原创 东风-17导弹能在太空打水漂吗？钱学森弹道和乘波体飞行器都是啥？

原标题：东风-17导弹能在太空打水漂吗？钱学森弹道和乘波体飞行器都是啥？

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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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。

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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

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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

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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

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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。

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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。

注：本文最早发布于2019年

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