MICA导弹气动性能分析研究

李小林，杨 帆，傅建明，彭中良

(上海机电工程研究所，上海 201109)

0 引 言

“米卡(MICA)”导弹的全称为MICA拦截与格斗导弹，是一种兼具中距拦截和近距格斗功能的空空导弹，堪称法国导弹科技的招牌，是法国空军和海军航空兵的主力装备[1]。自服役以来，MICA已装备在“幻影2000”、“阵风”等先进战斗机上，并随战斗机出口到埃及、印度、希腊、摩洛哥、卡塔尔、阿曼、阿联酋等多个国家以及中国台湾地区。中国台湾空军在2002年“汉光”演习中首次进行了MICA导弹的全射程全制导实弹射击，一架参演的“幻影2000-5”战斗机同时发射了2枚MICA导弹，成功摧毁了30 km外模拟苏-27的靶机。MICA导弹以其独特的设计思想、优良的作战性能成为各国现役第四代空空导弹中的佼佼者。

本文以MICA空空导弹为研究对象，通过搜集资料，采用反设计[2]的方法，还原导弹气动与结构模型，并采用CFD计算手段，分析了MICA导弹的气动性能。针对该型导弹气动布局上的某些特点，研究各主要气动部件的作用，分析设计者的设计意图、所用关键技术和理论，有助于为我国空空导弹设计积累经验并提升设计能力。

1 MICA导弹概况

近三十年局部战争经验表明，空空导弹是交战双方空中对抗的主要武器，其性能的高低已成为决定战争胜负的重要因素，也是各军事强国优先发展的武器装备[3]。

20世纪80年代，法国国防部希望发展一种能够适应90年代乃至21世纪初空战环境的空空导弹。出于节省国防预算和减轻后勤供应负担的考虑，法国国防部希望导弹能够兼顾中距拦截和近距格斗的功能。1979年，法国马特拉(Matra)公司启动MICA导弹研制计划，期望以一套导弹系统取代R550魔术近距格斗导弹和超530D中距拦截导弹。MICA导弹于1991年进行首次飞行试验并于1998年服役法国空军。

该型导弹长3.1 m，弹径160 mm，发射质量112 kg，最大射程50～60 km，最大速度3Ma，最大过载35g～50g，最主要的特点是采用模块化设计，可以根据任务需要更换导引头。MICA-EM为主动雷达制导型，装有尖锐的陶瓷制雷达天线罩，用于中距拦截，于1996年开始量产；MICA-IR为被动红外制导型，装有钝头的整流罩，用于近距格斗，于2000年开始量产。两种导引头都具备一定的抗干扰能力，图1所示为雷达型与红外型MICA的外形。

图1 雷达型与红外型MICA导弹Fig.1 MICA-EM missile and MICA-IR missile

MICA导弹采用了推力矢量控制技术，在发动机尾喷口处装有燃气舵，由控制系统对空气舵和燃气舵进行组合控制。当海拔较低时，导弹的最大过载达到50g，在近距格斗时，一般的三代机很难逃脱。中国台湾空军订购了400枚MICA-EM导弹用于装备法制“幻影2000-5”战斗机，中东的卡塔尔也订购了MICA主动雷达制导型[4]。图2为“阵风”战斗机挂载6枚MICA-EM导弹。

图2 “阵风”战斗机挂载6枚MICA导弹Fig.2 Rafale fighter with a load of 6 MICA missiles

在空空型MICA获得成功以后，2000年7月法国马特拉公司与西班牙航空制造公司(CASA)和德国戴姆勒-克莱斯勒航宇公司(DASA)合并，组成欧洲航空防务和空间公司(EADS)。MICA导弹的后续发展由EADS公司的子公司欧洲导弹集团(MBDA)接手。2000年，在新加坡举行的亚洲航空展上，MBDA首次公开展示了垂直发射型地对空MICA导弹[5](vertical lunch MICA，简称VL-MICA)。2001年，VL-MICA进行了首次地面发射测试并获得成功。垂直发射型MICA是对空空型MICA的改进，将发射平台由空基扩展为陆基和海基，以满足法国陆军和海军防空的需要。

依据制导体制不同，VL-MICA同样分为主动雷达制导型和被动红外制导型，尺寸与相应的两型空空版相同，使用4联装发射箱储运，最大射程20 km，最大速度3Ma。2005年2月，装备红外导引头的VL-MICA在陆地上进行发射试验。目标为低空飞行的小型无人机，无人机在10 km高度被摧毁,试验成功。2006年4月，法国海军在舰艇上进行海基VL-MICA发射试验。靶机飞行高度较低，用来模拟掠海反舰导弹，目标在10 km 高度被摧毁，试验成功。2008年10月，VL-MICA陆续进行了14次发射试验，靶机飞行高度15 km，其中目标被导弹多次直接撞毁。一系列试验证明，MICA导弹的作战平台成功从空空平台扩展到地空和舰空平台，实现了一种导弹陆海空通用。

截至2009年，MICA的全球订单已超过3 000套，已进行的发射试验超过200次。2016年，垂直发射型MICA导弹出口到阿曼、波兰、罗马尼亚和新加坡等国家。

2002年，MBDA公司曾提出潜射方案，使用运载器将MICA导弹从标准的533 mm鱼雷管发射，目标为反潜直升机或海上巡逻机，但未见后续报道。

MICA导弹的显著特点是头部周边布置了4个窄小边条，弹身中部至舵面前端采用长边条翼，舵面形状为L形。头部窄小边条与中部长边条翼在弹身周向呈交错的“+-×”形分布，舵面与长边条周向分布一致。根据已搜集的关于MICA导弹的资料，可以确定的尺寸有弹长、弹径、翼展和舵展；根据IHS公司2015年披露的空空型MICA的俯视图，测量图中各部件尺寸和相对位置，按照比例反算还原导弹外形(作者注：还原结果可能与实际外形有一定的误差，但不会影响全弹性能分析的结果)，以MICA-EM外形为研究对象，经测量和反算后得到的导弹尺寸如表1所示。

表1 MICA-EM尺寸列表Tab.1 List of MICA-EM’s dimensions

注： 表中各部件的位置均相对头部理论尖点。

从能收集到的现有资料中查阅不到头部曲线方程的信息，但在已知头部长度和头部直径以及初步分析外表弯曲度的前提下，采用卡门型曲线对导弹导引头头部曲线进行拟合更为合理。通过拟合计算，头部曲线方程可用式(1)来表达。

(1)

式中：x和y分别为头部曲线方程的横坐标和纵坐标，x的取值范围为0≤x≤374。

2 数值计算方法

选取三维可压雷诺平均的N-S方程(Reynolds averaged Navier -Stokes，简称RANS方程)作为主控方程[6]，可得RANS方程表达式为

(2)

式中：U为解向量；F和G为通量向量；Ma为来流马赫数；γ为比热比；Re为来流的雷诺数。

(3)

式中：ρ，p，e，T和k分别为密度、压强、能量、温度和热传导系数；ui为沿直角坐标系xi方向的速度分量；i和m为整数，取1～3，分别对应直角坐标系的3个方向。

黏性切应力的分量为

(4)

式中:δmi为Kronecker符号；j为整数，取1～3。

黏性系数之间的关系为

(5)

式中：μL为层流黏性系数，μT为湍流黏性系数。

(6)

式中：PrL和PrT分别表示层流普朗特数和湍流普朗特数。

湍流模型选取目前对逆压梯度适应性好、计算量较小、稳定性较好的S -A(Spalart-Allmaras)方程湍流模型[7]，采用二阶精度的离散格式。计算网格采用全结构网格，如图3所示，网格总数约400万。

图3 导弹结构网格Fig.3 Structure grid of missile

3 气动性能分析

采取部件组合的方法研究不同气动布局的性能差异[8]：图4中A外形为全弹外形；B外形为全弹外形去掉头部小边条；C外形为全弹外形去掉弹身中部长边条；D外形为A外形的基础上将L形舵面补全。针对相同的飞行状态，计算不同气动布局下导弹的性能，通过相互对比探究导弹各部件的作用。由于公开文献资料中查阅不到MICA导弹质心的相关信息，按照一般设计经验[9]，假定导弹的满载质心位于全弹长度58%处，空载质心位于52%处(距离头部理论尖点，后文的压心参考点相同)。

图4 导弹气动布局对比Fig.4 Comparison of missile aerodynamic configurations

图5 不同气动布局和马赫数的法向力系数与俯仰力矩系数对比Fig.5 Comparisons of normal force and pitching moment coefficients of different aerodynamic configurations at Mach numbers

图5(a)给出了Ma=2.0 时，A、B、C三种外形的法向力系数CN曲线；图5(b)给出了Ma=1.5时3种外形的俯仰力矩系数mz曲线。图5中α为合成攻角，力矩参考点为满载质心。可以看出，长边条翼为导弹主升力面之一；头部小边条对全弹法向力影响很小，但是由于位置靠前，对全弹相对质心的力矩有明显的影响，主要用于调节力矩。

图6给出了Ma=1.5、攻角α=30°时，A、B两种外形的头部至边条前缘段的压力系数的流场云图。从图6中可以看出，小边条会显著改变导弹背风面的流场涡结构，无边条影响(外形B)的头部背风面涡核较小，相对紧凑，呈现为圆柱扰流的涡结构，涡外形较圆；带有头部小边条(外形A)的背风面涡核较大，涡核相对导弹纵向对称面分得更开，涡形态不规则。从尾舵的压力分布来看，头部边条的尾流也会对尾舵的压力分布产生轻微的影响。

图6 不同气动布局的小边条流场对比Fig.6 Comparisons of flow field of small strakes of different missile aerodynamic configurations

图7给出了不同马赫数下A、B、C 三种外形的纵向压心系数xcp对比，α为合成攻角。相对于A外形和B外形，C外形的压心明显靠后，且压心随着攻角的增加变化剧烈；A外形和B外形的压心曲线趋势较一致，随攻角增加变化较为平缓。分析可知:一方面，相比无边条翼外形，导弹采用长边条翼可使全弹压心前移，降低导弹静稳定度，有利于增加导弹可用攻角；另一方面，使用长边条翼可使导弹压心随攻角平缓变化，有利于控制系统设计。对比A外形和B外形可知，头部小边条可使全弹压心前移1%～3%。一般空空导弹的发射速度在Ma=2.0以内，攻角很小，在发射时A外形和B外形的全弹压心均在60%以后，假定满载质心在58%，满足发射静稳定性要求。

图7 不同气动布局和马赫数的压心系数对比Fig.7 Comparisons of pressure center coefficients of different missile aerodynamic configurations at Mach numbers

图8给出了外形A和外形D的迎风面舵面的铰链力矩系数mh对比曲线，α为合成攻角。图8(a)为Ma=0.9时负舵偏情况下的铰链力矩系数；图8(b)为Ma=2.0时正舵偏情况下的铰链力矩系数。对比相同舵偏角下两种外形的舵面铰链力矩曲线可知，D外形补全梯形舵面的铰链力矩明显大于A外形的L形舵面的铰链力矩，而且L形舵面的铰链力矩系数随攻角的增加变化较平缓。

图8 不同气动布局和马赫数的铰链力矩系数对比Fig.8 Comparisons of hinge moment coefficients of different missile aerodynamic configurations at Mach numbers

图9给出了A、B、D 3种外形在空载质心下的法向配平舵偏δT与10 km海拔高度的法向配平过载n对比曲线，α为合成攻角，导弹质量参考发射质量。其中，图9(a)和图9(b)分别对应Ma=0.9和Ma=2.0的情况。对比A外形和D外形的曲线可知，相对空载质心，A外形和D外形的配平过载曲线基本重合,使用L形舵面和补全舵面能够产生基本相同的法向过载，而L形舵面相比补全舵面的配平舵偏更小。对比A外形与B外形的曲线可知，使用头部小边条能够有效地增加配平法向过载，同时能够降低配平舵偏角。

图10给出了不同马赫数下导弹A外形在10 km高度时对空载质心的法向过载n曲线，α为合成攻角。根据文献[4]，MICA导弹的极限过载为50g。从法向过载曲线来看，在导弹速度达到2.5Ma～3.0Ma时，攻角超过30°后，导弹的过载能够超过50g，对应的法向配平舵偏角δT绝对值不超过25°。假定单个舵面的极限舵偏角[10]为30°，从计算结果来看，在飞行末端，导弹的极限过载能力与文献资料所述相符。当Ma在2.5以下时，导弹在各攻角下能够配平，但最大过载需要在燃气舵配合的情况下才能实现。

图9 不同气动布局和马赫数的配平舵偏角与法向过载对比Fig.9 Comparisons of trim deflection angle of rudder and normal overload of different missile aerodynamic configurations at Mach numbers

图10 不同马赫数的配平舵偏角与法向过载对比Fig.10 Comparisons of trim deflection angle of rudder and normal overload at different Mach numbers

4 结束语

MICA导弹以大过载能力著称，除得益于导弹本身质量小外，优秀的气动布局设计也是提升导弹过载能力的主要原因。MICA导弹气动外形与其他空空导弹外形的显著区别之处在于其头部使用小边条，尾部使用L形舵面。研究表明：使用头部小边条，既可以增加导弹过载能力(超声速下平均增加约10%)，也可降低配平舵偏角(超声速下平均减小约20%)；使用尾部L形舵面，与补全舵面相比既能够显著减小铰链力矩，也可以在提供与补全舵面同等过载能力的前提下减小配平舵偏角(超声速下平均减小约20%)。