在前几天的国庆阅兵仪式上,展出了我国的许多新式武器。尤其引人注意的是东风-17导弹,有报道说:这是一种新式的高超音速武器,可以在太空打水漂,还用到了乘波体和钱学森弹道两种物理原理。
导弹能在太空打水漂吗?乘波体、钱学森弹道都是什么意思呢?今天来给大家做个简单的介绍。
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1打水漂的原理
打水漂可能是全世界小朋友们都玩过的一款游戏了。找一块扁平的石头,用很大的力气扔到水面上,只要找好角度,石头就能在水面上跳很多次。可是,你知道打水漂其实也有科学道理吗?
2005年,几位法国学者在英国杂志《流体力学》上发表了一篇文章,标题就叫《打水漂》。
打水漂的论文

在这篇文章中,科研人员制作了许多扁平的圆形铝片做石头,又专门制作了一台打水漂机,以此研究不同的参数对打水漂的影响。
比如:要打出漂亮的水漂,石头必须以一定的角速度自转,只有这样才能通过陀螺效应保证石头的方向不会在运动过程中变化。要让石旋转起来,就需要在扔石头的时候用手指勾住石头的边缘——许多小朋友打不出水漂,可能都是因为不知道这个秘诀。
         高速摄影机拍摄的反弹过程
而且,通过多次实验,研究者找到了最佳的入水角度:石头平面与水面的夹角α和速度方向与水面的夹角β都大约是20度时,反弹的效果最好。
入水角度

在石头入水时,由于和水面发生了碰撞和挤压,石头会受到水的作用力F。文章根据流体力学的基本原理,得出了石头入水时的受力公式:
这个作用力可以分解成竖直向上的Fy和水平向后的Fx,就是靠着竖直方向的力,石头弹跳起来了。要获得很大的上升力,较大的入水速度也是必须的。
总而言之,通过研究,我们会得出这样的结论:要打出漂亮的水漂,需要较大的速度、较快的自转和合适的入水角度。
2研究打水漂有什么意义?
研究打水漂有什么用呢?还真挺有用的。
比如,你可以参加每年的世界打水漂大赛,还可以作为打水漂世界冠军计入吉尼斯世界纪录,名垂青史。现在的吉尼斯世界纪录保持者名字叫库尔特,他在1965年的比赛中打出了88个水漂。
库尔特
当然,除了这种作用外,打水漂研究在军事上也曾发挥过重要的作用。
1943年,第二次世界大战还处于胶着之中。盟军策划炸毁德国的重工业基地——鲁尔工业区。鲁尔工业区有丰富的煤炭资源,也成了德国钢铁、军工产业的基地。两次世界大战中,鲁尔工业区都是德国重要的产业基地。
可是,由于德国的防空力量强大,盟军的几次轰炸的效果都不理想。于是,有人提出:应该炸毁鲁尔河上游的三座水坝,这样一来鲁尔工业区会被洪水淹没,而且修复大坝需要很久,这段时间工业区的电力供应也会被切断。
鲁尔河上游水坝
盟军能够想到的方法,纳粹自然也能想到。德国设计了强大的水坝保护火力,盟军的轰炸机无法靠近水坝。为了防止盟军飞机在远处投掷鱼雷炸弹,德国还在水坝附近的河里安装了拦炸弹网,鱼雷也无法从水面到达水坝。
这时,英国空军的一位工程师巴恩斯.沃利斯突发奇想:为什么不用打水漂的方法炸掉水坝呢?
巴恩斯.沃利斯

他的方案是:制造一种圆柱形的炸弹,让轰炸机在远处投下旋转的炸弹,炸弹遇到水面之后会像打水漂那样跳起,通过几次跳跃跳过拦炸弹网,炸掉水坝。
跳蛋

也许有人会认为这是天方夜谭。可是,按照这种设想,盟军真的炸掉了鲁尔河上游的两座水坝,给了希特勒沉重的打击。
被炸后的水坝
现代人甚至重复了这个实验,我们会看到这个炸弹在水面上高速跳起,非常有趣。
跳蛋实验
3巡航导弹和弹道导弹
介绍完打水漂的原理,我们终于要讲到今天的主题:导弹了。
导弹与炸弹的区别在于:炸弹一般是无动力的,扔出去之后只能凭借惯性和重力作用运动。而导弹一方面具有动力,可以飞更远的距离,另一方具有制导能力,可以锁定或调整自己的目标。
我们可以给导弹做一个粗略的分类,把它们分为巡航导弹和弹道导弹。
巡航导弹一般在大气层中飞行,由喷气式发动机提供动力,靠弹翼提供上升力,这些都与飞机相同,我们基本可以把巡航导弹看作一个携带炸药的无人机。例如著名的巡航导弹——战斧,精确度很高,射程2500km。这种导弹在海湾战争中发挥了重要作用,也是美国战场0伤亡目标的重要武器。
战斧导弹
不过,巡航导弹也有自己的缺点。例如射程较近,飞行高度低,速度慢。战斧导弹的速度大约0.7马赫。马赫表示空气中的声速——大约340m/s, 0.7马赫即0.7倍声速,大约900km/h。这个速度与一般的喷气式客机差不多。加上它的飞行高度低,一旦被敌人发现,就很容易被拦截——防空导弹、高射炮甚至肩扛式火箭筒都可能把它打下来。
所以,除了巡航导弹,人们还发明了弹道导弹——一种射程极大,速度极快的导弹。
弹道导弹为了获得较大的射程,需要飞出大气层,所以它一般携带火箭发动机,自带燃料和助燃剂,无需从环境中吸进氧气。弹道导弹一般没有弹翼,在大气层外,火箭发动机燃料燃尽之后,弹道导弹就变成无动力的炸弹,依靠地球的引力以极快的速度落回地面。由于飞行高度大,弹道导弹的精确度没有巡航导弹高,因此一般设计用于携带威力巨大的核弹。
弹道导弹

说到这里,我们不能不提到一位著名的火箭专家——冯.布劳恩。
冯.布劳恩

1937年,25岁的冯布劳恩成为了纳粹德国火箭试验基地的技术部主任。在第二次世界大战末期,他主持设计了著名的V-2导弹。纳粹用这种导弹轰炸320km之外的英国,导弹末端速度达到4.8马赫,让英国人根本来不及拦截。
V-2导弹

不过,这样先进的武器依然没有阻止希特勒的倒台。1945年,德国被盟军击败,美苏两国都极力搜捕包括冯.布劳恩在内的德国火箭专家——战后美苏两国的导弹技术突飞猛进,其实有很大功劳属于这一批德国科学家。冯.布劳恩经过慎重考虑,最终向美国投降。
来到美国后,冯布劳恩加入了美国航空航天局(NASA),设计了著名的土星五号火箭。正是依靠这种大功率火箭,阿波罗飞船才来到了月球。冯布劳恩被NASA誉为世界上最伟大的火箭专家。
土星五号
4太空打水漂
其实,在德国发明出V-2导弹的时候,希特勒并不满足于轰炸英国,他还有一个更疯狂的想法:用V-2导弹轰炸美国。可是,美国与欧洲远隔大洋,导弹能飞行这么远吗?
德国科学家的头脑果然是非同寻常,1940年,火箭专家桑格尔就提出:可以利用打水漂的原理轰炸美国。依靠火箭助推导弹飞出大气层,当导弹以高速再次进入大气层时,由于大气的作用,导弹会向上弹起,就像打水漂一样。经过几次反弹,导弹就能打到大洋彼岸的美国了。这种弹道也叫做助推-跳跃弹道。
抛物线弹道和桑格尔弹道

但是还没等到这个计划付诸实践,纳粹就倒台了。而且受到技术手段的限制,桑格尔弹道在几十年的时间里一直没有付诸实践。
前几年,我国发射了嫦娥五号实验飞船。飞船返回舱就用到了桑格尔弹道的原理。如果让返回舱直接进入大气层降落,由于速度太快,存在许多不可控因素。所以飞船进入大气层后,首先反弹出大气层实现一次减速,再重返大气层降落。经过实践检验,证实了这种方法——太空打水漂的可行性。
嫦娥五号-T1返回方式
5钱学森弹道
1945年,纳粹战败后,美国派出自己的空气动力学专家远赴德国,接收德国火箭专家的投降,其中就包括后来成为我国导弹事业奠基人的科学家——钱学森。
钱学森在德国

1935年,24岁的钱学森以美国退还的庚子赔款赴美留学,师从著名空气动力学家冯.卡门。1943年,美国获悉德国正在研究火箭,也抓紧建设了喷气实验室,钱学森任喷气实验室组长。二战结束时,钱学森是美国国防部科学顾问,空军上校。他随自己的老师冯.卡门来到德国,与许多德国火箭专家进行了深入的交流。在这个过程中,钱学森逐渐产生了一个新的想法,后人称之为钱学森弹道。
在导弹再入大气层发生反弹时,并不很好控制方向。经过多次反弹,导弹的精确度会有所降低。钱学森设想:能否在导弹再入大气层后就不再飞出大气层,而是在大气层中滑行呢?助推-滑翔弹道的想法诞生了。
钱学森弹道

助推-滑翔弹道相比于传统弹道有一些优势,例如它保留了飞出大气层的部分,从而可以让导弹加速到较大的速度。在进入大气层后不发生反弹,易于控制导弹。在高空大气层中滑行,介于地面雷达和卫星的盲区,比较有利于隐蔽。滑行时导弹仍有动力,可以灵活的改变方向等。
1948年,钱学森在美国火箭年会上向大家展示了自己超音速飞机的想法:火箭助推-再入大气层滑行。利用这种方法,飞机可以在一小时之内从美国纽约飞到法国巴黎。钱学森还画了一张图展示自己的想法。现在网上流传着这张图片,却经常配上“在法国投降之前打到巴黎”之类让人啼笑皆非的标题。
钱学森构想

1955年,中国释放了11名朝鲜战争的美国战俘,作为交换,钱学森获准回国。在钱学森的指导下,1960年,中国第一枚仿制导弹东风-1发射成功。如今,东风导弹已经有十余种型号,是中国重要的战略装备。
DF-17导弹

国庆展出的东风-17导弹,预计速度5-20马赫,射程约2000km,速度快,轨迹捉摸不定,难以拦截。由于很多技术细节没有公开,所以其实我们并不清楚其采用的是桑格尔弹道,还是钱学森弹道,抑或是二者的改进。不过凭借速度优势,东风-17导弹就可以无视大部分的反导系统,天下武功,唯快不破。
6乘波体
还有一个问题没有解释:没有弹翼的导弹,是如何在大气层中获得上升力实现滑翔的呢?

我们以前介绍过:如果物体的运动速度超过声速,声波会叠加在一起,形成马赫锥。
超音速飞行器的马赫锥

此时,强烈的冲击波(或叫激波)会使空气发生挤压,空气的密度也会发生变化,形成一堵空气墙。导弹在空气中滑翔,就像冲浪板在水面上航行一样,具有这种特点的飞行器叫做乘波体飞行器。在大气中飞行的高超音速飞行器,大多要用到乘波体的原理。
由于超音速飞行器在大气中飞行时会产生高温,许多飞行器必须设计合适的形状和阻热材料表面,才能让飞行器长时间、高速度的飞行。有研究表明:锥形的头部能够让激波与飞行器有一定间距,从而形成隔热层,所以许多超音速飞行器采用了这种设计。
美国在超音速飞行器方面投入了很多力量进行研究,例如X-51, HTV-2,都是设计速度为20马赫的飞行器。只可惜在实验过程中,这些飞行器大多没有经受住考验。
HTV-2飞行器
东风-17导弹的锥状头部、两侧的小翼,就是为乘波体特别设计的。也许我们在超音速飞行方面已经走在了世界的最前列。
大国之间,最重要的就是战略平衡。通俗来说,你有的武器我一定要有,这样才能保证对等威慑。比如美国研制出了原子弹,中国也勒紧裤腰带做出了原子弹;美国有B-52轰炸机,可以把原子弹扔到全世界各个地方,我们也做出了东风-5、东风-41弹道导弹,也能够把核弹扔到美国;美国为了防御中国的远程导弹建立了萨德反导系统,中国就有了东风-17这种高超音速弹道导弹,用以克制萨德…
也许只有大国之间有了战略平衡和对等威慑,才能维持世界的相对稳定和和平。
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