导弹总体结构设计-导弹气动外形

导弹总体结构设计第四章导弹外形设计第四章导弹外形设计§4.1导弹外形设计的基本要求§4.2气动布局§4.3导弹外形几何参数的选择一、外形设计任务对于有翼导弹：（1）选择导弹的气动布局，即正确选择弹体各部件（弹翼、尾翼、舵面、发动机或进气道等）的相互位置；（2）从导弹具有良好的气动力特性以及机动性、稳定性和操纵性能出发，并考虑导弹制导系统特性及弹体结构等因素，确定弹体各部件的外形参数和几何尺寸。对于弹道导弹：最重要的是进行头部外形设计，使导弹具有适当的静稳定度并减小气动载荷。§4.1导弹外形设计的基本要求二、外形设计过程对导弹外形设计有重要影响的战术技术指标有动力航程、巡航速度、飞行空域以及战斗部威力等。（1）在选定了推进系统、战斗部等弹上主要设备，初步确定导弹总体主要参数之后；（2）外形设计是与导弹主要参数的选择、部位安排及导弹质心定位等工作紧密联系交错进行的。§4.1导弹外形设计的基本要求三、外形设计基本要求（1）满足导弹战术技术指标和弹上各分系统的工作要求；（2）充分利用最佳翼身干扰、翼面间干扰以及外挂物与翼身的干扰；（3）应使总体结构布局合理，减小弹体上的脉动压力及横滚力矩；（4）满足导弹机动性、稳定性与操作性的要求；（5）保证在最大使用攻角范围内，空气动力特性特别是力矩特性尽可能处于线性范围，减小非线性对系统带来的不利影响；（6）外形设计应满足隐身要求，使雷达散射面积最小；（7）便于发射、运输、贮存与实战使用。（8）对于高超声速导弹，外形设计要保证气动加热最低。§4.1导弹外形设计的基本要求气动布局：导弹的气动外形及各部件相对位置的布置。具体来说就是研究两个问题：•翼面（包括弹翼、舵面等）数目及其在弹身周向的布置方案；•翼面之间（如弹翼与舵面之间）沿弹身纵向的布置方案。§4.2气动布局衡量气动布局优劣的标准：对于不同类型的导弹是不同的。地对空导弹和空对空导弹：首先是导弹应具有良好的机动性、操纵性和稳定性，这是由于这类导弹是攻击机动性较大的飞机；其次是使导弹具有良好的空气动力特性和部位安排的方便性等。中远程导弹：要求导弹具有良好的空气动力特性，升阻比大，横向稳定性好，发动机要有良好的进气与工作条件等。§4.2气动布局一、翼面在弹身周侧的布置型式1、面对称布置方案特点：（1）迎面阻力小、质量小（2）倾斜稳定性好。（3）载机上悬挂方便。（4）侧向机动性差。转弯方式：（1）平面转弯（2）倾斜转弯§4.2气动布局§4.2气动布局平面转弯：导弹不作滚转动作，转弯所需的向心力，由侧滑角产生，同时推力在Z方向也有一分量。此种翼面提供的侧向过载较小。此时，同时存在及，这两个角度可由方向舵及升降舵的偏角来保证。a§4.2气动布局倾斜转弯：导弹转弯前先作滚转动作，即通过副翼，产生一个滚转力矩，导弹滚转一个角之后，使升力Y偏转的同时产生侧向力Z，至于升力的大小，则可以由攻角来调整。这种转弯是通过副翼和升降舵同时协调动作来实现的，故称之为协调转弯。§4.2气动布局面对称布置方案增大导弹侧向力的方法。§4.2气动布局有翼导弹外形的发展气动、推进系统一体化外形§4.2气动布局2、轴对称布置方案布置型式＋-＋型×-×型§4.2气动布局2、轴对称布置方案特点：（1）各个方向均能产生最大的机动过载。（2）升力的大小和作用点与导弹绕纵轴的旋转无关。（3）在任何方向产生升力都具有快速响应的特性，大大简化了控制与制导系统的设计。（4）在大攻角情况下，将引起大的滚动干扰，这就要求滚动通道控制系统快速性好。（5）由于翼面数目多，必然质量大，阻力大，升阻比小，雷达反射面积大。§4.2气动布局3．尾翼或舵面的布置方案（a）和（b）是轴对称形式，与×字形及＋字形弹翼具有完全相同的特性，多用于地对空和空对空导弹上。（c）是人字形尾翼，三个尾翼互成120布置，这种布局可以提供足够的航向稳定性。另外，当有侧滑角时，尾翼所产生的滚转力矩导数近似等于零。这样可以减轻弹翼上副翼的负担。（d）和（e），将水平尾翼固定在弹身两侧或垂直尾翼上，这是为了保证水平尾翼在任何飞行状态下具有足够的效率。由于它们的布置是非对称的，当攻角和测滑角存在时，会造成较显著的滚转力矩。§4.2气动布局二、翼面沿弹身纵轴的布置型式舵面在后正常式：苏联的萨姆－2（地对空），法国的玛特拉－530（空对空）；无尾式：美国的奈克－II（地对空）。/0ba§4.2气动布局二、翼面沿弹身纵轴的布置型式舵面在前鸭式：如美国的奈克－1（地对空）、响尾蛇（空对空）旋转弹翼式：如苏联的萨姆－6（地对空），美国的麻雀－III（空对空）。/0ba§4.2气动布局二、翼面沿弹身纵轴的布置型式衡量气动布局标准：导弹的稳定性、机动性和操纵性；气动特性；导弹部位安排的方便性；对制导系统和发动机等工作条件适合程度等方面加以衡量。§4.2气动布局三、横滚稳定性分析斜吹力矩：是一种滚转力矩（横滚力矩），它是当攻角α、侧滑角β不等于零时而产生的。§4.2气动布局三、横滚稳定性分析斜吹产生原因：1．翼尖影响当侧滑角不等于零时，翼尖的马赫锥也将随之倾斜，使得导弹受到一个正的横滚力矩①。2．翼根影响其原因同上，它使导弹受到一个负的横滚力矩②。3．左右两翼后掠效应不对称当M数由小变大时（如M3），横滚力矩③的符号由负值变为正值。4．弹翼被弹身挡住的阴影区内升力要相应地减少，则产生负的横滚力矩④。§4.2气动布局5．因前翼存在而引起的洗流影响的不对称性正常式：当侧滑角不大时的下洗分布当侧滑角较大时的下洗分布§4.2气动布局5．因前翼存在而引起的洗流影响的不对称性正常式：随侧滑角的滚转力矩变化曲线§4.2气动布局5．因前翼存在而引起的洗流影响的不对称性鸭式：当侧滑角不等于零时的下洗分布随侧滑角的滚转力矩变化曲线§4.2气动布局5．因前翼存在而引起的洗流影响的不对称性鸭式：当有迎角、侧滑角，升降舵和方向舵都偏转时，产生的斜吹力矩系数可表示为下式：对于鸭式“＋”型弹翼，因为导弹是轴对称的，在平衡状态下则有：所以斜吹力矩系数正因为“＋-＋”型或“X-X”型鸭式布局在定态飞行中的横滚力矩等于零，故这种气动布局还经常被采用。xReMAeR0xReMA§4.2气动布局5．因前翼存在而引起的洗流影响的不对称性鸭式：当，不在平衡状态时，则仍会产生横滚力矩，故这种型式的导弹通常有绕纵轴的振荡运动，从而增大了控制误差。从横滚稳定性来说，在所有气动布局中，鸭式是最不利的。由于横滚稳定性不佳，滚动力矩较大，而鸭式的舵面面积较小，因此，鸭式导弹不能用舵面差动来起副翼作用。§4.2气动布局三、横滚稳定性分析鸭式布局：横滚稳定性差正常式：横滚稳定性优于鸭式无尾式：滚动力矩与正常式相近似，但由于其舵面紧靠近弹翼后缘，故下洗影响更为微弱。旋转弹翼式与鸭式横滚特性类似，但由于旋转弹翼面积大，而尾翼面积小，且其攻角较小，故其洗流不对称的影响远远没有鸭式严重，所以通常旋转弹翼也可作为差动舵来起副翼作用。§4.2气动布局四、机动性分析提高机动性的措施：提高导弹的飞行速度增大弹翼面积采用良好的弹翼形状增大导弹可用攻角增加导弹可用攻角是提高机动性的比较简便方法。，，，§4.2气动布局四、机动性分析增大攻角受到下列因素的限制：俯仰力矩性能的非线性。，，在攻角后，曲线的斜率逐渐增大，线性关系遭到破坏。所以导弹不能在的条件下飞行。攻角称为导弹的极限攻角。§4.2气动布局四、机动性分析，，SSBAbL'，zm线性关系和与以下参数有关：§4.2气动布局四、机动性分析，，，无尾式：及均最小，故最有利于提高；鸭式布局：最大，故最不利；正常式：介于两者之间。SSBAbL'AbL'§4.2气动布局五、升阻比特性分析升阻比，，xyCCXYKxixxCCC020yxxACCC，当攻角不大时，，可得：02maxmax212xyyxyACACCCCKmax0xKayCAaC§4.2气动布局五、升阻比特性分析鸭式和正常式：从这两种气动布局来看，在导弹平衡状态，由于鸭式舵面偏转角与弹翼攻角同向，而正常式则相反，所以鸭式的总升力较正常式的大。而总的阻力则与舵面偏转角的方向关系不大，所以鸭式的升阻比比正常式的大。，，§4.2气动布局五、升阻比特性分析，，进行导弹气动外形设计时除考虑稳定性和操纵性外，还应把提高升阻比作为一个重要因素予以考虑。在导弹总体设计时，除合理选取气动布局和弹翼参数之外，还可以采取如下增升措施：（１）采用非旋成体剖面的弹身；（２）采用前缘弯曲的弹翼；（３）采用翼－身融合体，改善横向流的绕流特性，提高翼身组合体的非线性升力。六、部位安排方便性分析，，1.发动机为液体火箭发动机当发动机采用液体火箭发动机时，鸭式的部位安排无甚困难，如右图所示。当采用正常式时，舵机舱常受发动机喷管的制约，对舵机的尺寸要求较严。随着舵机尺寸的小型化，若弹身直径较大，舵机安排比较容易；若弹身直径较小时，舵机的安排就比较困难。采用液体火箭发动机时舵机的布置方案§4.2气动布局六、部位安排方便性分析，，2.发动机为固体火箭发动机固体火箭发动机鸭式导弹的（a）形式较简单，但质心位置移动较大；而（b）形式将固体火箭发动机移至质心附近，但使推力的轴向分量降低了。正常式，（a）形式的操纵性及稳定性将受到影响，故很少用；（b）形式采用延长尾喷管，舵面的操纵机构将做得较复杂，特别是当舵面需差动时；另一方面是弹身容积利用很不好。鸭式导弹舵机的布置方案(a)正常式导弹舵机的布置方案§4.2气动布局(b)采用长喷管时，舵机的布置方案，，3.发动机为吸气式发动机随着导弹技术的发展，对射程和速度不断提出更远更快的要求。为此有翼导弹越来越多地采用各种吸气式发动机作为推进装置，因此在导弹外形布局中就出现了发动机或进气道的布置问题。采用吸气式发动机的导弹，在外形布局上有两种情况，一是一个或二个发动机外挂在弹体上，发动机（带进气道）成为弹体外形的一部分；二是发动机在弹体内，作为发动机重要部件的进气道外露在弹体表面，成为弹体外形的一部分。随着“整体式”技术的发展，导弹与吸气式发动机更多的是采用一体化布局，有关发动机进气道布置方案将在后面讲述。§4.2气动布局六、部位安排方便性分析，，4.起飞段的操纵问题§4.2气动布局六、部位安排方便性分析鸭式：纵向操纵由前舵来担任，滚动操纵由弹翼上的副翼来担任。正常式：因联合质心位置很靠近舵面，故舵面已不能用以纵向操纵。一般在起飞段上导弹不操纵其俯仰运动，只操纵其滚动运动。正常式导弹鸭式导弹，，5.横滚运动的操纵鸭式气动布局：前舵的下洗作用影响很大，故此种型式中不能采用差动舵面来操纵横滚运动，而只能在弹翼上安装副翼，如导弹弹身尾部装有固体火箭发动机，则副翼操纵机构的安装就较困难。鸭式导弹的横滚操纵§4.2气动布局，，5.横滚运动的操纵正常式气动布局：无论利用差动舵面或副翼，问题的解决并无困难。正常式导弹的横滚操纵§4.2气动布局，，七、四种气动布局的综合分析1.鸭式的特点（1）舵面安置在弹身头部，纵向操纵力臂长，舵的效率高，故舵面面积可小些，所需的舵机功率也可小些。（2）升阻比较正常式稍大。（3）易于进行部位安排。（4）舵面偏转角与导弹攻角方向相同，可以使用的最大攻角受到限制。（5）具有较大的斜吹力矩，横向稳定性不好。一般来讲，舵面不宜用来作差动副翼，需要有单独副翼来进行滚动控制。§4.2气动布局，，七、四种气动布局的综合分析2.正常式的特点（1）由于弹翼位于舵面之前，不存在因舵面偏转对弹翼引起的下洗，纵向和横向稳定性较好。（2）舵面差动可同时用作副翼，不必在弹翼上安置副翼，操纵机构和弹翼结构比较简单。（3）舵面偏转角与导弹攻角方向相反，可以增大可用攻角。（4）升阻比稍低于鸭式。（5）舵面位于弹翼洗流区，当采用全动舵时舵面升力被下洗掉很多，因此，舵的操纵效率比鸭式低，舵面面积比鸭式大。（6）由于舵面产生控制力的方向始终与弹体攻角产生的升力方向相反，因此