一枚导弹的各个分系统是如何运作的(一)“导弹长相,远不止好看”——导弹总体设计

2020年天猫电竞节—主会场

  出品:科普中国

  作者:鸿爪雪梨

  策划:武玥彤

  监制:光明网科普事业部

  一枚导弹的各个分系统是如何运作的(一)“导弹长相,远不止好看”——导弹总体设计

  经过近八十年的发展,导弹已经成为一个国家国防实力的最直观的指征。而导弹发展的八十年,也是计算机技术、微机电技术和电气技术飞速发展的八十年,关键技术相辅相成,互相成全,使人类的作战方式和战术思维发生了天翻地覆的变化。许多人对导弹的设计过程充满了好奇,笔者将从总体设计和关键分系统设计的角度,尝试为读者梳理一枚导弹从无到有的过程,感受这样复杂高深的系统工程中人类的创造力与组织力。

  当我们在谈论设计一发导弹的时候,我们在思考什么?是如何让它飞的更远更高?还是让他打得更准?都是,又都不是。

  现代战争中,导弹的分类与定位不断细分,各种作战需求下,不同的导弹专业解决不同的痛点,其战术指标、外形、弹体布局、舱段分配等也各有特点。

  导弹的指标一般有射程、命中精度、威力、发射方式、反应时间、重量、突防能力等。对于主要用于攻击对国家生存和战争胜败有重大意义的战略目标的战略导弹来说,射程指标最为重要,如果不能保证战略威慑的有效距离,那战略反击也就失去了意义。而对于空空导弹来说,导弹的飞行速度就显得尤为重要,现代空空战斗一般是目视视距外的导弹大战,哪一方的导弹飞得快,哪一方就能占据先手优势。对于反舰导弹,突防能力则较为重要,突防能力不强,导弹只能成为敌方自卫舰炮的活靶子。

  导弹设计的第一步,首先应该分析这款导弹要解决什么问题。即对目标特性、发射条件、导弹性能等进行初步分析。当打击目标和使用环境确定之后,我们对于指标的优先性就有了初步的判断。接下来就是借鉴以往经验,思考这个导弹的气动布局和结构设计。

  

  图1 鹰击-81反舰导弹,采用正常式气动布局(图片来自网络)

  

  图2 AIM-9响尾蛇空空导弹,采用鸭式气动布局(舵面位于弹体前段,尾翼位于弹体后段)(图片来自网络)

  

  图3 爱国者防空导弹,采用无弹翼布局(图片来自网络)

  气动布局是指导弹各主要部件的外形及其相对位置的设计与安排。如翼面(包括弹翼、尾翼、舵面等)的外形及其在弹身外部的布置方案。不同的导弹由于对弹速、空中机动性能的要求不同,翼片和舵片的布局也各有特点。

  良好的气动外形可以有效的提升导弹的机动性和可操作性,同时还可降低飞行阻力并提高飞行稳定性,从而减轻动力系统和姿态控制系统负担。满足战术指标只是气动设计最基本的要求,良好的气动设计可以更好的提升导弹的控制稳定性,并尽可能减小雷达散射面积以达到隐身效果,同时还要保证便于发射、贮存和运输。对于高超声速的导弹,气动设计还应考虑降低气动热。

  弹翼设计是气动设计的重要阶段,关系到全弹的射程、最大高度和机动性能。弹翼的作用和飞机的机翼作用类似,它能够很好地为导弹提供升力。如巡航导弹的弹翼设计能够为巡航导弹提供大约80%的升力,也就是说,在巡航导弹的上升阶段,只有20%升力是由发动机提供的。这也就使得巡航导弹在上升阶段更加地节省燃料。

  结构设计和气动设计略有交叉,但结构设计的重点是导弹的内部控制系统、引战系统、电气系统、控制系统等各个分系统的布局设计,以及弹径、长径比、各段形状参数等外形设计。弹头外形选择与参数是结构设计的核心之一。从空气阻力的角度来看,锥形头阻力最小,半球形头部阻力最大,而从制导要求的角度,半球形与球形头部适合红外制导工作,而尖拱形适合雷达导引头工作。

  

  图4 采用红外制导方式的长钉导弹是圆头(图片来自网络)

  当导弹的气动外形和结构设计初步完成之后,各个分系统将在此框架内开始各自的设计工作。需要特别说明的是,导弹总体和分系统的设计并不是单向的,在可行性论证的阶段,导弹外形常会发生较大的变动,带动各个分系统也进行对应调整,而分系统的调整,又会反哺总体的改进设计。在螺旋上升的过程中,导弹方案逐步完善,一枚导弹的形象也逐渐清晰起来。

  军事小百科:新型导弹的设计是根据作战要求进行的。设计一款导弹的初始阶段,要先根据导弹的用途、环境和大概指标,结合历史经验,确定导弹的总体布局。良好的气动布局和结构设计对全弹指标的实现意义重大,导弹总体设计是导弹设计中最为重要的环节,好的总体设计可以极大程度的缩短研制周期,降低研制风险。

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