王繼新

2016年8月24日，朝鮮“北極星”KN-11潛射彈道導(dǎo)彈試驗成功，朝鮮也迅速公布了試驗相關(guān)照片。從照片中外界驚訝地發(fā)現(xiàn)，其與以往“北極星”導(dǎo)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(dǎo)彈上也曾出現(xiàn)，這讓外界質(zhì)疑是否借助柵格翼技術(shù)解決了導(dǎo)致朝鮮導(dǎo)彈一再失敗的問題。

朝鮮彈道導(dǎo)彈柵格翼情況

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

KN-02KN-02近程彈道導(dǎo)彈是朝鮮對蘇聯(lián)9K79“圓點”（SS-21“圣甲蟲”）戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的仿制，為單級固體燃料導(dǎo)彈，用于替換“蛙”7非制導(dǎo)火箭。據(jù)稱朝鮮從敘利亞獲取了SS-21導(dǎo)彈原型和數(shù)據(jù)，進行了逆向設(shè)計，但在設(shè)計中加入了朝鮮的設(shè)計，至少有一種原型保留了“圓點”導(dǎo)彈的柵格尾翼設(shè)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(dǎo)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(dǎo)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(shè)計。由于蘇聯(lián)SS-20“先鋒”導(dǎo)彈只采用4副柵格翼，因此朝鮮這種使用8副柵格翼的設(shè)計用于中程彈道導(dǎo)彈在全球范圍內(nèi)尚屬首次。估計“舞水端”導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)彈。由于“北極星”KN-11導(dǎo)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(dǎo)彈根部對稱配置的8副柵格翼聯(lián)動控制導(dǎo)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(dǎo)彈姿態(tài)。

2016年8月24日“北極星”潛射導(dǎo)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(shè)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(shè)計克服了兩款導(dǎo)彈的技術(shù)障礙。

現(xiàn)代導(dǎo)彈柵格翼技術(shù)發(fā)展

自20世紀40年代開始，蘇聯(lián)科學(xué)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(dāng)時對這種翼面的各種特性認識不足，柵格翼沒有被廣泛應(yīng)用。近年來，柵格翼重新引起了各國重視。

小型導(dǎo)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(fēng)洞的實驗技術(shù)，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(shè)計方法。除了飛船救生逃逸系統(tǒng)和彈道導(dǎo)彈之外，蘇/俄在導(dǎo)彈上最成功的柵格翼應(yīng)用是R-77中程空空導(dǎo)彈。90年代初，俄首次在R-77空空導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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?？臁?0世紀90年代初，美國開始考慮該技術(shù)的實際工程化應(yīng)用，與俄羅斯不同，其主要將該技術(shù)應(yīng)用在了航空炸彈上。美國研制的柵格翼典型應(yīng)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(yīng)用柵格翼技術(shù)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(dǎo)。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(dǎo)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(shù)還廣泛應(yīng)用在無控火箭和反坦克導(dǎo)彈，甚至多種子彈藥的設(shè)計上。

大型導(dǎo)彈70年代開始，蘇聯(lián)科學(xué)家開始在導(dǎo)彈設(shè)計中應(yīng)用柵格翼，特別是彈道導(dǎo)彈，如SS-12戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈、SS-20“先鋒”中程導(dǎo)彈、SS-25“白楊”戰(zhàn)略導(dǎo)彈，SS-21“圓點”和SS-23“蜘蛛”戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈等。這些導(dǎo)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(dǎo)彈均因技術(shù)落后和國際條約限制等原因而退役。其中最有特點的當(dāng)屬SS-20“先鋒”兩級中程彈道導(dǎo)彈，該導(dǎo)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(dǎo)彈的前身。

SS-20導(dǎo)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(dǎo)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(dāng)導(dǎo)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(dǎo)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(guān)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(shè)計，但在后來的SS-27“白楊”M上沒有再使用這一設(shè)計。在SS-20“先鋒”中程導(dǎo)彈和SS-25“白楊”戰(zhàn)略洲際導(dǎo)彈上使用柵格翼，可以說是該技術(shù)在導(dǎo)彈領(lǐng)域應(yīng)用的巔峰。

民用航天柵格翼技術(shù)除了在導(dǎo)彈和炸彈上使用外，在民用航天領(lǐng)域也有著較為成熟的應(yīng)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(yīng)急啟動。為保證逃逸飛行器的氣動穩(wěn)定性，設(shè)計人員為其設(shè)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)的偏轉(zhuǎn)改變尾流的噴射方向，進而改變導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)彈前端，通過噴射工質(zhì)改變導(dǎo)彈指向，比如“道爾”M1防空導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)彈飛行速度越快，舵面與空氣的相對速度就越快，作用在導(dǎo)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(dǎo)彈柵格翼技術(shù)的優(yōu)勢

柵格翼與普通平直板翼相比，其在技術(shù)上有諸多優(yōu)勢。

控制能力強將柵格尾翼用作導(dǎo)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(dǎo)致傳動和電源等裝置的質(zhì)量減小，而導(dǎo)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(dǎo)彈的氣動操縱面設(shè)在導(dǎo)彈的尾部。

機動性更好由于導(dǎo)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(dǎo)彈的重心前移到前部，這樣將氣動操縱面設(shè)置在導(dǎo)彈尾部就可以為導(dǎo)彈提供更大的操縱力矩，提高導(dǎo)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(dǎo)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(shè)置在從軍艦或潛艇發(fā)射的導(dǎo)彈上，或設(shè)置在飛機機艙內(nèi)的導(dǎo)彈上。導(dǎo)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(dǎo)彈。例如，俄羅斯將使用柵格翼的R-77導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)彈設(shè)計中需要考慮。

朝鮮彈道導(dǎo)彈柵格翼應(yīng)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(dǎo)彈設(shè)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(shè)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(dǎo)彈和“北極星”潛射導(dǎo)彈的最初技術(shù)來源都是蘇聯(lián)的SS-N-6，因此兩者的總體設(shè)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(shè)計仍沿用了與“舞水端”相近的設(shè)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(dǎo)致其在燃料消耗后導(dǎo)彈質(zhì)心偏離，而由于朝鮮工藝設(shè)計問題導(dǎo)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(dǎo)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(shè)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(dǎo)彈克服技術(shù)障礙的確發(fā)揮了重要所用。

從蘇聯(lián)的經(jīng)驗來看，當(dāng)年蘇聯(lián)在中遠程彈道導(dǎo)彈上加裝格柵尾翼，主要是由于當(dāng)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(shù)，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(shè)計中拋棄了這種設(shè)計，說明格柵尾翼在彈道導(dǎo)彈設(shè)計中只是初級技術(shù)階段的替代技術(shù)，其直接影響就是由于增大了阻力，在一定程度上縮短了導(dǎo)彈最大射程。但對于“舞水端”和“北極星”導(dǎo)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(dǎo)彈飛行的穩(wěn)定性，因此在射程上有一些損失也是值得的。