什麼是錢學森彈道?

潘勁松香港泰澤


什麼是錢學森彈道呢?用簡單的話說,就是一種助推-滑翔彈道。錢學森錢老是中國的航天之父,兩彈元勳,是中華民族的脊樑,當之無愧的民族英雄。在20世紀40年代,錢學森還為回國就和兩個同事一起,提出了一種助推-滑翔彈道,經過不斷髮展,後來外國人稱這種神奇的導彈為錢學森彈道。



其實,現在的一些再入式半彈道航天器的彈道就源自於錢學森彈道。錢學森彈道最大的特點就是將傳統的彈道導彈和飛航式導彈的彈道軌跡相結合,使之既有彈道導彈的突防性能的同時還擁有飛航式導彈靈活的機動性能。


錢學森彈道的基本原理也比較特殊,是讓彈頭在臨近空間進行滑翔增程,然後再進入大氣層。要滿足這樣的要求,普通的彈頭已經行不通了,於是就要重新設計彈頭,使其具備滑翔性能。由於充分利用了空氣動力學原理和滑翔效應,神奇的錢學森彈道按照其特性命名為助推-滑翔彈道,可以大大提高彈道導彈彈頭再入段的突防性能。

除此之外,有一個厲害的德國人叫做sanger,他在錢學森彈道的基礎上又發明了一種神奇的跳躍式彈道。他發明的這種彈道原理非常簡單,就和我們小時候玩的打水漂一樣,只不過sanger更高級一點,用的是導彈打水漂。sanger的彈道也有著自己的特點,雖然不如錢學森彈道這麼簡潔,但是其計算量卻比錢學森彈道要小,在某些方面有著自己的優勢。


在錢學森的帶領下,中國的導彈和航天事業飛速發展,在此後的幾十年中,我國將其廣泛用於導彈研發。其中最具有代表性的就是我們熟知的航母殺手“東風-21”系列反艦彈道導彈。本來,彈道導彈很難用於攻擊軍艦這種可以移動的目標,但是東風-21在利用錢學森彈道之後,進入大氣層之後有一段滑翔機動,可以像巡航導彈一樣做一段巡航飛行鎖定目標,給某國的航母致命一擊。
當年錢學森回國的時候美國海軍司令就說過錢學森抵得上5個師,在我看來這句話遠遠不能表達錢老的能力和貢獻,如果沒有錢老,中國的衛星將沒有運載平臺,核彈頭造出來也打不出去,無法真正進行核威懾。錢老對於中華民族的貢獻無法估量,後人應該永遠銘記這座豐碑。


軍事噠噠噠


錢學森彈道並非打水漂彈道,打水漂式的是德國科學家歐根·桑格爾(Eugen Sänger)的桑格爾彈道,兩者都被歸為助推-滑翔彈道(Boost-glide trajectories)行列。其原理是彈道飛行器,在高空再入大氣層時,達到一定角度時,高速擠壓下方大氣層,形成壓力差可以產生一定的升力,從而提高滑翔性能,可以使彈道射程提高兩倍。繼續增加升力的話,可以再次進入外大氣層,形成跳躍,從而繼續進一步增加射程。

錢學森提出這一彈道模式,是在1943年在美國加州理工大學古根海姆航空實驗室(當時32歲)跟他的兩個同學一起,起草的一份火箭噴氣推進實驗計劃中提出的一種設想。該計劃後被美國陸軍認可(那時候美國可沒有空軍),後發展響應德國火箭發展計劃的JPL系列火箭,從某種意義上講錢學森也可以說是美國火箭的奠基人之一。

該計劃的最早實驗項目-Private火箭,1944年12月研製


而另外一個的桑格爾則要宏偉的多,奧地利航空工程師歐根·桑格爾在1936年就構思出一種亞軌道轟炸機的設計思想,該發動機爬上太空邊緣,然後沿著高空大氣層邊緣進行跳躍。但是這種設想過於科幻,而且缺乏合理的模型進行佐證,當初更多是被認為一種科幻小說。

1939年,德國佩內明德火箭試驗基地在進行高空火箭試驗的時候,意外發現某些高空火箭射程比設計計算的更遠,可以說意外的佐證了桑格爾的可能性,於是大受鼓舞的桑格爾在1941年提出了“銀鳥”亞軌道轟炸機的設想,可以從德國起飛,利用打水漂前進的模式轟炸美國。

但是這一設想德國火箭項目負責人馮·布勞恩的猛烈批評,認為這種不切實際的科學幻想完全是種浪費(的確是科幻,亞軌道轟炸機到現在都還沒做出來),而且跟其V-2火箭項目相沖突。最終德國在1942年底也放棄了這一項目,轉而更加實際點的A-9/A-10導彈,但直至德國滅亡也沒有完工。A-9/A-10導彈


而在二戰後,這兩種彈道模式實際上都進行了廣泛的研究,蘇聯獲得銀鳥研究報告的副本,斯大林對此非常感興趣,還指派克格勃試圖對桑格爾進行綁架。這方面研究應用成果主要在太空飛船的返回領域,由於彈道模式可以延長返回段的時間,從而進行減速,從而可以避免短時間內下降與空氣劇烈摩擦產生的過高熱量。包括阿波羅飛船再入大氣層都是採用桑格爾跳躍彈道模式來釋放能量。所以題主所說的“錢學森彈道的垂直打擊速度可以達到恐懼的6馬赫”說法實際上並不準確,要是拋物線彈道下降的話可以更快的多,彈道導彈再入大氣層速度可以達到10~21馬赫。而錢學森彈道的最早研究就是美國航天飛機,實際上如果桑格爾的“銀鳥”真的造出來的話,一定會死的很慘,因為NASA在進行這類研究發現,傳統機翼根本無法承受再入時的巨大壓力,必須要特殊結構的升力體佈局才能實現這一模式,那就是升力體研究。

NASA的升力體研究試驗機,只有這種怪異的造型才能充分利用這種彈道模式,像銀鳥這種連後掠翼都未採用的,百分之一萬會死的很慘。升力的研究應用,最大的成果就是航天飛機,航天飛機的再入大氣層階段就是錢學森彈道的滑翔模式,來釋放能量減速


而現在超高音速打擊武器,包括我國的WU-14、美國的HTV-2、以及俄羅斯在研的YU-71等利用錢學森彈道模式升力體彈頭,最主要是進行更加前沿的升力體研究,儘可能的提高升力和滑翔效果,提高打擊距離。錢學森彈道只是飛行彈道模型,屬於理論依據,更主要的研究內容是升力體氣動研究和武器控制研究。WU-14高超音速武器設想圖高超音速打擊武器使用錢學森彈道最主要目的是儘可能的提高射程


而現在我們在這個領域之所以能取得重大突破,完全不輸美國的最主要原因,還是氣動研究領域。特別重要的是高超音速風洞領域,要知道進行氣動研究最好的平臺就是風洞。而我們可以說是歷經半個世紀的艱苦努力,建成了目前世界上唯一一座超高音速激波風洞--JF12風洞,可以復現2.5萬米至4萬米高空,馬赫速度5-9的飛行條件、最大溫度達到120度、噴管出口直徑2.5米/1.5米、試驗時間超過100毫秒。整個項目從1965年開始研究,直到2012年通過驗收。央視新聞中出現的JF-12風洞和高超音速模型


“十年寒窗無人問,一舉成名天下知”,在高科技科研領域,所有取得成就和反超,都是建立在一代代科研工作者日復一日辛苦耕耘的基礎之上的,而不是鍵盤俠們打打字,一噸亂噴就能噴上去的,嘴炮誤國,實幹興邦。


五嶽掩赤城


我們首先了解一下錢學森,他是吳越王錢鏐的第33世孫,這個人是來國皇帝。錢學森是世界著名的科學家,空氣學家。


早在上個世紀四十年代初,錢學森就提出了一種新型導彈彈道的設想,即"助推-滑翔"彈道。這種設計使導彈既有彈道導彈的突防性能力,又有飛航式導彈的靈活性,於是導彈的設計理念也被人們尊稱為“錢學森彈道”


2017年11月,中國對新一代彈道導彈東風—17進行了兩次試射。這是中國首次試射攜帶高超音速滑翔飛行器的彈道導彈。憑藉著高超音速滑翔器帶來的提速,導彈的速度將突破10馬赫,完美展現了“錢學森彈道”的極致,一舉成為世界最快的導彈!



據有關專家透漏,東風17最快將於2020年投入使用,這種彈道速度超過了10馬赫,對美國的攔截武器將是致命打擊,而且彈道的軌跡變化多端,根本就沒法攔截。




而且滑翔式的攻擊方式可以讓它選擇迂迴,垂直,水平等多種攻擊方式,多樣化的攻擊方式也使得導彈神秘莫測。如今多個國家都投入大量的人力物力研究這樣的導彈。美國和俄羅斯已經走的比較快了,而我們也緊跟著步伐並在實際領域超過了他們,一旦我國將“錢學森彈道”技術吃透並大規模應用,將極大提升我國戰略導彈的家族的威懾力與打擊力。


叨叨娛樂團


從這張圖來的吧

和“水稻畝產萬斤”以及“人體科學研究”共同成為錢老的三大著名學說並列,成為了目前彈道導彈研究的一個主流方向。

簡單的說就是導彈的末端滑翔。傳統的彈道導彈進入再入段的時候彈頭成錐形形狀直接沿著拋物線墜地;而能夠末端滑翔的導彈彈頭設計成升力體的形狀,在進入大氣層後依靠自身升力高速滑翔可以大大的增加導彈的射程,並且由於升力體結構是可控的飛行結構,因此導彈的軌跡更難以計算大大的增大了攔截的難度。

目前,中美俄都在進行這方面的研究,從研究成果上來看中國的研究還是領先於世界的整體水平的。

就科技名詞來講W君一直比較反對將人名放到技術術語裡面。這樣就只能記住一個人很難記住一件事情。對於所謂的“錢學森彈道”而言,也僅僅是“民間術語”並不是正式的科技術語。

而錢學森也並不是第一個提出這種彈道設想的人。在19世紀50年代就早有很多導彈和火箭專家提出了這個設想,錢只是其中的一個人而已。


所謂的導彈打水漂、再入段滑翔什麼的真心不是問題的重點,重點在於再入段滑翔的最大難點在於彈頭再入大氣層的時候的角度控制,如果角度稍稍偏了幾度就差之毫釐謬之千里了。對於這方面的研究起到最大貢獻的還是電子控制技術。能夠精確的控制彈頭上的姿態發動機保證再入段彈頭角度。


末端滑翔彈道的好處有二,其一是剛剛說的一個導彈的軌跡更難以計算大大的增大了攔截的難度。其二就是在末端導彈可機動控制對打擊移動重點目標例如航母是有好處的。


軍武數據庫


錢學森是我國非常著名的航天航空學家,在我國建國之初時的很多領域有著巨大的貢獻,尤其是在航天方面。他在學術方面的成就和對航天行業的奉獻精神,至今仍是一個傳奇。而當今科技上的成果,很多也是建立在他設計思維的基礎上研發的。錢學森彈道就是一個例子。

什麼是錢學森彈道?在上世紀四十年代,軍事方面的發展和現在的水平相比,有著天壤之別。當時在研究導彈時考慮到一個問題,如果不能控制彈頭的飛行,那就可能會由於地有引力等各種因素無法完成理想的射程,並且還有直接一頭栽下來的可能。如何能增加導彈的射程,並且提高彈頭飛行靈活度?成了錢學森心中的一道題,於是他提出了類似打水漂式的說法,就是再增加一個助推段,通過反壓作用,讓彈頭產生跳躍作用,形成一種打水漂似的軌跡,這樣就既能延長整個射程,也提高了導彈彈頭的靈活性。

由於軌跡類似打水漂,於是也就有人將錢學森彈道通俗易懂的比喻為 “打水漂”彈道。

錢學森彈道這個設想目前未被任何研究機構的認證,在一定程度上講屬於無解學說。但不可否認的是,後來的很多軍事武器上的創新都來源於這個設想。德國人的skip的部分設計思維就是來源於錢學森彈道的思維。希望我們中國的科學家,能從中得到更寶貴的經驗。或許解開這個設想,能推動整個航天界的大進步。


利刃軍事


什麼是錢學森彈道?

這是一個高深的問題,銀杏來嘗試回答。

看圖,這是一張網絡流傳甚廣的“錯圖”,或者說是容易誤導錯誤的圖。

錢學森彈道,並不是彈道,它是錢學森錢老計算出的一種可洲際飛行的少燃耗高速模式。由於它彷彿是找到了另外一條通道,被比喻成彈道,並以錢老的名字命名。

要談到錢學森導彈,可以通過先談桑格爾彈道來了解。

飛行器從高空再入空氣密集區,通過重力吸引加速,就會在下面形成高能激波,選擇適當再入角的情況下,就可以彈起來,俗稱“打水漂”。那麼這就是桑格爾彈道。桑格爾彈道可以是一個水漂,也可以再下降反彈,產生多個水漂。

那麼錢學森導彈呢?就是在桑格爾彈道的基礎上,給飛行器添加自主動力,提供助推。目的是把彈道變得更低伸平直,以求更遠。也就是“助推滑翔”模式。而這種變化並不被限為一次水漂。反而,錢老計算完成了具體的控制要求,通過對再入角的控制,可以實現多次水漂,並提出了以衝壓發動機解決俯衝啟動再次助推的明確方式。

因為這種飛行模式最初是給洲際客運飛行找到的新路線,被讚譽為新彈道,命名為錢學森彈道。那麼上圖只畫了一次水漂,顯然容易讓讀者產生誤會。由於可控的反覆能力,彈起的次數是可以很多的,反而桑格爾彈道更容易僅彈一次。



那麼,介紹完錢學森彈道,再談談它的應用。在有人飛行之前,先有了無人飛行器的嘗試。由於這種低伸平直的特點,可以讓它給導彈提供更大的射程。並且,由於再入角選擇的主動性,其低伸平直滑翔軌跡是不可預判的,這樣就讓彈頭無法被提前計算軌跡,幾乎不可攔截。另一個優點就是,由於它是低伸平直軌跡,不會被誤判為其他彈道導彈。

前幾天東風21D所在部隊的軍報上了報道,更換了升級版導彈,在新疆靶場兩發兩中,彈著點5米之內,為我國火箭軍部隊大揚軍威。也糾正了美國此前報道為東風17的說法。



銀杏智庫


錢學森彈道,又名“助推—滑翔”彈道,簡言之,即彈道式導彈在自由段飛行時,如何兼具飛行靈活性和突防能力。錢學森提出此問的時間是上世紀四十年代,引起了科學界廣泛關注,有人形象地喻之打水漂,稱作“錢學森彈道”。有人懷疑,中國東風-21即採用了這一原理設計。

進入自由段飛行,導彈發動機關閉,此際有三種力量作用於彈頭,地球引力、地球自轉產生的離心慣性力和哥氏慣性力。如果不能有效控制彈頭飛行,不但射程變短,彈頭現有材料也承受不了三力作用而發生一頭栽下來的危險,為此,他提出再增加一個助推段,使彈頭在助推滑翔一段後再入稠密的大氣層,這樣,在真空高速飛行的彈頭進入高密度大氣層時會有一個反壓作用,產生跳躍作用,如打水漂式飛行,不但有效增加了射程,還使得彈頭的飛行更具靈活性。

1970年中國長征2號c型火箭成功發射升空,即按照這一原理設計,運載能力由長征一號的300千克增加到3000千克,可靠性也大為增加,標誌著錢學森彈道技術已然成熟,在國際發射市場佔據一席之地,具有完全自主知識產權和較強國際競爭力。


魂舞大漠


首先錢學森彈道這個說法目前沒有被官方認可,也沒有任何正式文獻或者機構組織將這種類似水漂的彈道取名為錢學森彈道。不過大部分人希望當這種水漂似的運動軌跡被中國人實現而且廣泛應用的時候,錢學森這個名字能夠被這美麗異常的曲線永遠傳承下去。


這種類似打水漂的軌跡,確實是錢學森先生在20世紀40年代提出的設想。按照流體理論來說,我們小時候用扁平的石子打水漂和用高速物體在大氣層上打水漂是一個原理。當高速運動物體接觸流體,而流體因為自身稠密性質對外來物體產生排斥的支撐力。水是相當稠密的流體,一般來說如果子彈速度比較高,入射角度比較大的話會從水面上彈起來。錢學森彈道原理和這個類似,當物體高速衝入大氣層,哪怕是非常稀薄的大氣層末端都會對物體產生一個不小的相反阻力讓衝入物體重新上升高度。

(普通彈道)

而目前人類的技術對於有再入需求的飛行物基本上只能做到拋物線,在很長一段時間以美俄中為首的國家都在想辦法開發飛行物在大氣層外做一些機動的技術。然而這些技術難度大,對機動過後的飛行物再次矯正軌道異常困難,開發過程並不順利。目前俄羅斯在洲際導彈中段變軌的應用比較多,中國緊隨其後。

隨著人類的技術不斷進步,現在已經有一定的能力讓飛行體在滑翔過後,還有能力自行進行姿態控制以保證落地的精度。錢學森先生之前提出的設想終於大概率會在二十世紀上半頁被應用。按照理論計算在同等條件下,單純的拋物線軌道所需要的發射燃料能夠讓採用錢學森彈道的飛行器多30%的射程。

而中國進行了多次試射應該是在姿態控制等核心技術突破後,對各種乘波體的性質做各種測試以求獲得最好的效果和最適合現在技術水平的乘波體類型。


軍情解析


錢學森彈道是錢老在上世紀40年代的時候提出的一種新型的導彈彈道模型,它是一種“助推-滑翔式”的彈道,這種彈道主要研究彈道導彈在自由飛行末段的一種彈道理論體系,很好的解決了導彈的增程問題,也使得彈道導彈的突防性和靈活性有了很大的提高。

1.提出背景

普通導彈彈道

那麼錢老為什麼會提出這種彈道理論呢?原因在於隨著彈道導彈技術的發展,普通的導彈彈道射程已經達不到要求了,彈頭在利用慣性自由飛行的時候,會受到地球引力、自身離心力以及哥氏慣性力的影響,在再入段的軌跡會變得更加垂直陡峭,從而影響射程,而且普通的彈道對導彈在再入大氣層階段的隔熱性能要求更高,材料方面將需要更大的突破,所以正是為了解決這個問題,錢老就提出一種新的導彈彈道模型。

2.彈道原理

▲錢學森彈道原理圖

錢學森彈道的核心就是“增程-滑翔”,意思就是讓導彈的彈頭進入到距離地面20-100公里高度的“臨近空間”的時候,大氣會對彈頭再次產生一個升力,使彈頭在滑翔一段時間後,再進入下方稠密的大氣層,這樣彈頭的航程就增大了。至於為什麼不會像普通彈道一樣直接從大氣層外一頭栽進來,是因為高速飛行的物體從真空環境進入到具有稀薄大氣的環境時,稀薄的大氣也會對彈頭產生力的作用,只是這個力不足以讓彈頭重新飛出大氣層,彈頭的飛行軌跡還是會緩慢降低高度,達到了一種滑翔的狀態,而這種滑翔的飛行狀態就使導彈的航程大大增加了

3.彈道應用

▲基於這種彈道研究的各種武器

基於錢老這種彈道模型個各種研究成果,在今天已經應用在各種導彈和超高速武器上了,比如我們經常聽到的DF-21反艦彈道導彈,就是使用了錢學森彈道的原理,還有傳聞中的WU-14高超音速武器等。而美國這幾年玩得很嗨的各種超高速打擊武器,也是在“助推-滑翔”這種理論上研究的,還有就是俄羅斯的“白楊”導彈系列,這種突防性很強的洲際導彈,也少不了錢學森彈道理論的支持。

以上就是我個人對錢學森彈道的各種看法,至於題目中說的打水漂式的彈道,應該是圖二中另一種彈道——Sanger彈道吧,這種彈道也是一種很經典的彈道理論體系,目前的超高速武器的研究基本是基於這兩種彈道的。


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