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导弹的“歪鼻子”是不走心的设计还是另有玄机?

2017年4月19日7:30 环球解密

    英国《镜报》4月16日报道,一名现场记者发现阅兵中出现的一种导弹“弹头歪向奇异的角度”,该记者在报道时形容自己“看到了不寻常的景象”。于是他们搞了个“大新闻”——朝鲜的导弹是纸板模型,甚至还做得不走心,造型歪得离谱。

    导弹的“歪鼻子”是不走心的设计还是另有玄机?

    不过很快,大家就发现这条新闻报道“乌龙”了,因为画面中出现的歪鼻子导弹,并不是什么模型,而是苏联六十年代制的大名鼎鼎的S-200防空导弹,该导弹的造型本就如此。“歪鼻子”也并不属于导弹主体,而是四枚捆绑式固体助推火箭。

    导弹的“歪鼻子”是不走心的设计还是另有玄机?

    被当做模型的S-200防空导弹

    S-200系列防空导弹是上世纪五、六十年代,前苏联为了防止美国的超音速战略轰炸机和超音速侦察机入侵,而专门设计的远程中高空防空导弹系统。实际上,它也是目前世界上射程最远的高空,远程防空导弹武器系统之一。射程远,速度快,威力大使得它的体型也要比其他导弹更加庞大,而如此庞大的身躯,想要跟上那些超音速的目标,自然也就需要更强劲的动力。所以,S-200就在主推进器的身上,捆绑了四枚固体助推火箭。这四枚助推火箭能让它在发射后的短时间(根据公开资料可能为发射后的3-5.1秒)内,将速度迅速提升,以达到用最短时间击中目标的目的。

    而我们所说的“歪鼻子”,实际上指的正是这四枚助推火箭的整流罩形状,它有另一个更好听的名字,叫做斜锥型整流罩。实际上S-200助推火箭整流罩的这种气动外形设计,对喜欢战斗机的朋友来说应该并不陌生,因为它与大家熟知的前掠翼战斗机的气动布局非常相似。助推火箭在飞行中可以视为导弹的四个短小的“机翼”,而S-200则可以视作一架拥有四个机翼的前掠翼战斗机。众所周知,前掠翼的气动布局可以让飞行器在大仰角飞行时(导弹发射阶段是典型的大仰角飞行姿态)获得更多的升力,在亚音速飞行时具备更优异的机动性能,而S-200作为拦截敌方高速战机的防空导弹,在发射初期的亚音速阶段具备更灵活的机动性,也有助于它更快的调整飞行姿态和飞行轨迹。

    导弹的“歪鼻子”是不走心的设计还是另有玄机?

    风洞测试证明前掠翼气动布局具有优秀的机动性能

    而当这四枚捆绑式固体助推火箭的燃料耗尽,再“赖”在导弹身上既没有用处,反而还会增加导弹的飞行阻力和无效载荷。这时,“歪鼻子”的另一个作用就显现了出来。这种斜锥式的气动外形设计,相较于普通的圆锥形设计,在导弹高速飞行的过程中会产生更大的垂直于弹体的径向力。当助推火箭停止工作,助推火箭本身的推重比大于导弹自身的推重比后,导弹主体会在径向力的作用下,同助推火箭的自动分离。这种分离方式叫做气动分离。

    简单来说,当助推火箭工作时,助推火箭的推力会抵消掉飞行中产生的,包括径向力在内的各种阻力,带着导弹加速飞行。而当导弹速度越来越快,助推火箭又恰好停止工作失去推力时,“歪鼻子”的气动外形就会引导越来越强大的气流“准时”将助推火箭从导弹主体上“吹”走,好让导弹主体继续“轻装上阵”。

    导弹的“歪鼻子”是不走心的设计还是另有玄机?

    气动分离示意图

    其实,这种“歪鼻子”结构,在导弹家族里并不是独一份,一些对加速度要求高的超音速导弹也采用了类似的气动布局,比如俄罗斯大名鼎鼎的KH-31空基反辐射导弹、我国的鹰击-91反舰导弹,它们的助推火箭都长着“歪鼻子”。所不同的是,这两种型号导弹的助推火箭并不是捆绑式的,而且被嵌入到导弹主体上,当它们停止工作并被“吹”走后,原来的位置就变成了导弹主推进器的进气口。

    导弹的“歪鼻子”是不走心的设计还是另有玄机?

    KH-31空基反辐射导弹也具有类似的“歪鼻子”

    值得一提的是,俄罗斯如今开展的超燃冲压发动机飞行试验,正是始于建立在S-200的“歪鼻子”助推火箭技术基础上的高超音速飞行试验系统,而他们的第一种高超音速试验飞行器Kholod也是由S-200带入到试验所需的高空、高速环境。

    如今下一代高超音速飞行器已陆续试飞,若真有一天老旧的S-200导弹需要面对它们,望着比自己还快数倍的晚辈们,也许那些捆绑火箭的鼻子真的会被气歪吧~

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    参考资料:

    https://en.wikipedia.org/wiki/S-200_(missile);

    https://en.wikipedia.org/wiki/Kh-31;

    https://en.wikipedia.org/wiki/YJ-91;

    《实验流体力学》, 1994(4):10-16 模型—助推器并联组合的气动问题;

    《战术导弹总体设计》 北京航空航天大学出版社

    《超燃冲压发动机原理及设计方法研究》 清华大学航天航空学院,高超音速空气动力学课程论文

    《前掠翼气动特性研究》 西北工业大学学报 1989(3):321-328

    《运载火箭固体捆绑技术研究》国防科学技术大学 硕士学位论文

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