导弹的弹体结构
导弹的弹体是导弹的重要组成部分,其功用是把导弹的战斗部系统、制导系统及动力系统等连成一个整体,并使导弹具有良好的空气动力外形,保证导弹完成预定的战斗任务。对弹体的设计要求是使弹体满足给定的各项战术技术要求,包括对环境的适应能力、质量限制、成本和生产周期等。
一、导弹弹体
由于弹体承受的载荷一般都比较大,构造中的很大一部分都是为了合理承受载荷而布置的,因此,弹体构造中的受力部分(通常称为结构部分)的设计,在弹体构造设计中占有很重要的地位。32
有翼导弹的弹体指的是由弹身和各种空气动力面(弹翼、操纵面、稳定面等)组成的整体,其中还包括安装在它上面的一些特殊机构,如操纵机构、分离机构、折叠机构等。
弹身为弹上各种仪器设备提供装载条件,为各空气动力面和助推器提供连接和固定的条件。弹身常被分为导引舱、仪器舱、战斗部舱、燃料舱、发动机舱等若干舱段。
弹翼利用空气动力产生导弹飞行时所需的升力或横向控制力。
操纵面(指可以操纵的空气动力面)和稳定面(主要是指安装在导弹尾部的固定空气动力面)产生相对于导弹质心的控制力矩,改变或维持导弹的飞行姿态角。
操纵机构将控制伺服机构传来的能量传递给操纵面,使操纵面作相应的偏转,以产生对导弹质心的控制力矩。
分离机构在导弹飞行过程中,使需要与弹体分离的部分如头部、助推器、尾段等适时可靠地分离。
翼面折叠机构的功用在于可靠地实现翼面展向尺寸的缩短和恢复。
二、导弹各部位的安排
导弹的外形系指导弹的气动布局和外形几何参数,它与导弹的战术技术性能有直接的联系,直接影响导弹的稳定性与操纵性,制导系统的配置与工作。
气动布局指的是弹体组成部件(弹身、弹翼、尾翼、舵面)之间的相互位置安排。由于各种导弹的任务不同,战术技术要求不同,因而气动布局又有多种。对任何一种外形布局都是多种因素综合分析的结果。对有翼导弹的气动布局来讲主要分析两个问题,其一是翼面的数目及其沿弹身周侧的布置形式;其二是翼面之间沿弹身纵轴的相对位置。
1.有翼导弹外形
多数有翼导弹是带有小展弦比辗面的细长体;翼面有两组或一组(个别的有三组),每组有2片~4片翼面。
导弹的翼面在弹身周侧的布局形式,最常见的有“一”字形、“十”字形、“×”字形等三种。
“一”字形弹翼。此种布局形式对于攻击固定目标和运动速度不大的目标、机动性要求不高的导弹来讲是较适宜的。其最大的优点就是质量小、迎面阻力小,这对于中远程导弹来讲是很重要的。最大的不足则是机动性较差,所以目前多用在飞航式导弹上。
“十”、“×”字形弹翼。它们的特点是不论在哪个方向上均能产生同样大的升力,即俯仰与偏航的气动力特性是相同的,而且在各方向产生升力时都具有快速响应的特点,这样可以简化控制系统,因此,被广泛的应用在机动性要求较高的导弹上。这两者比较来看,“×”字形弹翼无论是挂机或在发射架上都较“十”字形更为有利。与“一”字形比较则是多了一对翼面,使导弹的结构质量有所增加。
按照弹翼与舵面的相对位置不同,气动布局有正常式、无尾式、鸭式、旋转弹翼式等四种形式。
正常式。是一种舵面在弹翼之后的一种气动布局形式。在这种布局形式中,舵面的偏转变化方向与迎角的变化方向相反,即在平衡状态时,舵面偏转所产生的附加升力方向与导弹由迎角变化所产生的附加升力的方向相反。因此,导弹的响应特性较慢,总升力减小。由于舵面总迎角较小,对于减小舵面载荷和铰链力矩是有利的。当采用固体火箭发动机时,正常式操纵机构的安置受到空间位置的限制。
无尾式。这种气动布局形式是正常式气动布局形式的发展,它是在弹翼后安置舵面而去掉尾翼。这种形式的优点是减少了翼面的数量,从而减小了导弹的阻力和降低了导弹的成本。最大的问题是弹翼的位置很难确定,弹翼靠后时导弹会出现过稳定性,这就要求有较大的舵面及舵偏角:如将弹翼前移靠近导弹的质心,又会使导弹的稳定性降低,使舵面的操纵效率下降。为克服这一缺点,在无尾式气动布局的导弹上安置反安定面。这样处理,弹翼往后布置不致引起过稳定现象,同时提高操纵效率。
鸭式。舵面在弹翼之前的一种气动布局形式称为鸭式。在这种布局形式中,舵面的偏转方向与迎角的改变方向一致,即导弹在平衡状态时,舵面偏转所产生的升力方向总是与导弹迎角改变所产生的升力方向相同。因此,响应比正常式的快,总升力大。它的一个最大优点是操纵机构与固体火箭发动机在空间布局上无矛盾,在采用固体火箭发动机的导弹上位置配置比较方便。它的主要缺点是由于舵面的不对称洗流对弹翼的气动力有影响,使得在通过舵面差动来进行滚转时造成稳定困难。
旋转弹翼式。这是一种弹翼可以转动而尾翼为全固定的一种布局。正常式、无尾式和鸭式皆是只有舵面偏转,产生附加气动力操纵导弹绕其质心旋转,从而改变导弹的迎角,进一步改变弹翼的升力。而旋转弹翼式当弹翼旋转之后就改变了弹翼的迎角,同时也改变了弹翼的升力。因此,旋转弹翼式对控制信号的响应特性最快,但要使弹翼旋转,弹翼操纵系统的铰链力矩大,这就要求舵机具有较大的功率。
2.导弹的部位安排
导弹的部位安排与导弹气动外形的布局是同时进行的。导弹的部位安排是指对导弹内部载荷,如战斗部引信、仪器设备(弹上导引系统、控制系统、能源等)、燃料舱组件、操纵系统(舵机、操纵机构)、动力系统等部件进行合理的位置安排。部位安排与外形布局必须综合分析,充分协调,最后将两者合理地确定下来。
部位安排和气动布局一样,没有一个通用的原则。但是在进行导弹部位安排时应考虑的原则是共同的,正确理解这些原则对于导弹的正确使用维护,优化导弹的性能是有利的。部位安排的一般原则如下:
部位安排时,应注意导弹质心位置对导弹操纵性、稳定性的影响,这一工作必须同确定弹翼、舵面、安定面的位置和尺寸一起进行,反复协调。
弹上各组成部分应具有较好的工作条件,这样能保证各组成部分的性能。部位安排时要尽量照顾它们所要求的工作条件。
注意各部分之间的联系,使管路和电缆尽可能短。如将电源安排在靠近用电设备的地方,舵机、操纵机构与舵面尽可能靠近,这样可减少结构质量,也便于使用维护、提高系统可靠性。
弹身内部设备安排要紧凑,这样既可以减少质量,又有利于空间利用。为此,就要求设备与弹身形状、设备之间的形状相互协调。
弹内设备的安置和固定方式,要与弹体结构相适应。
便于维护使用,便于储存,便于测试检查。
弹上各系统及各种设备在部位安排时,必须首先考虑到它们的某些特殊要求,以便保证它们正常工作,充分发挥它们的良好效果。
(1)战斗部和引信
战斗部为危险部件,大多是在发射前才装到弹上去。因此,要考虑安装拆卸的方便,以适于战备;在战斗部的周围不应有过强的结构,如弹翼、舵面、强有力的电缆等,以免影响战斗部的杀伤效果。因此一般将战斗部配置在前部效果较好。
近炸引信由天线和引信组成。应保证天线在任意飞行情况下,无线电波不受弹体的阻挡,天线通常安置在前弹身弹体的内表面或外表面。如果天线的长度大于一个舱段的长度,则必须以跨舱段的方式安放在外表面,外面再用整流罩保护。近炸引信应安置在远离振源处,通常安放在导引头的后面,一起组成制导舱。若允许的话,引信应靠近战斗部,满足条件时可靠引爆战斗部。
触发引信应安置在结构强的地方,如舵机本体上或舱体的连接框上。
(2)自动导引头
为使导引头具有广阔的视野,一般皆将自动导引头优先安排在弹身的头部。为了便于信号的传递,一般将导引头信号处理设备与自动导引头安排在一个舱室内,以便于满足它们要求的工作条件,如压力、湿度、温度、振动等。另外它们在使用过程中往往需要进行测试检查和参数调整,集中安放在一起可为使用维护提供方便的条件。
(3)控制系统
控制系统包括多种敏感元件,如陀螺等惯性元件,对振动较为敏感,它应配置在远离振源处,如配置在导弹的质心附近。否则,自动驾驶仪除反映导弹质心运动状态之外,还包括了导弹绕质心摆动而引起的误差。
(4)舵机及操纵系统
舵机应尽量靠近舵面,这样可以使操纵系统的传力路线短,一则有利于减轻质量,另外可以使连接件短,从而提高精度和可靠性。
(5)动力系统
如果是采用液体火箭发动机,为了排气方便,一般是将推力室放在导弹的尾部,将储存推进剂的储箱放在导弹质心附近,通过导管将推进剂送进推力室,这样可以使导弹在整个工作过程中质心位置变化较小。
(6)助推器
助推器的布置有串联式、并联式(亦称捆绑式)和整体式等多种方式,具体采用哪种方式需根据具体情况确定,下边主要介绍串联与并联两种。
串联式的助推器装在弹身的后边,并与弹身的轴线在同一直线上,因而分离机构简单,分离可靠,推力偏心小,对航迹的散布影响小。从气动阻力及安装吊挂工艺来看串联式也有好处,因而串联式得到了广泛的运用。但串联式的主要缺点是由于助推器位于导弹后边,使整个导弹的质心后移,为了保证在助推段导弹具有一定的稳定性,必须在助推器上装有较大的安定面,以使导弹的压力中心后移。当助推器分离后,导弹的质心突然前移,引起导弹稳定度的变化,会使弹体产生波动。另外,串联式使导弹的长度增加,使弹身的弯矩加大,为保证导弹刚度,往往引起质量增加。
对于并联式来说,由于助推器的质心比较靠近导弹的质心,因而在助推器上不需要加安定面,另外在助推器分离后,质心位置变化小,导弹产生的波动也小。助推器与续航发动机可同时点火进行工作,省去了二级点火的一套装置,提高了点火的可靠性。结构比较紧凑为使用提供了一定的方便条件。但并联式也存在着一定的缺点,首先是助推器分离时有可能与二级弹相碰,降低了安全分离的可靠性。另外,如果有多个助推器时,推力的不均匀可造成扰动力矩,为减少扰动力矩,一般采用斜喷管,使推力线通过导弹的质心,尽可能的减小扰动力矩。但是,此种方案对工艺提出了更高的要求,另外有一部分径向推力互相抵消,造成推力损失,加大了迎风面积,增加了空气阻力。
三、导弹弹身构造
弹身的构造形式与弹翼类似,其基本结构一般也都是由纵(轴)向加强件(梁、桁条)、横向加强件(隔框)和蒙皮组成的薄壁结构。
1.梁式结构
在导弹梁式结构中,梁是承受轴向力和弯矩的主要受力元件。当将整个弹身看作是支持在弹翼上的一根梁时,可以看出,梁式结构中的所谓梁实际上只相当于翼梁的凸缘。这种名不副实的名称,是由于导弹是在飞机的基础上发展起来的历史原因造成的。至于梁式结构的蒙皮一般只用于承受作用在弹身上的局部气动载荷、剪力和扭矩,所以蒙皮一般较薄,这种结构还包括一些横向元件。这种结构的优点是可以在梁间开大舱口,缺点是蒙皮的材料不易充分利用。当弹身的某个舱段作用有较大的纵向集中力时,或为了开大型舱口时,常用这种结构形式。
2.桁条式结构
这种结构的桁条布置较密,能提高蒙皮的临界应力,从而使蒙皮除能承受弹身的剪力和扭矩外,还能参与桁条一起承受弹身的轴向力和弯矩。与梁式结构相比,这种结构的材料大部分分布在弹身剖面的最大高度上,当结构质量相同时,这种结构的弯曲和扭转刚度大。缺点是舱体上不宜开大型舱口,这是因为大型舱口会切断较多的主要受力元件——桁条,为弥补由于开口引起的强度削弱,开口处需要加强,这要增加结构质量;另外,由于桁条剖面比梁剖面弱得多,不宜传递较大的纵向集中力。
3.硬壳式结构
这种结构的特点是没有纵向加强元件,整个舱段仅由蒙皮和隔框组成。这种结构的构造简单,装配工作量少,气动外形好,容易保证舱段的密封,有效容积大。缺点是承受纵向集中力的能力较弱,不宜开舱口,若必须开口,一般均应采用受力式口盖以补偿挖去的蒙皮。硬壳式结构适用于直径较小的弹身,弹径越大,材料的利用率越低,结构质量越大。
4.整体式结构
整体结构的弹身舱段,通常都是由若干大块整体板件弯曲焊接而成,中小型舱段可直接铸造成型。整体结构常用于受力复杂、刚度要求较大的弹身舱段。
四、导弹的操纵机构
导弹的操纵机构是指包括舵机在内的从舵机到操纵元件之间的机械传动机构。操纵机构的功用是将舵机输出的能量传递到操纵元件上,使操纵元件按相应的要求偏转。操纵机构除舵机外,其主要组成构件一般有连杆、摇臂、转轴和支座等,并通过支座固定在弹体上。操纵机构在工作时,应要求动作灵活、准确可靠。就其本身结构来说,连杆的长度尽量要短,弹性变形要小,连杆系中的间隙和摩擦力尽量要小。
操纵机构根据带动操纵元件偏转的方向不同有三种:同向操纵机构、反向操纵机构(差动操纵机构)和复合操纵机构。
1.同向操纵机构
整个操纵系统包括舵机、操纵摇臂、转轴和一对舵面(操纵元件)。操纵机构由舵机、操纵摇臂和转轴组成。由于操纵摇臂与转轴固接在一起,而舵面又固定在转轴上,当液压舵机直接推动操纵摇臂转动时,摇臂就带动转轴和舵面一起使一对舵面同向偏转。
2.差动操纵机构
这种操纵机构用来带动一对副翼反向(一正一反)偏转,从而产生滚转操纵力矩,以实现对导弹的倾斜滚转和稳定。
操纵机构由舵机和许多摇臂、拉杆以及方框所组成。舵机杆根据控制信号作伸缩移动,由它牵动摇臂、拉杆、方框动作,带动副翼偏转。
3.复合操纵机构
这种操纵机构用来带动一对舵面既能同向偏转(起舵的作用),又能差动偏转(起副翼的作用)。
五、弹体结构材料
弹体结构新材料开发与应用是十分重要的。军用新材料技术是新一代武器装备的物质基础,也是当今世界军事领域的关键技术。任何一种新的武器系统或装备,离开了新材料技术的支撑将无法存在和发展;任何一项作战能力目标的实现或武器效能的发挥,离开了新材料的研制和应用都将是纸上谈兵。也正是由于军用新材料技术对武器装备和军事威慑力量具有如此重要的意义,世界各国均十分重视有关新材料的开发和应用。