晨楓：真是厲害！細品東風-17導彈氣動設計

（原標題：晨楓：細品東風-17導彈氣動設計）

【文/觀察者網專欄作者晨楓】

東風-17很厲害，是個地球人都知道了。但到底有多厲害，可能並不像想象的那樣簡單。

東風-17是世界上第一種可投入實戰的高超音速武器，但高超音速只是速度快，要達到這樣的速度並不是難事，綁上足夠的火箭發動機總是可以暴力達到高超音速的，難的是如何在這樣的速度下依然保持精確控制，常規飛機和導彈設計的經驗已經不管用了。這就像拖拉機和F1賽車都用方向盤一樣，內中奧祕天差地遠。

畢竟只要高超音速就可以的話，裝個夠暴力的火箭就行……

飛行體的速度超過音速時，飛行體對前方空氣的壓力產生激波，好像頂着看不見的錐形傘面前進一樣。“傘面”之後則是低壓區，氣流速度大大降低，理論上降低到亞音速。在理論上，激波的密度無窮大。激波也是良好的導熱體，而且激波“傘面”後的氣流溫度也大大降低，氣動加熱和導熱通過激波進行，所以激波本身也是防熱設計的關鍵部分。

在速度達到M5-6以上後，這就是高超音速了，氣動加熱使得空氣的熱力學性質與氣動性質交互作用，比如溫度升高導致空氣的密度和粘度變化，而本來就稀薄的高空空氣密度使得空氣分子之間的相互作用從連續介質向相互獨立的粒子轉化。這使得傳統的僅僅考慮氣動現象的飛行器設計不再管用，而需要圍繞空氣熱動力學（aerothermodynamics）建立全新的理論和設計框架。

這在過去是象牙塔尖的超級小衆的冷門學科，只有純而又純的學術界和極少數從事空間飛行的人涉及，因此也在很長時間裏停留在理論層面，或者是圍繞項目就事論事。但高超音速的武器化使得這樣的“手工操作”不再可行。中國從解決東風-21D機動再入和反航母開始，一發不可收拾，直接走到這一領域的世界前列。

空氣熱動力學之前是一個很“小衆”的領域，通常只有諸如行星探測器之類的航天器才用得到

2017年3月，中國在廈門舉辦美國航空航天學會高超音速年會，大大方方地展示了大量成功的試驗結果和實物圖片，震驚了世界。美國《航空週刊》稱這是向美國示威的一炮（A shot across the bow，原意是海軍在迫停敵船時向船頭前方橫向開的一炮，意爲再不停船就要開炮擊沉了，以後意思推廣到一般的警示或者示威）。此後兩年裏，美國急起直追，但依然落在中國後面，在可預見的將來只有與中國上一代的雙錐體高超音速滑翔體（比如東風-15）相當的高超音速武器有望達到實用程度，與東風-17技術相對應的美國高超音速研究機HTV-2的兩次試驗都失敗了，揭示出關鍵技術尚未到位，沒有公開的近期再試計劃。

高超音速時代的雙錐體可以與超音速時代的矩形或者半圓進氣口類比，兩者都是通過簡單幾何形狀對複雜流動現象進行簡化的做法，使得理論分析和設計難度降低到可控的水平，但性能也因此受到限制。

東風-17採用複雜形狀的扁平錐體，好似平放的箭簇。這也是HTV-2的基本形狀。不同的是，東風-17的扁平錐體具有像大邊條一樣的側棱，而且弧線側棱過渡到直線側面時有尖銳的轉角，而不是圓弧過渡。側棱的後部當然是用於氣動控制的舵面，而HTV-2是沒有氣動控制面的，使用液氮氣化產生的高壓氣體驅動的反推力發動機。

邊條在飛機上早有使用。SR-71就有從機頭開始的大邊條，F-18則開始了大邊條在戰鬥機上的使用。SR-71的大邊條用於在M3時產生額外升力，改善升力分佈，降低配平阻力。F-18的大邊條則用於在大迎角下產生渦升力，提高機動性。貌似相同的大邊條有很不相同的作用，但有一點是相同的：除了大邊條到機翼的轉折，邊條前緣是圓滑的弧形。SR-71是簡單弧形，F-18經典型是S前緣的複雜弧形，F-18E回到簡單弧形，但更加寬大飽滿。F-18經典型的S形是爲了降低大邊條的作用，在大邊條氣動特性還沒有完全掌握的時候，保守一點好。到了F-18E時代，麥道對大邊條的氣動特性更有信心，更加寬大、飽滿的大邊條的效果更好，不利影響則已經完全理解，可以有效控制。

當年的F/A-18上，對邊條翼的氣動特性還沒完全掌握，所以留了個“缺口”，到"超級大黃蜂“，就變成飽滿形狀了

但東風-17的大邊條更像蘇-27的，換句話說，大邊條的效果沒有F-18經典型的S形或者F-18E的簡單弧形強烈，但在過渡到彈翼之前有一個突兀的轉角。老話說，反常即妖。一點沒錯，因爲東風-17的大邊條既不是SR-71那樣用於改善升力分佈，也不是F-18那樣用於產生渦升力，而是用於產生乘波體的激波升力。

據報道，東風-17在60公里高度起滑，起滑速度M10，滑翔到1400公里處存速M4，然後啓動火箭發動機短暫加速後再次轉入滑翔，在1700公里射程終點處依然保持較高的存速。換句話說，除了上升段和“補速”前的這一段，東風-17在整個射程裏都是高超音速的，因此沒法用傳統的機翼產生升力，只能用乘波體。高升力、低阻力、高滑翔比（滑翔距離與高度損失之比）的高超音速飛行體是世界級的難題。

乘波體“坐在”激波上，或者說激波像鋼製平底船體一樣，船底托起乘波體。由於這是用“平底”產生升力，而不是用“排水量”產生浮力，什麼形狀都只有平底部分管用。而且不僅要產生足夠的升力，還要避免過度的阻力。雙錐體產生的還是錐形激波，有多寬就有多高，所以升阻比很快就碰到了天花板，儘管張開的“尾裙”產生額外升力。用於再入-拉起夠用了，但要在大氣層內遠程滑翔就很喫力。HTV-2那樣的箭簇體產生扁平的激波，這是在正確的方向上了。

但HTV-2還比較保守，主要用反推力發動機控制姿態。彈底尾部的兩片式襟翼位置不好。乘波體就是靠“坐”在激波上形成升力的，彈底襟翼要工作，就與激波打架了，互相干擾。而且這兩片襟翼的橫向力矩不足，只有有限的橫滾控制能力；縱向更是隻能產生低頭力矩，難以產生抬頭力矩，控制能力更加不足。

DF-17的的大邊條微微“一拐”，就拐出大名堂了

主要用反推力發動機控制姿態簡化了氣動設計問題，但也得不到氣動控制的好處。反推力發動機只能間隙工作，而且有最小噴氣量的限制，難以精細微調，控制精度因此有本質侷限。彈翼是連續工作的，而且可調範圍大大超過反推力發動機，控制精度高多了。至於在巡航中產生額外升力，這可能只是理論上的好處，實際上有點困難。彈翼位置一旦確定，升力中心就相對固定，與重心的關係就相對固定。單一彈翼要麼用於升力，要麼用於氣動控制，難以身兼二職。但額外的大邊條就不一樣了，這可以用於產生升力。

但這不是像F-18的大邊條，不直接產生氣動升力，而是形成扁平和向兩側延申的激波。箭簇體本來就有向兩側延展的扁平激波，但更像是拖在身後的掃把。東風-17的大邊條向外彎曲，這微微一拐就傾城了，把本來拖在尾後的扁平激波大大拉開，刀形激波與彈底激波連成剛硬的整體，充當“虛擬機翼”，產生升力。那個神祕的轉角則加強側激波的能量（換句話說：剛度），並精確控制激波的形狀。相比之下，HTV-2的兩側邊緣基本上是簡單直線，氣動設計水平的差別不言而喻。

超音速飛行的一般難題是避免不必要的激波，但也有有意用激波控制達到某種目的的，多波系進氣口是有意的激波控制的例子，東風-17是又一個有意利用激波的例子。速度越高，大邊條產生的刀形激波的後掠角越大，“刀身”也越薄，使得“虛擬機翼”還具有天然的“變後掠角”和“變厚度”的效果，自動適應高速的減阻要求和低速的增升要求。

刀形激波還把彈翼“掩護”在低壓區裏，這就是東風-17的兩側彈翼必須在大邊條轉角的一段距離之後的道理。亞音速狀態下的氣動控制面設計是很成熟的技術，使得傳統彈翼可以有效地行使氣動控制作用，控制精度有望比HTV-2那樣的反推力控制有數量級的提高。

側面大邊條的兩處轉角，可以改變側面的激波形狀，從而讓舵面能夠在激波後面的亞音速氣流中工作，這就解決了高超飛行器的控制難題

彈頂的圓渾“額頭”也產生激波，“掩護”了彈頂彈翼。平滑的彈底沒有這樣的掩護，但箭簇體的飛控更接近飛機，而不是導彈，所以也沒有必要採用十字形或者X形的彈翼，彈底彈翼本來就不需要。

比較東風-17和HTV-2的另一個發現是：東風-17的彈體截面更接近圓整，沒有HTV-2那麼扁平。扁平是高升阻比乘波體的要求，但扁平也使得彈箭適配比較困難。箭簇體的寬度不宜超過助推火箭的直徑太多，這使得箭簇體彈頭的容積受到限制，難以容納足夠的裝藥和破片，但大量目標還是需要一定的裝藥和破片才能摧毀的，單靠動能是不夠的。

但東風-17的箭簇體用“虛擬機翼”產生升力，平滑的彈底進一步增加升力，有利於容許箭簇體的寬度大大縮小，等效爲彈體本身可以採用相對高大飽滿的截面，簡化彈箭適配。東風-17有明顯的彈箭適配段，但形狀還算規則，如果是更加扁平的箭簇體，可以想象，彈箭過渡將大爲複雜，這本身也使得彈箭作爲整體的氣動特性複雜化，影響上升段和起滑段的飛行。

飽滿截面的彈體也是箭簇體具有實戰價值的關鍵，可以增加裝藥量，便於安裝彈上電子設備。否則真的裝上一個扁平但幾乎實心的箭簇體打出去是沒有多大實戰價值的。這也是東風-17“動力滑翔”能力的基礎，只有足夠的容積纔可能容納足夠的燃料和火箭發動機，在滑翔乏力時“補速”增程。

美國HTV-2的控制設計相比之下就非常複雜而且效果也不行

這些大道理未必是中國的獨門認知，至少現在東風-17公諸於世了，看圖識竅總是做得到的。但說說容易，真要做到，細節中存在巨大的惡魔。這是高度複雜的四維激波問題，因爲激波的空間形狀和強度還受速度（對於滑翔體來說，可以等效爲時間）的影響，要能有效定位和控制形狀，才能保證正常的飛行和姿態控制。這也是東風-17在升力和氣動控制機制上比HTV-2各甩一條街的奧妙。加上補速增程，又甩了一條街。美國能追上嗎？還是能的，就是要花點時間，還要花點數理化真功夫，而不是華爾街的巧取豪奪功夫，更不是嘴上功夫。

據報道，中國已經掌握了“激波裝配法”，能根據不同的高超音速飛行條件，精確地設計飛行器和激波形狀。同樣的技術還可以用於高超音速動力飛行，而不僅僅是滑翔，這是與雙錐體有本質不同的。這不是光有超級計算機就可以做到的，就和給人一臺帶Word的電腦並不能自動使他成爲名作家一樣。這也不是用高超音速風洞或者自由飛試驗就可以暴力破解的，海量的試驗既不現實，也難以預測工程放大和試驗點之間過渡區域的影響。這必須是理論和試驗相結合的產物。但具體是怎麼做的，知道的人不會說，能說的人不知道，外界只需要認識到這是真厲害就足夠了。

精巧的設計還要求精密的製造。在高超音速下，任何粗糙和扭曲都產生巨大影響，更不用說兩側刀形激波不對稱的話，就沒法維持正常飛行了。這還不算一系列材料、電子技術的挑戰，有關報導已經有所提及。

東風-17只是小試牛刀。“激波裝配法”的奧妙在於可以靈活應用於大小不同、速度不同、用途不同的導彈。擴大到東風-26一級的中程導彈是自然的延申，進一步擴大到東風-31一級的準洲際導彈也是可以預期的。至於延申到東風-41一級，那就與滑翔增程無關了，繞着地球打沒有必要，機動彈道也只需要繞道到一定的程度，但滑翔增升以增加彈頭重量就具有實戰意義。如果說這對東風-41還不關鍵，對於體積、重量尤其是長度都受到極大限制的潛射洲際導彈就意義巨大了。

據報道，此前美國爲電磁炮設計的彈藥（HVP）飛行速度其實也不過3馬赫（進行過實際試驗的速度），這也是美國在高超聲速技術領域尚有待突破的一個表現

在另一端，戰術導彈達到M3-4甚至更高的速度也有很大意義。反坦克導彈用空心裝藥、串級戰鬥部等技術，在很大程度上克服了現代主戰坦克的裝甲防護，但要在不大大增加導彈的尺寸和重量情況下進一步增加穿甲能力已經很困難了。高速的動能穿甲戰鬥部可以瓦解附加裝甲的防護作用，公認的反坦克最有效的尾翼穩定脫殼穿甲彈就是這樣的。用於反飛機也一樣，直接命中可大大減輕戰鬥部重量，降低整彈的體積和重量。但問題不在於輕型高速導彈的推進技術，而在於精確命中。“激波裝配法”或許有朝一日也能用於戰術導彈，那中國的戰術導彈也更上一層樓了。

東風-17，你是真厲害！

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