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细品东风17的气动设计 两大关键技术甩美国HTV2一条街

发布时间:2019-10-26

  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。

  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。

  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。

  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

  但东风-17的大边条更像苏-27的,换句话说,大边条的效果没有F-18经典型的S形或者F-18E的简单弧形强烈,但在过渡到弹翼之前有一个突兀的转角。老话说,反常即妖。一点没错,因为东风-17的大边条既不是SR-71那样用于改善升力分布,也不是F-18那样用于产生涡升力,而是用于产生乘波体的激波升力。

  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。

  据报道,中国已经掌握了“激波装配法”,能根据不同的高超音速飞行条件,精确地设计飞行器和激波形状。同样的技术还可以用于高超音速动力飞行,而不仅仅是滑翔,这是与双锥体有本质不同的。这不是光有超级计算机就可以做到的,就和给人一台带Word的电脑并不能自动使他成为名作家一样。这也不是用高超音速风洞或者自由飞试验就可以暴力破解的,海量的试验既不现实,也难以预测工程放大和试验点之间过渡区域的影响。这必须是理论和试验相结合的产物。但具体是怎么做的,知道的人不会说,能说的人不知道,外界只需要认识到这是真厉害就足够了。

  精巧的设计还要求精密的制造。在高超音速下,任何粗糙和扭曲都产生巨大影响,更不用说两侧刀形激波不对称的话,就没法维持正常飞行了。这还不算一系列材料、电子技术的挑战,有关报导已经有所提及。

  东风-17只是小试牛刀。“激波装配法”的奥妙在于可以灵活应用于大小不同、速度不同、用途不同的导弹。扩大到东风-26一级的中程导弹是自然的延申,进一步扩大到东风-31一级的准洲际导弹也是可以预期的。至于延申到东风-41一级,那就与滑翔增程无关了,绕着地球打没有必要,机动弹道也只需要绕道到一定的程度,但滑翔增升以增加弹头重量就具有实战意义。如果说这对东风-41还不关键,对于体积、重量尤其是长度都受到极大限制的潜射洲际导弹就意义巨大了。

  据报道,此前美国为电磁炮设计的弹药(HVP)飞行速度其实也不过3马赫(进行过实际试验的速度),这也是美国在高超声速技术领域尚有待突破的一个表现

  在另一端,战术导弹达到M3-4甚至更高的速度也有很大意义。反坦克导弹用空心装药、串级战斗部等技术,在很大程度上克服了现代主战坦克的装甲防护,但要在不大大增加导弹的尺寸和重量情况下进一步增加穿甲能力已经很困难了。高速的动能穿甲战斗部可以瓦解附加装甲的防护作用,公认的反坦克最有效的尾翼稳定脱壳穿甲弹就是这样的。用于反飞机也一样,直接命中可大大减轻战斗部重量,降低整弹的体积和重量。但问题不在于轻型高速导弹的推进技术,而在于精确命中。“激波装配法”或许有朝一日也能用于战术导弹,那中国的战术导弹也更上一层楼了。

  东风-17,你是真厉害!

文章来源:新浪网

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