【远去的雷霆】雷霆之主

　　在充斥着高技术武器的现代，提起航空武器，人们或许立刻会想到各种空对空、空对地导弹以及精确制导弹药，而传统的航空机炮和航空炸弹正在逐渐淡出人们的视野。然而，无论是那一枚在1991年2月27日晚上从F-117隐身飞机上投下的，精确地钻入伊拉克掩体的通风管爆炸的GBU-28“掩体粉碎机”精确制导炸弹，还是那些有“横扫千军”威力的集束炸弹，他们都出自同一个家族，那就是传统航空炸弹家族。现代的航空制导弹药身上仍然带着100多年前的那些炸弹的影子，而那些基本的空气动力学原理更是一直也没有遭到背弃。
　　早在飞机诞生之前，航空炸弹就已应用在了战场上。在1849年的奥地利与威尼斯的战争中，从无人气球上投下的炸弹奏响了航空炸弹的序曲。第一枚从重于空气的航空器上投下的航空炸弹则出现在20世纪初期。1911年11月1日，在意土战争期间，意大利少尉吉利奥·加沃蒂（Giulio Gavotti）从其座机上向土耳其部队投下了四枚由榴弹改装而成的4.4磅炸弹。这些炸弹的威力十分有限，精确度更是无从谈起，但是它们却炸出了杜黑的《制空权》理论，并宣告了空战时代的到来。
　　相对于现代精确制导弹药的“发射后不管”的特性，传统航空炸弹以其“发射后就管不了”的特点令航空武器设计师们颇为费心。本文将和大家一起讨论航空炸弹为保持弹道稳定性而采取的方法。
　　炸弹尾翼的作用
　　谈到弹道稳定性，那我们就得先明确一下稳定性的概念。广义上的稳定性是指：当一个系统处于平衡状态时，如果受到外来干扰的影响后，仍然能够回到平衡状态，那么该系统就是稳定的。系统能够稳定的关键在于当其受到干扰时，系统会不会自动产生一个阻碍这种扰动继续发展下去的力。本文给出了稳定、中立稳定和不稳定的三种状态的图示。对于a图中的小球而言，当有干扰使其脱离原来的平衡位置的时候，在重力和支持力的共同作用下，会有一个力促使小球回到原来的位置上去，类似这样的系统便是处于稳定平衡状态。对于b图中的小球而言，到哪里都能处于新的平衡状态，这种随遇而安的系统通常被称作处于随遇平衡状态。而c图的小球则不会那么幸运了，稍微出现的干扰力便会打破其脆弱的平衡，这样的系统是不稳定的。
　　对于航空炸弹而言，要想保持弹道的稳定性，必须使其时刻处于稳定平衡状态，而尾翼在这里则起着至关重要的作用。炸弹在空中飞行的过程中，会受到重力和空气动力的共同影响。如图所示，当炸弹的飞行攻角为正值时，没有尾翼的炸弹，其空气动力的作用点位于炸弹的重心前面，由此产生的力矩会使炸弹始终受到一个抬头的力矩，这样炸弹就会在空中翻滚起来，从而失去稳定性。安装在炸弹尾部的尾翼（安定器）则会产生一个使炸弹有低头趋势的力矩，以此来平衡弹体产生的抬头力矩，这个力矩起到了a图中将小球拉回平衡位置的恢复力的作用。在这个修正力矩的作用下，炸弹的弹体轴会逐渐和相对气流的方向重合，使得炸弹以稳定的姿态下落。另外，浇铸而成的炸弹外壳，往往将弹头部分的外壁做得厚一些，以便增加弹头头部的重量，使得炸弹的重心前移，起到了增加弹道稳定性的效果。
　　弹道环的作用
　　其实，如上所述的尾翼稳定作用的应用可以追溯到弓箭刚刚被发明出来的远古时代，炸弹应用尾翼来提高弹道稳定性的方法连古人都能理解。只是，随着炸弹在空中下落的不断加速，古人不好理解的现象出现了，那就是跨声速。在重力的作用下，刚刚脱离飞机的炸弹会开始加速，而其受到的空气阻力会随着速度的增加而不断增大，最终，当炸弹受到的重力和阻力大小相等的时候，其下落速率就达到了最大值并不再增大，这便是炸弹的极限速度。每一个从空中下落的物体都会有其相对应的极限速度，该速度的大小取决于物体的形状和其重量。重量越大、空气阻力越小的物体，其极限速度越大。
　　有一个用来描述航空炸弹形状的物理量叫做标准下落时间。其定义为在标准大气压下，从海拔2 000米的高度以40米/秒的水平速度投下的炸弹落到海平面高度的时间。这个时间越短，就说明炸弹受到的空气阻力越小。按照牛顿力学定律，我们不难算出，在真空中，所有炸弹的标准下落时间都是约20.20秒。而在大气层内，由于空气阻力的作用，所有的标准下落时间都会大于20.20秒。实际上，航空炸弹的下落时间大多分布在在20.25秒到23秒之间。如我国的100-2型航空爆破炸弹的标准下落时间为 22.29秒。对于标准下落时间较长的高阻力弹体，其极限速度在230米每秒左右。而对于低阻力弹体而言，其下落速度能达到600米每秒以上。标准大气下，15摄氏度时，海平面高度的声速约为340米／秒。因此，不同的航空炸弹的极限落速涵盖了亚声速和超声速的广泛区域。
　　当物体在空气中飞行的时候，其对空气的扰动以声速向四面八方传播。当物体运动的速度超过声速时，在扰动还没有传播到前方空气的时候，物体已经提前到达。来不及让开的空气在物体前面形成了一层仅有几微米厚度的激波。激波虽然很薄，但是其两侧的大气密度、温度和压强都有很大的不同。我们听到的超声速飞机飞过时的巨响、**射击时的爆音以及炸弹在下落过程中发出的尖啸都和这层薄薄的激波有关。早期的航空炸弹装在轰炸机的弹舱内。为了便于放置，其形状多为短粗型，属于典型的高阻力弹体。这样的弹体在下落的过程中，有着跨越声速的极限速度。这便对炸弹的稳定性提出了一个挑战。在相对气流与弹体轴的方向不一致的时候，气流相对弹体从前下方吹来。气流速度在炸弹上呈不均匀分布：在炸弹的上半部分，气流在接近弹头的部位就达到了最大值，而在炸弹的下半部分，气流在弹体尾部才达到最大值。当炸弹接近声速的时候，在弹体上便会出现局部激波，而不均匀分布的激波使得炸弹弹体各处受到的压力出现了差异，使得炸弹在空中发生不可控制的翻转，从而失去了弹道稳定性。
　　为了避免炸弹在跨声速飞行时的不稳定现象，人们在炸弹头部安装了一个叫做弹道环的装置。实际上，弹道环仅仅是一个突出于弹头外径的钢圈，其作用原理也并不复杂。在炸弹跨声速的过程中，激波的出现是不可避免的。而弹道环则使得相对气流在上面提前偏转，使得局部激波在弹道环附近出现。因为弹道环本身是轴对称的，所以这是的局部激波也是轴对称的，其形状类似一把撑开的雨伞，而伞柄恰好于弹体轴重合。这样，局部激波产生的附加压力对称地作用在弹体一周而相互抵消，避免了其对弹道稳定性的影响。
　　结束语
　　随着技术的不断发展，航空炸弹已进入了自主制导与自动控制的时代，传统航空炸弹将退出历史的舞台。原本大多由轰炸机携带的炸弹也成了战斗机、对地攻击机的制式装备。航空炸弹逐渐由大型轰炸机的弹仓走到了战斗机的翼下。外挂式的携带方式使得人们对航空炸弹的阻力有了新的要求。以往的大面积尾翼、环状安定器等装置逐渐被带有定位和导航功能的智能模块所取代。航空炸弹的弹体也更加细长，弹头更为尖削。在炸弹的极限速度明显超过声速的时候，弹道环的稳定作用越来越不显著，而其给炸弹带来的激波阻力则越来越大。因此在航空低阻炸弹和航空制导炸弹上，我们已很难再找到弹道环的踪影。传统炸弹已经过时，其啸叫声早已远离了现代化的战场，但是那些简洁实用的设计思想却会一直影响着武器系统的设计。
　　责任编辑：王鑫邦