什么是钱学森弹道?

潘劲松香港泰泽

从这张图来的吧

和“水稻亩产万斤”以及“人体科学研究”共同成为钱老的三大著名学说并列,成为了目前弹道导弹研究的一个主流方向。

简单的说就是导弹的末端滑翔。传统的弹道导弹进入再入段的时候弹头成锥形形状直接沿着抛物线坠地;而能够末端滑翔的导弹弹头设计成升力体的形状,在进入大气层后依靠自身升力高速滑翔可以大大的增加导弹的射程,并且由于升力体结构是可控的飞行结构,因此导弹的轨迹更难以计算大大的增大了拦截的难度。

目前,中美俄都在进行这方面的研究,从研究成果上来看中国的研究还是领先于世界的整体水平的。

就科技名词来讲W君一直比较反对将人名放到技术术语里面。这样就只能记住一个人很难记住一件事情。对于所谓的“钱学森弹道”而言,也仅仅是“民间术语”并不是正式的科技术语。

而钱学森也并不是第一个提出这种弹道设想的人。在19世纪50年代就早有很多导弹和火箭专家提出了这个设想,钱只是其中的一个人而已。


所谓的导弹打水漂、再入段滑翔什么的真心不是问题的重点,重点在于再入段滑翔的最大难点在于弹头再入大气层的时候的角度控制,如果角度稍稍偏了几度就差之毫厘谬之千里了。对于这方面的研究起到最大贡献的还是电子控制技术。能够精确的控制弹头上的姿态发动机保证再入段弹头角度。


末端滑翔弹道的好处有二,其一是刚刚说的一个导弹的轨迹更难以计算大大的增大了拦截的难度。其二就是在末端导弹可机动控制对打击移动重点目标例如航母是有好处的。


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钱学森弹道并非打水漂弹道,打水漂式的是德国科学家欧根·桑格尔(Eugen Sänger)的桑格尔弹道,两者都被归为助推-滑翔弹道(Boost-glide trajectories)行列。其原理是弹道飞行器,在高空再入大气层时,达到一定角度时,高速挤压下方大气层,形成压力差可以产生一定的升力,从而提高滑翔性能,可以使弹道射程提高两倍。继续增加升力的话,可以再次进入外大气层,形成跳跃,从而继续进一步增加射程。

钱学森提出这一弹道模式,是在1943年在美国加州理工大学古根海姆航空实验室(当时32岁)跟他的两个同学一起,起草的一份火箭喷气推进实验计划中提出的一种设想。该计划后被美国陆军认可(那时候美国可没有空军),后发展响应德国火箭发展计划的JPL系列火箭,从某种意义上讲钱学森也可以说是美国火箭的奠基人之一。该计划的最早实验项目-Private火箭,1944年12月研制


而另外一个的桑格尔则要宏伟的多,奥地利航空工程师欧根·桑格尔在1936年就构思出一种亚轨道轰炸机的设计思想,该发动机爬上太空边缘,然后沿着高空大气层边缘进行跳跃。但是这种设想过于科幻,而且缺乏合理的模型进行佐证,当初更多是被认为一种科幻小说。

1939年,德国佩内明德火箭试验基地在进行高空火箭试验的时候,意外发现某些高空火箭射程比设计计算的更远,可以说意外的佐证了桑格尔的可能性,于是大受鼓舞的桑格尔在1941年提出了“银鸟”亚轨道轰炸机的设想,可以从德国起飞,利用打水漂前进的模式轰炸美国。

但是这一设想德国火箭项目负责人冯·布劳恩的猛烈批评,认为这种不切实际的科学幻想完全是种浪费(的确是科幻,亚轨道轰炸机到现在都还没做出来),而且跟其V-2火箭项目相冲突。最终德国在1942年底也放弃了这一项目,转而更加实际点的A-9/A-10导弹,但直至德国灭亡也没有完工。A-9/A-10导弹


而在二战后,这两种弹道模式实际上都进行了广泛的研究,苏联获得银鸟研究报告的副本,斯大林对此非常感兴趣,还指派克格勃试图对桑格尔进行绑架。这方面研究应用成果主要在太空飞船的返回领域,由于弹道模式可以延长返回段的时间,从而进行减速,从而可以避免短时间内下降与空气剧烈摩擦产生的过高热量。包括阿波罗飞船再入大气层都是采用桑格尔跳跃弹道模式来释放能量。所以题主所说的“钱学森弹道的垂直打击速度可以达到恐惧的6马赫”说法实际上并不准确,要是抛物线弹道下降的话可以更快的多,弹道导弹再入大气层速度可以达到10~21马赫。

而钱学森弹道的最早研究就是美国航天飞机,实际上如果桑格尔的“银鸟”真的造出来的话,一定会死的很惨,因为NASA在进行这类研究发现,传统机翼根本无法承受再入时的巨大压力,必须要特殊结构的升力体布局才能实现这一模式,那就是升力体研究。NASA的升力体研究试验机,只有这种怪异的造型才能充分利用这种弹道模式,像银鸟这种连后掠翼都未采用的,百分之一万会死的很惨。
升力的研究应用,最大的成果就是航天飞机,航天飞机的再入大气层阶段就是钱学森弹道的滑翔模式,来释放能量减速


而现在超高音速打击武器,包括我国的WU-14、美国的HTV-2、以及俄罗斯在研的YU-71等利用钱学森弹道模式升力体弹头,最主要是进行更加前沿的升力体研究,尽可能的提高升力和滑翔效果,提高打击距离。钱学森弹道只是飞行弹道模型,属于理论依据,更主要的研究内容是升力体气动研究和武器控制研究。WU-14高超音速武器设想图

高超音速打击武器使用钱学森弹道最主要目的是尽可能的提高射程


而现在我们在这个领域之所以能取得重大突破,完全不输美国的最主要原因,还是气动研究领域。特别重要的是高超音速风洞领域,要知道进行气动研究最好的平台就是风洞。而我们可以说是历经半个世纪的艰苦努力,建成了目前世界上唯一一座超高音速激波风洞--JF12风洞,可以复现2.5万米至4万米高空,马赫速度5-9的飞行条件、最大温度达到120度、喷管出口直径2.5米/1.5米、试验时间超过100毫秒。整个项目从1965年开始研究,直到2012年通过验收。

央视新闻中出现的JF-12风洞和高超音速模型


“十年寒窗无人问,一举成名天下知”,在高科技科研领域,所有取得成就和反超,都是建立在一代代科研工作者日复一日辛苦耕耘的基础之上的,而不是键盘侠们打打字,一吨乱喷就能喷上去的,嘴炮误国,实干兴邦。


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钱学森弹道是钱老在上世纪40年代的时候提出的一种新型的导弹弹道模型,它是一种

“助推-滑翔式”的弹道,这种弹道主要研究弹道导弹在自由飞行末段的一种弹道理论体系,很好的解决了导弹的增程问题,也使得弹道导弹的突防性和灵活性有了很大的提高。

1.提出背景

普通导弹弹道

那么钱老为什么会提出这种弹道理论呢?原因在于随着弹道导弹技术的发展,普通的导弹弹道射程已经达不到要求了,弹头在利用惯性自由飞行的时候,会受到地球引力、自身离心力以及哥氏惯性力的影响,在再入段的轨迹会变得更加垂直陡峭,从而影响射程,而且普通的弹道对导弹在再入大气层阶段的隔热性能要求更高,材料方面将需要更大的突破,所以正是为了解决这个问题,钱老就提出一种新的导弹弹道模型。

2.弹道原理

▲钱学森弹道原理图

钱学森弹道的核心就是“增程-滑翔”,意思就是让导弹的弹头进入到距离地面20-100公里高度的“临近空间”的时候,大气会对弹头再次产生一个升力,使弹头在滑翔一段时间后,再进入下方稠密的大气层,这样弹头的航程就增大了。至于为什么不会像普通弹道一样直接从大气层外一头栽进来,是因为

高速飞行的物体从真空环境进入到具有稀薄大气的环境时,稀薄的大气也会对弹头产生力的作用,只是这个力不足以让弹头重新飞出大气层,弹头的飞行轨迹还是会缓慢降低高度,达到了一种滑翔的状态,而这种滑翔的飞行状态就使导弹的航程大大增加了

3.弹道应用

▲基于这种弹道研究的各种武器

基于钱老这种弹道模型个各种研究成果,在今天已经应用在各种导弹和超高速武器上了,比如我们经常听到的DF-21反舰弹道导弹,就是使用了钱学森弹道的原理,还有传闻中的WU-14高超音速武器等。而美国这几年玩得很嗨的各种超高速打击武器,也是在“助推-滑翔”这种理论上研究的,还有就是俄罗斯的“白杨”导弹系列,这种突防性很强的洲际导弹,也少不了钱学森弹道理论的支持。

以上就是我个人对钱学森弹道的各种看法,至于题目中说的打水漂式的弹道,应该是图二中另一种弹道——Sanger弹道吧,这种弹道也是一种很经典的弹道理论体系,目前的超高速武器的研究基本是基于这两种弹道的。


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我们首先了解一下钱学森,他是吴越王钱镠的第33世孙,这个人是来国皇帝。钱学森是世界著名的科学家,空气学家。


早在上个世纪四十年代初,钱学森就提出了一种新型导弹弹道的设想,即"助推-滑翔"弹道。这种设计使导弹既有弹道导弹的突防性能力,又有飞航式导弹的灵活性,于是导弹的设计理念也被人们尊称为“钱学森弹道”


2017年11月,中国对新一代弹道导弹东风—17进行了两次试射。这是中国首次试射携带高超音速滑翔飞行器的弹道导弹。凭借着高超音速滑翔器带来的提速,导弹的速度将突破10马赫,完美展现了“钱学森弹道”的极致,一举成为世界最快的导弹!



据有关专家透漏,东风17最快将于2020年投入使用,这种弹道速度超过了10马赫,对美国的拦截武器将是致命打击,而且弹道的轨迹变化多端,根本就没法拦截。




而且滑翔式的攻击方式可以让它选择迂回,垂直,水平等多种攻击方式,多样化的攻击方式也使得导弹神秘莫测。如今多个国家都投入大量的人力物力研究这样的导弹。美国和俄罗斯已经走的比较快了,而我们也紧跟着步伐并在实际领域超过了他们,一旦我国将“钱学森弹道”技术吃透并大规模应用,将极大提升我国战略导弹的家族的威慑力与打击力。


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钱学森是我国非常著名的航天航空学家,在我国建国之初时的很多领域有着巨大的贡献,尤其是在航天方面。他在学术方面的成就和对航天行业的奉献精神,至今仍是一个传奇。而当今科技上的成果,很多也是建立在他设计思维的基础上研发的。钱学森弹道就是一个例子。

什么是钱学森弹道?在上世纪四十年代,军事方面的发展和现在的水平相比,有着天壤之别。当时在研究导弹时考虑到一个问题,如果不能控制弹头的飞行,那就可能会由于地有引力等各种因素无法完成理想的射程,并且还有直接一头栽下来的可能。如何能增加导弹的射程,并且提高弹头飞行灵活度?成了钱学森心中的一道题,于是他提出了类似打水漂式的说法,就是再增加一个助推段,通过反压作用,让弹头产生跳跃作用,形成一种打水漂似的轨迹,这样就既能延长整个射程,也提高了导弹弹头的灵活性。

由于轨迹类似打水漂,于是也就有人将钱学森弹道通俗易懂的比喻为 “打水漂”弹道。


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什么是钱学森弹道?

这是一个高深的问题,银杏来尝试回答。

看图,这是一张网络流传甚广的“错图”,或者说是容易误导错误的图。

钱学森弹道,并不是弹道,

它是钱学森钱老计算出的一种可洲际飞行的少燃耗高速模式。由于它仿佛是找到了另外一条通道,被比喻成弹道,并以钱老的名字命名。

要谈到钱学森导弹,可以通过先谈桑格尔弹道来了解。

飞行器从高空再入空气密集区,通过重力吸引加速,就会在下面形成高能激波,选择适当再入角的情况下,就可以弹起来,俗称“打水漂”。那么这就是桑格尔弹道。桑格尔弹道可以是一个水漂,也可以再下降反弹,产生多个水漂。

那么钱学森导弹呢?就是在桑格尔弹道的基础上,给飞行器添加自主动力,提供助推。目的是把弹道变得更低伸平直,以求更远。也就是“助推滑翔”模式。而这种变化并不被限为一次水漂。反而,钱老计算完成了具体的控制要求,通过对再入角的控制,可以实现多次水漂,并提出了以冲压发动机解决俯冲启动再次助推的明确方式。

因为这种飞行模式最初是给洲际客运飞行找到的新路线,被赞誉为新弹道,命名为钱学森弹道。那么上图只画了一次水漂,显然容易让读者产生误会。由于可控的反复能力,弹起的次数是可以很多的,反而桑格尔弹道更容易仅弹一次。



那么,介绍完钱学森弹道,再谈谈它的应用。在有人飞行之前,先有了无人飞行器的尝试。由于这种低伸平直的特点,可以让它给导弹提供更大的射程。并且,由于再入角选择的主动性,其低伸平直滑翔轨迹是不可预判的,这样就让弹头无法被提前计算轨迹,几乎不可拦截。另一个优点就是,由于它是低伸平直轨迹,不会被误判为其他弹道导弹。

前几天东风21D所在部队的军报上了报道,更换了升级版导弹,在新疆靶场两发两中,弹着点5米之内,为我国火箭军部队大扬军威。也纠正了美国此前报道为东风17的说法。



银杏智库

钱学森弹道,又名“助推—滑翔”弹道,简言之,即弹道式导弹在自由段飞行时,如何兼具飞行灵活性和突防能力。钱学森提出此问的时间是上世纪四十年代,引起了科学界广泛关注,有人形象地喻之打水漂,称作“钱学森弹道”。有人怀疑,中国东风-21即采用了这一原理设计。

进入自由段飞行,导弹发动机关闭,此际有三种力量作用于弹头,地球引力、地球自转产生的离心惯性力和哥氏惯性力。如果不能有效控制弹头飞行,不但射程变短,弹头现有材料也承受不了三力作用而发生一头栽下来的危险,为此,他提出再增加一个助推段,使弹头在助推滑翔一段后再入稠密的大气层,这样,在真空高速飞行的弹头进入高密度大气层时会有一个反压作用,产生跳跃作用,如打水漂式飞行,不但有效增加了射程,还使得弹头的飞行更具灵活性。

1970年中国长征2号c型火箭成功发射升空,即按照这一原理设计,运载能力由长征一号的300千克增加到3000千克,可靠性也大为增加,标志着钱学森弹道技术已然成熟,在国际发射市场占据一席之地,具有完全自主知识产权和较强国际竞争力。


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首先钱学森弹道这个说法目前没有被官方认可,也没有任何正式文献或者机构组织将这种类似水漂的弹道取名为钱学森弹道。不过大部分人希望当这种水漂似的运动轨迹被中国人实现而且广泛应用的时候,钱学森这个名字能够被这美丽异常的曲线永远传承下去。


这种类似打水漂的轨迹,确实是钱学森先生在20世纪40年代提出的设想。按照流体理论来说,我们小时候用扁平的石子打水漂和用高速物体在大气层上打水漂是一个原理。当高速运动物体接触流体,而流体因为自身稠密性质对外来物体产生排斥的支撑力。水是相当稠密的流体,一般来说如果子弹速度比较高,入射角度比较大的话会从水面上弹起来。钱学森弹道原理和这个类似,当物体高速冲入大气层,哪怕是非常稀薄的大气层末端都会对物体产生一个不小的相反阻力让冲入物体重新上升高度。

(普通弹道)

而目前人类的技术对于有再入需求的飞行物基本上只能做到抛物线,在很长一段时间以美俄中为首的国家都在想办法开发飞行物在大气层外做一些机动的技术。然而这些技术难度大,对机动过后的飞行物再次矫正轨道异常困难,开发过程并不顺利。目前俄罗斯在洲际导弹中段变轨的应用比较多,中国紧随其后。

随着人类的技术不断进步,现在已经有一定的能力让飞行体在滑翔过后,还有能力自行进行姿态控制以保证落地的精度。钱学森先生之前提出的设想终于大概率会在二十世纪上半页被应用。按照理论计算在同等条件下,单纯的抛物线轨道所需要的发射燃料能够让采用钱学森弹道的飞行器多30%的射程。

而中国进行了多次试射应该是在姿态控制等核心技术突破后,对各种乘波体的性质做各种测试以求获得最好的效果和最适合现在技术水平的乘波体类型。


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