整体的气动特性变得复杂,影响上升段和起滑段的飞行中。圆润横截面的弹体也是箭簇体具备空战价值的关键,可以减少装药量,便于加装弹头上电子设备。否则知道装有上一个扁平但完全实心的箭簇体打过来是没多大空战价值的。这也是东风-17“动力滑翔”能力的基础,只有充足的容积才有可能容纳充足的燃料和火箭发动机,在滑翔力弱时“补速”增程。

美国HTV-2的掌控设计相比之下就非常复杂而且效果也敢这些大道理不一定是中国的独门理解,最少现在东风-17公诸于世了,看图识窍总是做到获得的。但说说道更容易,真为要做,细节中不存在极大的恶魔。

这是高度简单的四维激波问题,因为激波的空间形状和强度还不受速度(对于滑翔体来说,可以等效为时间)的影响,要能有效地定位和掌控形状,才能确保长时间的飞行中和姿态控制。这也是东风-17在升力和气动掌控机制上比HTV-2各扯一条街的奥妙。再加补速增程,又扯了一条街。

美国能追赶吗?还是能的,就是要花点时间,还要花上点数理化真功夫,而不是华尔街的巧取豪夺功夫,更加不是嘴上功夫。据报导,中国早已掌控了“激波组装法”,能根据有所不同的高超音速飞行中条件,准确地设计飞行器和激波形状。某种程度的技术还可以用作高超音速动力飞行中,而某种程度是滑翔,这是与双锥体有本质有所不同的。

这不是光有超级计算机就可以做的,就和给人一台带上Word的电脑并无法自动使他沦为名作家一样。这也不是用高超音速风洞或者权利飞试验就可以暴力破解的,海量的试验既不现实,也难以预测工程缩放和试验点之间过渡性区域的影响。

这必需是理论和试验结合的产物。但明确是怎么做的,告诉的人会说道,能说道的人不告诉,外界只必须认识到这是真为得意就充足了。

精致的设计还拒绝仪器的生产。在高超音速下,任何坚硬和变形都产生极大影响,更加不用说两侧刀形激波不平面的话,就不了保持长时间飞行中了。

这还远比一系列材料、电子技术的挑战,有关报导早已有所提到。东风-17只是小试牛刀。

“激波组装法”的奥妙在于可以灵活性应用于大小有所不同、速度有所不同、用途有所不同的导弹。不断扩大到东风-26一级的中程导弹是大自然的延申,更进一步不断扩大到东风-31一级的定洲际导弹也是可以预期的。至于延申到东风-41一级,那就与滑翔增程牵涉到了,绕着地球打没适当,机动弹道也只必须取道到一定的程度,但滑翔增升以减少弹头重量就具备空战意义。如果说这对东风-41还不关键,对于体积、重量特别是在是长度都受到很大容许的潜射洲际导弹就意义极大了。

据报导,此前美国为电磁炮设计的弹药(HVP)飞行速度只不过也不过3马赫(展开过实际试验的速度),这也是美国在低超声速技术领域另有待突破的一个展现出在另一端,战术导弹超过M3-4甚至更高的速度也有相当大意义。反坦克导弹用空心装药、串级战斗部等技术,在相当大程度上解决了现代主战坦克的装甲防水,但要在不大大增加导弹的尺寸和重量情况下更进一步减少穿甲能力早已很艰难了。

高速的动能穿甲战斗部可以崩溃可选装甲的防水起到,普遍认为的反坦克最有效地的尾翼平稳脱壳穿甲弹就是这样的。用作反飞机也一样,必要击中可大大减低战斗部重量,减少整弹的体积和重量。但问题不在于轻型高速导弹的前进技术,而在于准确击中。

“激波组装法”也许有朝一日也能用作战术导弹,那中国的战术导弹也更上一层楼了。东风-17,你是真为得意!。


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