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细品东风-17导弹气动设计:比想象中的还要厉害

细品东风-17导弹气动设计:比想象中的还要厉害
2019-10-28 07:41:13 观察者网

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【文/观察者网专栏作者晨枫】

东风-17很厉害,是个地球人都知道了。但到底有多厉害,可能并不像想象的那样简单。

东风-17是世界上第一种可投入实战的高超音速武器,但高超音速只是速度快,要达到这样的速度并不是难事,绑上足够的火箭发动机总是可以暴力达到高超音速的,难的是如何在这样的速度下依然保持精确控制,常规飞机和导弹设计的经验已经不管用了。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。

细品东风-17导弹气动设计:比想象中的还要厉害

毕竟只要高超音速就可以的话,装个够暴力的火箭就行……

飞行体的速度超过音速时,飞行体对前方空气的压力产生激波,好像顶着看不见的锥形伞面前进一样。“伞面”之后则是低压区,气流速度大大降低,理论上降低到亚音速。在理论上,激波的密度无穷大。激波也是良好的导热体,而且激波“伞面”后的气流温度也大大降低,气动加热和导热通过激波进行,所以激波本身也是防热设计的关键部分。

在速度达到M5-6以上后,这就是高超音速了,气动加热使得空气的热力学性质与气动性质交互作用,比如温度升高导致空气的密度和粘度变化,而本来就稀薄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相互独立的粒子转化。这使得传统的仅仅考虑气动现象的飞行器设计不再管用,而需要围绕空气热动力学(aerothermodynamics)建立全新的理论和设计框架。

这在过去是象牙塔尖的超级小众的冷门学科,只有纯而又纯的学术界和极少数从事空间飞行的人涉及,因此也在很长时间里停留在理论层面,或者是围绕项目就事论事。但高超音速的武器化使得这样的“手工操作”不再可行。中国从解决东风-21D机动再入和反航母开始,一发不可收拾,直接走到这一领域的世界前列。

细品东风-17导弹气动设计:比想象中的还要厉害

空气热动力学之前是一个很“小众”的领域,通常只有诸如行星探测器之类的航天器才用得到

2017年3月,中国在厦门举办美国航空航天学会高超音速年会,大大方方地展示了大量成功的试验结果和实物图片,震惊了世界。美国《航空周刊》称这是向美国示威的一炮(A shot across the bow,原意是海军在迫停敌船时向船头前方横向开的一炮,意为再不停船就要开炮击沉了,以后意思推广到一般的警示或者示威)。此后两年里,美国急起直追,但依然落在中国后面,在可预见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)相当的高超音速武器有望达到实用程度,与东风-17技术相对应的美国高超音速研究机HTV-2的两次试验都失败了,揭示出关键技术尚未到位,没有公开的近期再试计划。

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类比,两者都是通过简单几何形状对复杂流动现象进行简化的做法,使得理论分析和设计难度降低到可控的水平,但性能也因此受到限制。

东风-17采用复杂形状的扁平锥体,好似平放的箭簇。这也是HTV-2的基本形状。不同的是,东风-17的扁平锥体具有像大边条一样的侧棱,而且弧线侧棱过渡到直线侧面时有尖锐的转角,而不是圆弧过渡。侧棱的后部当然是用于气动控制的舵面,而HTV-2是没有气动控制面的,使用液氮气化产生的高压气体驱动的反推力发动机。

边条在飞机上早有使用。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使用。SR-71的大边条用于在M3时产生额外升力,改善升力分布,降低配平阻力。F-18的大边条则用于在大迎角下产生涡升力,提高机动性。貌似相同的大边条有很不相同的作用,但有一点是相同的:除了大边条到机翼的转折,边条前缘是圆滑的弧形。SR-71是简单弧形,F-18经典型是S前缘的复杂弧形,F-18E回到简单弧形,但更加宽大饱满。F-18经典型的S形是为了降低大边条的作用,在大边条气动特性还没有完全掌握的时候,保守一点好。到了F-18E时代,麦道对大边条的气动特性更有信心,更加宽大、饱满的大边条的效果更好,不利影响则已经完全理解,可以有效控制。

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当年的F/A-18上,对边条翼的气动特性还没完全掌握,所以留了个“缺口”,到"超级大黄蜂“,就变成饱满形状了

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