導彈的氣動控制_風聞

飛機氣動控制機理如今爛大街了，路人皆知。但空空導彈的氣動控制和飛機有點不一樣。以前一直不甚了了，近來咂摸咂摸，總算弄明白一點了。當然，這是指大氣層內飛行的戰術導彈，彈道導彈是沒有氣動控制問題的。或者説，彈道導彈只有上升段具有有限的氣動控制問題，飛出大氣層後就沒有氣動控制問題了，有的只是再入和姿態控制問題。這與氣動控制是不同的，沒有空氣，哪來氣動控制？在再入段也沒有氣動控制，就是按照簡單彈道砸下來，頂多有有限的再入前變軌動作。現在的水漂彈、再入拉起、再入滑翔這些奇技淫巧不算，這些也不是常規的導彈氣動控制範疇的事情。

典型空空導彈具有彈體（粉紅色部分）、尾翼、彈翼、鴨翼

典型空空導彈從前到後有鴨翼、彈翼、尾翼。三組翼面都可用於氣動控制，可以其中兩兩共存，甚至三者共存，但一般只有其中一組翼面用於氣動控制。説起來，翼面還有十字翼和X翼的差別，圖中實際上上為十字翼，下為X翼，但在這裏一鍋煮了。十字翼水平和垂直控制清晰，控制律簡單，但在水平機動和垂直機動中只有一對參與工作，另一對“閒置”，舵效稍低；後者在水平或者垂直機動時，所有翼面都參與工作，舵效更高，但控制律較複雜。反坦克導彈和反艦導彈針對平面目標，常用十字翼；空空導彈和防空導彈本來就在三維空間裏滿世界追蹤目標，無所謂水平、垂直，反正總是要所有舵面一起工作，所以以X翼為多，這還方便掛架上的掛載，並減少彈艙內佔用的空間。

導彈氣動控制主要有尾翼控制、鴨翼控制、彈翼控制、非常規控制（主要是矢推或者側推）

鴨翼主要用於氣動控制，也有用固定的小鴨翼作為增穩的。彈翼主要用於產生升力，但在彈翼控制的情況下也用於氣動控制。尾翼也產生升力，但一般來説，更大的作用是氣動控制。

鴨翼、彈翼、尾翼控制與重心、迎角、偏轉力矩的關係

氣動控制就是利用額外升力（可正可負）改變導彈姿態和迎角，改變指向只是一部分，最主要的作用是產生側向力。這和飛機是一樣的。所不同的是，飛機的升力是二維的，只有在機翼的垂直方向，所以需要橫滾才能產生側向力，才能轉彎。光是打垂尾上的方向舵是不能有效轉彎的，垂尾和方向舵只有穩定前進方向的能力，不是用於轉彎的。導彈的翼面不管是十字形還是X形，都不需要滾轉就可以直接產生側向力，所以導彈轉彎的時候，沒有橫滾動作，因此機動性在本質上高於飛機。

三種氣動控制方式的主要差別在於偏轉力矩與重心的關係。

典型鴨翼控制的導彈

鴨翼控制的作用點在重心之前，額外的控制升力與彈體（以及彈翼、尾翼）的升力方向一致，升阻比高，舵效高，因此轉彎快，機動性好，尤其在小迎角的情況下；而且遠離發動機，便於安裝。缺點是大迎角時容易進入失速，導致失控，常常需要加大尾翼翼面來補償，因此抵消了鴨翼的好處。另外就是滾轉控制力差，所以早期的響尾蛇導彈在尾翼上安裝滾輪，利用氣流沖刷產生高速旋轉，用陀螺效應幫助滾動控制，代價是增加了重量和阻力。小迎角情況下機動性特別好的特點很適合近程空空導彈，有利於在大體瞄準的情況下迅速準確追蹤。鴨翼控制廣泛用於近程空空導彈。

早期響尾蛇導彈尾翼上有氣流沖刷轉動的滾輪，用陀螺效應幫助滾轉控制，後期響尾蛇已取消

雙鴨翼是鴨翼控制的一個特例

在80-90年代，雙鴨翼流行過一段時間。在雙鴨翼裏，前鴨翼是固定的，後鴨翼才是轉動的。前鴨翼實際上是渦流發生器，用於為後鴨翼的翼面增加氣流能量，推遲失速的產生，極大地增強機動性。缺點是產生額外阻力。在強調縮小體積、增加末端能量和增加射程的現在，雙鴨翼已經成為過氣網紅了。

旋轉彈體是鴨翼控制的另一個分支

鴨翼控制的另一個分支是旋轉彈體，也稱滾動彈體。這是用帶一點偏轉的尾翼使得導彈在飛行中繞軸線低速旋轉，減少火箭發動機推力偏心、氣動不對稱、質量偏心等對彈道散佈的影響（旋轉一週後抵消了），火箭彈也是這樣的原理。不過轉速不高，不足以形成陀螺穩定的作用，在這一點上和採用來復線的槍炮還是不一樣。旋轉彈體在發射後利用離心力把鴨翼甩出，鴨翼只有轉動到需要的位置才工作，所以一對（而不是四片）鴨翼同時（實際上是分時）完成俯仰和偏航控制，降低重量和成本。這主要用於超短程的肩射防空導彈和反導導彈，如有名的SA-7和“針刺”肩射防空導彈一級“拉姆”反導導彈，只適合打機動性相對較低或者距離太近而難以逃逸的目標。

典型尾翼控制的導彈

尾翼控制的特點與鴨翼相反，敏捷性低一點，但大迎角機動性更好，尤其是在大迎角時尾翼不易失速。但尾翼的控制升力是與彈體（以及彈翼）的升力方向相反的，所以升阻比低一點。尾翼可由固定面與可轉動的後緣控制面組成，也可是單片的全動尾翼。尾翼控制常與固定彈翼相結合，後者產生升力，增加射程。尾翼控制常用於中遠程空空導彈和防空導彈。

AGM-114“地獄火”反坦克導彈的尾翼由固定面和可轉動舵面組成

AIM-120就是全動尾翼

AIM-9X也從早先響尾蛇的鴨翼控制改為全動尾翼，前翼現在是固定的了。但除了燃氣舵外，還有鴨翼後的側推微火箭

格柵翼是尾翼控制的一個分支

格柵翼是尾翼的一個分支。與氣流順向的單片的平面翼不同，格柵翼是“迎着”氣流直立的。格柵翼對高超音速飛行特別有效，因為在翼面積相當的情況下，舵機的力矩要求大大降低。翼面弦長較短也推遲氣流分離，使得大迎角時不易進入失速，比常規的翼面更適合大迎角氣動控制。

但格柵翼的阻力特性比較複雜。在亞音速時，格柵翼和平面翼相仿，沒有顯著差別。但在跨音速時，格柵葉片前緣產生與前進方向垂直的正激波。激波是跨越因素的壓縮作用造成的“緻密”空氣層，所以正激波的阻力最大，而且把格柵翼都“蓋”住了，極大地降低了格柵翼的氣動控制作用。在略超過音速的時候，正激波被推離格柵翼前緣，整個格柵翼都被“裹”住了，氣流繞着走，氣動控制效率更低。

但進入M1.3以上後，正激波變成斜激波，斜激波會“擊中”葉片壁面而反射回來，還是形成“虛擬氣壁”，造成顯著的阻力。但速度進一步增加後，斜激波從格柵空隙中直接離開，阻力顯著降低，氣動控制效率迅速提高，並顯著超過平面翼。

格柵翼的另一個優點是容易摺疊，減少彈艙內的佔地，很有利於強調機內掛載武器的隱身戰鬥機使用。易於摺疊也是亞音速投放的制導炸彈也用摺疊椅的原因，如前所述，在亞音速下，格柵翼和平面翼的阻力和氣動控制效果差不多。

尾翼控制的另一個分支是無彈翼構型，如“愛國者”防空導彈

ASRAAM空空導彈也是無彈翼的

固定的彈翼主要用於產生升力，同時帶來重量和阻力。巧妙使用彈體迎角也可以產生升力，還可以取消固定彈翼，如“愛國者”防空導彈和ASRAAM空空導彈。但導彈的飛行速度變化較大，使得升力中心變化也較大，而且非線性，使得氣動控制律較複雜。另一個問題是尾翼的位置。位置太靠後的話，在高速時靜穩定性過大，需要很大的舵面和偏角才能產生足夠的轉向力；位置太靠前的話，在低速時舵效不足。

典型彈翼控制的導彈

彈翼控制在外觀上和尾翼控制不容易區分，但彈翼控制用中段的彈翼作為主要氣動控制面，固定的尾翼只是產生升力和穩定作用。相比於鴨翼控制和尾翼控制，彈翼控制的側向力直接作用在重心附近，使得導彈在改變方向的同時，彈體指向變化相對較小。這可以理解為飛機襟翼產生直接升力而不是通過尾翼改變姿態一樣。由於彈體指向變化較小，導引頭的視場變化較小，容易確保跟蹤。早期導彈大多采用彈翼控制，正是出於這個原因。但彈翼控制的氣動效率較低，需要大型全動彈翼，重量和阻力都較大，而且大型彈翼的轉動可能造成渦流，影響尾翼的氣流平衡，造成誘導滾轉。現在彈翼控制已經較少使用了。

各種非常規控制方法

除了常規的使用翼面的氣動控制，還有使用矢推或者側推的非常規控制。矢推的方法有很多，常用的有燃氣舵和可動噴管。燃氣舵簡單，有上圖中的中心位置，更常見的是佈置在周邊。導彈只需要短時間工作，燃氣舵的可靠性也是有保證的，但阻力較大。可動噴管的阻力較小，舵效高，但重量大、轉動慣量也大，不過可長時間工作。燃氣舵和可動噴管通常都與其他控制手段聯合工作，比如燃氣舵與尾翼控制的“米卡”空空導彈、燃氣舵與鴨翼控制的AA-11（R-73）空空導彈、可動噴管與尾翼控制的RIM-66/67“標準”艦空導彈。

常見的四片式燃氣舵

AIM-9X的燃氣舵

另一種越來越常見的非常規控制是側推。側推直接向側向噴氣，形成側向力，作用力大而且直接，但一般不連續工作，微調能力也不及翼面控制。側推的氣源有三個來源：微型火箭，從主發動機引出燃氣，專用的壓縮空氣。

微型火箭體積小，能量高，但固體火箭難以調節推力，難以反覆啓動，並不適合作為側推動力；液體火箭體積和重量大，系統複雜，也不適合。從主發動機引出燃氣不僅氣路複雜，也受到主發動機工作時間的限制，通常導彈主發動機的工作時間很短，飛行的很大一部分時間是靠慣性。當然，火箭-衝壓發動機的這個問題較小，但衝壓發動機受空氣密度、迎角、速度等影響較大，而導彈（尤其是空空導彈）的工作範圍很大，要保持衝壓發動機穩定、可靠地工作的難度很大，火箭-衝壓在90-00年代流行一陣後，現在又不流行了，迴歸雙推力固體火箭等更加傳統的推動方式。而且即使火箭-衝壓，在射程的遠端也可能是依靠慣性在飛行，依然有同樣的氣源斷流的問題。壓縮空氣比較簡單、可靠，但氣瓶的體積和重量較大。

不管是那種方式，側推都不宜連續工作。一是節約氣源，二是降低阻力。不需要轉向的時候向側面噴氣，也是造成阻力的。但這使得側推處於間隙工作狀態，在無推力到最低穩定推力之間，永遠有一個跳躍，控制作用不連貫，只能用於大幅度轉向或者末端的臨門一腳，不宜用於中途的精細控制。所以側推總是與其他控制方式聯合使用的。比如THAAD的可動噴管，AIM-9X的尾翼和燃氣舵等。

典型非常規控制的導彈

導彈（尤其是空空導彈和防空導彈）還在向小型化、高速、高機動和遠程的方向發展，小型化可以從動能殺傷（而不説破片殺傷）借力，但高速、遠程就需要大力減阻了，小尾翼控制會成為主流，高機動性則需要可動噴管和側推，因此未來將會有很多“光棍”導彈。反坦克導彈也可能朝這一方向發展，如果飛行速度超過M4-5，單憑動能殺傷就夠了，不需要裝藥，有利於小型化。120毫米坦克炮彈的初速也不過M5。LOSAT就是這樣的超高速反坦克導彈，只是飛控沒有解決，下馬了。空地導彈和反艦導彈可能還需要再較長時間裏保持裝藥和破片，單純動能殺傷可能不行。

但在高超音速時代，超高速導彈可能會利用激波控制來幫助實現機動，而不再單純依靠氣動控制手段。彈體都不一定非要是帶錐形尖端的圓柱體，而可能是更加複雜的形狀。那又是全新的機會和挑戰了。