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弹道导弹变轨原理(导弹上不起眼的栅格翼)

弹道导弹变轨原理(导弹上不起眼的栅格翼)二、栅格翼的原理民用领域主要在航天飞行器上。苏联在“联盟”号宇宙飞船的救生舱上安装了栅格翼。救生舱是一个无控制的飞行器,在距离地面39公里的高度以下可以紧急启动。栅格翼的作用是保证逃生舱在飞行过程中的稳定性。当上面的4块栅格翼同时打开的时候,可以保证舱室的气动压心后移,从而实现稳定飞行。栅格翼并不神秘,早在上世纪40年代,苏联科学家就对栅格翼进行全方位的研究。只不过受限于当时的理论和技术水平,并没有形成成果进行广泛应用。直到90年代初,俄罗斯制造的R77空对空导弹中使用了栅格翼套件,算是目前俄罗斯最为成功的应用案例之一。他们所用的数据,还是50年代对栅格翼进行风洞实验得出的。可见虽然当时研究非常超前,但没有广泛应用的物质基础。从这里也可以看出栅格翼确实是一套不好应用的结构。美国大概也是在同时期进行了应用,不过他们没有将栅格翼安在导弹上,而是安在了炸弹上。阿富汗战争期间,我们比较熟知的“炸弹

运载火箭虽然非常庞大,但每一个细节都容不得半点马虎。因此从制作到最后发射,每个环节都有专人进行多轮次的检测。

为了保证人员操作的平台稳定,一般在能够减重的地方都采用格栅化结构。但一些细心的观众可能注意到了,在火箭的一些部位,即使发射后仍然带有格栅板,难道这是为了方便人员操作而特意设置的吗?

弹道导弹变轨原理(导弹上不起眼的栅格翼)(1)

其实这是导弹以后的装备趋势——栅格翼。

一、栅格翼的起源

栅格翼并不神秘,早在上世纪40年代,苏联科学家就对栅格翼进行全方位的研究。只不过受限于当时的理论和技术水平,并没有形成成果进行广泛应用。

直到90年代初,俄罗斯制造的R77空对空导弹中使用了栅格翼套件,算是目前俄罗斯最为成功的应用案例之一。他们所用的数据,还是50年代对栅格翼进行风洞实验得出的。可见虽然当时研究非常超前,但没有广泛应用的物质基础。从这里也可以看出栅格翼确实是一套不好应用的结构。

弹道导弹变轨原理(导弹上不起眼的栅格翼)(2)

美国大概也是在同时期进行了应用,不过他们没有将栅格翼安在导弹上,而是安在了炸弹上。阿富汗战争期间,我们比较熟知的“炸弹之母”上便有栅格翼结构。值得一提的是,除了美、俄之外,德国也对栅格翼颇有研究。他们研发的一些反坦克导弹,甚至一些特制子弹上都有栅格翼。

民用领域主要在航天飞行器上。苏联在“联盟”号宇宙飞船的救生舱上安装了栅格翼。救生舱是一个无控制的飞行器,在距离地面39公里的高度以下可以紧急启动。栅格翼的作用是保证逃生舱在飞行过程中的稳定性。当上面的4块栅格翼同时打开的时候,可以保证舱室的气动压心后移,从而实现稳定飞行。

二、栅格翼的原理

在一些航空影视剧中,我们可以看到飞机在转弯的时候是不像汽车一样直接原地转,而是用机翼斜切下去完成转弯。

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这是因为在飞行中,空气会对物体的表面(也称为气动舵面)产生力矩,单靠结构是无法应对这种力量的,因此只能通过斜切完成转向。栅格翼由于有诸多镂空的设计,那么就相当于本身是若干个叠加在一起、拥有相同姿态的短翼。这些“短翼”产生了远大于常规气动舵面的阻力,随之而来的便是稳定性和控制效率。

速度越快,安装栅格翼的飞行物体就越稳定;速度越慢,控制效率又越高。由于是镂空式的格栅设计,因此格栅的任意布局都能带来不一样的效果。目前应用最普遍的是蜂窝式,将格栅的壁与边框成45度角斜置,可以有效提升飞行器的升力特性,并且增加其稳定性和可控性。

三、主要代表

上文提到了俄罗斯的R77导弹和美国的“炸弹之母”。

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R77是世界上第一款采用栅格翼的空对空导弹,也是“发射后不理”型导弹。就是说飞行员发射导弹后不需要持续瞄准,导弹自己追击目标。但很多电影都展示过,飞行员利用峡谷或高山采用突然转向的方式,让后边反应不及时的导弹撞山。但这点放在R77身上则很难实现。

因为R77安装的4片栅格翼弹翼减少了大攻角机动时的气流分离,减少了转向的飞行力矩,还增大了气动升力。到时候飞行员是否能够顺利摆脱R77的追击都是未知数。再说“炸弹之母”。美国人充分利用了栅格翼的结构特性,不仅紧凑、小弦长,还可以折叠后紧贴弹体。这样减少了空间,易于存储和运输。

“炸弹之母”的外形较大,一般由C130“大力神”运输。平时弹翼处于折叠状态,只有投放时展开。它与普通炸弹不同的是,其降落过程中是根据GPS信号指引的,等于是“制导炸弹”。

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那么在下降过程中需要不断调整路线,栅格翼主要是为了追求低速状态下的姿态控制能力。在自由下落的过程中,传统的直板翼无法进行有效控制,相比之下,栅格翼是最好的选择。

70年代,苏联也尝试在大型导弹上使用栅格翼。从SS12“薄板”(“飞毛腿”导弹的改进版)中程导弹到SS25“白杨”战略弹道导弹,苏系工程师一直在将栅格翼完美糅进导弹结构设计中。

比较有特点的是SS20“先锋”中程导弹,也就是“白杨”的前身。它的身上安装了4个栅格翼和4个稳定翼,存储状态下尾翼处于折叠状态,用一个钢环锁紧。当导弹被发射出去后,弹力可以将钢环解锁,从而让8个尾翼展开。栅格翼的作用是导弹在第一飞行阶段中,提供气动控制力。第二阶段时,主要依靠喷射系统进行矢量推力控制。

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四、技术上的优势

栅格翼的整体面积较小,受到的力矩相对也较小,那么只需要小功率就可以让物体实现转动。由此可以让传动和电源等一些装置减少体积和面积。要知道,导弹虽然看上去很大,但冗余空间很小,所有部件都是依靠非常精密的尺寸,以非常精密的状态搭配在一起。

而栅格翼的出现看似只是缩小了一些系统的体积和面积,实际上却是革命性的挽救。因为气动操作面可以安装在导弹的尾部。一般来说,普通导弹的一级发动机工作时间只有10秒左右。10秒之后,导弹的重心是前移的。气动操作面如果放在导弹尾部,可以为导弹提供更大的操作力矩,从而提高导弹的机动性。

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虽然栅格翼是镂空式的设计,但结构强度是要高于平板翼的。有些导弹需要射程远、速度快、飞行时间长,传统尾翼布局所带来的飞行稳定性和强度问题,在栅格翼面前都可以迎刃而解。但有人也要问了,既然栅格翼如此优秀,且从上世纪50年代就开始研制了,为何现在没有广泛装备呢?

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这是因为栅格翼看似只是有几个孔,但这些孔洞之间的结构牵扯到复杂的数据关系,没有扎实的科研团队是无法在短时间内搞出来的。这也是很多国家无法制造栅格翼的原因。

而且结构复杂的栅格翼对加工工艺的要求也很高,同时由于结构限制,隐身能力几乎等于零。在现代强调雷达隐身的大环境下,栅格翼是否可以广泛应用确实是个问题。

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