[科普中国]-栅格翼

简介

栅格翼由众多薄的栅格壁镶嵌在边框内形成。栅格壁在边框内的布局形式是多样的，最基本的有两种，一种是框架式，一种是蜂窝式。蜂窝式又分为正置和斜置两种。目前得到最广泛应用的是斜置壁与边框成45°角的蜂窝式栅格翼。蜂窝式栅格翼作为空中飞行器和水上航行装置的升力面和控制面，可提高其升力特性，并且增加其稳定性和可控性，同时保证其在各飞行阶段具有足够的比强度、比刚度。

自20世纪40年代开始，苏联科学家对栅格翼的空气动力、结构、强度、质量以及工艺制造等方面开展了系统的理论和试验研究工作，但是由于当时对这种翼面的各种特性认识不足，栅格翼没有被广泛应用。

近年来，栅格翼重新引起了世界各国的重视，俄罗斯、美国、德国以及中国都加强了栅格翼理论研究和试验研制上作，并且得以在卫星、火箭和导弹上成功的应用。作为一种新型的承力稳定面和控制面，它必将得到越来越广泛的应用。1

栅格翼相对于平板翼的优越性对于为达到各种目的而研制的现代飞行器来说，经常要满足多种多样复杂的要求，有时甚至是自相矛盾的要求，传统平板翼已越来越不能满足设计要求，因而必须研究和使用新的升力面，栅格翼作为一种创新型的升力面就是其中的一种。

栅格翼与传统平板翼相比有一些自身特有的优势：

a)栅格翼的翼弦很短，压力中心在很宽的马赫数范围内的绝对移动量是一个小量，铰链力矩也是很小的，所以将栅格翼用作控制面时，其转向机构的功率很小，这将导致传动和电源等装置的质量减小，因而飞行器的质量可明显减小。

b)在较高马赫数的超声速气流中，在相同的外形尺寸下，栅格翼的升力面积比单翼的大得多。与平板翼相比，栅格翼的升力特性在超声速下比平板翼好得多。文献给出了结论：考虑展向相同的平板翼和栅格翼的法向力变化曲线，在2.5马赫时，栅格翼的法向力系数比平板翼高50%。与平板翼相比，栅格翼的阻力系数却要大得多，它的阻力系数是平板翼的4倍左右，这是它的主要缺点。

c)栅格翼作为承力面，最大的优点是具有高的强度-质量比。栅格翼是一个较短的悬臂梁，结构高度较大，与展长的尺寸相当而大大超过了翼弦，因而栅格翼的最大气动载荷作用面与结构的最大刚度面重合，而单面翼最大气动载荷作用面与最小刚度面重合，所以在与单面翼承受相同载荷条件下，栅格翼的质量可以大大减小，比实心的单翼轻3-5倍，比空心截面的单翼轻1-2倍；在翼展和升力面面积相同的条件下，当只考虑升力而不考虑阻力时，栅格翼的弯曲强度和刚度都比单面翼高许多。

d)栅格翼展向尺寸小，可以紧贴主体折叠安装，而不加大主体的外形尺寸。在很多情况下，栅格翼可以在自身的空气动力矩作用下自动地打开，也可以强制地打开，这也是传统平板翼做不到的。

比较栅格尾翼和两种典型的尾翼的一些主要特性，可以看出栅格尾翼在控制效率和铰链力矩特性方面优于传统平板翼，但是阻力系数和雷达散射截面RCS (radar cross section)特性不如平板翼。1

正是因为栅格翼相对于传统平板翼的这些优点，它受到了世界各国的重视，俄罗斯、美国、德国以及中国都加强了栅格翼的理论研究和试验研制工作，并且得以在卫星、火箭和导弹上成功的应用。就目前来说，栅格翼己经成功地应用到了联盟号宇宙飞船和神舟号宇宙飞船救生逃逸系统的稳定翼面上。然而，栅格翼的应用价值远远没有得到充分的发挥，俄罗斯、美国、德国目前己经把栅格翼用到了导弹武器上。研究表明，由于它既可作稳定翼，也可作为制导兵器的全动式舵翼，因而作为飞行器的稳定面和控制面，在升力特性、铰链力矩特性和外形尺寸方面都优于传统平板翼。它提供的升力较大，在较大的攻角和马赫数范围内都有很好的升力特性。它的尺寸较小，质量轻，弦向尺寸小，展弦比大，压力中心的绝对移动量很小，铰链力矩很小，可以采用较小的舵机，这些特点为战术导弹采用栅格翼提供了有利条件。1

国内外动态和发展趋势苏联俄罗斯20世纪20年代，以H.E.茹科夫斯基为首的BCHX委员会设计了高翼盒三机翼、双尾翼重型机，飞机经过了试飞，但未投入生产。此后，航空业就向单翼机方向发展了。

50年代初，苏联就对栅格翼进行了理论和试验研究工作，探讨了栅格翼气动特性的解析和工程计算方法：研究了风洞的实验技术；进行了大量的气动计算和实验；同时也开展了栅格翼的结构、强度、生产工艺的研究，形成了一套设计方法，并成功地将栅格翼用到联盟号宇宙飞船救生逃逸系统的稳定翼面上。

70年代开始，苏联科学家开始在导弹设计中应用栅格翼，特别是弹道导弹，如SS-12薄板战术弹道导弹、SS-20先锋战略导弹、SS-21圣甲虫B弹道导弹、SS-23蜘蛛战术弹道导弹以及SS-25镰刀洲际弹道导弹。到目前为止，栅格翼在导弹上最成功的应用是俄罗斯R-77中程空一空导弹。90年代初，俄罗斯首次在R-77空空系列导弹上采用4片栅格尾翼舵面取代常规的舵面，其突出的结构特点和空气动力特点受到了西方军事界的高度重视。导弹质心靠后一点装有4片固定式边条形小展弦比弹翼，以减小气动阻力，提高机动飞行时的稳定性：尾部是4个矩形栅格舵。R-77是世界上第1型采用栅格式尾翼舵面的空空导弹。栅格舵面取代传统的空气动力控制舵面，可以减轻尾翼质量、减少大攻角机动飞行时的气流分离、减小舵面气动铰链力矩，从而减小舵机功率、降低舵机能源、增大气动升力和控制力矩、提高低速飞行时的稳定性和高速飞行时的机动性。栅格式尾翼因为其结构形状和小弦长，可以紧贴弹体折叠，这样导弹结构更加紧凑，易于存储和运输。

俄军在“南方盾牌-2006"演习期间成功发射了一枚OTR-21圆点-U型短程弹道导弹。 OTR-21圆点-U型短程弹道导弹是俄陆军现役威力最为强大的武器系统之一，主要用于打击位于战场上和敌人后方的点目标。据悉，OTR-21拥有非常高的打击精度-圆概率偏差不超过10 m。俄罗斯圆点-U战术弹道导弹尾部也装有栅格翼，栅格翼气动控制与矢量控制方式配合使用，充分利用彼此的优点并且克服各自的不足。

最近俄罗斯推出的棒(Club)潜射巡航导弹，也采用了栅格尾翼布局，其弹体尾部带有4片栅格翼，未发射状态下紧贴弹体折叠，从鱼雷管射出后栅格翼打开，在水中静稳定地潜行，能够有效地解决潜射导弹水中发射稳定性问题。1

美国相对于苏联俄罗斯来说，美国开展栅格翼的工作比较晚，但是其发展非常快。20世纪90年代初，美国连续发表了多篇研究报告研究栅格翼应用的可行性，如，1993年发表了关于在无控火箭和反坦克导弹上安装栅格翼，用作空气动力的稳定面和控制面的可行性试验研究报告，还将它应用到一些超声速导弹上。

美国对栅格尾翼在导弹上的应用特点做了充分的评估，并且在栅格翼气动方面的数值计算上做了大量的工作，近年来也开展了试验验证工作。据其发表的报告显示，数值计算己能比较好地模拟实际情况。相互验证研究表明，误差在允许的范围之内。Karl S.Orthner, Ensign在其研究论文中指出，有限元分析所得栅格翼各种特性和试验结果相比较，误差均在10%以内。

由美国研制的栅格翼典型应用是其MOAB炸弹，它充分利用了栅格翼的可折叠性。MOAB炸弹尺寸较大，重达9t多，作战时由C-130运输，待发状态栅格翼紧贴弹体，发射时MOAB炸弹被推出货物仓到一个装有降落伞的特殊装置上，待释放装置后，栅格翼打开，控制MOAB炸弹利用GPS导航信号攻击指定目标。

栅格翼的另外一个应用是其小炸弹，如JDAM和小直径炸弹。小直径炸弹比常规炸弹轻，由GPS导航系统引导。这类型武器低速飞行时，利用的主要还是这种特殊翼结构可折叠，而非其空气动力特性或者是控制效率。1

中国中国自20世纪90年代初开始了对栅格翼的研究，并且己成功应用于神舟号宇宙飞船逃逸飞行器上。逃逸飞行器由逃逸塔、栅格翼、可分离头部整流罩、栅格翼展开机构等组成，其中栅格翼展开机构是保证逃逸飞行器静稳定性的特殊装置。

逃逸飞行器是一个无控飞行器。在39 km高度下的大气层中出现应急情况启动逃逸系统时，为了保证逃逸飞行器的气动稳定性，需要依靠4块展开的栅格翼将逃逸飞行器气动压心后移，以实现稳定飞行。栅格翼及其释放机构已成功地通过了CZ-2F逃逸飞行器零高度试验和最大速度头试验的考核，并参加了从神舟1号到神舟7号飞船的发射任务。

德国德国也开展了栅格翼的理论研究和试验研制工作。德国研制的高超声速导弹也采用了栅格舵。

综上所述，栅格翼正是由于其自身独特的空气动力特性，与单面翼相比在一定条件下具有一些特定的优势，才引起了广泛的运用和重视。随着各国对栅格翼理论研究和试验研制工作的深入，栅格翼将会在导弹、卫星、火箭以及舰艇上得到越来越广泛的应用。1