從朝鮮彈道導彈改進看柵格翼技術

王繼新

2016年8月24日，朝鮮“北極星”KN-11潛射彈道導彈試驗成功，朝鮮也迅速公布了試驗相關照片。從照片中外界驚訝地發(fā)現(xiàn)，其與以往“北極星”導彈相比，多出來了多付柵格尾翼，這種情況在2016年6月22日試驗成功的“舞水端”（“火星”10）導彈上也曾出現(xiàn)，這讓外界質(zhì)疑是否借助柵格翼技術解決了導致朝鮮導彈一再失敗的問題。

朝鮮彈道導彈柵格翼情況

從目前情況來看，朝鮮掌握柵格翼技術已久，但最近在中程導彈“舞水端”和潛射導彈“北極星”上使用都尚屬首次。總的來看，朝鮮目前共有3種型號的彈道導彈使用了柵格翼技術。

KN-02KN-02近程彈道導彈是朝鮮對蘇聯(lián)9K79“圓點”（SS-21“圣甲蟲”）戰(zhàn)術導彈的仿制，為單級固體燃料導彈，用于替換“蛙”7非制導火箭。據(jù)稱朝鮮從敘利亞獲取了SS-21導彈原型和數(shù)據(jù)，進行了逆向設計，但在設計中加入了朝鮮的設計，至少有一種原型保留了“圓點”導彈的柵格尾翼設計。在噴管出口處裝有4個燃氣舵，燃氣舵與裝尾段支架一側(cè)的4個可折疊柵格翼相互聯(lián)動，以控制導彈飛行，在主動段速度較低時由燃氣舵控制，而在速度增大后由燃氣舵和柵格翼聯(lián)動控制，在再入大氣層段則完全靠柵格翼來控制，控制機構(gòu)為裝在尾段內(nèi)的4個液壓伺服機構(gòu)。

“舞水端”（“火星”10）朝鮮近期公布的2016年6月22日“舞水端”試驗照片中首次出現(xiàn)了“舞水端”導彈根部四周帶有一套對稱配置的8副柵格翼，而此前朝鮮歷次閱兵展出的“舞水端”和今年4月以來進行的多次試驗中均未發(fā)現(xiàn)這種設計。由于蘇聯(lián)SS-20“先鋒”導彈只采用4副柵格翼，因此朝鮮這種使用8副柵格翼的設計用于中程彈道導彈在全球范圍內(nèi)尚屬首次。估計“舞水端”導彈的可折疊柵格翼通過內(nèi)部的液壓聯(lián)動機構(gòu)與內(nèi)部源于蘇聯(lián)SS-N-6導彈的兩部游動發(fā)動機聯(lián)動使用。這表明朝鮮工程師對“舞水端”導彈進行了較大改進，以提高其早期飛行的穩(wěn)定性，通過外部空氣動力控制來克服導彈本身的問題。這種改進是在不到兩個月內(nèi)完成的，是一個較快和直接的解決方案。

“北極星”（KN-11）與“舞水端”導彈的情況類似，朝鮮2016年8月24日試驗成功的“北極星”KN-11潛射彈道導彈也采用了8副柵格尾翼，這也是柵格尾翼首次用于“北極星”潛射彈道導彈。由于“北極星”KN-11導彈已經(jīng)采用固體燃料發(fā)動機，因此其不可能使用游動發(fā)動機，而是采用了燃氣舵與導彈根部對稱配置的8副柵格翼聯(lián)動控制導彈。從2016年3月24日朝鮮公布的固體火箭發(fā)動機點火試驗影像看，其燃氣舵燒蝕較為嚴重，因此其需要在助推段速度較高時與柵格翼配合控制導彈姿態(tài)。

2016年8月24日“北極星”潛射導彈試驗與2016年6月22日“舞水端”試驗的另一共同點就是在采用柵格尾翼設計后均取得試驗成功，且都采用高彈道發(fā)射，“舞水端”在飛行400千米后成功濺落，“北極星”在飛行500米后成功命中海上目標區(qū)。這不得不讓人認為柵格翼設計克服了兩款導彈的技術障礙。

現(xiàn)代導彈柵格翼技術發(fā)展

自20世紀40年代開始，蘇聯(lián)科學家對柵格翼的空氣動力、結(jié)構(gòu)、強度、質(zhì)量以及工藝制造等方面開展了研究，但由于當時對這種翼面的各種特性認識不足，柵格翼沒有被廣泛應用。近年來，柵格翼重新引起了各國重視。

小型導彈/炸彈50年代初，蘇聯(lián)就探討了柵格翼氣動特性的解析和工程計算方法，研究了風洞的實驗技術，進行了大量的氣動計算和實驗，同時也開展了柵格翼的結(jié)構(gòu)、強度、生產(chǎn)工藝的研究，形成了一套設計方法。除了飛船救生逃逸系統(tǒng)和彈道導彈之外，蘇/俄在導彈上最成功的柵格翼應用是R-77中程空空導彈。90年代初，俄首次在R-77空空導彈上采用4片柵格尾翼舵面取代常規(guī)的舵面，這是世界上第1型采用柵格式尾翼舵面的空空導彈。柵格舵面取代傳統(tǒng)的空氣動力控制舵面，可以減輕尾翼質(zhì)量、減少大攻角機動飛行時的氣流分離、減小舵面氣動鉸鏈力矩，從而減小舵機功率，降低舵機能源，增大氣動升力和控制力矩，提高低速飛行時的穩(wěn)定性和高速飛行時的機動性。柵格式尾翼因為其結(jié)構(gòu)形狀和小弦長，可以緊貼彈體折疊，這樣導彈結(jié)構(gòu)更加緊湊，易于存儲和運輸。以后，俄推出的“俱樂部”潛射反艦導彈也采用了柵格尾翼布局，其彈體尾部帶有4片柵格翼，未發(fā)射狀態(tài)下緊貼彈體折疊，從魚雷管射出后柵格翼打開，在水中穩(wěn)定潛行，能有效解決潛射導彈水中發(fā)射穩(wěn)定性問題。

相對于蘇/俄來說，美國開展柵格翼的工作比較晚，但發(fā)展非?？?。20世紀90年代初，美國開始考慮該技術的實際工程化應用，與俄羅斯不同，其主要將該技術應用在了航空炸彈上。美國研制的柵格翼典型應用是其在阿富汗戰(zhàn)爭中首次使用的“炸彈之母”MOAB，其充分利用了柵格翼的可折疊性。MOAB炸彈外形較大，由C-130運輸。柵格翼在待發(fā)狀態(tài)下緊貼彈體，投放時打開，控制MOAB炸彈利用GPS信號攻擊指定目標。大型的MOAB炸彈使用柵格尾翼主要是為了追求低速狀態(tài)下的姿態(tài)控制能力，其自由落體速度不快，無法使用傳統(tǒng)氣動舵面進行控制，于是用了阻力較大的柵格尾翼（阻力是控制力的來源）。美國另外一個應用柵格翼技術的是其小型炸彈，如JDAM和小彈徑炸彈。小直徑炸彈比常規(guī)炸彈輕，由GPS引導。這類武器低速飛行時，利用的主要是這種翼結(jié)構(gòu)可折疊的特點，而非追求其空氣動力特性或是控制效率。

除了俄美之外，德國等國家也開展了柵格翼的理論研究和試驗研制，特別是在新的高超音速導彈上，再次出現(xiàn)了柵格舵翼，以此改進低速情況下的空氣動力特性。從目前情況看，該技術還廣泛應用在無控火箭和反坦克導彈，甚至多種子彈藥的設計上。

大型導彈70年代開始，蘇聯(lián)科學家開始在導彈設計中應用柵格翼，特別是彈道導彈，如SS-12戰(zhàn)術彈道導彈、SS-20“先鋒”中程導彈、SS-25“白楊”戰(zhàn)略導彈，SS-21“圓點”和SS-23“蜘蛛”戰(zhàn)術彈道導彈等。這些導彈中除了朝鮮模仿的SS-21“圓點”和作為俄目前主力的SS-25“白楊”外，其它導彈均因技術落后和國際條約限制等原因而退役。其中最有特點的當屬SS-20“先鋒”兩級中程彈道導彈，該導彈射程4 500千米，曾是俄戰(zhàn)略核力量的主力，其也是SS-25“白楊”導彈的前身。

SS-20導彈從上至下依次為彈頭、儀器艙、第二級、級間段和第一級。兩級各裝1臺固體火箭發(fā)動機。導彈第一級尾段上固定4個燃氣舵，另有4個柵格翼和4個穩(wěn)定翼。這些尾翼平時處于折疊狀態(tài)，用一個鋼環(huán)鎖緊，當導彈彈射出發(fā)射筒后，靠彈簧力使鋼環(huán)解鎖，將尾翼展開。導彈在第一級工作期間用燃氣舵和柵格翼空氣舵同時提供控制力，而在第二級工作期間靠二次噴射系統(tǒng)實施推力矢量控制和靠滾動控制噴管進行滾控。在第二級發(fā)動機關機后由姿態(tài)控制發(fā)動機進行控制。SS-25“白楊”沿用了柵格翼設計，但在后來的SS-27“白楊”M上沒有再使用這一設計。在SS-20“先鋒”中程導彈和SS-25“白楊”戰(zhàn)略洲際導彈上使用柵格翼，可以說是該技術在導彈領域應用的巔峰。

民用航天柵格翼技術除了在導彈和炸彈上使用外，在民用航天領域也有著較為成熟的應用。蘇聯(lián)曾成功地將柵格翼用作“聯(lián)盟”號飛船救生逃逸系統(tǒng)的穩(wěn)定翼面。逃逸飛行器是一個無控飛行器，可在39千米高度下的大氣層中應急啟動。為保證逃逸飛行器的氣動穩(wěn)定性，設計人員為其設計了4塊展開的柵格翼，其將逃逸飛行器氣動壓心后移，實現(xiàn)了穩(wěn)定飛行。逃逸飛行器由逃逸塔、柵格翼、可分離頭部整流罩、柵格翼展開機構(gòu)等組成，其中柵格翼展開機構(gòu)是保證逃逸飛行器靜穩(wěn)定性的特殊裝置。

導彈柵格翼的結(jié)構(gòu)原理

柵格翼是一種較少采用的氣動面形式，一般用于為飛行器提供姿控力。其特殊的結(jié)構(gòu)使其具備一般導彈彈翼不具有的能力。

組成結(jié)構(gòu)與普通的單翼不同，格柵翼是由眾多的柵格壁鑲嵌在邊框內(nèi)形成的多翼面彈翼。柵格壁在邊框內(nèi)可任意布局，但最基本的布局形式有兩種：一種是框架式，一種是蜂窩式。蜂窩式又分為正置蜂窩式和斜置蜂窩式。目前得到最廣泛應用的是斜置壁與邊框成45度角的蜂窩式柵格翼。蜂窩式柵格翼作為飛行器和水上航行裝置的升力面和控制面，可提高其升力特性，并且增加其穩(wěn)定性和可控性，同時保證其在各飛行階段具有足夠的比強度、比剛度。

格柵翼的主要參數(shù)是翼展、翼弦、翼高和兩相鄰格柵對應點之間的距離。格柵翼提供的升力較大，在較大的攻角和馬赫數(shù)范圍內(nèi)都有很好的升力特性，它的尺寸較小，重量輕，弦向尺寸小，展弦比大，壓力中心的絕對移動量很小，鉸鏈力矩很小，可采用較小的舵機。這些特點為各類導彈提供了有利條件。

工作原理在大氣層中飛行的物體，轉(zhuǎn)彎的方式大致有三種。首先是氣動舵面，在迎面空氣的沖刷下，根據(jù)舵面位置的不同，產(chǎn)生大小不一的力矩，控制飛行器轉(zhuǎn)向。飛機和大多數(shù)導彈都要通過這種方式實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，這種方式的特點是：需要飛行器本身具有一定的速度。其次是燃氣舵，燃氣舵往往被安裝在噴管附近，通過相應的偏轉(zhuǎn)改變尾流的噴射方向，進而改變導彈姿態(tài)。由于燃氣舵的工作環(huán)境過于惡劣，即使采用了抗燒蝕材料，也作用不了多長時間。還有，導彈動力段飛行結(jié)束，燃氣舵就沒有存在意義了，因此多用于剛剛發(fā)射或彈射出筒的導彈改變飛行姿態(tài)，如AIM-9X這樣的大離軸角格斗彈。再有就是姿態(tài)控制噴口，在導彈前端，通過噴射工質(zhì)改變導彈指向，比如“道爾”M1防空導彈。

柵格翼屬于氣動舵面的一種，相比于傳統(tǒng)氣動舵面，其相當于若干個疊加在一起的相同姿態(tài)的短翼共同作用。其最大的優(yōu)點是在相同飛行速度下，柵格尾翼的氣動控制效率要高于常規(guī)氣動舵面，其阻力也大于常規(guī)氣動舵面。導彈飛行速度越快，舵面與空氣的相對速度就越快，作用在導彈上的力就越大，舵面的控制效率就越高。在低速狀態(tài)下，柵格翼舵面效率高于常規(guī)氣動舵面。

彈道導彈柵格翼技術的優(yōu)勢

柵格翼與普通平直板翼相比，其在技術上有諸多優(yōu)勢。

控制能力強將柵格尾翼用作導彈的全動舵面時，鉸鏈軸一般放在二分之一弦長處。由于弦長短，壓力中心距鉸鏈軸很近，空氣動力產(chǎn)生的鉸鏈力矩是個小量，因而轉(zhuǎn)向機構(gòu)的功率很小，允許采用較輕和較小的作動系統(tǒng)，使尾翼的質(zhì)量明顯減小。其實不嚴格地說就是，格柵翼由于尺寸面積較小，其受到的空氣動力（鉸鏈力矩）較小，只要小功率的伺服機構(gòu)就可以轉(zhuǎn)動，所以將柵格翼用作控制面時，其轉(zhuǎn)向機構(gòu)所需的功率很小，這將導致傳動和電源等裝置的質(zhì)量減小，而導彈尾部因為要布置火箭發(fā)動機的尾噴管，空間非常狹窄，這樣就可將導彈的氣動操縱面設在導彈的尾部。

機動性更好由于導彈的火箭發(fā)動機工作時間只有10秒左右，火箭發(fā)動機里的藥柱燃燒完后，導彈的重心前移到前部，這樣將氣動操縱面設置在導彈尾部就可以為導彈提供更大的操縱力矩，提高導彈的機動性。通過模擬試驗，科研人員發(fā)現(xiàn)，柵格尾翼的失速迎角可高達40度，大迎角飛行時氣流分離減少，阻力降低，且超過失速迎角后升力的下降卻比較緩慢，這無疑使導彈的機動能力大大提高。

占用空間小與平直翼相比，柵格翼展向尺寸小，可以緊貼主體折疊安裝而不加大主體的外形尺寸。在很多情況下柵格翼可以在本身的空氣動力力矩作用下自動打開，也可以強制打開。利用這一優(yōu)點，可以將柵格翼設置在從軍艦或潛艇發(fā)射的導彈上，或設置在飛機機艙內(nèi)的導彈上。導彈發(fā)射前柵格翼處在折疊狀態(tài)，在發(fā)射過程中自動展開并開始工作，這是傳統(tǒng)平板翼做不到的。這樣可使彈艙懸掛更多的導彈。例如，俄羅斯將使用柵格翼的R-77導彈裝在米格-29、米格-31、蘇-27、蘇-35等戰(zhàn)斗機上，可同時攻擊4～6個機動過載為12g的空中目標。

結(jié)構(gòu)強度佳柵格翼作為承力面，最大的優(yōu)點是具有高的強度-質(zhì)量比。柵格翼是一個較短的懸臂梁，結(jié)構(gòu)高度較大，與展長的尺寸相當或大大超過了翼弦，而且柵格翼的最大氣動載荷作用面與結(jié)構(gòu)的最大剛度面重合，這大大增強了其受力強度。而單面翼最大氣動載荷作用面與最小剛度面重合，所以在與單面翼承受相同載荷的條件下，柵格翼的質(zhì)量可以大大減小，但剛度要比單翼好得多。柵格翼的重量是實心單翼的1/ 3～1/5，比空心截面的單翼輕一半以上。從結(jié)構(gòu)上看，斜置蜂窩式柵格翼是一種重量更輕、剛度更好的薄壁桁架的結(jié)構(gòu)形式。因為它具有斜交的柵格壁，所以能有效地承受空氣動力載荷。在翼展和升力面面積相同的條件下，柵格翼的彎曲強度比單翼高得多。這也使其金屬材料消耗少，適于批量生產(chǎn)。

氣動效率高科研人員計算發(fā)現(xiàn)，在較高馬赫數(shù)的超音速氣流中，柵格尾翼內(nèi)部各柵格壁間的波系干擾消失，升力特性基本上與平直翼型相等。在相同的外形尺寸下，柵格翼的升力面積比單面翼大得多，故升力也大得多。此外，柵格翼的重量效率比單翼高，因為柵格翼的受力組件都處在氣流中，因而每個組件都起著承力面和空氣動力面的雙重作用，而單翼的受力組件布置在翼面內(nèi)部，它們不產(chǎn)生空氣動力。

可見，平板翼具有自身的一些局限性，如果射程遠，速度高，飛行時間長，這種傳統(tǒng)的尾翼布局就難以協(xié)調(diào)穩(wěn)定性和強度問題，而柵格翼由于具有上述優(yōu)點，能克服傳統(tǒng)彈翼的局限性。不過，柵格尾翼阻力系數(shù)和雷達散射截面特性不如平板翼，因此在導彈設計中需要考慮。

朝鮮彈道導彈柵格翼應用原因

正是因為柵格翼這些優(yōu)點，許多國家都加強了柵格翼的理論研究和試驗研制。就目前來說，朝鮮似乎熱衷于在彈道導彈設計中采用柵格翼，似乎“舞水端”和“北極星”都是采用了柵格尾翼設計才從一再失敗扭轉(zhuǎn)為成功。實際上這可能不是巧合，由于“舞水端”公路機動導彈和“北極星”潛射導彈的最初技術來源都是蘇聯(lián)的SS-N-6，因此兩者的總體設計大部分相同，雖然“北極星”后來改為固體燃料發(fā)動機，但其氣動布局和結(jié)構(gòu)設計仍沿用了與“舞水端”相近的設計。發(fā)生在“舞水端”上的問題很可能也出現(xiàn)在“北極星”上，“舞水端”為增加射程而延長了燃料箱，導致其在燃料消耗后導彈質(zhì)心偏離，而由于朝鮮工藝設計問題導致彈體自控系統(tǒng)無法通過矢量控制及時糾正，進而引發(fā)結(jié)構(gòu)振蕩，最終導致彈體解體爆炸，這與“北極星”類似。由于“北極星”使用固體燃料，燃料消耗比液體的“舞水端”要快很多，因此“北極星”出現(xiàn)問題往往比“舞水端”早。朝鮮設計人員為此在兩者尾部加裝了柵格尾翼，其可對沖燃料消耗造成的質(zhì)心遷移和振蕩問題，由于這類問題通常發(fā)生在大氣層內(nèi)，因此柵格尾翼的空氣動力效果非常有效，對朝鮮彈道導彈克服技術障礙的確發(fā)揮了重要所用。

從蘇聯(lián)的經(jīng)驗來看，當年蘇聯(lián)在中遠程彈道導彈上加裝格柵尾翼，主要是由于當初沒徹底掌握固體燃料發(fā)動機大直徑柔性擺動噴管技術，才需要格柵尾翼輔助燃氣舵共同進行第一級發(fā)動機的指令轉(zhuǎn)向動作。在以后的“白楊”M設計中拋棄了這種設計，說明格柵尾翼在彈道導彈設計中只是初級技術階段的替代技術，其直接影響就是由于增大了阻力，在一定程度上縮短了導彈最大射程。但對于“舞水端”和“北極星”導彈而言，射程對于主要打擊目標都已不是問題，主要問題是導彈飛行的穩(wěn)定性，因此在射程上有一些損失也是值得的。