导弹在设计中，常用的气动布局方案有哪些？各
一、引言
我们知道飞机有很多种常用的布局方式，如被绝大多数民航飞机采用，稳定性特别好的常规布局方案，如在我国歼十、歼二十上发出闪耀的光芒，机动性能好的鸭式布局方案，再如直接让美国B-2隐身轰炸机获得了幽灵的外号，隐身性能特别好的飞翼布局......
飞机上几种常用的气动布局形式
那么在导弹的设计中需不需要考虑这些布局方案呢？答案是肯定的，导弹也要考虑气动外形的布局方式，不过导弹又与飞机有很大的区别。导弹的气动布局通常有两种分类方法：一种是与飞机类似的，弹身纵向翼面的配置方式，另一种是弹身周向翼面的配置方式。
二、导弹的纵向翼面配置形式按导弹翼面的纵向相对位置的不同，导弹气动布局可分为以下4类。
1、正常式布局
这种布局方式是与飞机的常规布局方案基本相同。弹翼配置在弹身中段，舵配置在质心之后的弹身尾段，静稳定时平衡状态下的空气舵偏转角与攻角的转动方向相反，因而舵面偏转产生的升力方向与导弹由攻角产生的方向相反，使全弹升力减小，响应特性相对较慢，这会在一定程度上影响导弹的响应特性。但是正常式布局也有很多优点，由于空气舵的有效攻角小（正常式布局导弹的舵面有效攻角为弹身攻角与舵偏角之差），所以空气舵的受载小，铰链力矩也相应较小。另外，因为弹翼相对弹体是固定的，对后面舵面的下洗影响相对较小，故气动耦合以及非线性问题也相对较小。正常式气动布局是战术导弹中广泛采用的形式，英国近程低空防空导弹“海狼”（Seawolf）、俄罗斯空空导弹R-37，法国FSASAster，美国MavericksAGM-65等。
几种典型的正常式布局的导弹外形图，依次为英国海狼，俄罗斯R-37，法国FSASAster，美国MavericksAGM-65
在正常式气动布局的导弹中，有一类采用了栅格式空气舵控制，此设计理念是由前苏联自动化系统研究院提出的，最先用在“蝰蛇”（Adder）AA-12导弹上。栅格舵的优点是在超声速时铰链力矩小、控制效率高。栅格舵可以用很小的尺寸做出有效的控制，铰链力矩相对较小，使得执行机构的尺寸小、质量轻，并使得导弹具有较高的机动性。栅格舵的亚声速阻力与传统的飞行控制方式相当，但在跨声速段阻力较大，而控制效率又较低；另外，这种气动布局的雷达截面较大，隐身性较差。总之，栅格舵适合高速和超高速导弹，曾应用在俄罗斯的导弹上，如SS-12，SS-20，SS-21，SS-25，我国神舟飞船的逃逸飞行器也使用了栅格尾翼，某型固体小运载的一级火箭控制也使用了栅格舵。
蝰蛇导弹，正常式布局，尾翼使用了栅格翼
2、鸭式布局
和正常式相反，此种布局形式是空气舵位于质心之前的弹身头部，翼面位于弹身后部，平衡状态下的舵偏角与导弹攻角转向相同，使弹体的总升力增加，有利于提高导弹的响应特性。由于控制系统位置靠前，故舵机和操纵机构安排也比较方便，但在攻角和侧滑角同时存在时，不对称的下洗流作用在弹翼上将引起较大滚动力矩；另外，由于鸭式舵差动时，舵面后缘逸出的尾涡将在弹翼上形成不对称流场，产生的诱导滚动力矩将减小甚至抵消鸭式舵产生的滚动控制力矩，所以一般在设计上取消了弹翼，并设计适当面积的尾翼补偿因取消弹翼之后造成的升力下降。
典型鸭式布局空空导弹外形
但是这种布局也有很大的缺点，由于鸭式舵的合成攻角为导弹攻角与舵偏角之和，故只能偏转较小的角度，否则有失速的危险。那怎么缓解这一问题呢？科学家们在鸭式舵的前面加装固定翼面，这样就可以在一定程度上改变气流的方向，从而可以变相的减小鸭翼的攻角，进而缓解大攻角时的诱导滚动问题，这种气动布局后来称为拼合鸭式布局。另外，自由滚动尾翼也可缓解大攻角时的诱导滚动问题，如以色列的“怪蛇”(Python-4)导弹就应用了该项技术。
拼合鸭式布局，头部第一层固定翼面是为了改变气流方向，从而减小鸭翼舵面的合成攻角
各种类型的拼合鸭式布局的导弹
3、旋转弹翼
旋转弹翼布局就是位于质心附近的弹翼作为可活动偏转的控制部件了，又称可动弹翼式，这种配置形式通过弹翼旋转，改变弹翼的法向力，对控制信号的响应特别快，尤其是侧滑转弯时更是如此。但是，该类气动布局也有几个明显的缺点，比如铰链力矩大，阻力增加也比较大，翼面旋转产生的诱导滚动力矩高。弹翼偏转时，强烈的涡流对导弹的静稳定性和控制具有副作用。在大攻角时，附加的弹身涡流可能从圆柱体弹身倒流到头部。弹翼的后部与弹身尺寸相近处容易产生来自弹翼的强烈涡流，与尾翼相互作用，从而影响稳定性和控制效能。
旋转弹翼的导弹示意图
由于旋转弹翼这种布局的缺点甚至比优点还要多，因此这种布局方案在现代的导弹中被越来越少的采用。采用这种气动布局式的导弹主要是上世纪80年代以前，美国的一些老式的采用冲压发动机的导弹和射程比较近的小型地空导弹和空空导弹。
4、无尾式
与飞机的无尾布局类似，取消尾翼，弹翼延伸至尾部，也即为导弹的无尾式布局。这种气动布局翼展较小，为保持大的弹翼面积，通常将翼根弦设计得较长。导弹的空气舵一般布置在接近弹的底部，结构上把弹翼和舵面连接为一体，气动特性更好。
无尾式布局导弹
无尾布局是由正常式气动布局演变出来的一种气动布局形式，弹翼的前后移动对导弹的稳定性影响很大，弹翼后移容易导致过大的静稳定，为获取一定的法向力，需要空气舵偏转的角度很大；弹翼前移，又容易出现静不稳定，或者控制效率很低，所以这种布局在结构布置和部位安排上常会遇到困难。为了提高控制效率，这种布置形式有时安装反安定面。无尾式布局适合于机动性要求较高的高空高速飞行的战术导弹，如美国早期的“霍克”(Hawk)防空导弹就是这种布局。
美国霍克防空导弹
三、导弹周向的翼面布局方式对于飞机来说，一般都是只有两片大大的机翼布置在机身两侧。因此我们平常所说的飞机的气动布局形式一般都是指飞机的纵向布局。而对于小巧的导弹来说，可能就远远不止两片弹翼了，可能环绕导弹一周布置的都是弹翼。因此，对于导弹的气动布局，我们不仅仅要考虑纵向的，还要考虑导弹的周向翼面布局形式。
翼面在弹身周向的配置形式常用的又有两种方案，一种是与飞机类似的平面配置方案。这种方案的特点是导弹只有一对翼展，对称地配置在弹身两侧的同一平面内。另一种是空间配置方案，弹翼对称地配置在弹身四周，根据弹翼之间的夹角与配置不同，又分为“十”形、“X”和“H”形等。
导弹弹翼周向布置的几种形式
对于导弹尾部弹翼配置设计，除采用固定翼配置之外，导弹还采用折叠安排（如折叠、转弧、弹射）。对于静稳定设计的导弹至少需要3块尾翼，考虑到弹翼与控制舵面，4块弹翼是典型的配置。对于倾斜转弯机动，通常使用2块弹翼至少3块尾翼。如果尾翼多于6片，则是因为与发射平台结合时的跨度尺寸限制或者尽量减少因湍流引起的滚动力矩。
导弹尾部弹翼配置设计示意图
对翼面进行折叠，可减少跨度尺寸要求及满足与发射架配合的紧凑运输。折叠翼面通常有驱动器，在导弹与发射架分离之后，驱动器展开折叠翼，如AGM-86巡航导弹具有折叠弹翼。另外用于紧凑运输的还有转弧翼，特别适合筒式发射。第三种是继电弹射翼面，发射之前压缩在导弹内部，与发射架分离之后，继电翼面弹开，战斧巡航导弹BGM-109就具有弹射翼。
1、平面配置的特点
采用平面配置的形式有许多优点：第一，它的阻力小，重量轻，适合巡航导弹、无人驾驶飞行器；第二，这类导弹在使用协调转弯进行机动飞行时，升力对准目标，战斗部可采用定向爆炸结构，有利于减轻导弹的结构质量；第三，对于机载导弹，这种弹翼配置在母机上悬挂方便，结构紧凑。
美国战斧巡航导弹
2、空间配置的特点
对于两对翼面相互垂直呈“十”形和叉字“X”形，这两种布置形式的特点是通过偏转舵面，获得相应的攻角和侧滑角而产生所需的法向力，因此各个方向都能产生同样大小的升力。这两种类型的布局可以获得较大的法向过载，具有良好的机动性，所以广泛应用于各种战术导弹中。
美国标枪导弹
对于在空气舵的操控分配方面，“X”形配置比“十”形配置要复杂些，但因为相对具有较高的气动操纵效率，大多数导弹采用了“X”形配置。近年来，随着多片翼布局技术的出现，一些导弹为了增加法向过载，提高机动性，往往采用多片弹翼布局。如便携式反坦克导弹“标枪”采用了8片弹翼。“H”形配置主要以平面配置为主，美国“标枪”导弹采用了这种配置，可以适当增加航向的稳定性和机动能力。
四、总结
我们知道，在飞机的布局设计中，没有一种布局形式是万能的。追求机动性，往往就难以兼顾隐身性能，反过来追求隐身性能，往往就会极大的损失机动性能。因此设计师们需要针对具体的飞机应用需求来选择合适的布局形式，需要在各种性能之间做出取舍与权衡。这也是战机为什么要分侦察机、运输机、战斗机、轰炸机等众多种类的原因。
弹道导弹
导弹也是如此，远程弹道导弹通常没有弹翼，空空导弹通常采用鸭式布局，巡航导弹通常采用与飞机类似的“一”字形布局...... 没有十全十美的布局，也没有打遍天下无敌手的导弹。一款导弹究竟要长什么模样，决定权在设计师手里，但又不在设计师手里。从哪里打？打到什么地方？打什么目标？搞清楚这些需求，一款导弹的大致外形实际上就已经确定一半了。
（文/云端风火）