戰術飛彈的氣動外型如何設計

王皞天 2023年11月22日 07:00:00
AIM-120中距空對空飛彈(近)與AIM-9近距纏鬥飛彈(遠)。(作者提供)

AIM-120中距空對空飛彈(近)與AIM-9近距纏鬥飛彈(遠)。(作者提供)

近期中科院頻頻試射、量產新飛彈,為我國國防實力的提升做出重大貢獻,那麼,飛彈的氣動外型都是怎麼設計的呢?

 

首先,彈體直徑越大,飛彈就能裝更多的燃料(提升射程)、炸藥,以及在彈頭裝更大的導引頭(如AIM-54鳳凰飛彈、R-37);彈體直徑做小一點則有利於降低阻力,尤其是超音速時的震波阻力。

 

整個彈體的細長比也是一個設計重點。所謂細長比是指飛彈長度/彈體直徑。越細長的飛彈當然能夠有越低的壓力阻力和超音速震波阻力,不過更大的表面積會使摩擦阻力增加,但這相對較不明顯。

 

細長彈體可能會造成一個問題,就是發射箱不一定塞的下。一般來說,次音速飛彈較常使用粗短彈體,如萬劍彈、拖式反坦克飛彈;超音速飛彈則較常使用細長彈體,如AIM-120、天劍二、愛國者三、天弓三等飛彈。

 

第二,鼻錐罩的尖銳/圓鈍程度也會影響飛彈的性能。尖銳的飛彈鼻錐罩比較能夠降低阻力,尤其是在超音速飛行的情況下,如天劍二、天弓三的設計;圓鈍型的飛彈照有利於提供飛彈的導引頭更寬廣的視野,如AIM-9、天劍一、AGM-65小牛飛彈。

 

第三,彈體的截面形狀也會影響它在不同攻角、不同馬赫數下的升阻比。大部分飛彈的彈體截面形狀都是圓形,但也有的飛彈截面形狀設計成橢圓形或長方形,如萬劍彈、AGM-158、暴風陰影等。橢圓形截面的飛彈在次音速飛行時,彈體可以產生更多升力,有助於提升全彈的升阻比、增加射程;圓形截面的飛彈則較適合超音速飛行,因為它在超音速時造成的阻力較小。

 

有些飛彈的尾部也有減縮、收斂的設計,如萬劍彈。這樣的設計能降低次音速飛行時的阻力,在超音速(底馬赫數)情況下則不明顯,在高超音速、馬赫數較高的情況下反而會增加阻力。

 

萬劍飛彈的彈體為矩形,其尾部有漸縮收斂的設計(作者提供)

 

第四,也是最重要的--飛彈的控制方式。絕大多數的飛彈都是採用「固定主翼/無主翼+尾翼控制」或「鴨翼控制+穩定尾翼」的設計,前者的例子有天劍二、AIM-120、R-77、MICA、AIM-9X、天弓三、ASRAAM等,後者的例子有天劍一、AIM-9L、R-73(但它的尾翼也可控)等。

 

還有一種比較舊的設計,是「主翼控制+穩定尾翼」,如AIM-7、R-27、AGM-88。

 

不含控制舵面的飛彈壓力中心(升力的作用點,會隨攻角、飛行馬赫數而變化)和重心(會隨飛彈燃料消耗而小幅度變化)通常都落在彈體正中間附近,壓力中心可能在重心之後(稱為靜穩定)或之前(稱為靜不穩定)。對於靜穩定的飛彈,尾翼控制較有利用高攻角纏鬥,鴨翼控制較有利用低攻角持續飛行,對於靜不穩定的飛彈則相反。所以何種布局就看飛彈纏鬥性能和射程之間的取捨了。不同的氣動舵面(鴨翼、主翼、尾翼)外型設計,如三角翼、梯形翼等,也會造成不同的氣動效果、彎矩、RCS等。

 

尾翼控制的天劍二(白色者)與鴨翼控制的天劍一(深灰色)者,可觀察到近距纏鬥飛彈的尾翼明顯較中距空對空飛彈大。(作者提供)

 

鴨翼控制和主翼控制的飛彈還會有一個問題,就是偏轉的控制舵面所造成的尾流,會對後方尾翼造成影響,使飛彈在滾轉方面的穩定性降低。常見的解決方法是使用穩定性更強的尾翼設計,如可以自然偏擺(free to roll)的尾翼後半部。

 

尾翼控制的天空三型地對空飛彈。(作者提供)

 

除了以上提到的之外,還有許多非氣動舵面的控制方法,如向量推力、側向姿態控制小火箭、旋轉彈體。AIM-9X、R-73、MICA、IRIS-T 等飛彈都有採用向量推力,側推小火箭的例子有愛國者三飛彈,旋轉彈體的例子則有RAM飛彈。

飛彈的氣動外型、推進系統、控制方式或許能讓它做出非常劇烈的高G值機動(如急轉彎),但它的彈體結構強度是否能承受則是另一回事了。彈體的結構(比如彈殼的厚度)、使用的材料,都會影響到它的重量、結構強度、耐熱性、造價等。

 

對於戰機而言,其本身性能或好或壞,最後都必須要用飛彈去攻擊敵方目標,所以飛彈的性能、先進程度是非常重要的;對於地面載具或軍艦來說,飛彈比傳統的槍械、火炮等擁有更遠的射程,而且能夠精確制導,在二戰以後的軍武科技發展中(嚴格來說二戰後期就有V-1/V-2這種長程飛彈),逐漸成為最主要的攻擊武器。

 

當然,如果人類的進步,是成功的從史前時代部落衝突之間的互丟石頭,進化到21世紀用各種尖端的科技互射飛彈,那這大概只能算科學技術的進步,而不是人類文明的真正進化。人類之間如何思考共存共榮、攜手向前邁進,才是文明發展的正道。

 

※作者畢業於成功大學航空太空工程學系,著有《戰鬥機設計與運作原理》。




 

 

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